軟開關(guān)弧焊逆變電源控制技術(shù)

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1、軟開關(guān)弧焊逆變電源的控制技術(shù)　　在功率開關(guān)器件中，MOSFET工作頻率高，但目前容量還不高，它是開發(fā)輕型便攜式弧焊逆變器的首選器件。IGBT具有控制性能好，容量大的綜合優(yōu)勢(shì)，特別適合用于開發(fā)中大功率的弧焊逆變器，IGBT性能的改進(jìn)主要體現(xiàn)在集射極間飽和電壓Uce和開關(guān)時(shí)間的不斷下降，產(chǎn)品的耐壓、電流容量不斷提高。德國Semikron公司針對(duì)IGBT的結(jié)構(gòu)缺陷加以改進(jìn)，推出單硅型IGBT。它在結(jié)構(gòu)上的低電感設(shè)計(jì)和軟特性快速可控向壽命二極管結(jié)合，大大減少了關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，不需RCD吸收電路；沒有IGBT中的N+擴(kuò)散層，拖尾電流低，無擎住效應(yīng)；開通和關(guān)斷時(shí)，電流和電壓的交叉點(diǎn)低，且交疊的區(qū)

2、域窄，開關(guān)損耗很小。日本Toshiba公司等已開發(fā)出大容量的IGBT智能型功率模塊IPM?！　≡诨『改孀兤鞯拈_關(guān)器件控制中，主要有如下方式可供選擇：(1)PWM硬開關(guān)型。在這種工作方式下，開關(guān)器件在開通和關(guān)斷期間，其電壓和電流都不為零，存在開通和關(guān)斷損耗，即硬開關(guān)工作狀態(tài)。(2)諧振軟開關(guān)型。目前，諧振電路的拓樸結(jié)構(gòu)有上百種，總起來說，可分為零電流和零電壓兩種方式。由于在電源開通和關(guān)斷期間，開關(guān)管上的電流或電壓為零，其損耗亦為零，即軟開關(guān)工作狀態(tài)。(3)軟開關(guān)相移PWM控制技術(shù)，充分利用PWM和諧振軟開關(guān)二者的優(yōu)勢(shì)，這一技術(shù)將會(huì)成為弧焊逆變器的重要控制方式?！　WM控制芯片由模擬和數(shù)

3、字電路組成。通過模擬電路的反饋決定被調(diào)制脈沖的寬度，根據(jù)模擬電路反饋方式不同可分為電壓型和電流型。數(shù)字電路用來實(shí)現(xiàn)解碼和脈沖分配等邏輯功能，依據(jù)數(shù)字電路脈沖分配方式不同可分為同步式和移相式。具體分類見圖1所示。圖1　PWM控制技術(shù)分類　　圖2a為電壓模式PWM控制，它只采樣輸出電壓，作為反饋信號(hào)。變換器是一單閉環(huán)二階控制系統(tǒng)。線電壓和負(fù)載的任何變化，必須由輸出電壓和參考電壓差值決定的誤差信號(hào)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。由于電源輸出濾波電容上的電壓信號(hào)相對(duì)于電流產(chǎn)生90°的延遲，因此，電壓型控制的響應(yīng)速度慢，在全橋電路中易產(chǎn)生偏磁和電流尖峰。a)電壓模式　　　　　　　　　　　　　　　　　　b)電流模式

4、　　圖2　兩種PWM控制模式　　圖2b為電流型PWM控制，它針對(duì)電壓型的缺陷，增加了一個(gè)電流反饋環(huán)節(jié)，它既有形成誤差信號(hào)的外環(huán)，又有開關(guān)管瞬態(tài)電流內(nèi)環(huán)。開關(guān)管電流不是獨(dú)立的變量，變換器成為無條件的一階穩(wěn)定系統(tǒng)。由于開關(guān)管電流上升斜率決定于Vin和Vout的差值，可以立即響應(yīng)線電壓的變化，能做到逐脈沖限流。輸出濾波器對(duì)于反饋環(huán)節(jié)只有單個(gè)極點(diǎn)，與電壓型相比，只需要簡(jiǎn)單的補(bǔ)償，且有更高的增益帶寬［2］?！　∧壳?，為了降低開關(guān)應(yīng)力，提高輸出功率度和功率因數(shù)等，已提出了多種新型的主電路拓樸結(jié)構(gòu)［3］，而這些電路拓?fù)浣?jīng)改進(jìn)后是可以移植到弧焊逆變器中來的。2　軟開關(guān)弧焊逆變電源試驗(yàn)結(jié)果及分析　　圖3

5、所研制的全橋軟開關(guān)手弧焊逆變器的主電路原理圖。主開關(guān)器件采用75A/1200V的二單元IGBT模塊，其中IGBT模塊1包含VT1、VD1和VT3、VD3，構(gòu)成超前橋臂，在超前橋臂的每只開關(guān)管集電極與發(fā)射極之間分別并聯(lián)5nF的高頻電容C1和C3；IGBT模塊2包含VT4、VD4和VT2、VD2，構(gòu)成滯后橋臂。主變壓器變比為22：3，可以表示為理想變壓器T1及其漏抗LK。隔直電容C的電容值為1.2μF。Ls1和Ls2為飽和電感。輸出整流快速二級(jí)管模塊為200A/400V的MURP20040CT。該電源的控制電路采用UC3875，工作在電壓模式下。它輸出四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)OUTA、OUTB、OUT

6、C、OUTD，其中OUTA、OUTB是超前橋臂上下管子的驅(qū)動(dòng)脈沖，脈寬恒定，相隔1.5μs的死區(qū)，相位相反；OUTC、OUTD是滯后橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)OUTA和OUTD、OUTB和OUTC分析共同導(dǎo)通時(shí)，電源向負(fù)載傳送功率。通過反饋調(diào)節(jié)共同導(dǎo)通脈寬的大小，可以控制輸出電流或電壓，從而實(shí)現(xiàn)逆變器的調(diào)節(jié)特性、輸出靜特性和動(dòng)特性。圖3　軟開關(guān)全橋弧焊逆變器的主電路原理圖　　軟開關(guān)過程的試驗(yàn)結(jié)果見圖4。軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)過程如下：在超前管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前沿，開關(guān)管的集射極間電壓Uce為零，電流流過與其反并聯(lián)的二極管，超前管實(shí)現(xiàn)零電壓開通；超前管的關(guān)斷靠并聯(lián)在管子集射極間的吸收電容近似實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。滯后管

7、的開通時(shí)，飽和電抗器處于不飽和狀態(tài)，電抗值很大，滯后管處于零電流開通；滯后管的關(guān)斷，利用隔直電容C加快環(huán)流衰減到零，使滯后管處于零電流開通狀態(tài)。實(shí)際焊接試驗(yàn)表明：開關(guān)管的安全性和可靠性明顯提高?？梢韵嘈?，全橋軟開關(guān)相移PWM控制電路將會(huì)成為發(fā)展大功率弧焊逆變器的主流技術(shù)?！　　　　　　　)超前管驅(qū)動(dòng)和電壓壓波形　　　　　　　　　b)超前管電壓和電流波形　　c)滯后管驅(qū)動(dòng)和電流波形　　　　　　　　d)滯后管電壓和電流波形　　圖4　軟開關(guān)過程的試