一种实用软开关拓扑在弧焊逆变电源中的应用电气传动

１ 引言
弧焊逆变电源由于其体积小、 控制性能好、 易 于焊接过程的实时控制等优良的特性已成为当今 焊接电源领域的发展主流。 而弧焊逆变电源 目前采用的仍然是传统的恒 频脉宽调制（ ＷＭ） Ｐ 控制方式， 由于其不可避免地 工作在硬开关模式下， 开关损耗非常大， 使得功率 开关器件的电压电流应力处于很高的临界值， 给 电源的稳定性和可靠性带来很大隐患。 软开关技术的控制思想是使开关器件的开关 时刻工作在零电压或零电流的条件下， 大大降低 功率开关器件的开关损耗 。到 目前为止， 随着研 究的不断深入， 已提出了多种不同的软开关拓扑 结构， 在实际应用中也得到广泛的应用。然而对 于弧焊逆变电源 ， 由于其工作特殊性 ， 逆变弧焊电
困难 。
率。例如 １ Ｚ ７４ 弧焊电源在 ６％的暂载 台 Ｘ 一０ ０
率时最大输出电流４ Ａ 电压３ ｖ 而在 １０ ０ ， ６ ； ０％ 暂载率时只能做到最大输出电流 ３ Ａ 电压 ３ ０ ，
Ｖ。暂载率的高低与输出电流大小以及散热型材 大小密切相关。若在大电流输出即重载时能实现 软开关， 即使轻载时未实现最佳软开关， 由于使用 相同的散热型材， 轻载时的损耗仍然不会超 出正 常温升范围。另一方面， 本设计 目的是在实际产 品中使用， 为保证系统稳定性和最佳性价比， 本设 计的原则是在尽量不增加辅助开关管的基础上 ， 实现主功率开关管的软开关。
摘要 ： 分析了传统移相全桥软开关电路的不足， 介绍了一种实用新型移相全桥零电压软开关拓扑， 采用初 级饱和电感和次级折射电感相结合的方法， 克服了传统移相软开关模式下的滞后臂零电压开通负载范围小 的缺陷， 给出了实际工作电路和理论电路分析， 通过实际负载实验 比较硬开关模式和软开关模式证明了拓扑 的实用性和可靠性 。 关健词 ： 移相全桥 软开关 零电压 弧焊电源
一种 实用软开关拓扑在弧焊逆变电源中的应用
电气传动 ２０ 年 ０７
第３ 卷 ７
第５ 期
一种实用软开关拓扑在弧焊 逆变电源中的应用‘
朱伟建， 陈国呈， 尤志春２ 韩天军“ １ ．上海大学 ２ ．上海威特力焊接设备制造股份奋司
器漏感， 使电感储能ＷＬ ｒ ｒ即： ＞Ｗｃ ，
１ 一２
Ｌ
， 告普： Ｃ ・ ； 〔ｃ＋〕 ｉ （：ｐ ｎ ｏ 呱 ＞ ）
图 ２ 实用软开关技术主回路电路图
式中：ｒ Ｌ 包括主回路中的杂散电感和变压器漏感， 主要由变压器漏感决定Ｊ 画为逆变回路中直流母 线电流最小值； ： ｓ ｏ Ｃ 为功率开关管的寄生输出电容；
Ａ ａｔ ａｅ Ｂ ｓ ｎａａ ｚ ｇｔｅ ｈｒ ｇｓ ｆｏｖｎｉ ａｆｌｂｉ ｅ ｈｓ一 ｉ Ｐ 加扮 ｃ： ｄｏ ｎｌ ｉ ｈ ｓｏｔ ｅ ｏ ｃｎｅｔ ｎｌｕ ｒ ｇ ｐａｅ ｈ ｔ ＷＭ ｓｆｓ ｉｈ ｙｏ ｙｎ ａ ｏ Ｌ ｄ ｓｆ ｏ ｗｔ ｔｐｌ － ｔ ｃ － ｏｙｃ ｕ ｓ ｏｖｌ ｅ ｖｌ － ｗｔ ｉ ｕ ｅ ｉ ｈｍ ｄ ｌｉ Ｚ Ｓ Ｐ ｇ ｉ ｉ ，ａｎ ｅ ｚ价 ｏ 昭ｅ ｉｈ ｇｐ １ ｗｄ－ ｏｕ ｔ ｎ（ Ｖ 一 ＷＭ）ｆｌｂｉ ｅｔｐｌ ｙｗ ｓ ｃ ｒ ｔ ｔ ｓ ｃｎ ｓ － ｔ ａ ｏ ｕ ｒｇ ｏ ｏ ｇ ａ 卜 ｄ ｏ ｐｅｅｔ ． ｈ ｎｗｔｐｌ ｙｗｔ ｏｈａ ａ ｒ ｌｉ ｕｔ ａｄａｔ ｎｆ ｍ ｒ ｕｐ ｔｎｕｔｒ ａ ｐｏｏｅ ｒ ｎｅ Ｔ ｉ ｅ ｏｏ ｇ ｉ ｔ ｓｔ ａ ｅｎ ｃ ｒ ｎ ｒ ｓ ｒ ｅ ｏｔｕ ｉ ｃ ｗ ｓ ｒｐｓ ｓ ｄ ｓ ｏ ｈｂ ｕｂ ｄ ｏ ａ ｏ ｄ ｏ ｄ ｔａ ｎｔ ｎ ｘｅｄｄ ｈ ａｏ ａｌｏｅ ｔ ｇｄｔ ｃｃ ｂｔ １ ｍ ｋｄｔｅ Ｖ ｏｅ ｔ ｎｌ ｓ ｔｎｅｔ Ｉ ｈｔ ｏ ｏｌ ｔ ｅ ｔｅ ｌｗ ｂ ｐｒ ｉ ｕｙ ｙｌ ｕ ａ ｏ ａｅ ｈ Ｚ Ｓ ｐｒ ｉ ｅ ｓ ｉ ｎ． ｔ ｙｅ ｎ ｌ ｅ ａｎ ｅ ｓ ａｏ ｓ ｒ ｇ ｓ ｏ ｅ ｔ ｇｐｉ ｉ ｅ ｎ ｎ ｕ ｆ ｔｒ ｗ ｒ ｄｓｒ ｅ． ｈ ｏｅ ｔ ｇ ｅ ｒ ａｃｓ ａ ｄ ｃｓｅ ａｄｅａ ａ ｐｒ ｉ ｒ ｃ ｌａｄｕｉ ｅ ｅ ｕｅ ｅｅ ｅｃ ｂｄ Ｔ ｅ ｐｒ ｉ ｐｒ ｍ ｎｅ ｗ ｓ ｉ ｕｓｄ ｎ ｖｌ － ａｎ ｎｐ ｑ ａ ｓ ｉ ａｎ ｏ ｆ ｓ ｕ ｔ ｎｔｅ ａｉｏ ａａ ｓ ａｄｅｐｒ ｅｔ ｒ ｕ ｓ ｅ ｄｏ ｈ ｂｓ ｆ ｎｌ ｉ ｎ ｘｅ ｍ ｎａ ｅ ｌ ． ｓ ｙｓ ｉ ｌ ｓｔ Ｋ ｙ ｏｄ ｐａｅ ｈ ｔ ｇｆｌ ｒ ｇ ｏｔ ｗｔ ：ｈｓ ｓｉｉ ｕ ｂｉ ｅ ｓｆｓ ｉｈ ｚｒ ｖｌ ｇ一 ｉｈ ｇ ａ ｗ ｌｎ ｐｗ ｒ ｕｐ ｅ ｒｓ ｗ － ｆｎ Ｌ ｄ － ｃ ｅ ｏ ａｅｓ ｔ ｉ － ｏ ｔ ｗ ｃ ｎ ｒ ｅ ｉ ｏ ｅ ｓｐｌ ｃ ｄｇ ｙ
于 不
：
．
相控制芯片的４ 路隔离输出在配合上存在约 ２ ０
ｎ 左右的误差， ｓ 高频变压器工作一段时间后工作 磁滞回线渐渐靠近饱和区域 ， 存在一定直流分量 ， 因此用隔直电容 Ｃ 串联在变压器初级， ｃ Ａ 用于屏 蔽直流分量。 高频开关电源中应用的中心抽头变压器两个 副边线圈在正负半周交替工作。作为大功率传送 时， 变压器副边的匝数一般为 ２ 一３匝， 通常采用 扁平铜排绕制。在本设计中， 充分利用变压器次 级匝数少的特点 ， 利用粗圆铜导线采用多股并绕 ， 使多匝线圈两端引出， 中间交汇处形成联结作为 中心抽头引出。次级辅助折射 电感 Ｌ 并接于单 比 匝线圈两端， 形成折射回路。
过调节移相角的大小来调节， 其移相脉宽控制波
形原理如图 ４ 所示。
二 、 「 兹 ｑ
｝
ｈ
一
Ｓ ＹＮＣ ＯＵ Ａ Ｔ ＯＵＴ Ｂ
一 邢
极管全波整流后经 Ｌ Ｃ滤波后输出直流电流供给
负载。其中，二， Ｃ Ｆ分别并联逆变全桥的两 Ｃ 和 Ｈ ： 个桥臂上， 用于吸收直流母线回路中的高频振荡 谐波。在实践中发现， 采用移相全桥控制方式 ， 移
图 １ 传统移相全桥零电压拓扑
移相全桥零 电压 Ｐ ＷＭ 软开关 电路 （Ｆ Ｂ
Ｚ Ｓ ＷＭ）是适合大功率开关电源的软开关电 Ｖ Ｐ
路，它不仅保持 了准谐振 电路开关损耗小 的优 点，且工作于固定的开关频率，与普通的硬开关 全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，充分利 用主电路中元件寄生电感和电容参数，其成本和 电路的复杂程度基本上没有增加，但不同的是它 采用移相控制，在换流时利用谐振实现开关器件 的零电压开通 。而且在功率开关器件两端并联适 当的电容可以在不增加开通损耗的前提下显著降 低关断损耗。可以看出它综合了普通 Ｐ ＷＭ 变换 器和谐振变换器的优点 ，而且充分利用开关管的 结电容和变压器的漏感实现了变换器中功率开关 器件的零电压开关。但存在以下缺陷： 轻载时 ） １ 滞后桥臂难以实现 Ｚ ； 占空 比损失 ； 原边 ＶＳ ２ ） ） ３ 环流和二次侧整流电压振荡 ； 由于Ｉ Ｂ ） ４ Ｇ Ｔ的电流 拖尾现象 ，对滞后桥臂 的 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ实现零 电压很
２ ４
一种 实用软开关拓扑在弧焊逆变电源中的应用
电气传动
２０ 年 ０７
第３ 卷 ７
第５ 期
对上述电路图分析， 工作流程为 ３ Ｖ工频 ０ ８ 电输人经三相整流后通过延时上电回路给电解电 容 Ｃ，Ｃ： Ｅ，Ｅ 充电， 直流母线电压经 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ全桥逆变 通过高频变压器将功率传送至次级， 经快恢复二
Ａ Ｐｉ ｔ ｎｏ Ｐａ ｉ ｌ ｏ ｗｔ Ｏ Ｉ ｙ ｎＡ ｏ ｆ ｒ ｔ ａ Ｓｆｓ ｉｈＴ ｏ ｇ ｉ ｒ Ｗｅ ｉ ｎｅ ｅ Ｐ ｗ ｒ ｕＰｙ Ｐ Ｉａ ｃｉ ｃ ｃ ｔ － ｃ Ｐ ｏ ｃ ｌ ｎ ｖｒ ｒ ｏ ｅ Ｓ ｌ ｄ ｇＩ ｔ Ｐ Ｚ ｕＷｅｉ Ｃ ｅ ｕｃｅｇ Ｙ ｕＺ ｉ ｎ ｈｃｕ Ｈａ ｉ ｕ ｈ ｊ ｉ ｎ ｈｎＧ ｏｈｎ ａ ｏ ｈ ｎＴａ ｎ ｊ ｎ
电气传动 ２０ 年 ０７
第３ 卷 ７
第５ 期
一种实用软开关拓扑在弧焊逆变电源中的应用
超前于 ５ ，４此时定义桥臂 ５ ， 为超前桥臂 ：５ ， ；凡 （ 也称为固定臂） ５ ，； ，：５ 组成的桥臂为滞后桥臂
（ 也称为移相臂） 。
ｑ 为外接并在功率开关管两端的谐振电容。
而在实际应用中发现通过气隙等方法增大变 压器漏感 ， 对滞后臂软开关的效果没有较大改善。 由于变压器漏感增大， 造成变压器传输效率很低， 变压器发热现象非常严重， 并且对输 出功率 占空 比损失更加明显。 针对传统移相软开关拓扑结构存在的缺陷， 在本设计研究的弧焊逆变电源应用领域的改进原 则主要遵循两点： 主要针对重载时实现功率开 ） １ 关器件的软开关； 在不增加控制复杂度的基础 ） ２ 上对移相全桥软开关电路拓扑改进。 基于以上两点原则的原因是因为在大功率弧 焊逆变电源中采用软开关技术主要是为了降低损 耗， 减少散热型材的体积， 提高效率。在弧焊逆变 电源的铭牌参数 中很重要 的一个指标 即是暂载
。 上海市重点学科建设项 目（ ００ ） Ｔ １３
源经常工作在输出开路、 短路以及重载等工作状 态， 工作环境恶劣， 负载范围宽。 本文在实际应用中针对弧焊电源特殊应用场 合， 提出一种实用的新型软开关弧焊逆变电源的 设计实现方案。
２ 传统移相全桥 Ｚ ＶＳ拓扑的不足
作为中大功率逆变电源理想控制方式的移相 全桥控制方式成为首选的方案。文献［，〕 １２对于
｝： １ ｛ 一 ’ ｛ ｝ 曰岌
ｎ 升｛ ｝ 甘 ｝ ｝ ｝ 一 ： ：！ ｌ 乞 ｛ 卞－
性一
．． ．，
图 ４ 移相脉宽调制控制波形
图 ｓ 为位于对角线的两个功率开关管 ＩＢ ａ ＧＴ 的实际驱动波形， ｓ 为单个周期放大波形。需要 图ｂ 说明的是， 测量时为观测相位差， 示波器两路探头同 时使用， 为保证示波器的工作安全， 其中一路必须浮 地测量， 因此浮地测量的驱动波形存在毛刺。单独 测量每路驱动时驱动信号都是完好的。
移相全桥软开关逆变电源的电路拓扑设计已经作 了详尽的分析。 移相全桥控制的工作原理是同一桥臂的两个 开关管都是以略小于 １０的最大导通角（ ８ 除去死 区时间） 互补导通， 两个桥臂的导通相差一定角 度， 即移相角， 输出功率的调节通过调节移相角的 大小来调节。如图 １ 一般以 ５ ，： ， １５ 的驱动信号