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1、软开关逆变式弧焊电源的设计摘要:软开关技术是解决逆变弧焊电源可靠性的核心技术.本文提出了一种新的软开关逆变弧焊电源的设计方案,该方案基本上可实现空载、短路、燃弧全负载范围内的软开关状态.本文分析了超前臂的关断功耗与并联电容之间的关系,串联电容及回路电感对环流期的电流变化的影响.并指出了滞后桥臂零电流关断区域,以及超前臂和滞后臂的零开通条件.在此基础上提出了引入无功电流分量解决空载及轻载时软开关失败问题的方案,以及几个主要谐振参数的设计方法.在实践中采用本方案表明,降低了开关应力及损耗,提高了整机可靠性,降
2、低了弧焊电源的成本.关键词:软开关;逆变;弧焊电源中图分类号:TG444文献标识码:A文章编号:0253-360X(2002)01-14-050序言 软开关逆变技术已成功应用于众多电源中,但在逆变弧焊电源的应用中,由于弧焊电源经常工作在输出开路、短路、燃弧等状态中,负载范围宽,在整个负载范围内实现软开关难度大.现在逆变焊机中软开关控制方式主要分为两种,第一种是串联谐振式的调频工作方式(PFM),这种方式弧焊电源空载时的无功电流太大,主回路中电流峰值很高,存在电流连续与非连续两种状态,控制复杂,仅
3、美国米勒公司在某些类型的焊机中采用;第二种是全桥移相谐振的脉宽调制工作方式(PWM),由于采用PWM控制,控制特性较好,回路中电流峰值低,但实现软开关的条件范围窄[1],本研究提出一种新的软开关逆变弧焊电源的设计方案,解决如何在整个工作范围实现逆变弧焊电源软开关的问题.1主回路设计与实现1.1主回路形式 主回路选用改进型的全桥相移谐振式电路,如图1所示.Q1,Q3为超前臂;Q2,Q4为滞后臂;C1,C3为超前臂电容;C2,C4为滞后臂电容;C1=C3≥C2=C4,CX为抑制环流电容,LX
4、1为变压器回路等效漏感,LX2为饱和电感,B为变压器.E为输入电压,Uo为输出电压.1.2控制方式(1)采用峰值电流控制模式,既保护了开关管又可有效抑制变压器偏磁.(2)软开关实现模式为Q1,Q3为PWM控制;Q2,Q4为互补180°导通,不进行PWM调制.整个工作过程分为四个模式.1.3电路的实现1.3.1实现中的几个主要问题(1)元件选择将以上计算应用于ZX7系列及NBC系列逆变焊接电源的设计中,以ZX7-500电源为例,其功率管可用100A/1200V的IGBT,主变压器采用非晶铁芯绕制,串在
5、变压器原边的电容采用高频CBB系列电容.(2)控制回路的实现由于没有此种导通模式的专用芯片,本设计是在电流型芯片UC3846的基础上改造使用.(3)实现中的难点饱和电感由于功耗很大、发热,且电感量易发生变化,设计应选择损耗小、矩形度好的铁芯材料.1.3.2主电路中的几个波形主电路中的几个波形如图3所示.2主回路中参数选择计算 以ZX7系列焊机为例,焊接电源的外特性曲线如图4所示.弧焊电源要可靠工作必须满足在ADBO整个包络线内的所有点上C1,C2,C3,C4要换流充分,否则开
6、通时IGBT两端并联的电容将直接向IGBT放电,使开关器件IGBT损坏.2.1空载、轻载时C1,C3的换流问题图4中A点及附近点区域输出电流很小基本上为零,即焊机为空载状态或轻载,此时输出为最大脉宽,C1,C2,C3,C4电容无法进行换流,造成软开关模式失败.解决方法是在逆变桥内引入无功电流,使超前臂和滞后臂电容换流完毕,由于C1=C3,C2=C4,故主要考虑超前臂的换流,换流无功电流大小满足式为式中:I[sub]s[/sub]为换流期间的无功电流;t[sub]s[/sub]为死区
7、时间;E为电源电压.2.2超前臂电容大小的确定超前臂为负载换流,C1,C3的作用是降低关断损耗和改善关断轨迹,等效电路如图5所示.图中C是等效的超前臂电容;Io是输出电流折算到原边回路的等效恒流源.假定U是IGBT的c、e两端电压,I是流过IGBT中的电流,Ucg是c、g两端电压,Uge是g、e两端电压.由于EUge,所以Ucg≈U,IC是流过C中的电流.2.2.2IGBT的关断功耗IGBT的关断分为两部分,一是场效应管的关断过程,二是内部载流子的自身复合过
8、程.整个关断过程可等效如图6[2]所示.图中t[sub]OFFA[/sub]为电流下降时间;t[sub]OFFB[/sub]为电流拖尾时间,关断过程的IGBT上的功耗主要由t[sub]OFFA[/sub],t[sub]OFFB[/sub]决定,设关断电流简化为线性下降,关断时间为t[/sub]OFF[/sub]见图6.IGBT中的电流为根据式(2)可计算出电容量大小.2.3环流过程分析及串联电容的计算 超前
