峰值电流模式逆变焊机控制电路的设计
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收稿日期:2003211216
作者简介:夏 田(1977-),男,河南科技大学硕士研究生。
文章编号:100923664(2004)0120007203变换与控制峰值电流模式逆变焊机控制电路的设计夏 田,朱锦洪(河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003)
摘要:论述了峰值电流模式的原理及优缺点,并针对UC3846设计了斜坡补偿电路及焊机保护电路,给出了基于全桥主电路的峰值电流模式控制CO2气体保护焊机的恒压输出波形。关键词:峰值电流模式;UC3846;斜坡补偿中图分类号:TN86TN712 文献标识码:A
DesignoftheWeldingMachineInverterCircuitBasedonthePeakCurrentModeControl
XIATian,ZHUJing2hong(FacultyofMaterialsScience&Engineering,HenanUniversity
ofScienceandTechnology,Luoyang471003,China)
Abstract:Thearticlediscussedthemeritanddefectofthepeakcurrentmodecontrol,theslopecom2pensationcircuitandtheprotectcircuitisdesignedfortheweldingmachine.Keywords:peakcurrentmode;UC3846;slopecompensation
逆变焊机的最主要组成部分是逆变弧焊电源,它的功能是把工频交流电整流,再通过功率晶体管的开关逆变成高频交流方波,然后通过变压器降压,整流二极管整流,通过焊枪和工件产生焊接电弧,包括恒压、恒流外特性。逆变弧焊电源一般采用脉宽调制(PWM)方式,通过调节直流电平来调节输出电压或电流。逆变电源PWM控制方式有电压型和电流型两种。电压型是通过将输出电压反馈和给定电压反馈比较来控制PWM脉冲变化,从而控制逆变开关和电源的输出。电流型PWM控制是用一个电流传感器去检测变压器原边的电流,反馈到PWM芯片,参与PWM调节,形成电压电流双闭环控制系统。1 电流型控制方式的优点电流型控制方式的优点如下。(1)逐个脉冲控制,动态响应快,调节性能好。因为检测的是原边电流,所以不会出现电压型控制电路中由于滤波电感的存在而导致响应速度慢的问题。故电流型控制有输出精度高,稳定性好的优点。(2)具有瞬态的保护能力,能迅速对电力电子
器件进行保护。因为内环逐个脉冲控制,当变压器原边电流过流时,能迅速对电力电子器件进行保护。(3)能防止高频变压器偏磁的发生。高频变压
器发生偏磁时,励磁电流增加,容易烧毁变压器。电流型控制中采用检测原边电流的方法,能自动对称变压器的动态磁平衡。(4)有利于并联均流。在多个电源模块并联时
可提供自动均流功能。
2 控制电路的设计2.1 UC3846电流控制芯片的工作原理电流模式控制分为峰值电流模式控制和平均电流模式控制。UC3846采用的是峰值电流模式控制法,即将实际的电感电流和电压外环设定的电流值分别接收到PWM比较器的两端进行比较,如图1
所示。 变压器一次侧电流采样信号被放大3倍后与电压误差放大信号比较,然后去控制脉宽调制信号的
72004年2月25日第21卷 第1期通讯电源技术
TelecomPowerTechnologies
Feb.25,2004
Vol.21 No.1
图1 峰值电流模式控制法脉宽。电流内环和电压外环同时起作用调节PWM
脉宽,如果内环变压器一次侧出现过流,而外环电压信号由于存在输出电感响应速度比内环慢,这个电流信号被霍尔传感器检测到后,经过放大与外环电压误差放大信号比较,会迅速调节PWM脉宽。因此UC3846比电压型PWM控制芯片响应速度更快,在变压器磁芯偏磁时,能同时调节变压器一次侧和二次侧的电流。但是,UC3846同时拥有电流内环和电压外环,因此从控制上来说更为复杂。在占空比大于50%时容易造成工作电流扰动,尖峰电流值和平均值误差大,并且在二分之一开关频率处容易发生次谐波振荡。为了提高电路的稳定性有必要进行斜坡补偿。2.2 斜坡补偿电路设计UC3846自身提供了良好的斜率补偿实现平台,因为在定时电容CT上恰好有一个正值的与振荡器同步、同频率的斜坡电压,只要将该电压信号分压之后与峰值电流信号进行叠加就可以实现补偿。从UC3846的脉宽调制原理来看斜坡补偿有两种实现办法:一种是将斜坡补偿信号加到电流检测信号中,另一种是将斜坡补偿信号从误差电压信号中减去。第一种办法在实现电流限制功能时易产生误差;第二种方法实现起来比较麻烦。因此采用改进后的第一种办法,如图2接入射极跟随器减小晶振端的输出阻抗。射极电阻取R2的值1/10。为减少补偿电路对CT上的斜坡电压线性度和稳定性的影响,R2的阻值
要足够大。
图2 改进后的斜坡补偿电路 下面计算R2参数值。输出电感电流斜坡下降斜率
S(L)=di/dt=Usec/Lsec(1)
式(1)中,Usec为输出电压;Lsec为滤波电感。把输出滤波电感电流下降斜率折算到变压器一次侧:
S(L)′=S(L)N(2)式(2)中,N为变压器一、二次侧的匝数之比。计算折算到一次侧的电流检测信号电压值US(L)′=S(L)′Rsense(3)
计算振荡锯齿波斜坡电压的斜率US(osc)=d(Uosc)/Ton(4)
运用叠加法可得
Uramp=US(L)′R2R1+R2+US(osc)R1
R1+R2
(5)
式(5)中,Uramp为叠加后的电压值。UScomp=US(osc)R1R1+R2;USCLP=US(L)′R2
R1+R2
(6)
式中,US(comp)为振荡斜坡产生的电压;US(L)′为电流反馈在Rsense上产生的电压。斜率补偿电压信号的上升率愈大,则峰值电流控制电路对噪声的敏感性愈小,系统的抗噪能力愈强。另一方面,如果增大斜率补偿电压信号的上升率,则电流注入控制系统的开环穿越频率会减小,系统的动态响应速度将降低。综合考虑上述因素,在控制工程实践中,斜率补偿电压的上升率一般设计为输出电感电流检测信号下降率折算值的75%。
US(comp)=0.75US(L)′,R2=R1
USosc
US(L)′
×0.75
。
R1和C2组成滤波电路。这个滤波电路用于降低开
通时的电流尖峰,该电流尖峰可能会导致电流检测电路错误工作。滤波电路的时间常数不能太小,太小滤波的效果不好,太大则导致电流检测电路响应速度变慢。一般滤波电路的时间常数应该要远小于振荡器的时钟周期Ton,一般取为1/50。C2≤T
on/
(50R1),R
1
取1000Ω。由此完成斜坡补偿和滤波
电路的计算。2.3 峰值电流限制电路设计电流模式控制最有吸引力的地方就是它的电流限制能力,通过把误差电压放大器的输出限制在一个最大值的办法,简单地实现了限制峰值电流的目的。如图3,最大电流由R1和R2和Rsense决定。误差放大器的输出最大电压和VT1联系紧密,VT1用于嵌位误差放大器的最大输出电压。由于VT1的基极电压和VD1的前端电压基本相等,所以PWM
比较器的反向输入端电压被钳位在U
pin1-0.5V
。
8 通讯电源技术第21卷 图3 限制峰值电流电路2.4 快速关断电路设计UC3846的shutdown主要用于快速关断保护功能,是对前面峰值电流限制等保护功能的一个补充,关断电路输入部分是一个比较器,如图4。如果比较器的同相输入端大于350mV,比较器输出高电平,小晶闸管导通,软启动电容放电,使得pin1电位下降。
图4 快速关断保护电路 本电源采用的是富士EXB841驱动电路。当驱动电路检测到IGBT过流时会产生一个过流信号,
利用UC3846的shutdown的快速关断功能,过流信号会被送到shutdown来实现IGBT的快速过流关断保护。因为动作电压比较小,如果UC3846用于大功率焊机容易受到干扰,所以有必要设计一种可靠的辅助关断电路,保证关断电路不容易受到干扰,
如图5所示。
图5 抗干扰的辅助关断电路
如果过流信号为低电平,模拟开关4066C导通,
shutdown和负电压接通,保证shutdown不被干扰电压误导通;如果过流信号为高电平,shutdown和正电压接通,模拟开关4066D开通,shutdown出现高电平,将UC3846可靠关断输出脉冲,保护开关管。2.5 实验结果通过主电路和控制电路的设计制作,本文设计了基于全桥主电路的峰值电流模式控制CO2气体保护焊机。焊机工作时,斜坡补偿信号和恒压输出波形如图6所示。
图6 焊机工作时斜坡补偿信号和恒压输出波形 斜坡补偿电路增加了电路的稳定性和抗干扰性能,弥补了峰值电流模式控制的不足,输出电压稳定。
3 结 论峰值电流模式控制有很多优点,特别在用于全桥式逆变焊机时,有利于防止主变压器的偏磁。但是峰值电流模式也有抗干扰性能不好,容易发生亚谐波振荡的缺点。通过控制电路的合理设计,尤其是斜坡补偿电路设计,充分利用UC3846的内部资源,可以克服这些不足。
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9 第1期 ・变换与控制・ 夏 田等: 峰值电流模式逆变焊机控制电路的设计
