新型零电压软开关弧焊逆变器仿真及实验研究

摘要：采用新型软开关电路拓扑，结合应用移相控制软开关技术和电流峰值控制技术，研制出一种新型软开关弧焊逆变器。仿真和实验结果表明，所研制的弧焊逆变器能够实现全范围的软开关，并且具有良好的限流和自校正能力，可以有效的解决功率变压器的偏磁问题。

关键词：弧焊逆变器，软开关，电流峰值移相控制计算机仿真

Study on a Novel Zero-Voltage Soft-Switching Arc Welding Inverter

Du Guiping1、2 Huang Shisheng2 Wang Zhenmin2

(1.FoShan University; 2.Guangzhou South China University Of Technology)

Abstract: A novel soft-switching topology is presented and the phase-shifted soft-switching technology and peak current injection technology are applied in the research of soft-switching arc welding inverter. The simulation and experiments results indicated that the novel inverter is with full range soft-switching and is capable of auto-correction and current limiting which solves the magnetic bias of power transform effectively.

Key words: arc welding inverter, soft-switching, peak current-injection phase-shifted control, computer simulation

1 前言

弧焊逆变器由于具有体积小，重量轻，效率高等优点[1]，目前在工业生产中得到越来越广泛的应用，但是采用硬开关模式的弧焊逆变器还存在许多问题，如开关应力大，EMI比较高等缺点，这些问题成为弧焊逆变器进一步发展的瓶颈，限制了弧焊逆变器的进一步的推广和应用。本文根据功率电子领域的最新进展，应用和发展了一种采用磁开关启用优化的激磁电感，同时配合漏感和分布电感，实现大功率软开关直流变换的新型全桥零电压软开关电路拓扑,将移相控制技术和电流峰值控制技术相结合，研制出全范围软开关的新型弧焊逆变器。

1 电流峰值移相控制软开关工作原理

1.1 新型零电压电路拓扑

普通移相控制全桥零电压软开关变换电路存在滞后桥臂软开关范围较窄、占空比损失较大、整流二极管电压振荡、初级有环流损耗等方面的问题[2,3]。其滞后桥臂换流时，功率变压器正处于无源状态，即续流状态，输出电感和激磁电感都不能参与滞后臂的谐振换流。激磁电感参与全桥变换器谐振换流的充要条件是器件换流期间变压器处于能量输出状态或纯电感状态[4]。因而，对这种软开关电路改进的基本原理是在滞后桥臂换流时使得变压器由续流状态转化为纯电感状态，从而启用激磁电感参与滞后桥臂的串联谐振。最简单的办法就是采用磁开关。所谓磁开关，就是指由伏秒数决定阻抗、在趋近零电流时饱和的非线性电感。图1给出了采用磁开关启用激磁电感实现软开关的主电路原理图。

在该电路中，初级电路基本与普通全桥软开关电路相同，不同的是在变压器的次级串接了两个饱和L1、L2。采用磁开关启用恰当设置的激磁电感，同时配合漏感实现软开关的新型电路，是一种简单、可靠、经济和实用的零电压软开关直流变换电路。只要合理设置激磁电流，即可保证移相全桥变换器中领先桥臂和滞后桥臂在任何负载下都达到零压软开关[4]。超前桥臂的开关管VT1、VT3在换流过程中其工作特征与普通全桥移相软开关超前臂开关管完全类似，此时磁开关处于低阻导通状态；滞后桥臂开关管换流时，原边电流降至激磁电流，整流二极管的导通电流为零，输出电流全部流经续流二极管VDw，磁开关L1、L2都处于阻断状态，此时激磁电感被启用，它与漏感串联。由于等效串联谐振电感很大，可以认为原边电流近似保持不变，该电流继续给滞后开关管的并联电容C2、C4充、放电。因此可见，由于磁开关的作用，大大拓宽了滞后桥臂的软开关范围，明显改善了变换器的性能。

1.2 峰值电流模式移相控制技术的实现

弧焊逆变器不同于传统电源，其功率开关器件导通电流等内部变量的瞬态值具有相对独立性。只有直接控制电流瞬态峰值，才能有效的快速保护功率开关器件，同时克服全桥式弧焊逆变器的偏磁问题，提高其动态反应速度和可靠性。因此，本电源采用峰值电流控制模式。

它是将代表了开关管瞬态电流信息的动态信跟一个频率和幅值很小且恒定的锯齿波信号叠加，然后再与参考电压信号进行比较，共同决定导通比d 的大小。导通比d既与参考电压成正比，又与开关管瞬态电流到达峰值的时刻相关。从而保证开关管的瞬态电流峰值跟随参考电压而变化。这种控制方式具有内在的瞬时限流调整能力，可以实现对功率开关器件的动瞬时保护，还可以自动保持高频功率变压器动态磁平衡。更重要的是电流峰值控制方法可以同移相软开关技术有机结合，从而全面地改进逆变器的性能。

开关管瞬态电流采样采用霍尔电流传感器。它具有绝缘耐压高（2KV）、测量准确（1%以内）、动态性能好（电流跟踪速度高于50A/us）和可靠性高等优点。尤其是霍尔传感器可以直接检测有直流分量的高频交流信号，并且可以克服电流互感器的磁通复位[5]问题。所以特别适合用来获取峰值电流控制模式所需要的瞬态电流信息。

移相控制芯片采用美国Unitrode公司最近推出的改进型移相软开关控制器UC3879。该芯片从总体结构上可划分为三个部分：（1）脉宽调制信号发生器；（2）移相驱动指令形成电路；（3）工作电源及保护等辅助电路。具有众多优点，能够满足采用峰值电流控制的脉宽调制的需求。

为了克服系统在导通比大于50%时的不稳定现象，需要进行斜率补偿。当斜率补偿电压信号的上升率大于或等于输出电感中电流对应检测信号的下降率的一半时，则可以保证在导通比从0~1的全部范围内，系统总是稳定的。同时，斜率补偿电路可以提高脉冲宽度调制的有效幅值与参考电压的最大值之比，从而改善系统的抗噪性能。补偿信号的上升率越大，则电流注入控制电路对噪声的敏感性越小，系统的抗噪性能越强。另一方面，如增大补偿信号的上升率，则电流控制的开环穿越频率会减小，影响系统的动态响应速度。综合以上因素，将斜率补偿电压信号的上升率设计为输出电感电流检测信号下降折算值的70%~80%。

2 新型逆变器仿真研究

采用交互式电路仿真软件ICAP/4（Interactive Circuit Analysis Program 4.0），针对通过磁开关启用激磁电感并配合漏感实现软开关换流的新型电路结构，利用计算机仿真试验，系统地研究了新型全桥式软开关弧焊逆变器的动态过程。其动态过程仿真主要基于以下条件：1)输出直流电流：Io=400A；2）等效负载电阻：Ro=0.1W；3）功率开关管：BSM150GB120DN2型IGBT；4)串联谐振电感（包括漏感）：Lr=10mH；5）外接谐振电容：Cr =2nF；6）变压器初次级匝数之比：N =7；7）磁开关阻断时间：tblock=2mS；8）次级二极管：MUR20040CT；9）输出滤波电感Lo=100mH；9）G=530V，频率为20KHZ。鉴于篇幅，只给出磁开关和桥臂的仿真结果。

图2给出了磁开关的电压仿真波形和变压器初级电流波形。此图说明，磁开关发挥阻断作用（即波形 ② 的电压为高电位）的时间，正是变压器初级电流（见波形 ① ）急速变化的时间，也就是滞后桥臂的换流时间，由此可以大大拓展滞后桥臂的软开关范围,同时可以降低滞后桥臂延迟时间对实际电路分布参数的敏感性。

图3给出了领先桥臂和滞后桥臂下部IGBT的驱动波形、集射极间电压波形及其反并联二极管的导通电流波形。由图可见，桥臂中反并联二极管既能够与传统弧焊逆变器中一样将每只IGBT的最高反向电压限制在直流输入电压值，又可以提供变压器的漏感电流低阻抗回路。IGBT零电压导通的充分且必要条件是：当IGBT驱动信号有效时刻，它的反并联二极管正在导通电流。图中表明，在IGBT驱动波形 ① 的开通电压发挥作用之前，IGBT的集射极间电压Vce（波形 ③ ）已经下降到零，其反并联二极管正在导通（见波形 ② ），因此，所有的IGBT都是完全零电压开通，不存在开通损耗。同时，由于每只IGBT功率开关器件都并联谐振电容，此并联电容对其瞬态关断电压具有缓冲作用，故IGBT的关断过程为近似零电压关断，可以大大降低其关断损耗。

3 软开关逆变器实验研究

根据新型电路拓扑，将峰值电流模式同相移软开关技术相融合，成功研制了大功率

弧焊逆变电源。采用由TEKTRONIX公司的TDS210数字示波器、工业控制计算机以及波形分析软件构成的信息自动采集系统，对研制的新型软开关弧焊逆变器进行了实验研究。

3.1 软开关电路实验

图4是正常负载时滞后桥臂下部IGBT的驱动电压VGE和集电极与发射极之间电压（简称集射极间电压）VCE的实测波形，电压波形比较好，没有明显的寄生振荡。图（b）为开关区间的局部放大，此图说明，在IGBT的驱动电压（见波形 ① ）转变为栅极正偏压之前，由于功率主电路的谐振换流作用，IGBT的集射极间电压VCE（见波形 ② ）已经下降至零，表明滞后桥臂实现了大范围零电压软开关。

3.2 抗偏磁和过流保护

图5给出了电流峰值控制对高频变压器初级电流的对称校正和自动逐脉冲限流调整的实验结果。此图说明，电流峰值控制中同一个给定电流信号既等于变压器初级电流的正向瞬态峰值，又等于初级电流的负向瞬态峰值。因此，变压器初级电流在每一个逆变周期中都由于电流峰值控制的反馈调节作用而被校正为完全对称状态。从根源上克服了全桥逆变电路因为伏秒数不平衡而导致的直流偏磁问题。也表明电流峰值控制的软开关弧焊逆变器具有内在的精确、快速自动限流保护功能。

4 结论：

（1）采用磁开关启用激磁电感的新型软开关电路拓扑，可以成功应用于大功率弧焊逆变器；

（2）将电流峰值移相控制技术和大功率软开关技术相融合应用于基于新型拓扑的逆变器可以使其滞后桥臂软开关范围大幅度提高，提高整机效率；

（3）有效的解决了偏磁和功率器件的保护问题，使逆变器可靠性有明显的改善。

参考文献：

1 黄石生.逆变理论及弧焊逆变器.北京：机械工业出版社，1994，6～15

2 R.A.Fisher et al. A 500kHz 250W DC/DC converter with multi-Outputs controlled by phase shifted PWM and magnetic amplifiers. Proceedings of High Frequency Power Conversion. 1988,100~110

3 J.A.Sabate et al. Design considerations for high-voltage full bridge zero-voltage-switched PWM converter. IEEE APEC. 1990,274～284

4 余文松. 新型大功率软开关弧焊逆变器的研究. [博士学位论文].广州:华南理工大学, 2000

5
R.Redl, N.O.Sokal, L.Balogh. A new soft-switching full-bridge DC/DC converter: analysis,design considerrations and experimental results at 1.5KW 100KHZ. IEEEtransactions on power electronics. 1991,6(3):408-418