kr【doc】軟開關(guān)弧焊逆變器諧振電路的優(yōu)化設(shè)計

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。kr【doc】軟開關(guān)弧焊逆變器諧振電路的優(yōu)化設(shè)計kr【doc】軟開關(guān)弧焊逆變器諧振電路的優(yōu)化設(shè)計軟開關(guān)弧焊逆變器諧振電路的優(yōu)化設(shè)計電氣傳動2005年第35卷第4期軟開關(guān)弧焊逆變器諧振電路的優(yōu)化設(shè)計軟開關(guān)弧焊逆變器諧振電路的優(yōu)化設(shè)計周漪清黃石生張紅兵1.華南理工大學(xué)2.江門廣播電視大學(xué)摘要論述了移相全橋零電壓脈寬調(diào)制(FBZVSPWM)弧焊逆變器諧振原理,分析了主電路中諧振電感,諧振電容,以及變壓器磁心氣隙,給出了逆變器電路中各個元件參數(shù)的定量計算以及仿真和試驗波形.關(guān)鍵詞功率變壓器諧振參數(shù)仿真弧焊逆變器

2、OptimalDesignoftheResonantCircuitofArcweldingInverterwithSoft-switchingZhouYiqingHuangShishengZhangHongbingAbstract:Theresonanceprincipleofthefullbridgezerovoltagepulsewidthmodulationarcweldinginverterwithsoftswitchingisstatedandtheresonantinductancesandcapacitorsinthemaincircuitofinverterareanalyze

3、d.Thegapofpowertransformermagneticcoreandallcomponentparametersarecalculatedquantificationallyandtherelevantsimulationwaveformsandexperimentwaveformsaregiven.Keywords:powertransormerresonantparameterssimulationarcweldinginverter1引言近年來,軟開關(guān)技術(shù)被應(yīng)用于各種開關(guān)電源,尤其是在10kW以上的焊接逆變器上的應(yīng)用在我國才剛剛開始_】.軟開關(guān)諧振變流技術(shù),從本質(zhì)上克服了硬

4、開關(guān)型弧焊逆變器的缺點,在很大程度上解決了功率開關(guān)損耗過大的問題,降低了逆變器du/dt和di/dt,減少了電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI).軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn),使弧焊電源的應(yīng)用水平上了一個新臺階.相對于傳統(tǒng)弧焊電源,移相式軟開關(guān)全橋零電壓脈寬調(diào)制(FBZVSPWM)的弧焊逆變器,具有逆變頻率高,節(jié)能省電,對焊接的動態(tài)適應(yīng)性強等優(yōu)點.FBZVSPWM逆變器,在換流期間利用了諧振原理,開關(guān)器件實現(xiàn)了軟開關(guān)自然導(dǎo)通和自然關(guān)斷,而其它大部分時間采用恒頻脈寬調(diào)制方式,完成對電壓和電流的控制,大大減輕了開關(guān)損國家自然科學(xué)基金資助項目(50375054)30耗和開關(guān)應(yīng)力,它巧妙地將脈寬調(diào)制硬開關(guān)電路和

5、頻率調(diào)制電路的優(yōu)點集于一身,其應(yīng)用前景十分廣闊.能否順利實現(xiàn)軟開關(guān)換流,尤其是對1OkW以上的大功率逆變器,諧振參數(shù)的設(shè)計尤為關(guān)鍵.本文定量地給出了逆變器主電路中的各個諧振元件參數(shù)的設(shè)計.2逆變電路諧振參數(shù)的設(shè)計設(shè)逆變器的技術(shù)參數(shù)為:開關(guān)頻率25kHz,輸入直流電壓為540V,最大輸出負(fù)載電流,.為500A,變壓器次級初級匝數(shù)比是根據(jù)逆變器外特性來確定的1.為了保證引弧成功,要求逆變器有足夠的空載電壓,通?？蛰d電壓為6O9OV,另外逆變器在滿載時應(yīng)滿足大的焊接范圍,綜合考慮N取1/7.IGBT關(guān)斷時間."為1.2s.在軟開關(guān)弧焊逆變器中,勵磁電流的作用是保證電源在最不利的空載條件下也

6、可以實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)弧焊逆變器諧振電路的優(yōu)化設(shè)計電氣傳動2005年第35卷第4期軟開關(guān)換流,圖1為FBZVSPWM弧焊逆變器主電路,次級接有飽和電感L,它起磁開關(guān)的作用.變壓器初級電壓與電流在帶負(fù)載情況下的相位關(guān)系如圖2所示,換流期間初級電流近似保持最大值不變.,對于勵磁電流的選取需要考慮換流期間開關(guān)器件的電流應(yīng)力,開關(guān)損耗,以及開關(guān)器件的換流時間.垂邑一班善圖1弧焊逆變器主電路圖ll:D:J1-_',l.LIl.1.ll,1.,ll,I1lll;lIlJ_l_l_JllJL一1.391411.431.451.47t/gs(10格)圖2變壓器初級電壓"電流P2.1諧振電感的計

7、算諧振換流期間開關(guān)器件的電流等于折算到功率變壓器初級的濾波電感電流與勵磁電流峰值的和,即i.()一I()+Nil.(f)(1)其中i.為變壓器初級電流,從式(1)中可以看出,勵磁電流峰值愈大,開關(guān)器件的電流應(yīng)力和附加損耗也愈大.令勵磁電流峰值,小于或等于IGBT電流容量,的3%l】,即,()3×I()一4.5(A)(2)式(2)決定了勵磁電流峰值的上限.在空載條件下,i.()一0時,i()一I(.設(shè)開關(guān)器件的關(guān)斷時間為t.換流時間為t回路中諧振電容為C,則r,7/m(max)(3)Ltr由式(3)可知,首先,最小的勵磁電流峰值與換流時間成反比.為了避免同一橋臂中上下兩只IGBT開關(guān)管

8、發(fā)生直通現(xiàn)象,換流時間應(yīng)大于IGBT的關(guān)斷時間.在設(shè)計初始階段,可令t一1.2×t一1.2×1.2:1.44s.其次,最小的勵磁電流峰值與初級輸入直流電壓和諧振電容成正比.若要在任意.時均能實現(xiàn)零電壓開關(guān),己,.應(yīng)取最大值.式(3)決定了勵磁電流峰值的下限.在新型軟開關(guān)弧焊逆變器中.勵磁電流峰值可以初步設(shè)置于式(2)決定的上限.然后在諧振參數(shù)都確定之后,采用式(3)決定的勵磁電流峰值下限進行校核.本文選擇勵磁電流峰值I一4.5A,它為相應(yīng)IGBT電流容量的3.勵磁電感值(包括漏感)可由下式計算:L一U,(4)諧振電感L.是用來幫助實現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開關(guān),考慮到勵磁電流在最

9、不利的空載情況下也能實現(xiàn)零電壓軟開關(guān),空載時的勵磁電流為三角波形,如圖3仿真波形所示,這時的電流關(guān)系應(yīng)滿足下式:一21(5)dt2"'聯(lián)立式(4),式(5),可得勵磁電感為L一(6)式中:為初級直流輸入電壓的最大值,取U一600V;T.為初級開關(guān)周期,=40gs;I')=4.5A.將以上數(shù)據(jù)代入式(6)可得勵磁電感值一一1.33X10(H)(7)勵磁電感是功率變壓器磁和初級繞組的結(jié)構(gòu)參量,在制造過程中,可以人為地改變磁芯氣隙的長度,從而達(dá)到方便,靈活地對勵磁電感量進行較大范圍調(diào)整的目的.2.2諧振電容參數(shù)的計算諧振電容的主要作用是在功率開關(guān)管的關(guān)斷過程中限制IGBT的

10、集一射極問電壓的上升速率,從而減小IGBT的關(guān)斷損耗和降低電磁干擾.新型軟開關(guān)電路中的功率變壓器的寄生電容很小,可忽略不計.設(shè)圖1中IGBT的外接電容為C一C.一C.一C:C諧振電容C是由與每只開關(guān)管并聯(lián)的外接電容CIGBT的輸出電容C和反并聯(lián)二極管的輸出電容C等3部分組成,諧振電容為3者之和的2倍l_4.即C一2(C+CcE+CA)(8)式中,IGBT的輸出電容cce和反并聯(lián)二極管的輸出電容c均為與輸出電壓"有關(guān)的非線性器31電氣傳動2005年第35卷第4期軟開關(guān)弧焊逆變器諧振電路的優(yōu)化設(shè)計件,它們可以統(tǒng)一表示為.Ck/(9)在式(9)中,常數(shù)k在一定電壓下由實際器件應(yīng)用手冊給出,

11、輸出電容值可由式(9)計算得出.如本文采用的德國SEMIKRON公司生產(chǎn)的型號為BSM300GB123D的單硅型IGBT在Uc.E_一25V時,輸出電容Cc一3.5nF,則kC()EsU(,E13.5v廠一17.5(nF?V)(10)聯(lián)立式(9)和式(10)可得該IGBT在Uc=540V時,輸出電容為C('E2-cE2一一0.75(nF)(11)/540根據(jù)文獻(xiàn)1,考慮到輸出電容的非線性,此型號IGBT的等效輸出電容為CcE一號c:一0.75號一0.87(nF)(12)同理可求得對應(yīng)反并聯(lián)二極管的輸出電容CK一0.28nF.諧振電容的參數(shù)設(shè)計原則是在保證軟開關(guān)的前提下盡可能的大一些.因

12、為這樣可以更有效地限制IGBT在關(guān)斷時集射極間電壓的上升速率,從而減小IGBT的關(guān)斷損耗和降低電磁干擾.在勵磁電流峰值I一4.5A,換流時間t一1.2t."一1.2×1.21.44s,在最大的初級輸入直流電壓U)一600V的條件下,由式(3)可得諧振電容的最大值為C()一()ft/u()4.5×1.44×10660010.8×10(F)(13)式中,參與軟開關(guān)諧振換流的充放電電流全部來自勵磁電流.即使在空載時,只要諧振電容小于或等于最大值,也可以實現(xiàn)零電壓軟開關(guān).再由式(8)可知,最大的外接電容值為1c一÷c()一(CcE"

13、CAK)(14)厶式中:C為諧振電容的最大值,C一10.8nF;CcE為IGBT的等效輸出電容,CcE一0.87nF;32為反并聯(lián)二極管的等效輸出電容,Cx一0.28nF.將以上數(shù)據(jù)代入式(14),可得最大的外接電容值為1C一÷×10.8一(0.87+0.28)厶3.3(nF)參與諧振換流的外接電容應(yīng)為寄生串聯(lián)電感極小的高頻電容,本文選用的是耐壓容量為1000V的陶瓷電容.根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)系列,實際外接電容為C一3.3nF.為了盡量減小連接導(dǎo)線的分布電感,參與諧振換流的外接陶瓷電容應(yīng)該直接安裝在IGBT模塊的引出端子上.圖3給出了在不同勵磁電感量的情況下利用ICAP/4(In

14、teractiveCircuitAnalysisProgram4.O)的空載勵磁電流仿真波形圖.8.00童m0_400-8.00|2l,1,I|3',1,j1蠢1r,一AN,ly|lyl,V.,3904l043045U470t/gs(10"格)1.L=l1mH2L-0.6mH3L=15mH圖3勵磁電流的仿真波形2.3功率變壓器磁芯氣隙的設(shè)計對于變壓器的設(shè)計,通常在磁芯之間人為地增加一些氣隙,其目的是為了避免電源開通和關(guān)斷瞬間浪涌電流以及剩磁的危害.人為地改變磁心氣隙的大小,可以方便地調(diào)整勵磁電感量的大小,但為了避免調(diào)整的盲目性,還需要對其進行定量計算.在軟開關(guān)弧焊逆變器工作過

15、程中,由于變壓器的勵磁能量要參與滯后橋臂功率器件軟開關(guān)換流過程,因此,必須對氣隙進行合理的設(shè)計,以得到合適的勵磁能量.勵磁電流和勵磁電感值的關(guān)系可由式(6)表示.勵磁電流的幅值由式(3)計算得4.5A,從而可以得到勵磁電感的值.由于勵磁電感是與變壓器磁芯和繞組結(jié)構(gòu)息息相關(guān)的結(jié)構(gòu)參量,可由以下結(jié)構(gòu)參數(shù)表示_】:L一/R(15)其中,為變壓器初級線圈匝數(shù).R為變壓器磁回路的磁阻,其值大小與磁芯環(huán)路長度,有效導(dǎo)磁面積以及導(dǎo)磁率有關(guān),R可以表示為iiRm-+6)軟開關(guān)弧焊逆變器諧振電路的優(yōu)化設(shè)計電氣傳動2005年第35卷第4期式中:為磁芯環(huán)路平均長度,實際取z一0.296m;為氣隙長度;A為磁芯有效導(dǎo)

16、磁面積,實際取A一2O.7×10(m);A為氣隙有效導(dǎo)磁面積,忽略氣隙的邊緣效應(yīng),A可以近似為磁芯有效導(dǎo)磁面積A;為氣隙的磁導(dǎo)率,其值為47【×10H/m;為磁心材料的等效磁導(dǎo)率,取一2000o.綜合以上公式,便可以得到氣隙長度的計算公式為一)式(17)中,可由式(6)計算.變壓器初級線圈匝數(shù).由式(18)計算N,-UinCmax)(18)3本文變壓器磁芯采用UFl10型R2KB功率鐵氧體,取實際最高工作磁通密度B一0.35T,代入式(18)求出N.為.一而一8.28(匝)由于N一1/7,考慮到參數(shù)取整,實際取初級N,一14,次級N一2.將求得的各個參數(shù)代入式(17),求出

17、變壓器氣隙長度z為一2O.7×1X47【X10r×(j00000470)2.7×1×2××1一0.235(mm)另外有關(guān)變壓器漏感的估算,由于本文篇幅所限,詳細(xì)計算從略.圖4為空載情況下變壓器電流,電壓的實測波形,從圖3和圖4可以看出勵磁仿真波形和實測波形能夠很好地吻合.圖5為主電路在不同占空比且?guī)ж?fù)載的情況下變壓器電流和電壓的實測波形.:j.i/p_-_,:l.:;:l,'fl一_,'':,:,',tips(10/格)圖4變壓器空載初級電壓電流波形¨plI.j1fi-_lr_一I,_,P,一

18、_.I:L!:f:I在軟開關(guān)逆變器設(shè)計中,主電路能否實現(xiàn)軟開關(guān),諧振電路中器件參數(shù)的設(shè)計是關(guān)鍵,從以上分析和計算可得出以下結(jié)論.1)開關(guān)電路的換流時問必須大于器件的關(guān)斷時間.2)勵磁電感是諧振回路的重要參數(shù),為了達(dá)到理想的軟開關(guān)效果,可人為地改變磁心氣隙的大小,從而達(dá)到靈活調(diào)整勵磁電感量的目的.3)諧振電容參數(shù)的設(shè)計應(yīng)在保證軟開關(guān)的前提下盡可能大一些,這樣可以有效地限制IGBT關(guān)斷時集射極電壓的上升速率;減小關(guān)斷損耗,降低電磁干擾.4)合理設(shè)計變壓器磁心氣隙對減小開關(guān)瞬間的浪涌電流,避免磁心飽和,以及實現(xiàn)軟開關(guān)換流具有重要作用.參考文獻(xiàn)1余文松.新型大功率軟開關(guān)弧焊逆變器的研究.廣州:華南理工大學(xué),2000