【正文】 .30 死區(qū)時間設(shè)置 .........................................................................................30 輸出級 .....................................................................................................31 調(diào)節(jié)及反饋 ...........................................................................................31 本章小結(jié) ...........................................................................................................32 結(jié)束語 .............................................................................................................................33 致 謝 .............................................................................................................................34 參考文獻 .........................................................................................................................35 附錄 1：軟開關(guān)逆變電路的主電路圖 ..........................................................................36 附錄 2：控制電路圖 ......................................................................................................37 軟開關(guān)逆變整流器 1 第 1 章 緒論 開關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕等顯著特點。目前，各國正在努力開發(fā)新器件、新材料以及改進裝配方法，進一步提高效率、縮小體積、降低價格，以解決開關(guān)電源面臨的新課題，即環(huán)境適配性，包括噪聲與諧波等的電磁適配性，同人類之間的安全適配性等。 為使開關(guān)電源輕、小、薄，發(fā)展趨勢是高頻化。因此，實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)將成為開關(guān)電源產(chǎn)品未來的主流。加拿大北方電信公司已經(jīng)開發(fā)了全橋軟開關(guān) PWM 通信用一次電源。眾所周知，為了提高電源的可靠性，需要盡可能的減少損耗，降低功率管的溫升，減少功率管承受的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力。在這種情況下，零電壓零電流 ZVS— ZCS 技術(shù)（即“軟”開關(guān)技術(shù)）應(yīng)運而生！ 本文將主要介紹軟開關(guān)在弧焊電源中的應(yīng)用。硬開關(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迫關(guān)斷（電流不為零）或強迫導(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)斷時有時是工作電流、電壓值不為零，甚至較大值的狀態(tài)，所以開關(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。采用軟開關(guān)技術(shù)可以防御電磁干擾（ EMI），采用 PWM 變流技術(shù)可抑制諧波。 而軟開關(guān)型采用的是諧振變流技術(shù)。從本質(zhì)上克服硬開關(guān)弧焊電源的缺點，在較大程度上解決功率開關(guān)耗損過大的問題，并降低功率器件 du/dt 和 di/dt，減少電磁干擾 (EMI)和射河南機電高等專科學校畢業(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)動態(tài)性能。 軟開關(guān)型弧焊逆變器是一種有較大發(fā)展和應(yīng)用前景的軟開關(guān)型弧焊電源，本文 將以它為代表進行重點的討論。但是電力變換技術(shù)的進步和電力變換器的廣泛應(yīng)用也帶來了電力公害，并已成為世人關(guān)注的社會問題。另一種公害是諧波，裝置的輸入電流波形嚴重失真，該波形里含有大量諧波，不但降低了電網(wǎng)成 為一個重要課題。如何防御 EMI 和抑制諧波已 后者采用 PWM 變流技術(shù)，而軟開關(guān) PWM 變流技術(shù)則是上述兩者優(yōu)點的綜合。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次 諧 波諧波少。 在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。這里所說的效果基本相同。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。 例如，把正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半波看成由 N 個彼此 相連的脈沖所組成的波形。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是 PWM 波形。根據(jù)沖量相河南機電高等專科學校畢業(yè)論文 4 等效果相同的原理， PWM 波形和正弦半波是等效的。 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，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。按照計算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的 PWM 波形 開關(guān)與損耗 軟開關(guān)發(fā)展的三階段 軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷過高頻逆變器、緩沖電路和諧振開關(guān)三階段。晶閘管時代，高頻逆變器作為開關(guān)損耗少的逆變器著稱，與整流電路組合一起的高頻環(huán)節(jié) DCDC 變流器可算是最早實用化的軟開關(guān)技術(shù)。利用緩沖器，器件本身的開關(guān)損耗能減少，并能實現(xiàn)軟開關(guān)動作。近年來，人們開始注意電動機控制用低頻大功率的軟開關(guān)技術(shù)。 1966 年 R . E .Man 用晶閘管做過軟件仿真，既當今的 ZCS。 1984 年開始， F. C. Lee 對零電流開關(guān)、零電壓開關(guān)進行了一系列研究，并起名為準諧振變流器，引起人們的共同重視。 復(fù)式諧振變流器 (MRC)對于降低噪聲很有效。硬開關(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迫關(guān)斷（電流不為零）或強迫導(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)斷時有是工作電流、電壓值不為零，甚至較大值的狀態(tài)，所軟開關(guān)逆變整流器 5 以開關(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。 以軟開關(guān)工作方式的諧振變流技術(shù)，從控制方式上分有變頻控制和恒頻控 制兩種，變頻控制電路分析、設(shè)計麻煩且控制復(fù)雜，易受干擾，輸出范圍小，磁性元件利用率不高。在全橋逆變主電路中，使對角線上的功率開關(guān)器件不同的開關(guān)和關(guān)斷，而是錯開一個時間間隔，以實現(xiàn)零電壓開通或零電流關(guān)斷，并調(diào)節(jié)橋路占空比來時間輸出電壓或電流的控制。輸出范圍大，電路結(jié)構(gòu)也相對簡單。 軟開關(guān)逆變整流器 7 第 3 章 軟開關(guān)的分類 軟開關(guān)型逆變主電路 目前常見的軟開關(guān)型逆變主電路基本形式 ： ① 零電流開關(guān)（ ZCS）諧振逆變主電路； ② 零電壓開關(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； 基本的軟開關(guān)逆變主電路介紹和了解 零電流開關(guān)（ ZCS）諧振逆變主電路 如圖 31a 所示，零電流開關(guān)是指通過輔助的 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，實現(xiàn)器件的自然換流。此外，由于諧振電路的配置關(guān)系，使得電路對分布參數(shù)的敏感性降低。在開通時，斷態(tài)時存在于器件輸出電容的能量，在器件內(nèi)部損耗掉，影響高頻工作時的效率。 零電壓開關(guān)（ ZVS）諧振逆變主電路 如圖 31b 所示，零電壓開關(guān)是指通過輔助的諧振元件電感和電容，整型功率器件上的電壓波形，使得功率器件的輸出電容電壓在器件開通前降為零，為元件的開通創(chuàng)造零電壓條件，并消除器件寄生輸出電容相關(guān)的開通損耗，使得開關(guān)頻率大大提高。另一個缺點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，則在高頻下一起過大的損耗，若是非阻尼振蕩，則對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。以上三種電路缺點是調(diào)頻工作時，器件所受的電壓電流應(yīng)力大。電感 L、電容 C、功率器件和負載串聯(lián)在一起形成一個欠阻尼電路，由于電路是欠阻尼的， 引起震蕩，這樣流過功率開關(guān)的電壓出現(xiàn)自然過零現(xiàn)象。圖 32a、 b 分別為半橋串聯(lián)諧振逆變電路和全橋串聯(lián)逆變電路。而在并聯(lián)諧振電路中，負載是與電 容 C 并聯(lián)在一起的。在晶閘管中頻爐常常采用這種方法實現(xiàn)晶閘管的自然換流， 如 圖 33a、 b 分別以半橋并聯(lián)的諧振電路和全橋并聯(lián)的諧振逆變電路。由于電路中的電流或電壓是正弦的，電路中功率器件受到很大的應(yīng)力，與電路的 Q 值成正比。其電路如圖 34 所示， E 類逆變主電路的優(yōu)點是消除開關(guān)損耗，減少電磁干擾。 L LrRCrCUsV T 1 圖 34 E 類逆變主電路 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)論文 10 直流母線諧振逆變主電路 1986 年，美國威斯康星大學的 教授提出“諧振直流環(huán)逆變器（諧振環(huán)）的概念”，對于軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用逆變器起了很大的推動作用。諧振直流環(huán)逆變器基本電路如圖 35 所示，利用諧振元件 Lr和 Cr及諧振控制開關(guān) VT1 在逆變器的輸入直流電路產(chǎn)生諧振，把輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為一系列高頻脈沖電壓供給逆變器，其優(yōu)點是整流、諧振、逆變?nèi)N功能組合電路，功率器件實現(xiàn)零電壓開關(guān)條件與負載無關(guān)，易于控制。 2 為了使 L、 C 振蕩電路每次過零點，需設(shè)置附加電路補充振蕩電路的能量損耗，以提供足夠的能量使振幅值過零點。諧振直流環(huán)逆變器只能采用離散脈沖調(diào)制的方法來控制。由于其開關(guān)頻率恒定，在大范圍內(nèi)實現(xiàn) PWM 控制，而在功率開關(guān)器件換流瞬間實現(xiàn)軟開關(guān)換流，減少了開關(guān)損耗，降低硬開關(guān)造成的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性，相移控制全橋開關(guān) 逆變電路綜合了 PWM 控制技術(shù)的優(yōu)點和軟開關(guān)的優(yōu)點，所以其一出現(xiàn)，便受到了人們的青睞。相移控制的全橋逆變電路主電路和驅(qū)動信號時序如圖 36 所示，其詳細情況下面將會介紹。以上各種各樣的軟開關(guān)逆變主電路的應(yīng)用，能夠使得功率器件的開關(guān)軌跡大為改變，拓寬功率器件的安全工作區(qū)，降低了 開關(guān)耗損和過大的 du/dt 和 di/dt 現(xiàn)象，減少干擾，克服了常規(guī)硬開關(guān)型逆變電路的缺點，但同時也帶來新的問題，主要有以下方面： ① 由于大多數(shù)軟開關(guān)電路是依靠 L、 C 振蕩使得電路產(chǎn)生零電壓或零電流開關(guān)條件的， L、 C 振蕩所產(chǎn)生的正弦波具有較高的電壓或電流的有效值，通常會使導(dǎo)電耗損有所增加，功率器件所受的電壓與電流的應(yīng)力都要不相應(yīng)的硬開關(guān) PWM逆變功率器件承受的壓力大，并且該應(yīng)力隨電路的 Q 值和負載變化而變化。 ③ 由于用調(diào)頻來調(diào)節(jié)輸出，負載變化大時，相應(yīng)的電壓和電流調(diào)節(jié)范圍比相應(yīng)的 PWM 逆變電路窄，超前一定范圍后 ,逆變電路不能達到零電壓或零電流開關(guān)條件，不能達到滿載（短路）或空載，由于存在以上種種問題。 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)動信號時序圖 圖 36 相移控制主電路和驅(qū)動信號時序圖 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)論文 12 本章小結(jié) 本章詳細 介紹了軟開關(guān) 型逆變主電路的主要 分類，針對硬開關(guān)型弧焊逆變器研究存在的開關(guān)損耗、頻率進 一步提高困難等問題，介紹研究了開關(guān)損耗小，頻率更高的軟開關(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關(guān)全橋弧焊逆變器的原理、特點等。一個合理的構(gòu)造軟開關(guān)型弧焊逆變器的思路，就是在這三種電路的基礎(chǔ)上構(gòu)造出來的。 理想的軟開關(guān)逆變器應(yīng)該是實現(xiàn)了開關(guān)頻率恒定，而在功率器件換流階段，實現(xiàn)功率器件的軟開關(guān)換流（零電壓或電流開通和關(guān)斷）。 單端軟開關(guān)型逆變主電路 對采用單端正激或單端反激為主電路的逆變器來說，可以采用零電壓（ ZVS）或零電流（ ZCS）技術(shù)來實現(xiàn)軟開關(guān)逆變技術(shù)，但采用輔助的電感和電容來達到零電壓或零電流的開關(guān)條件會增加 電路的復(fù)雜性。 軟開關(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。 全橋逆變電路的主電路如圖 41 所示，實現(xiàn)軟開關(guān)即是實現(xiàn)功率器件 VTVT VT VT4 的零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)，有根據(jù)負載方式