全桥式逆变电源主电路设计
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现代焊接 Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ
全桥式逆变电源主电路设计
Design of main circuit of full-bridge inverter power source
上海高企电器有限公司 钱金川 浙江泰华电器有限公司 朱守敏
［摘要］ 本文对逆变电源常见拓扑电路进行了系统介绍，针对拓扑常用典型结构图，对其各自应用场合和优缺点 进行了对比分析，并对目前使用最为频繁的全桥式变换电路，从主电路所需各器件参数以器件的耐压是输 入电压的２倍，工作是随着开关管的开 通和关断、变压器原边绕组交替工作， 与半桥和全桥变换电路相比，变压器 利用率低，而且输出电压随输入电压 和负载变化而变化。因此在输入电压 高时，一般不宜采用这种变化电路。 与单端变换电路相比较，推挽电路的 优点是输出功率大，输出滤波电感可 减小，两组开关驱动脉冲Ｖｇ１、Ｖｇ２不需 隔离，控制简单。
Ｌ
ＮＲ
Ｎ２ Ｎ１
ＶＤ２ Ｃ
Ｕ０
Ｃ
Ｅ
ＶＴ
Ｖｇ Ｅ
图１ 单端正激变换电路
２．１ 单端正激变换电路（见图１） 在单端正激变换电路中，当功率
开关器件ＶＴ导通时，则通过变压器Ｔｒ向 负载传递能量。变换电路主要由开关 管ＶＴ、变压器Ｔｒ输出整流二极管ＶＤ１、 续流二极管ＶＤ２以及输出滤波电感Ｌ和 电容Ｃ组成。变压器Ｔｒ原边绕组中分去 磁绕组ＮＲ与原边绕组Ｎ１（通常ＮＲ≤Ｎ１）， ＮＲ与ＶＤ０组成磁通复位电路。当开关管
２．３ 半桥式变换电路（见图３） 在半桥式变换电路输入端串接电
容Ｃ１、Ｃ２且Ｃ１＝Ｃ２以便当两个开关器件 ＶＴ１、ＶＴ２均截止时，ＶＣ１＝ＶＣ２＝１／２Ｅ， ＶＡ＝１／２Ｅ，ＶＢ＝１／２Ｅ，ＶＡＢ＝０，保证开关 器件均为截止时所受耐压相同和均衡 （输入电压一半）。ＶＤ１、 ＶＤ２起到反 馈和续流作用，变压器副边电路由ＶＤ３ 和ＶＤ４构成全波输出整流，Ｌ、Ｃ３构成 输出滤波电路。
通常共模电感在制作时应注意以
下几个方面： ａ）绕制在磁芯上的线圈导线应
有较高的相互绝缘性，以保证在瞬时 过电压下线圈匝间不发生击穿短路；
ｂ）线圈流过瞬间大电流时，磁 芯不能出现饱和；
ｃ）线圈中的磁芯应与线圈绝缘， 以防止在瞬时过电压作用下两者之间 发生击穿；
ｄ）各线圈尽可能绕制单层，这 样做可以减小线圈的寄生电容，增强 线圈对过电压的承受能力；
ＩＣ
Ｐ０（相同ＩＣ时）输出功率
Ｐ０
Ｔｒ主变压器原边电压
Ｅ
２Ｅ
Ｅ
Ｅ
ＩＣ
２ ＩＣ
ＩＣ
Ｐ０
Ｐ０／２
Ｐ０
Ｅ
Ｅ／２
Ｅ
输出电压Ｕ０
ＥＫ·Ｄ
２ＫＥ·Ｄ
ＥＫ·Ｄ
ＥＫ·Ｄ
功率开关器件中数量
２
２
２
４
适于获得输出容量 其他
小、中
大
中
大
Ｅ—加入电路直流电压；Ｄ—功率开关器件导通占空比；Ｋ—主变
压器Ｔｒ变比
ＶＤ ０
Ｔｒ
ＶＤ１
Ｖ０＝１．３５Ｖｉ 其中 Ｖｉ－输入线电压有效值；Ｖ０－输出
电压平均值。
如输入线电压Ｖｉ＝３８０Ｖ，则Ｖ０＝１．３５ ×３８０＝５１３Ｖ。
在选择三相整流桥参数应考虑其
模块额定电流，以及最大允许反向耐
压值。
额定反向耐压的确定：
首先应考虑电源输入功率，并考
虑电网电压波动（±１０％波动）则整
流滤波最低电压为：
Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ 现代焊接
三相全波整流输出的直流脉动频
率３００Ｈｚ，为了供给逆变平滑的直流电
压，必须在输入整流电路和逆变器之
间加入滤波电容，以减小整流输出后
直流电的交流成分。滤波电容一般采
用电解电容器，因其滤波电解电容器
自身串联等效电阻（ＥＳＲ）和串联等
效电感（ＥＳＬ）的存在直接影响滤波
配在共模电感后端的电容选用高 频特性好的陶瓷或聚酯电容，其容量 值为１００ｐＦ／６３０Ｖ（参考值）。 ３．１．３ 三相整流桥选择
在三相全波不可控整流电路中， 通常用三相桥堆（或分离整流二极管 来完成）。它是由三相半波共阴极组 和共阳极组串联而成，不用零线。该 电路输出电压高、输入谐波小、电网 平衡能力强，输出纹波小，适用于大 功率场合。其相应参数值确定如下：
效果，所以在电解电容Ｃ４（由两个电
容串联而成）两端并联高频无极性电
容Ｃ５，使高频交流分量从Ｃ中５ 通过（去 高频干扰电容Ｃ５其电容量较难确定，
因高频干扰包括电网的干扰，也包括
电源的干扰，通常可选取Ｃ５＝２．５±５％μＦ 或该数量级其他电容，只要电容Ｃ２的
耐压峰值满足即可，耐压峰值电压Ｕｐ
＝６００Ｖ）。
［关键词］ 逆变电源；拓扑电路；对比说明；全桥变换；电路设计；器件确定
前言
逆变电源因体积小、重量轻、节 材、节能、转换效果高等特点，现已 得到了广泛应用。目前逆变电路的拓 扑结构主要有单端正激式、单端反激 式、推挽式、半桥式、全桥式等多种 类型。根据需求可采用不同拓扑形式 的逆变电路满足其需求。以上拓扑结 构又有其各自特点，在逆变电源主电 路设计中应充分考虑电路自身结构特 点和使用场所，只有根据上述情况， 才能更好地选择相应的逆变电路来满 足使用要求。随着功率器件的不断发 展，目前ＩＧＢＴ（绝缘栅双极型晶体管） 是逆变电源中常用的功率器件，已逐 步取代原晶闸管、晶体管、场效应管 （ＭＯＳＦＥＴ）。由于桥式逆变电源在选 择功率开关器件耐压要求可以稍低， 并有较高的功率输出，现通常采用全 桥式逆变电路来实现较大功率输出。
现代焊接 ２０１０年第９期 总第９３期 Ｊ－ １５
现代焊接 Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ
确定允许电流值Ｉ＞ＩＮ且选用小型断 路器ＤＺ４７－６３时选择Ｄ型（电动机控制 型）以保证断路器接通瞬间抗过载能 力。 ３．１．２ 共模电感
在电磁兼容ＥＭＣ中，电源滤波是 一种抑制传导干扰的方法。它不仅可 以抑制来自电网的噪声对电源本身的 侵害，也可以抑制由开关电源产生并 向电网反馈的干扰。而通常面临主要 解决的问题是共模干扰，因此电源滤 波器中共模电感就是解决共模干扰常 用器件。共模电感（亦称共模扼流圈 或换相电抗器），可起到对电网污染 减少，提高功率因数，连接至电网进 线中，用以限制变换器开关功率器件 在高频工作时，控制电流上升率ｄｉ／ｄｔ和 电压上升率ｄｕ／ｄｔ，使其不产生跃变。以 减少电流冲击和保障设备的安全使用。
该电路特点：变压器Ｔｒ有变换电 参数和隔离作用，因变压器磁芯在单 象限内工作，所以体积较大，适用于
Ｊ－ １４ 现代焊接 ２０１０年第９期 总第９３期
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小功率电源中使用。 ２．２ 推挽式变换电路（见图２）
推挽式变换电路其实由两个相位 相反的正激变换电路叠加而成，相当 于两个正激电路交替工作，且两个开 关管交替导通和截止，并在各自导通 的半个周期内把能量分别通过变压器 Ｔｒ传递给负载。该变换电路主要由ＶＴ１、 ＶＴ２以及并联至开关管的二极管ＶＤ１和 ＶＤ２ 组成输入端，经变压器Ｔｒ，在输 出端由整流二极管ＶＤ３、ＶＤ与４ 输出滤 波电感和电容组成。
（Ｐｉｎ＝２５ｋＶＡ时）。
三相整流后的纹波频率为３００Ｈｚ，
电容要维持电压的时间只需半个周期，
即ｔ＝１．６７ｍｓ（
Ｔ ２
＝
１ ３００×２
＝１．６７ｍｓ）。
ＶＴ在关断期间，绕组Ｎ１的储能转移至 ＮＲ中，并通过ＶＤ０反馈到输入端电源 Ｅ中。因在单端变压器原边线圈流过 的是脉动激磁电流，如果在每个脉动 工作磁通周期不采取去磁措施，则磁 芯剩磁通的累加会迅速使变压器出现 饱和。如果没有去磁绕组ＮＲ，变压器 二次绕组因ＶＤ１反偏截止，原边绕组中 储能无处释放，将会引起很高的反电 压与输入电压Ｅ迭加至ＶＴ上。此时开 关管ＶＴ在导通时流过的大电流，关断 时承受高电压，导致ＶＴ损坏。
（通常则选择考虑１２００Ｖ电压为其耐压
值）。
额定电流的确定：
根据电源输入功率要求来确定三
相整流桥中二极管的平均通态电流。
电源输入功率Ｐｉｎ（以电源输入功率
２３．５ｋＶＡ为例），则二极管的平均通态
电流为１／３Ｉ总（１／３是应三相整流电路中，
每组二极管通过电流的总电流的１／３），
则：
ＩＤ＝
Ｐｉｎ Ｕｉｎ（ｍｉｎ）·３
全桥式变换电路是目前逆变电路 中使用最为常见的一种，该变换电路 共有４个桥臂，可以看成２个半桥电路 组合而成。２对桥臂交替导通，输出电 压和电流波形与半桥电路形状相同， 其幅值高出半桥变换电路１倍。改变直 流电压Ｅ就可改变输出交流有效值， 输出功率大。
由于变压器Ｔｒ磁芯工作在磁滞回 路两侧，在开关器件饱和压降和开关 时间不相同，将会造成变压器中正负 半周期磁通的不对称，从而引起偏磁 现象，最常见及通用办法是在变压器 Ｔｒ原边回路中串接一个隔直电容Ｃｒ， 以此来抑制变压器原边非纯交流电压 中直流分量。由于变压器原边绕组电 阻小，在多个循环之后，即可造成磁 饱和。
４８３Ｖ｛〈３８０－３８〉２ ＝ ２·３４２｝ 则Ｕ反＝ ２· ３ Ｕｉｎ（ｍｉｎ）＝２．４５×４８３＝
１１８３．３５Ｖ（两个二极管串联所承受的
耐压值）。
在整流桥模块中，二极管所承受
的耐压值为Ｕ反／２＝１１８３．３５／２＝５９１Ｖ，再 将安全裕量（系数）考虑（通常安全
裕量选择２倍）则耐压值应大于１１８２Ｖ
共模电感是一个以铁氧体为磁芯 的共模干扰抑制器件，它由３个线径相 同、匝数相同的导线对称绕制在同一 个铁氧体环形磁芯上，形成一个６端器 件（输入输出各３端）。当导线中流过 共模电流时，磁环中磁通相互叠加， 从而具有相当大的电感量，使线圈表 现为高阻抗产生较强的阻尼效果，以 此衰减共模电流达到滤波目的，因而 对共模电流起到抑制作用；当导线中 流过差模电流时，磁环中磁通相互抵 消，几乎没有电感量，此时差模电流 可以无衰减地通过。因此共模电感在 线路中能有效地抑制共模干扰信号， 而对线路正常传输的差模信号无影响， 从而有效解决电网中的共模干扰窜入 电源输入端，减小了共模干扰对电源 的干扰。
全桥式逆变电源主电路设计
Design of main circuit of full-bridge inverter power source
上海高企电器有限公司 钱金川 浙江泰华电器有限公司 朱守敏
［摘要］ 本文对逆变电源常见拓扑电路进行了系统介绍，针对拓扑常用典型结构图，对其各自应用场合和优缺点 进行了对比分析，并对目前使用最为频繁的全桥式变换电路，从主电路所需各器件参数以器件的耐压是输 入电压的２倍，工作是随着开关管的开 通和关断、变压器原边绕组交替工作， 与半桥和全桥变换电路相比，变压器 利用率低，而且输出电压随输入电压 和负载变化而变化。因此在输入电压 高时，一般不宜采用这种变化电路。 与单端变换电路相比较，推挽电路的 优点是输出功率大，输出滤波电感可 减小，两组开关驱动脉冲Ｖｇ１、Ｖｇ２不需 隔离，控制简单。
Ｌ
ＮＲ
Ｎ２ Ｎ１
ＶＤ２ Ｃ
Ｕ０
Ｃ
Ｅ
ＶＴ
Ｖｇ Ｅ
图１ 单端正激变换电路
２．１ 单端正激变换电路（见图１） 在单端正激变换电路中，当功率
开关器件ＶＴ导通时，则通过变压器Ｔｒ向 负载传递能量。变换电路主要由开关 管ＶＴ、变压器Ｔｒ输出整流二极管ＶＤ１、 续流二极管ＶＤ２以及输出滤波电感Ｌ和 电容Ｃ组成。变压器Ｔｒ原边绕组中分去 磁绕组ＮＲ与原边绕组Ｎ１（通常ＮＲ≤Ｎ１）， ＮＲ与ＶＤ０组成磁通复位电路。当开关管
２．３ 半桥式变换电路（见图３） 在半桥式变换电路输入端串接电
容Ｃ１、Ｃ２且Ｃ１＝Ｃ２以便当两个开关器件 ＶＴ１、ＶＴ２均截止时，ＶＣ１＝ＶＣ２＝１／２Ｅ， ＶＡ＝１／２Ｅ，ＶＢ＝１／２Ｅ，ＶＡＢ＝０，保证开关 器件均为截止时所受耐压相同和均衡 （输入电压一半）。ＶＤ１、 ＶＤ２起到反 馈和续流作用，变压器副边电路由ＶＤ３ 和ＶＤ４构成全波输出整流，Ｌ、Ｃ３构成 输出滤波电路。
通常共模电感在制作时应注意以
下几个方面： ａ）绕制在磁芯上的线圈导线应
有较高的相互绝缘性，以保证在瞬时 过电压下线圈匝间不发生击穿短路；
ｂ）线圈流过瞬间大电流时，磁 芯不能出现饱和；
ｃ）线圈中的磁芯应与线圈绝缘， 以防止在瞬时过电压作用下两者之间 发生击穿；
ｄ）各线圈尽可能绕制单层，这 样做可以减小线圈的寄生电容，增强 线圈对过电压的承受能力；
ＩＣ
Ｐ０（相同ＩＣ时）输出功率
Ｐ０
Ｔｒ主变压器原边电压
Ｅ
２Ｅ
Ｅ
Ｅ
ＩＣ
２ ＩＣ
ＩＣ
Ｐ０
Ｐ０／２
Ｐ０
Ｅ
Ｅ／２
Ｅ
输出电压Ｕ０
ＥＫ·Ｄ
２ＫＥ·Ｄ
ＥＫ·Ｄ
ＥＫ·Ｄ
功率开关器件中数量
２
２
２
４
适于获得输出容量 其他
小、中
大
中
大
Ｅ—加入电路直流电压；Ｄ—功率开关器件导通占空比；Ｋ—主变
压器Ｔｒ变比
ＶＤ ０
Ｔｒ
ＶＤ１
Ｖ０＝１．３５Ｖｉ 其中 Ｖｉ－输入线电压有效值；Ｖ０－输出
电压平均值。
如输入线电压Ｖｉ＝３８０Ｖ，则Ｖ０＝１．３５ ×３８０＝５１３Ｖ。
在选择三相整流桥参数应考虑其
模块额定电流，以及最大允许反向耐
压值。
额定反向耐压的确定：
首先应考虑电源输入功率，并考
虑电网电压波动（±１０％波动）则整
流滤波最低电压为：
Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ 现代焊接
三相全波整流输出的直流脉动频
率３００Ｈｚ，为了供给逆变平滑的直流电
压，必须在输入整流电路和逆变器之
间加入滤波电容，以减小整流输出后
直流电的交流成分。滤波电容一般采
用电解电容器，因其滤波电解电容器
自身串联等效电阻（ＥＳＲ）和串联等
效电感（ＥＳＬ）的存在直接影响滤波
配在共模电感后端的电容选用高 频特性好的陶瓷或聚酯电容，其容量 值为１００ｐＦ／６３０Ｖ（参考值）。 ３．１．３ 三相整流桥选择
在三相全波不可控整流电路中， 通常用三相桥堆（或分离整流二极管 来完成）。它是由三相半波共阴极组 和共阳极组串联而成，不用零线。该 电路输出电压高、输入谐波小、电网 平衡能力强，输出纹波小，适用于大 功率场合。其相应参数值确定如下：
效果，所以在电解电容Ｃ４（由两个电
容串联而成）两端并联高频无极性电
容Ｃ５，使高频交流分量从Ｃ中５ 通过（去 高频干扰电容Ｃ５其电容量较难确定，
因高频干扰包括电网的干扰，也包括
电源的干扰，通常可选取Ｃ５＝２．５±５％μＦ 或该数量级其他电容，只要电容Ｃ２的
耐压峰值满足即可，耐压峰值电压Ｕｐ
＝６００Ｖ）。
［关键词］ 逆变电源；拓扑电路；对比说明；全桥变换；电路设计；器件确定
前言
逆变电源因体积小、重量轻、节 材、节能、转换效果高等特点，现已 得到了广泛应用。目前逆变电路的拓 扑结构主要有单端正激式、单端反激 式、推挽式、半桥式、全桥式等多种 类型。根据需求可采用不同拓扑形式 的逆变电路满足其需求。以上拓扑结 构又有其各自特点，在逆变电源主电 路设计中应充分考虑电路自身结构特 点和使用场所，只有根据上述情况， 才能更好地选择相应的逆变电路来满 足使用要求。随着功率器件的不断发 展，目前ＩＧＢＴ（绝缘栅双极型晶体管） 是逆变电源中常用的功率器件，已逐 步取代原晶闸管、晶体管、场效应管 （ＭＯＳＦＥＴ）。由于桥式逆变电源在选 择功率开关器件耐压要求可以稍低， 并有较高的功率输出，现通常采用全 桥式逆变电路来实现较大功率输出。
现代焊接 ２０１０年第９期 总第９３期 Ｊ－ １５
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确定允许电流值Ｉ＞ＩＮ且选用小型断 路器ＤＺ４７－６３时选择Ｄ型（电动机控制 型）以保证断路器接通瞬间抗过载能 力。 ３．１．２ 共模电感
在电磁兼容ＥＭＣ中，电源滤波是 一种抑制传导干扰的方法。它不仅可 以抑制来自电网的噪声对电源本身的 侵害，也可以抑制由开关电源产生并 向电网反馈的干扰。而通常面临主要 解决的问题是共模干扰，因此电源滤 波器中共模电感就是解决共模干扰常 用器件。共模电感（亦称共模扼流圈 或换相电抗器），可起到对电网污染 减少，提高功率因数，连接至电网进 线中，用以限制变换器开关功率器件 在高频工作时，控制电流上升率ｄｉ／ｄｔ和 电压上升率ｄｕ／ｄｔ，使其不产生跃变。以 减少电流冲击和保障设备的安全使用。
该电路特点：变压器Ｔｒ有变换电 参数和隔离作用，因变压器磁芯在单 象限内工作，所以体积较大，适用于
Ｊ－ １４ 现代焊接 ２０１０年第９期 总第９３期
Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ 现代焊接
小功率电源中使用。 ２．２ 推挽式变换电路（见图２）
推挽式变换电路其实由两个相位 相反的正激变换电路叠加而成，相当 于两个正激电路交替工作，且两个开 关管交替导通和截止，并在各自导通 的半个周期内把能量分别通过变压器 Ｔｒ传递给负载。该变换电路主要由ＶＴ１、 ＶＴ２以及并联至开关管的二极管ＶＤ１和 ＶＤ２ 组成输入端，经变压器Ｔｒ，在输 出端由整流二极管ＶＤ３、ＶＤ与４ 输出滤 波电感和电容组成。
（Ｐｉｎ＝２５ｋＶＡ时）。
三相整流后的纹波频率为３００Ｈｚ，
电容要维持电压的时间只需半个周期，
即ｔ＝１．６７ｍｓ（
Ｔ ２
＝
１ ３００×２
＝１．６７ｍｓ）。
ＶＴ在关断期间，绕组Ｎ１的储能转移至 ＮＲ中，并通过ＶＤ０反馈到输入端电源 Ｅ中。因在单端变压器原边线圈流过 的是脉动激磁电流，如果在每个脉动 工作磁通周期不采取去磁措施，则磁 芯剩磁通的累加会迅速使变压器出现 饱和。如果没有去磁绕组ＮＲ，变压器 二次绕组因ＶＤ１反偏截止，原边绕组中 储能无处释放，将会引起很高的反电 压与输入电压Ｅ迭加至ＶＴ上。此时开 关管ＶＴ在导通时流过的大电流，关断 时承受高电压，导致ＶＴ损坏。
（通常则选择考虑１２００Ｖ电压为其耐压
值）。
额定电流的确定：
根据电源输入功率要求来确定三
相整流桥中二极管的平均通态电流。
电源输入功率Ｐｉｎ（以电源输入功率
２３．５ｋＶＡ为例），则二极管的平均通态
电流为１／３Ｉ总（１／３是应三相整流电路中，
每组二极管通过电流的总电流的１／３），
则：
ＩＤ＝
Ｐｉｎ Ｕｉｎ（ｍｉｎ）·３
全桥式变换电路是目前逆变电路 中使用最为常见的一种，该变换电路 共有４个桥臂，可以看成２个半桥电路 组合而成。２对桥臂交替导通，输出电 压和电流波形与半桥电路形状相同， 其幅值高出半桥变换电路１倍。改变直 流电压Ｅ就可改变输出交流有效值， 输出功率大。
由于变压器Ｔｒ磁芯工作在磁滞回 路两侧，在开关器件饱和压降和开关 时间不相同，将会造成变压器中正负 半周期磁通的不对称，从而引起偏磁 现象，最常见及通用办法是在变压器 Ｔｒ原边回路中串接一个隔直电容Ｃｒ， 以此来抑制变压器原边非纯交流电压 中直流分量。由于变压器原边绕组电 阻小，在多个循环之后，即可造成磁 饱和。
４８３Ｖ｛〈３８０－３８〉２ ＝ ２·３４２｝ 则Ｕ反＝ ２· ３ Ｕｉｎ（ｍｉｎ）＝２．４５×４８３＝
１１８３．３５Ｖ（两个二极管串联所承受的
耐压值）。
在整流桥模块中，二极管所承受
的耐压值为Ｕ反／２＝１１８３．３５／２＝５９１Ｖ，再 将安全裕量（系数）考虑（通常安全
裕量选择２倍）则耐压值应大于１１８２Ｖ
共模电感是一个以铁氧体为磁芯 的共模干扰抑制器件，它由３个线径相 同、匝数相同的导线对称绕制在同一 个铁氧体环形磁芯上，形成一个６端器 件（输入输出各３端）。当导线中流过 共模电流时，磁环中磁通相互叠加， 从而具有相当大的电感量，使线圈表 现为高阻抗产生较强的阻尼效果，以 此衰减共模电流达到滤波目的，因而 对共模电流起到抑制作用；当导线中 流过差模电流时，磁环中磁通相互抵 消，几乎没有电感量，此时差模电流 可以无衰减地通过。因此共模电感在 线路中能有效地抑制共模干扰信号， 而对线路正常传输的差模信号无影响， 从而有效解决电网中的共模干扰窜入 电源输入端，减小了共模干扰对电源 的干扰。
