1、新型零電壓軟開關弧焊逆變器仿真及實驗研究        摘  要：采用新型軟開關電路拓撲，結合應用移相控制軟開關技術和電流峰值控制技術，研制出一種新型軟開關弧焊逆變器。仿真和實驗結果表明，所研制的弧焊逆變器能夠實現全范圍的軟開關，并且具有良好的限流和自校正能力，可以有效的解決功率變壓器的偏磁問題。 關鍵詞：弧焊逆變器， 軟開關， 電流峰值移相控制   計算機仿真 Study on a Novel Zero-Voltage Soft-Switching Arc Welding Inver

2、ter Du Guiping1、2  Huang Shisheng2  Wang Zhenmin2  (1.FoShan  University;    2.Guangzhou    South China University Of Technology) Abstract: A novel soft-switching topology is presented and the phase-shifted soft-switching technology and peak current

3、injection technology are applied in the research of soft-switching arc welding inverter. The simulation and experiments results indicated that the novel inverter is with full range soft-switching and is capable of auto-correction and current limiting which solves the magnetic bias of power transform

4、 effectively. Key words: arc welding inverter, soft-switching, peak current-injection phase-shifted control,  computer simulation 1  前  言     弧焊逆變器由于具有體積小，重量輕，效率高等優點1，目前在工業生產中得到越來越廣泛的應用，但是采用硬開關模式的弧焊逆變器還存在許多問題，如開關應力大，EMI比較高等缺點，這些問題成為弧焊逆變器進一步發展的瓶頸，限制了弧焊逆變器的進一步的推廣和應用。本文根據功

5、率電子領域的最新進展，應用和發展了一種采用磁開關啟用優化的激磁電感，同時配合漏感和分布電感，實現大功率軟開關直流變換的新型全橋零電壓軟開關電路拓撲,將移相控制技術和電流峰值控制技術相結合，研制出全范圍軟開關的新型弧焊逆變器。1         電流峰值移相控制軟開關工作原理 1.1  新型零電壓電路拓撲 普通移相控制全橋零電壓軟開關變換電路存在滯后橋臂軟開關范圍較窄、占空比損失較大、整流二極管電壓振蕩、初級有環流損耗等方面的問題2,3。其滯后橋臂換流時，功率變壓器正處于無源狀態，即續流狀態，輸出電感和激磁

6、電感都不能參與滯后臂的諧振換流。激磁電感參與全橋變換器諧振換流的充要條件是器件換流期間變壓器處于能量輸出狀態或純電感狀態4。因而，對這種軟開關電路改進的基本原理是在滯后橋臂換流時使得變壓器由續流狀態轉化為純電感狀態，從而啟用激磁電感參與滯后橋臂的串聯諧振。最簡單的辦法就是采用磁開關。所謂磁開關，就是指由伏秒數決定阻抗、在趨近零電流時飽和的非線性電感。圖1給出了采用磁開關啟用激磁電感實現軟開關的主電路原理圖。 1.2  峰值電流模式移相控制技術的實現     弧焊逆變器不同于傳統電源，其功率開關器件導通電流等內部變量的瞬態值具有相對獨立性。只有直接控制電流

7、瞬態峰值，才能有效的快速保護功率開關器件，同時克服全橋式弧焊逆變器的偏磁問題，提高其動態反應速度和可靠性。因此，本電源采用峰值電流控制模式。它是將代表了開關管瞬態電流信息的動態信 跟一個頻率和幅值很小且恒定的鋸齒波信號 疊加，然后再與參考電壓信號 進行比較，共同決定導通比d 的大小。導通比d既與參考電壓成正比，又與開關管瞬態電流到達峰值的時刻相關。從而保證開關管的瞬態電流峰值跟隨參考電壓而變化。這種控制方式具有內在的瞬時限流調整能力，可以實現對功率開關器件的動瞬時保護，還可以自動保持高頻功率變壓器動態磁平衡。更重要的是電流峰值控制方法可以同移相軟開關技術有機結合，從而全面地改進逆變器的性能。&

8、#160;      開關管瞬態電流采樣采用霍爾電流傳感器。它具有絕緣耐壓高（2KV）、測量準確（1%以內）、動態性能好（電流跟蹤速度高于50A/us）和可靠性高等優點。尤其是霍爾傳感器可以直接檢測有直流分量的高頻交流信號，并且可以克服電流互感器的磁通復位5問題。所以特別適合用來獲取峰值電流控制模式所需要的瞬態電流信息。 移相控制芯片采用美國Unitrode公司最近推出的改進型移相軟開關控制器UC3879。該芯片從總體結構上可劃分為三個部分：（1）脈寬調制信號發生器；（2）移相驅動指令形成電路；（3）工作電源及保護等輔助電路。具有眾多

9、優點，能夠滿足采用峰值電流控制的脈寬調制的需求。為了克服系統在導通比大于50%時的不穩定現象，需要進行斜率補償。當斜率補償電壓信號的上升率大于或等于輸出電感中電流對應檢測信號的下降率的一半時，則可以保證在導通比從01的全部范圍內，系統總是穩定的。同時，斜率補償電路可以提高脈沖寬度調制的有效幅值與參考電壓的最大值之比，從而改善系統的抗噪性能。補償信號的上升率越大，則電流注入控制電路對噪聲的敏感性越小，系統的抗噪性能越強。另一方面，如增大補償信號的上升率，則電流控制的開環穿越頻率會減小，影響系統的動態響應速度。綜合以上因素，將斜率補償電壓信號的上升率設計為輸出電感電流檢測信號下降折算值的70%80

10、%。2        新型逆變器仿真研究  采用交互式電路仿真軟件ICAP/4（Interactive Circuit Analysis Program 4.0），針對通過磁開關啟用激磁電感并配合漏感實現軟開關換流的新型電路結構，利用計算機仿真試驗，系統地研究了新型全橋式軟開關弧焊逆變器的動態過程。其動態過程仿真主要基于以下條件：1)輸出直流電流：Io=400A；2）等效負載電阻：Ro=0.1W；3）功率開關管：BSM150GB120DN2型IGBT；4)串聯諧振電感（包括漏感）：Lr=10mH；5）外接諧振電容：

11、Cr =2nF；6）變壓器初次級匝數之比：N =7；7）磁開關阻斷時間：tblock=2mS；8）次級二極管：MUR20040CT；9）輸出濾波電感Lo=100mH；9）G=530V，頻率為20KHZ。鑒于篇幅，只給出磁開關和橋臂的仿真結果。           圖2給出了磁開關的電壓仿真波形和變壓器初級電流波形。此圖說明，磁開關發揮阻斷作用（即波形 的電壓為高電位）的時間，正是變壓器初級電流（見波形 ）急速變化的時間，也就是滯后橋臂的換流時間，由此可以大大拓展滯后橋臂的軟開關范圍,同時可以降低

12、滯后橋臂延遲時間對實際電路分布參數的敏感性。   圖3給出了領先橋臂和滯后橋臂下部IGBT的驅動波形、集射極間電壓波形及其反并聯二極管的導通電流波形。由圖可見，橋臂中反并聯二極管既能夠與傳統弧焊逆變器中一樣將每只IGBT的最高反向電壓限制在直流輸入電壓值，又可以提供變壓器的漏感電流低阻抗回路。IGBT零電壓導通的充分且必要條件是：當IGBT驅動信號有效時刻，它的反并聯二極管正在導通電流。圖中表明，在IGBT驅動波形 的開通電壓發揮作用之前，IGBT的集射極間電壓Vce（波形 ）已經下降到零，其反并聯二極管正在導通（見波形 ），因此，所有的IGBT都是完全零電壓開通，不存在開

13、通損耗。同時，由于每只IGBT功率開關器件都并聯諧振電容，此并聯電容對其瞬態關斷電壓具有緩沖作用，故IGBT的關斷過程為近似零電壓關斷，可以大大降低其關斷損耗。 3        軟開關逆變器實驗研究 根據新型電路拓撲，將峰值電流模式同相移軟開關技術相融合，成功研制了大功率  弧焊逆變電源。采用由TEKTRONIX公司的TDS210數字示波器、工業控制計算機以及波形分析軟件構成的信息自動采集系統，對研制的新型軟開關弧焊逆變器進行了實驗研究。      &#

14、160; 3.1  軟開關電路實驗 圖4是正常負載時滯后橋臂下部IGBT的驅動電壓VGE和集電極與發射極之間電壓（簡稱集射極間電壓）VCE的實測波形，電壓波形比較好，沒有明顯的寄生振蕩。圖（b）為開關區間的局部放大，此圖說明，在IGBT的驅動電壓（見波形 ）轉變為柵極正偏壓之前，由于功率主電路的諧振換流作用，IGBT的集射極間電壓VCE（見波形 ）已經下降至零，表明滯后橋臂實現了大范圍零電壓軟開關。 3.2  抗偏磁和過流保護 圖5給出了電流峰值控制對高頻變壓器初級電流的對稱校正和自動逐脈沖限流調整的實驗結果。此圖說明，電流峰值控制中同一個給定電流信號既等于變壓器

15、初級電流的正向瞬態峰值，又等于初級電流的負向瞬態峰值。因此，變壓器初級電流在每一個逆變周期中都由于電流峰值控制的反饋調節作用而被校正為完全對稱狀態。從根源上克服了全橋逆變電路因為伏秒數不平衡而導致的直流偏磁問題。也表明電流峰值控制的軟開關弧焊逆變器具有內在的精確、快速自動限流保護功能。            4  結論： （1）采用磁開關啟用激磁電感的新型軟開關電路拓撲，可以成功應用于大功率弧焊逆變器； （2）將電流峰值移相控制技術和大功率軟開關技術相融合應用于基于新型拓撲的逆變器可以使其滯后橋臂軟開關范圍大幅度提高，提高整機效率； （3）有效的解決了偏磁和功率器件的保護問題，使逆變器可靠性有明顯的改善