逆变电路的参数设计

全桥CO2逆变电源主电路元件的选择与参数计算田松亚，顾海涛，文芳，朱晓华河海大学机电工程学院，江苏常州(213022)E-mail: guhaitao1984@摘要：在介绍CO2逆变电源主电路的组成及工作原理的基础上，对主电路中各元件的参数进行了计算，并根据计算结果对元件进行了选择。

其内容包括输入整流二极管和滤波电容的计算和选择、IGBT的计算和选择、输出整流二极管和电抗器的计算和选择。

根据选择的元件，对设计的主电路进行了试验。

试验表明，该主电路能够达到工作要求。

关键词：全桥逆变电源；主电路；参数计算；元件选择0. 序言逆变电源是新一代弧焊电源，具有高效、节能、轻巧、控制性强等优点，成为当前国际上焊接电源设备发展的主流。

CO2逆变焊接电源由主电路、驱动电路、控制电路等三部分组成，主电路承担着转换、传递能量的任务，是整个电源的基础。

主电路必须安全、可靠，器件参数的选择应该以极限工作条件为依据，并留有一定裕量，保证所选器件工作在安全区域。

1. 主电路的组成设计的主电路如图1。

主电路分为三部分：图1 逆变焊接电源主电路Fig.1 The main circuit of Full-Bridge inverter第一部分，输入整流滤波电路。

二极管D1-D6组成输入整流电路（实际电路选用整流模块替代）；C1为高频滤波电容，隔离电网与逆变电路之间的谐波干扰；电阻R2、R3和电容器组C2、C3组成滤波电路；R1为限流电阻，限制启动时的合闸浪涌电流；继电器K控制限流电阻切换，启动后闭合，把R1从主电路去除；电阻R10、R11、稳压管D9与电容C11组成延时电路，控制R1切换时间。

第二部分，逆变器。

VT1-VT4为功率开关管IGBT（实际用两组半桥模块组成），与中频变压器TF1组成逆变器；电阻R4-R7、电容C4-C7与二极管D10-D13共同组成VT1-VT4的RCD 吸收回路，减小IGBT开关过程电流、电压冲击。

第三部分，输出整流滤波电路。

快速整流二极管模块D7、D8和直流电抗器L1组成单相全波整流滤波输出电路；R9、C9与R10、C10组成D7、D8的吸收回路。

2. 元件的选择及参数计算2.1 输入整流二极管和滤波电容输入整流滤波电路的作用是将交流网压变为直流电压，此外，还要求它具有一定的输出电压保持能力，既能防止来自电网的干扰侵入电源，又能防止电源产生的谐波污染电网，亦即要有抗干扰性。

2.1.1 整流二极管的选取硅管制造厂家给出的电流值是指正弦半波电流平均值。

但是，流过整流管的电流波形不一定是正弦半波，因此，选择整流管时，根据电流有效值选择才合理[1]。

设厂家给出的额定电流值为N I ，这是流过管子的正弦半波平均值。

相应的正弦半波有效值N b I I 57.1=（1-1）式中， I b ——电流有效值，AI N ——额定电流值，A 另外一方面，三相桥式整流电路，每个整流管导通1/3周期，由于电流脉动较小，可以近似平均值I d ，其余2/3周期内，该管关闭，电流为0，因此，一个周期内，管子电流发热量3/2RT I Q d ⋅= （1-2） 式中, Q——电流通过二极管的发热量，JI d ——输入电流平均值，即中频变压器原边电流I 1，AR——负载电阻，ΩT——周期，s那么，管子电流有效值I b 在一周内的发热量也是Q ，所以3/22RT I RT I d b⋅=⋅ （1-3） 所以， d d b I I I 58.031≈= （1-4）比较式（1-1）和（1-4），有N d I I 57.158.0= （1-5）所以， d N I I 367.0= （1-6）由IGBT 额定电流的计算可知，中频变压器原边电流I 1=46A ，所以额定电流值A A I I I d N 1746367.0367.0367.01≈×===二极管上最高承受电压V V U U i m 5911.138021.12=××=×=（1-7） 式中， U m ——二极管上最高承受电压，V U i ——电网输入线电压有效值，V1.1——波动系数考虑留有1.5倍以上安全裕量，选用额定值为1200V ，30A 二极管6只，或与之相当的整流堆模块。

2.1.2 滤波电容选取滤波电容器最好选用等效电阻低且电容量大的电解电容，因为等效电阻值对输出脉动电压值有直接影响[2]。

为了减少等效电阻，采用多个电容并联，获得所需的电容量。

电网电压为380V ，空载直流电压U d0约为线电压峰值540V 。

在带载时，电压有所下降，电容电压V V U d 51338035.1=×=，输入电流I d ，即中频变压器输入电流为46A 。

直流侧电压在带载时是脉动的，如图2所示。

最大压降V V U 4.32%6540=×=∆(按6%考虑)，在T 1区间内，电容C 向负载放电，在T/6区间，完成一个充、放电周期，在T 1-T/6区间内，电容由电源充电。

.图2 滤波电容滤波过程分析Fig.2 Analysis of the filtering process假定在电容放电期间放电电流恒定，则按图2得1T U C I d ∆= （1-8） )]6(cos[)]6(cos[10100T T U T T U U U d d d −⋅=−⋅=∆−ωω (1-9)由式（1-9）得)(2.294.0cos 3141620)1(cos 161011ms U U T T d =−=∆−−=−−ω 式中， I d ——电容放电电流，即中频变压器输入电流，AC——滤波电容量，F∆u—— 电压变化量，VT 1——电容放电时间，s U d0——空载直流电压，VT——工频交流电周期，msω——工频交流电角频率，s rad /代入（1-8），得 )(3123102.24.324631uF T U I C d =××=∆= （1-10） 电容承受的线电压峰值：540V实际中，采用四个1880µF,600V 的电解电容和一个大电阻并联为一组，用两组串联在一起组成滤波电容组，其电容量uf uF C r 3760241880=×= 大于计算值，滤波效果满足小于6%的要求。

由于电解电容不是理想的电容，它本身的阻抗对电容上的电压会有影响，所以为了稳定其两端电压，使每组电容的分压相等，分别在每组电容两端并联了一个均压电阻R 2、R 3，选择R 2=R 3=30K Ω, 10W 。

至于滤波前面去高频干扰的电容C 1，它的电容量是很难确定的，因为高频干扰包括电网的干扰，也包括电源的干扰，所以可试选取C 1=2.5µF±5%数量级电容，只要电容C 1的耐压峰值满足即可以，耐压峰值V p =600V 。

2.2 IGBT 的选择IGBT 周期性的开通和关断，把直流电压变换成方波电压，它是逆变弧焊电源中的关键核心器件。

由于它比较脆弱，对它的设计、选择直接关系到整个焊机的安全、可靠。

所以，选择的参数必须在其安全区,计算参数时应留有足够的裕量[3]。

2.2.1 额定电压Ｕcep输入电网电压整流滤波后，考虑安全系数后，直流输出电压最大值V V U U i m 6501.11.138021.121=×××=⋅⋅=α （1-11）式中， U 1m ——IGBT 承受的稳态电压最大值，VU i ——电网电压有效值，V1.1——波动系数α——安全系数，取1.1关断时的峰值电压)(5.9871.1)15015.1650()15015.1(1V U U m ceps =×+×=×+×=α （1-12）式中， U ceps ——IGBT 关断时的峰值电压，Vα——安全系数1.15——过压系数 150——dt di L ⋅引起的尖峰电压，V额定电压Ｕcep 实际取值按电压等级向上靠，取1200V 。

2.2.2 额定电流I c根据式A A n I I 466.7/350/21===（n 为变比）得，中频变压器原边电流I 1=46A ，每只IGBT 管上平均电流A A I I 23465.05.01=×=⋅= （1-13）额定电流I c 是IGBT 手册给出的在结温25O C 条件下的额定值。

A A I I cs 3.684.15.123414.14.15.12=×××=××⋅= （1-14） 式中， I cs ——IGBT 额定电流计算值，AI——每只IGBT 管上平均电流，A1.414——峰值系数1.5——1分钟过载容量系数1.4——I c 减小系数额定电流 I c 根据管子电流等级按150A 取。

综上，所选IGBT 管额定电压1200V ，额定电流150A 。

2.3 输出整流二极管和电抗器单相全波整流电路有全波和全桥之分，虽然全桥整流电路利用率高，但与全波整流相比，多出一对二极管，增大了电路的电压、和效率损失，其损失量不能忽视。

因而，输出整流电路通常采用中心抽头全波整流方式。

2.3.1 输出整流二极管选择输出整流二极管的导通与关断特性是影响主电路的工作频率主要因素之一，影响IGBT 的瞬时集电极电流与损耗，对电源整体效率有着关键的影响。

由于工作在20KHz ，不仅应有短的反向恢复时间和小的反向恢复电流，而且反向电流的恢复以缓慢为好，减小噪声[4] 。

常用的输出整流二极管有掺金扩散型、外延型、肖特基型及PIN 型。

其中，PIN 型的特点是正向压降低，常温时0.85伏，随结温度升高，正向压降会更低，150O C 是只有0.6伏，和肖特基管接近。

反向时间短，不大于200ns ，反向漏电流在150O C 时及额定电压下只有1mA ，接近普通整流二极管。

故选用PIN 型二极管。

对于单相全波整流电路，硅整流二极管额定电流A A I I a N 1753505.05.02=×==式中， I 2N ——整流二极管额定电流，AI a ——焊机输出电流，A管上承受最大反压()V n U U m m 1716.76502212=×== （1-15） 式中， U 2m ——输出整流二极管承受最大反压，VU 1m ——IGBT 承受的稳态电压最大值，Vn——中频变压器变比考虑留一定的安全裕量，输出整流二极管额定电压按300V ，电流250A 选取。

2.3.２ 直流电抗器设计直流电抗器的作用有两方面：一是用于滤波，使电流连续。

特别是小电流脉动大时，电抗器电感的选择以最小直流电流波形连续为依据；二是改善直流电源的动特性，在CO 2焊接短路过渡时，限制短路电流上升速度和短路电流峰值，以便改善引弧性能和减少飞溅。