半桥软开关逆变式焊机原理详解
详细阐述了半桥软开关逆变焊机的原理
这是一种新型的半桥软开关逆变技术，它能使逆变开关器件在软接通和软关断条件下工作。开关电压应力和电流应力大幅降低，开关损耗也大幅降低，器件发热大幅降低，电磁干扰幅度也大幅降低。由于采用了半桥，相应地降低了设备成本。
为达到上述目的，“半桥软开关逆变焊机”包括输入滤波电路、一次侧整流滤波电路、半桥软开关逆变电路、隔离变压器、二次侧整流滤波电路和主控板电路，根据设备的电力流向依次连接。主控板电路与二次整流滤波电路和半桥软开关逆变电路相连。
图1是电路框图，图2是主电路原理图，图3是图1所示的主控板电路图
:“半桥软开关逆变焊机”包括输入滤波电路1、一次侧整流滤波电路2、半桥软开关逆变电路3、隔离变压器4、二次侧整流滤波电路5和主控板电路6，根据设备的电力流向依次连接主控板电路6与次级整流滤波电路5和半桥软开关逆变器电路3都连通
图1中电路的组成和互连见图2如图2所示，
输入滤波电路1由电源开关S1、差模滤波电容C27和C28、共模滤波电容C29、C30、C31、C32和共模滤波电感L1组成滤波器对电网干扰信号进行滤波，使焊机免受外界电磁干扰，提高稳定性；同样，焊机产生的干扰信号也可以通过滤波器进行滤波，使得焊机不会对外界产生电磁干扰，提高了其他设备的稳定性
初级整流滤波电路2由整流桥BR1和电容C34和C35组成送入机器的交流电压和电流由整流桥BR1整流成DC电压和电流，由电容器C34和C35滤波，然后送入半桥软开关逆变电路3
半桥软开关逆变电路3由两组正向串联的绝缘栅场效应功率开关器件Q1和Q2和另外两组反向串联的绝缘栅场效应功率开关器件Q01和Q02组成辅助开关电路，R48、R49、R54和R55为四个绝缘栅场效应功率开关器件R50和C38的栅极串联驱动电阻；分别；R51和C39是电阻-电容吸收电路，分别与半桥主逆变器电路的两个极点Q1和Q2(对于金属氧化物半导体场效应晶体管器件为D和S极点，对于IGBT器件为C和E极点，对于MCT器件为A和K极点)并联。辅助开关电路的两组绝缘栅场效应功率开关器件Q01和Q02反向串联，然后一侧连接到由两组绝缘栅场效应功率开关器件Q1和Q2串联而成的半桥臂中点，另一侧连接到DC母线串联谐振电容C36和
C37中点绝缘栅场效应功率开关器件Q01和Q02、谐振电容器C36和C37以及饱和电感器L2形成软开关辅助谐振电路。从而保证主开关Q1和Q2的零电流导通和零电压关断电容器C40和电容器C39是桥臂电容器，它们的容量足够大，使得每当主开关Q1和Q2接通时，
点C处的电势基本上保持在DC总线电压的一半。电感器L3是无功功率电感器，其功能是确保电路在焊接电源空载时能够满足软开关条件。插座A1输出的
个相位差为180度的非调制(固定宽度)驱动脉冲信号被送到两组绝缘栅场效应功率开关器件Q01和Q02插座A2输出的180度相位差的脉宽调制驱动脉冲信号被送到两组绝缘栅场效应功率开关器件Q1和Q2
隔离变压器电路4由具有初级绕组和次级绕组的中频变压器T5操作。中频变压器T5的初级绕组的一端通过饱和电感器L2连接到电容器桥臂的中点c，另一端通过初级电流互感器T4，然后连接到主逆变器电路的半桥臂的中点b次级侧连接到次级侧整流滤波电路初级绕组和次级绕组由绝缘材料安全绝缘
二次整流滤波电路5由快速恢复整流二极管D15和D16、滤波电感L4、阻容吸收电阻R52和R53、阻容吸收C42和C43等组成。
主控电路6由内部电流设定、电流反馈、脉宽调制脉宽调制电路、恒定宽度互补脉冲信号电路和隔离驱动电路等组成。
1。半桥软开关逆变功能的实现:
参见图2，绝缘栅场效应功率开关器件的主开关Q1和Q2正向串联构成半桥结构，而绝缘栅场效应功率开关器件的辅助开关Q01和Q02反向串联，一端接在Q1和Q2串联的中点，另一端接在串联电容C36和C37的中点辅助开关Q01和Q02由从插座A1引入的来自主控制板的具有1800脉冲宽度相位差的非调制(固定脉冲宽度)驱动信号驱
动，而主开关Q1和Q2由从插座A2引入的来自主控制板的具有180脉冲宽度相位差的调制驱动信号(脉宽调制信号)驱动从而使主开关Q1和辅助开关Q01同时被驱动和导通，然后在脉宽调制控制下Q1被关断，Q01以固定的脉冲宽度滞后被关断；然后主开关Q2和辅助开关Q02被同时驱动和接通，然后在脉宽调制控制下Q2被关断，而Q02以固定的脉冲宽度滞后被关断。软开关所需的开关顺序的逻辑条件是这样反复接通和断开而形成的。T5为隔离变压器，T4为一次侧电流互感器，L2为封装电感，L4为二次侧平滑电感
电路的工作原理是:在上一个
周期结束时，电容C36已放电，端电压为零；电容器C37充满电，端电压为DC总线电压
此循环开始。首先，当主开关Q1和辅助开关Q01接通时，电流将跟随“+”->“Q1”->“B”->“T4一次侧”->“T5一次侧”->“L2”->“C”变压器T5将电能传输到次级侧。次级侧的整流二极管D16导通，电感器L4存储能量。当主开关Q1接通时，由于饱和电感器L2的作用，流经饱和电感器L2和主开关Q1的电流将从零线性增加，因此主开关Q1属于零电流接通在主开关Q1接通后，b点的电压等于DC总线“+”的电压u(省略了主开关Q1的接通电压降)。因此，辅助开关Q01上没有电压，也没有电流流动。因此，辅助开关Q01属于
，并且在零电压和零电流下导通之后，主开关Q1将被脉宽调制关闭。由于次级电感器L4的电流不能突然改变，次级整流二极管D16
的电流逐渐转向整流二极管D15。最后，两个整流二极管同时导通，中频变压器T5的一次侧和二次侧都短路
主开关Q1关断后，饱和电感L2和中频变压器T5的漏电感和逆变电路的分布电感中的电流不会突然变化，继续沿“a”→“q01”→“q02内部二极管”→“B”→“B”→“T4一次侧”→“T5一次侧”→“L2”→“c”的路径流动。电容器C36线性充电，电容器C37线性放电，点a和b处的电压缓慢下降主开关Q1两端的电压从零线性上升，因此主开关Q1在零电压下被关断。随着时间的推移，电容器C36以电压值为u 的总线电压充电，并且电容器C37放电至电压值为零。此时，饱和电感L2和变压器T5的漏感以及逆变电路的分布电感的电流过渡路径继续沿“-”→“Q2二极管”→“b”→“T4一次侧”→“T5一次侧”→“L2”→“c”流动。此时，辅助开关Q01关闭，这表明Q01属于零电压零电流关断在
周期结束时，电容器C37已放电，其端电压为零。电容器C36充满电，端电压为DC总线电压然后下一个周期开始，主开关Q2和辅助开关Q02同时接通，电流将跟随“c”->“L2”->“t5一次侧”->“T4一次侧”->“b”->“Q2”变压器T5将电能传输到次级侧。次级侧的整流二极管D15导通，电感器L4存储能量。当主开关Q2接通时，由于饱和电感器L2的作用，流经饱和电感器L2和主开关Q2的电流将从零线性增加，因此主开关Q2属于零电流接通在主开关Q2接通后，b点的电压等于“DC总线”的电压(忽略主开关Q2的接通电压降)。因此，辅助开关Q02两端没有电压，也没有电流流过，所以辅助开关Q02
属于零电压零电流导通之后，主开关Q2将被脉宽调制关闭。由于次级电感器L4的电流不能突然改变，次级整流二极管D15的电流逐渐转向整流二极管D16。最后，两个整流二极管同时导通，中频变压器T5的一次侧和二次侧都短路
主开关Q2关断后，饱和电感L2和中频变压器T5的漏电感和逆变电路的分布电感中的电流不会突然变化，继续沿“c”→“L2”→“T5一次侧”→“T4一次侧”→“b”→“q02”→“q01内部二极管”→“a”的路径流动。电容器C37线性充电，电容器C36线性放电，点a和b处的电压缓慢上升主开关两端的电压从零开始线性上升，因此主开关Q2在零电压时关闭。随着时间的推移，电容器C37用电压值为u的总线电压充电，并且电容器C36放电到电压值为零。此时，饱和电感L2和变压器T5的漏感以及逆变电路的分布电感的电流过渡路径继续沿着“c”→“L2”→“T5一次侧”→“T4一次侧”→“b”→“Q1内部二极管”→“正”的路径流动。此时，辅助开关关闭，这表明Q02属于零电压零电流关断
持续工作，实现半桥软开关逆变器功能。可见，两组主开关工作在零电流导通和零电压关断的状态，实现了主开关的软开关功能，降低了主开关的电压和电流应力，降低了引起电磁干扰的开关的电压和电流变化率，减少了主开关因开关损耗产生的热量同时，用于协同创建软开关条件的辅助开关工作在零电压、零电流开启和零电压、零电流关闭状态。因此，两组辅助开关只承受较小的开关电压和电流应力，因开关损耗引起的电磁干扰和发热很小
2，满足半桥软开关反转功能的驱动脉冲电路实现
，如图3所示。
U1是一种电流型脉宽调制集成电路，其一条支路为软启动端，外部分压电阻R13、R26和电容C14构成软启动时序电路。5.1V的2引脚内部基准稳压电源；3英尺和12英尺连接到电源地；引脚4是主脉冲电流信号输入端；引脚5为误差信号电压输入端，引脚6和引脚7内部设有运算放大器电路，引脚5为运算放大器的输入非相位端，引脚6为运算放大器电路的反相端，引脚7为运算放大器的输出端，引脚6的引脚7连接，内部运算放大器连接成以引脚5为输入端的射极跟随器；8引脚外部电容C17是一个脉宽调制恒频电容。引脚9的外部电阻R31为脉宽调制恒频电阻；10个引脚是同步信号输出端；引脚11和引脚14是脉宽调制脉冲信号的两个互补输出。13英尺和15英尺是电源端子；16个引脚是脉冲关闭端子。从管脚11和管脚14输出的具有1800°相位差的互补脉宽调制脉冲信号被送到由M5、M6、M7、M8场效应管组成的功率放大驱动电路，然后被隔离驱动变压器T2隔离，分成两组，由二极管D5、D13电阻R22、R41、R42、R43电容C22、C23整形，然后通过插座A2送到主开关Q1和Q2的栅极这组脉冲宽度调制信号
的脉冲宽度是变化的，并且脉冲宽度根据给定的焊接电流和实际焊接输出电流之间的误差不断地调整。
从脉宽调制集成电路U1的8个引脚中取出，通过集成电路U2B的
发射极跟随放大后的锯齿波信号；从脉宽调制集成电路U1的管脚10取出的脉冲同步信号；由管脚11和管脚14取出的脉宽调制脉冲信号和从比例积分调节器发送的放大和调整的误差信号被发送到由集成电路U3A、U3B、U4A、U4B、U5A、U5B、U6和U7以及电阻器R1、R2、R3、R4、R11、R12和R16电容器C1组成的脉冲锁相和分频电路。其输出经
路由M1、M2、M3和M4组成的功率放大驱动电后，由隔离驱动变压器T1隔离，分成两组，由二极管D1、D6电阻R9、R10、R21和R23电容C2和C3整形，然后通过插座A1送至辅助开关Q01和Q02的栅极相位差为1800的这组驱动信号的脉冲宽度是固定的在
脉冲锁相和分频电路中，U4A和U4B是带R-S触发端的D型触发器；U5A和U5B是四输入或门；U6和U7是同向放大器(这里使用时基电路NE555)两组驱动脉冲信号
使主开关Q1和辅助开关Q01同时导通，Q1脉宽调制关断，Q01关断，脉冲宽度滞后固定；主开关Q2和辅助开关Q02同时接通，Q2脉宽调制关断，Q02以固定的脉冲宽度滞后关断。这样，为实现半桥软开关提供了合理的驱动脉冲信号。
3、实现其他焊接功能
1、焊接电流设置和反馈、脉宽调制调节和焊接电流显示:
由电位器RT2、RT3(见图2)集成电路U2D、电阻R36、R46和电位器RT1组成，形成焊接电流
流动的给定路径其中，电阻R36和R46是等效的，与集成电路U2D 构成一个反相器，它将正的给定信号电压变为负的，并通过电位计RT1送到误差比较点E
类似地，分流器FL1(见图2)上收集的正电流反馈信号也在电容器C25高频滤波后通过电阻器R45发送到误差比较点e误差信号由误差放大器放大和调整，误差放大器由集成电路U2C、电阻R33、R44、电容C19、C24、二极管D14、ZD1等组成。然后发送到集成电路U1的5个引脚
此外，初级侧的电流脉冲信号由变压器T4收集(见图2)，由D9、D10、D11、D12整流，并由C24高频滤波。最后，在采样电阻器R34上获得脉冲电压信号，其幅度与初级侧的脉冲电流的幅度成比例。该信号通过由电阻器R19、R18和电容器C7形成的阻容网络被发送到集成电路U1的16个支路，用于过电流关断信号。另一条路径是通过由电阻R29、R27、R28、R30和电容C18组成的阻容网络，然后发送到集成电路U1的四个引脚。将四个管脚和锯齿波补偿信号组合后，将集成电路U1内部发送的误差信号与集成电路U1的五个管脚进行比较，产生脉宽调制脉冲。集成电路U1内部电路锁相分频后，互补的脉宽调制信号分别从集成电路U1的11引脚和14引脚输出由集成电路U1的8个引脚输出的锯齿波被集成电路U2B的发射极放大，然后在通过由电阻器R24和R25以及电容器C13和C15组成的阻容网络之后用作补偿锯齿波信号焊接电流数字显示电路由电阻R39、R40、电容C26和DGM1组成(见图2)2.欠压、过流和过热保护
功能的实现
由集成电路U2A和电阻R14和R15组成。当控制电路板+15V
的电压因电网电压低而不足时，集成电路U1将输出高电位，由二极管D2引导，电容C6将滤除干扰，通过电阻R17送至集成电路U1的16个引脚，集成电路U1关闭脉宽调制输出。类似地，该信号也被发送到集成电路U5A的引脚2和集成电路U5B的引脚12，以关断辅助开关的驱动信号
当一次侧电流超过设定值时，由变压器T4检测，由整流二极管D9、D10、D11、D12整流，由电容C21滤波，然后在采样电阻R21上得到过流信号，经R19、R18分压，经C7滤波后送至集成电路U1的16个引脚，关闭脉宽调制输出
当变频器的电源开关装置由于某种原因温度过高时，安装在电源开关装置散热器上的温度继电器TS1(见图2)将关闭(常闭)，电位器RT3(见图2) +5V的电压端子失去电压，电流给定电压为零，焊机停止输出电流，直到温度降低
由整流二极管D3、D4、D7、D8滤波电容C8、C9、C10、C11、C12三端集成稳压电路U8、
U9、U10等组成。形成稳压电源电路，为整个主控板和焊接电流数显表供电。工频交流变压器T3(见图2)是整个控制面板电路的电源变压器