軟開(kāi)關(guān)弧焊逆變電源的控制技術(shù)

1、軟開(kāi)關(guān)弧焊逆變電源的控制技術(shù)在功率開(kāi)關(guān)器件中，MOSFET工作頻率高，但目前容量還不高，它是開(kāi)發(fā)輕型便攜式弧焊逆變 器的首選器件。IGBT具有控制性能好，容量大的綜合優(yōu)勢(shì)，特別適合用于開(kāi)發(fā)中大功率的弧焊逆變器，IGBT性能的改進(jìn)主要體現(xiàn)在集射極間飽和電壓Uce和開(kāi)關(guān)時(shí)間的不斷下降，產(chǎn)品 的耐壓、電流容量不斷提高。德國(guó)Semikron公司針對(duì)IGBT的結(jié)構(gòu)缺陷加以改進(jìn)，推出單硅型 IGBT。它在結(jié)構(gòu)上的低電感設(shè)計(jì)和軟特性快速可控向壽命二極管結(jié)合，大大減少了關(guān)斷時(shí)的 電壓尖峰，不需RCD吸收電路；沒(méi)有IGBT中的N+擴(kuò)散層，拖尾電流低，無(wú)擎住效應(yīng)；開(kāi) 通和關(guān)斷時(shí)，電流和電壓的交叉點(diǎn)低，且交疊的區(qū)域

2、窄，開(kāi)關(guān)損耗很小。日本Toshiba公司 等已開(kāi)發(fā)出大容量的IGBT智能型功率模塊IPM。在弧焊逆變器的開(kāi)關(guān)器件控制中，主要有如下方式可供選擇：(1)PWM硬開(kāi)關(guān)型。在這種工作方式下，開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通和關(guān)斷期間，其電壓和電流都不為零，存在開(kāi)通和關(guān)斷損耗，即硬開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)。(2)諧振軟開(kāi)關(guān)型。目前，諧振電路的拓樸結(jié)構(gòu)有上百種，總起來(lái)說(shuō)，可分為零電流和零電壓兩種方式。由于在電源開(kāi)通和關(guān)斷期間，開(kāi)關(guān)管上的電流或電壓為零，其損耗亦為零，即軟開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)。(3)軟開(kāi)關(guān)相移PWM控制技術(shù)，充分利用PWM和諧振軟開(kāi)關(guān)二者的優(yōu)勢(shì)，這一技術(shù)將會(huì)成為弧焊逆變器的重要控制方式。 PWM控制芯片由模擬和數(shù)字電路組成。通

3、過(guò)模擬電路的反饋決定被調(diào)制脈沖的寬度，根據(jù)模 擬電路反饋方式不同可分為電壓型和電流型。數(shù)字電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)解碼和脈沖分配等邏輯功能，依據(jù)數(shù)字電路脈沖分配方式不同可分為同步式和移相式。具體分類(lèi)見(jiàn)圖1所示。圖1PWM控制技術(shù)分類(lèi)圖2a為電壓模式PWM控制，它只采樣輸出電壓，作為反饋信號(hào)。變換器是一單閉環(huán)二階控制 系統(tǒng)。線(xiàn)電壓和負(fù)載的任何變化，必須由輸出電壓和參考電壓差值決定的誤差信號(hào)進(jìn)行反饋 調(diào)節(jié)。由于電源輸出濾波電容上的電壓信號(hào)相對(duì)于電流產(chǎn)生90的延遲，因此，電壓型控制 的響應(yīng)速度慢，在全橋電路中易產(chǎn)生偏磁和電流尖峰。a)電壓模式b)電流模式圖2兩種PWM控制模式圖2b為電流型PWM控制，它針對(duì)電壓

4、型的缺陷，增加了一個(gè)電流反饋環(huán)節(jié)，它既有形成誤差 信號(hào)的外環(huán)，又有開(kāi)關(guān)管瞬態(tài)電流內(nèi)環(huán)。開(kāi)關(guān)管電流不是獨(dú)立的變量，變換器成為無(wú)條件的 一階穩(wěn)定系統(tǒng)。由于開(kāi)關(guān)管電流上升斜率決定于Vin和Vout的差值，可以立即響應(yīng)線(xiàn)電壓的 變化，能做到逐脈沖限流。輸出濾波器對(duì)于反饋環(huán)節(jié)只有單個(gè)極點(diǎn)，與電壓型相比，只需要 簡(jiǎn)單的補(bǔ)償，且有更高的增益帶寬2。目前，為了降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力，提高輸出功率度和功率因數(shù)等，已提出了多種新型的主電路拓樸 結(jié)構(gòu)3，而這些電路拓?fù)浣?jīng)改進(jìn)后是可以移植到弧焊逆變器中來(lái)的。2軟開(kāi)關(guān)弧焊逆變電源試驗(yàn)結(jié)果及分析圖3所研制的全橋軟開(kāi)關(guān)手弧焊逆變器的主電路原理圖。主開(kāi)關(guān)器件采用75A/1200V的二單

5、元 IGBT模塊，其中IGBT模塊1包含VT1、VD1和VT3、VD3，構(gòu)成超前橋臂，在超前橋臂的每只開(kāi) 關(guān)管集電極與發(fā)射極之間分別并聯(lián)5nF的高頻電容C1和C3；IGBT模塊2包含VT4、VD4和VT2、V D2，構(gòu)成滯后橋臂。主變壓器變比為22：3，可以表示為理想變壓器T1及其漏抗LK。隔直電 容C的電容值為1.2F。Ls1和Ls2為飽和電感。輸出整流快速二級(jí)管模塊為200A/400V的MURP 20040CT。該電源的控制電路采用UC3875，工作在電壓模式下。它輸出四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)OUTA、O UTB、OUTC、OUTD，其中OUTA、OUTB是超前橋臂上下管子的驅(qū)動(dòng)脈沖，脈寬恒定，相隔1

6、.5 s的死區(qū)，相位相反；OUTC、OUTD是滯后橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)OUTA和OUTD、OUTB和OUTC分 析共同導(dǎo)通時(shí)，電源向負(fù)載傳送功率。通過(guò)反饋調(diào)節(jié)共同導(dǎo)通脈寬的大小，可以控制輸出電 流或電壓，從而實(shí)現(xiàn)逆變器的調(diào)節(jié)特性、輸出靜特性和動(dòng)特性。圖3軟開(kāi)關(guān)全橋弧焊逆變器的主電路原理圖軟開(kāi)關(guān)過(guò)程的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：在超前管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前沿，開(kāi)關(guān)管的 集射極間電壓Uce為零，電流流過(guò)與其反并聯(lián)的二極管，超前管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通；超前管的 關(guān)斷靠并聯(lián)在管子集射極間的吸收電容近似實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。滯后管的開(kāi)通時(shí)，飽和電抗器 處于不飽和狀態(tài)，電抗值很大，滯后管處于零電流開(kāi)通；滯后管的關(guān)斷，利

7、用隔直電容C加 快環(huán)流衰減到零，使滯后管處于零電流開(kāi)通狀態(tài)。實(shí)際焊接試驗(yàn)表明：開(kāi)關(guān)管的安全性和可 靠性明顯提高。可以相信，全橋軟開(kāi)關(guān)相移PWM控制電路將會(huì)成為發(fā)展大功率弧焊逆變器的 主流技術(shù)。a)超前管驅(qū)動(dòng)和電壓壓波形b)超前管電壓和 電流波形c)滯后管驅(qū)動(dòng)和電流波形d)滯后管電壓和電流波形圖4軟開(kāi)關(guān)過(guò)程的試驗(yàn)結(jié)果3結(jié)論(1)由于采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使得開(kāi)關(guān)頻率可以進(jìn)一步提高，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快。降低開(kāi)關(guān)動(dòng) 態(tài)損耗，減省di/dt和du/dt所引起的電磁干擾，提高了弧焊逆變電源的工作可靠性。(2)由于開(kāi)關(guān)管頻率恒定，使得與頻率相關(guān)的電容、電感、變壓器等的設(shè)計(jì)容易得到優(yōu)化。 相對(duì)傳統(tǒng)變頻諧振軟開(kāi)關(guān)的逆變電源，開(kāi)關(guān)管所承受的電流和電壓應(yīng)力減少