【正文】 軟開(kāi)關(guān)逆變整流器 21 第 5 章 軟開(kāi)關(guān)逆變器在焊機(jī)中的應(yīng)用 軟開(kāi)關(guān)逆變器的主電路 軟開(kāi)關(guān)逆變器的 主電路分為三個(gè)部分。其缺點(diǎn)在于： ① IGBT 長(zhǎng)期處于擊穿狀態(tài)，容易損壞；② 漏感儲(chǔ)能全部在 IGBT 內(nèi)部白白耗損。 用 輔助電路拓寬軟開(kāi)關(guān)范圍的移相控制逆變主電路 J． G． Cho 等采用輔助電路拓寬軟開(kāi)關(guān)范圍的相移控制逆變電路，為了解決滯后橋臂的零電壓范圍窄的問(wèn)題，在滯后橋臂增加輔助電路來(lái)拓寬滯后管的零電壓開(kāi)通范圍，其主電路如圖 44 所示， V T 4V T 2LV D 4V D 2C2V D 1V D 3V T 1V T 3C1C3C4 V F 1V F 2V D 8V D 7Lr 圖 44 用輔助開(kāi)關(guān)的相移控制零電壓開(kāi)關(guān)逆變電路圖 其工作方式如下：首先 VT VT 2導(dǎo)通， VT1關(guān)斷后，電容 C1充電，電容 C3放電， VT 3可以零電壓開(kāi)通，對(duì)超前橋臂來(lái)說(shuō)，零電壓開(kāi)通與常規(guī)的相移控制電路一樣；在 VT 2關(guān)斷時(shí)，電容 C2充電，電容 C4放電，如果變壓器的漏感儲(chǔ)存的能量不夠，在 C4 放完電后， VD4 不能導(dǎo)通 ，則滯后管 VT4 不能導(dǎo)通，則滯后管 VT4不能涼電壓開(kāi)通，目的為了輔助滯后管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，在 VT2 關(guān)斷前，開(kāi)通輔助開(kāi)關(guān)，則輔助電感 LR 儲(chǔ)能線性增加，當(dāng)輔助電感儲(chǔ)能增加到一定值后， VT2與 VT1 同時(shí)關(guān)斷，輔助電感的儲(chǔ)能和變壓器漏感的儲(chǔ)能一起使得電容 C2 充電，電容 C4 放電，輔助電感的電流通路是輔助開(kāi)關(guān) VF2 的反并聯(lián)二極管。選擇漏感過(guò)大，或者附加電感，又影響輸出功率使得占空 比丟失現(xiàn)象更為嚴(yán)重。其主電路和交流等效電路如圖 42b 所示 。目前適合采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的全橋逆變電路有： ① 全橋串聯(lián)諧振逆變電路； ②全橋并聯(lián)諧振逆變電路：③高頻直流諧振環(huán)逆變電路；④移相控制全橋逆變控制電路。 軟開(kāi)關(guān)逆變整流器 13 第 4 章 零電壓零電流 PWM 移相控制 軟開(kāi)關(guān)型全橋逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 目前，由于歷史的原因，弧焊逆變器大多數(shù)采用單端逆變、半橋逆變和全橋逆變電路。相移控制的全橋逆變主電路，是利用主電路功率器件本身 的二極管導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)通功率器件，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通的，主電路根據(jù)控制信號(hào)的不同，分為超前橋臂和滯后橋臂，兩者工作情況不同。在直流輸出端和逆變器之間接入一個(gè) LC 振蕩電路，這樣具有恒定直流電壓的母線 變成一個(gè)高頻直流脈動(dòng)或高頻交流母線，從而在母線上出現(xiàn)電壓過(guò)零現(xiàn)象，掛在這樣母線上的逆變器又派生出很多新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電路也是欠阻尼的，使得流過(guò)開(kāi)關(guān)器件的電流自然過(guò)零實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)論文 8 多諧振（ MRC）逆變主電路 如圖 31c 所示，多諧振逆變主電路是指在一個(gè)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)中綜合零電壓與零電流開(kāi)關(guān)的特性，諧振電容既與開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)，又與二極管相并聯(lián)，把開(kāi)關(guān)器件和二極管都形成零電壓開(kāi)關(guān)，其主要優(yōu)點(diǎn)是把所有的主要的寄生參數(shù)（功率器件的輸出電容，二極管的結(jié)電容和變壓器的漏感等等）都并入諧振 電路內(nèi)，使得電路中的器件均在零電壓時(shí)導(dǎo)通，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了工作效率。零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于降低了器件的關(guān)斷損耗，對(duì)具有少子導(dǎo)電的功率器件如 IGBT、 BJT 等等，效果很好。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者專家針對(duì)存在著的這個(gè)問(wèn)題，又研究和開(kāi)發(fā)了軟開(kāi)關(guān)型弧焊電源。 開(kāi)關(guān)器件與諧振器結(jié)合構(gòu)成諧振開(kāi)關(guān)，即用軟開(kāi)關(guān)器件代替單個(gè)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān) 。 根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM 波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。 根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來(lái)代替正弦波，通過(guò)對(duì)矩形波的控制來(lái)模擬輸出不同頻率的正弦波 。 PWM 脈寬調(diào)制 原理 脈寬調(diào)制（ PWM）控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。因而，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)尤其是在弧焊逆變器中的應(yīng)用越來(lái)越多，從而使弧焊電源的水平又上了一個(gè)新臺(tái)階。 弧焊電源的功率器件以模擬式或開(kāi)關(guān)式進(jìn)行工作和控制，在開(kāi)關(guān)式弧焊電源中有硬軟型之分。而高頻化使傳統(tǒng)的 PWM 開(kāi)關(guān)功耗加大，效率降低、噪聲增加。 Soft switch arc welding inverter。 關(guān)鍵詞： 硬開(kāi)關(guān)型逆變器；軟開(kāi)關(guān)弧焊逆變器；零電壓零電流； PWM 控制；相移控制串聯(lián)諧振 Abstract II Abstract This article in view of the hard switch type inverter studies in switch loss. Frequency to further improve the difficulty, and introduc ed the research switch ullage small, frequency higher soft switch type arc welding inverter, and emphasizes the phase shift control series resonant zero voltage zero current soft switch the w hole bridge of the inverter principle, characteristic and it how to use high frequency transformer leakage are ahead of the arms of the bridge realize zero open and use the dc voltage let realize the arms of the zero current lag bridge turned off, in addition, also with soft switch technology characteristics are analyze d and discussed. Phase shift inverter circuits of the w hole bridge circuit of the soft switch technology and PWM control technology in bination with, large scale realize PWM control, and in the power of the device during the mutation realize power co mponents zero voltage soft switch technology, and to reduce the switch loss, reduce the effect of the interference caused by miller phenomenon, and the system the bulk and weight be reduced power ponents are under stress switch is small, have a lot of a dvantages. Contrast analysis shows that, the soft switch type than the hard switch type has more advantages and more is worth popularizing. Ke yword： Hard switching type inverter。 為使開(kāi)關(guān)電源輕、小、薄，發(fā)展趨勢(shì)是高頻化。在這種情況下，零電壓零電流 ZVS— ZCS 技術(shù)（即“軟”開(kāi)關(guān)技術(shù)）應(yīng)運(yùn)而生！ 本文將主要介紹軟開(kāi)關(guān)在弧焊電源中的應(yīng)用。從本質(zhì)上克服硬開(kāi)關(guān)弧焊電源的缺點(diǎn)，在較大程度上解決功率開(kāi)關(guān)耗損過(guò)大的問(wèn)題，并降低功率器件 du/dt 和 di/dt，減少電磁干擾 (EMI)和射河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)論文 2 頻干擾（ RFI），降低了逆變器的重量，提高頻率，減少電路中變壓器、電感、電容的體積，降低輸出紋波，提高功率密度和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。如何防御 EMI 和抑制諧波已 后者采用 PWM 變流技術(shù)，而軟開(kāi)關(guān) PWM 變流技術(shù)則是上述兩者優(yōu)點(diǎn)的綜合。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。 在 PWM 波形中，各脈沖的幅值是相 等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，整流電路采用不可控的二極管電路即可， PWM 逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。近年來(lái)，人們開(kāi)始注意電動(dòng)機(jī)控制用低頻大功率的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。硬開(kāi)關(guān)型弧焊電源大多采用 PWM 控制技術(shù)，其功率器件工作在被強(qiáng)迫關(guān)斷（電流不為零）或強(qiáng)迫導(dǎo)通（電壓不為零），由于電路存在寄生電容和寄生電感，導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)有是工作電流、電壓值不為零，甚至較大值的狀態(tài)，所軟開(kāi)關(guān)逆變整流器 5 以開(kāi)關(guān)損耗大，此耗損隨著頻率增加正比增加，這一損耗不僅大大降低電路的效率，甚至使電路工作不能正常。 軟開(kāi)關(guān)逆變整流器 7 第 3 章 軟開(kāi)關(guān)的分類 軟開(kāi)關(guān)型逆變主電路 目前常見(jiàn)的軟開(kāi)關(guān)型逆變主電路基本形式 ： ① 零電流開(kāi)關(guān)（ ZCS）諧振逆變主電路； ② 零電壓開(kāi)關(guān)（ ZVS）諧振逆變主電路； ③ 多諧振（ MRC）逆變主電路； ④ 串聯(lián)諧振逆變主電路； ⑤ 并聯(lián)諧振逆變主電路； ⑥ E 類逆變主電路 ⑦ 直流母線諧振逆變主電路； ⑧ 移相控制 諧振逆變主電路； 基本的軟開(kāi)關(guān)逆變主電路介紹和了解 零電流開(kāi)關(guān)（ ZCS）諧振逆變主電路 如圖 31a 所示，零電流開(kāi)關(guān)是指通過(guò)輔助的 LC 諧振元件、整型功率器件上的電流波形，使得功率器件在零電流的條件下自然關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)器件的自然換流。另一個(gè)缺點(diǎn)是由與諧振電容一起諧振的整流二極管引起，若是阻尼振蕩，則在高頻下一起過(guò)大的損耗，若是非阻尼振蕩，則對(duì)逆變器的電壓增益有一定的影響，因而可能引起閉環(huán)振蕩。而在并聯(lián)諧振電路中，負(fù)載是與電 容 C 并聯(lián)在一起的。 L LrRCrCUsV T 1 圖 34 E 類逆變主電路 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)論文 10 直流母線諧振逆變主電路 1986 年，美國(guó)威斯康星大學(xué)的 教授提出“諧振直流環(huán)逆變器（諧振環(huán)）的概念”，對(duì)于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用逆變器起了很大的推動(dòng)作用。由于其開(kāi)關(guān)頻率恒定，在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) PWM 控制，而在功率開(kāi)關(guān)器件換流瞬間實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)換流，減少了開(kāi)關(guān)損耗，降低硬開(kāi)關(guān)造成的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性，相移控制全橋開(kāi)關(guān) 逆變電路綜合了 PWM 控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和軟開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，所以其一出現(xiàn)，便受到了人們的青睞。 V T 4V T 2LVD4VD2RVD1VD3V T 1V T 3V T 1 V T 3 V T 1V T 2 V T 4 V T 2 a）相移控制主電路 b）驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序圖 圖 36 相移控制主電路和驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序圖 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)論文 12 本章小結(jié) 本章詳細(xì) 介紹了軟開(kāi)關(guān) 型逆變主電路的主要 分類，針對(duì)硬開(kāi)關(guān)型弧焊逆變器研究存在的開(kāi)關(guān)損耗、頻率進(jìn) 一步提高困難等問(wèn)題，介紹研究了開(kāi)關(guān)損耗小，頻率更高的軟開(kāi)關(guān)弧焊器，并著重討論了相移控制串聯(lián)諧振式零電壓零電流軟開(kāi)關(guān)全橋弧焊逆變器的原理、特點(diǎn)等。 軟開(kāi)關(guān)型全橋逆變主電路 為了使輸出功率能夠夠大，逆變器主電路結(jié)喉往往采用全橋逆變電路。實(shí)質(zhì)上是在重載甚至短路時(shí)， RL 值很小，電容 CP 相當(dāng)于短路，電路可自動(dòng)限制短路電流；而在空載時(shí)， RL 是無(wú)窮大，有電流流過(guò)電容 CP，使得電路具有可控性，并且空載損耗比并聯(lián)諧振電路要小。在一、二次側(cè)電流值未上升到 I1 時(shí)，電流上升率（ slope） 為Ui/Ir,在一，二次側(cè)電流值上升到 I1 后電流上升率（ slope）為（ UiU0） /L2，（假定變壓器匝比是 1， Ui、 U0 分別是輸入、輸出電壓），由于漏感 Lr 的存在，輸入U(xiǎn)ab，輸入 Us 兩者脈沖寬度不一致，存在占空比丟失現(xiàn)象（占空比丟失現(xiàn)象是指在兩個(gè)基本點(diǎn)對(duì)角的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，由于電流上升率慢，電流沒(méi)有及時(shí)上升到二次側(cè)所需的電流，此時(shí)雖有正向脈沖，但變壓器一、二次側(cè)沒(méi)有聯(lián)系）。 V T 4V T 2LrV D 4V D 2C2RV D 1V D 3V T 1V T 3T1C1C3C4L1C5D 12D 14L2 圖 43 輸出雙電抗器整流的相移控制主電路圖 軟開(kāi)關(guān)逆變整流器 1