【正文】 這三個轉(zhuǎn)換器加上必要的吸收保護電路環(huán)節(jié)即構(gòu)成了逆變弧焊電源主電路?？梢酝ㄟ^控制IGBT的通斷時間獲得需要的電壓、電流及功率。 弧焊逆變器電能轉(zhuǎn)換和功率輸出控制的實現(xiàn)是一項系統(tǒng)的工作，涉及到多方面具體的任務(wù)，除了選擇和設(shè)計合適的控制系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計控制電路中元器件的參數(shù)之外，對主電路的選擇和設(shè)計及對其元器件的參數(shù)設(shè)計是最基礎(chǔ)也是十分重要的。由上表可以看出，如果要獲得較大功率的輸出，一般情況下應(yīng)該選擇推挽式或者全橋式的主電路結(jié)構(gòu)。因此，考慮到功率開關(guān)管的耐壓容限，本系統(tǒng)中選擇使用全橋式逆變主電路結(jié)構(gòu)。 逆變主電路拓撲性能比較/推挽式全橋式半橋式單端式功率開關(guān)管集射極間施加電壓穩(wěn)態(tài)為2E，漏感引起的尖峰使Vcemax＞2E穩(wěn)態(tài)為E，二極管箝位Vcemax≤E同全橋截止期二極管箝位Vcemax=E輸出相同功率時集電極電流IcIc2Ic2Ic功率開關(guān)管數(shù)量2421輸出濾波電容數(shù)量1121獲得的輸出容量大大中等中、小 軟開關(guān)技術(shù)在逆變電源中的應(yīng)用在常規(guī)的PWM逆變電路中，電力電子開關(guān)器件在大電壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷，處于強迫關(guān)斷過程，這種逆變電路被稱之為硬性開關(guān)電路。ttiuuiuiui(a) 開通 (b) 關(guān)斷 硬開關(guān)通斷U/I示意圖一般情況下一個周期內(nèi)器件的開關(guān)損耗可占全部損耗的30%～40%。同時由于過大的開關(guān)損耗使得器件結(jié)溫上升，不僅限制了工作頻率的提高，而且也無法使器件在額定電流、電壓容量條件下運行。過大的du/dt和di/dt將對系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾（EMI），導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。軟開關(guān)型逆變器的特點是功率開關(guān)器件在零電壓或零電流或零電壓和零電流狀態(tài)下導(dǎo)通或關(guān)斷?？梢哉f從根本上克服了硬性開關(guān)PWM逆變電路的缺點。屬于前一種方式的電路有全橋串聯(lián)諧振逆變電路或全橋并聯(lián)諧振逆變電路以及它們的組合電路；屬于后一種方式的有移相控制全橋逆變電路。(1) 全橋串聯(lián)、并聯(lián)諧振逆變電路全橋串聯(lián)、并聯(lián)諧振逆變主電路。這兩種主電路既可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)，也可以實現(xiàn)零電流開關(guān)，其具體實現(xiàn)要根據(jù)頻率大小和負載情況而定。采用負載諧振來實現(xiàn)功率開關(guān)器件通斷的軟開關(guān)型逆變電路，其輸出功率的大小主要靠調(diào)節(jié)頻率來進行調(diào)節(jié)，相對于定頻率調(diào)脈寬的控制方式技術(shù)難度較大；而電路中器件所受的應(yīng)力與電路的功率值Q是成正比的，不適合輸出功率大的場合；而且雖然全橋串聯(lián)、并聯(lián)諧振逆變電路在恒定負載容易實現(xiàn)零電壓或零電流開關(guān)，但對于頻繁處于“空載一短路一負載一短路”負載大范圍變化的弧焊電源來說卻是很難滿足軟開關(guān)性能要求的。它一經(jīng)出現(xiàn)就受到了人們的青睞。按照如圖所示的時序信號驅(qū)動全橋逆變主電路中的功率開關(guān)管，使其按照驅(qū)動信號的順序先后通斷以達到軟開關(guān)型逆變電路的技術(shù)要求。它的控制策略是VTVT3和VT VT4分別輪流導(dǎo)通，每只開關(guān)管導(dǎo)通180176。其中VTVT3反相，VTVT4反相，VTVT3管導(dǎo)通時刻不變，是先導(dǎo)通的器件（稱為超前橋臂），控制VTVT4（稱為滯后橋臂）的導(dǎo)通時刻，使VT2管和VT1導(dǎo)通時刻相差為0176。VT3與VT4類似，當VTVT2移相為0176。VTVT2移相為180176。移相控制實現(xiàn)零電壓開通的工作原理是這樣的：假定負載是感性的，根據(jù)控制時序，VT1管先導(dǎo)通，VT2經(jīng)過一定的移相角后導(dǎo)通，電流由電源正極出發(fā)，流經(jīng)VT1管從A點流到B點經(jīng)VT2流向電源負極，此時電源向負載輸出功率。此時電流處于換流階段，VT3管可在零電壓下導(dǎo)通（VD3導(dǎo)通后，VT3兩端的電壓近似為0），且UAB≈O。di/dt=UAB，所以電流衰減很慢。di/dt=UAB等于電源電壓負值，所以電流衰減很快，因此VD4開通時間較短，滯后管VT4的零電壓開通有一定的限制范圍。） 相移控制的全橋逆變電路VT1VT5VT3VT2VT4VT6UGEt 移相控制時序圖 (3) 高頻直流諧振環(huán)逆變電路高頻直流諧振環(huán)逆變電路是一種新型的實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)的方法，由于其技術(shù)難度較大，目前設(shè)計的軟開關(guān)型逆變器暫時不考慮這種方式，因此我們的方案選擇不考慮高頻直流諧振環(huán)逆變電路。 逆變焊接電源主電路原理圖 軟開關(guān)型弧焊逆變器高頻變壓器的設(shè)計在大功率軟開關(guān)型弧焊逆變器中，高頻變壓器的功能包括：電氣隔離，降壓作用，利用磁耦合作用傳送能量，參與功率開關(guān)管的軟開關(guān)過程。進行高頻變壓器設(shè)計時必須全面考慮對變壓器性能產(chǎn)生影響的因素，如磁芯材料的選擇、磁通密度和鐵損的限制、制造工藝等。② 當輸入電壓最高，占空比最大時，磁芯不會飽和。④ 初、次級繞組的損耗應(yīng)相等，銅損與鐵損也應(yīng)相等，損耗應(yīng)足夠低。⑥ 符合必要的安全規(guī)格。(2) 磁芯材料的選用主電路中由于高頻變壓器初級直接與開關(guān)管相連，其漏感引起的尖峰電壓對開關(guān)管的安全工作有很大威脅，因此，高頻變壓器的性能是至關(guān)重要的，而其性能又是由磁芯材料及繞制工藝決定的。一般選擇高頻磁芯材料有以下幾點特殊要求:① 在工作頻率下，鐵損要盡可能小。③ 隨著溫度升高，飽和磁通密度下降要慢。由表可知，超薄硅鋼片的飽和磁通密度高，使用厚度極薄的硅鋼片可以降低渦流損耗，但很不經(jīng)濟，且其電阻率太低，高頻使用時鐵損仍然較大，不宜用于高頻變壓器；鐵氧體的電阻率非常高，高頻鐵損小，磁滯損耗小，價格低，缺點是飽和磁通密度低，溫度系數(shù)大，易脆裂，工作頻率為20～30KHz，在IGBT和MOSFET弧焊逆變器中多被選用作為鐵芯材料；非晶態(tài)合金的飽和磁通密度高，導(dǎo)磁率高，磁滯回路狹窄，機械強度高，熱穩(wěn)定性能好，高頻損耗比鐵氧體還要小，是一種較為理想的高頻磁芯材料。因此在本設(shè)計中根據(jù)現(xiàn)有條件選用鐵氧體作為高頻變壓器的磁芯材料。對于逆變電路中逆變用功率開關(guān)器件的選擇既要符合輸出功率大、電流和電壓等級高的要求，又要滿足功耗小，能夠達到高頻工作的要求。我們對常用的普通晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、功率MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等器件的主要性能指標進行比較：(1) 輸出功率與工作頻率 MOSFETGTOP/W108106105107104106f/HzSCIGBTGT 器件輸出功率與工作頻率的關(guān)系 。(2) 電流和電壓等級、電流等級情況。GTR的電流容量仍可增大，但電壓容量難以高于1500V；而由于MOSFET的導(dǎo)通電阻隨著電壓的升高而增大，因此，繼續(xù)提高它的耐壓容量就顯得非常困難。102103104I/A102104103U/VMOSFETGTIGBTGTO 不同全控型器件電壓與電流等級情況(3) 功率損耗P/W10210110110102104106108f/HzMOSFETGTRGTO IGBT 功率損耗與工作頻率的關(guān)系在逆變電路中，功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，隨著工作頻率的升高，功率器件的動態(tài)損耗將占器件總損耗的95%以上，因此要根據(jù)設(shè)計的逆變器工作頻率選擇合適的功率器件。通過對比不同功率開關(guān)管的性能，可以得出結(jié)論：選擇絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為逆變焊接電源開關(guān)器件，既可以承受高電壓和大電流，獲得大功率輸出，又可以工作在較高頻率，還不至于產(chǎn)生過高的功率損耗。它將MOSFET與GTR的優(yōu)點集于一身，既具有速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的特點，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和電流容量大等優(yōu)點。 (1) 靜態(tài)特性IcUGEUGEOO飽和區(qū)擊穿區(qū)UGE(th)UGE1UGE2UGE3UGE4UGE5 IGBT輸出特性 IGBT的轉(zhuǎn)移特性IcIGBT的靜態(tài)特性主要包括輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，如圖所示。當UGE＜UGE（th）（開啟電壓）時，IGBT處于截止區(qū)，僅有極小的漏電流存在，直至UCE上升至PN結(jié)雪崩擊穿進入擊穿區(qū)為止。在該區(qū)中，漏極電流Ic幾乎不變，其大小取決于UGE。在開啟電壓UGE（th）附近，Ｉc與UGE呈非線形關(guān)系，IGBT導(dǎo)通后，在大部分漏極電流范圍內(nèi)，Ｉc與UGE呈線形關(guān)系。由圖可知，在它的關(guān)斷波形存在電流拖尾現(xiàn)象，這就需要一定的關(guān)斷時間，從而增大了開關(guān)損耗。(3) 擎住效應(yīng)與安全工作區(qū)① 擎住效應(yīng)IGBT為四層結(jié)構(gòu)，體內(nèi)存在一個寄生晶閘管。在此電阻上，會產(chǎn)生一定壓降，對寄生晶體管來說，相當于一個正偏置電壓。當Ic電流大到一定程度時，該正偏置電壓使NPN晶體管開通，進而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。由于漏極通態(tài)電流的連續(xù)值過大而產(chǎn)生的擎住效應(yīng)稱為靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集極電流增大，造成過高的功耗，導(dǎo)致器件損壞。電流的最大值，同時用加大門極電阻RG的辦法延長IGBT的關(guān)斷時間以減小重加dUCE/dt值或者在IGBT關(guān)斷時，柵極采用一定負偏壓以減小重加dUCE/dt值。最大漏電流是根據(jù)避免動態(tài)擎住而確定的；最大漏源電壓是由IGBT中PNP晶體管的擊穿電壓確定:最大功耗PCM動受限于最高允許結(jié)溫，與導(dǎo)通時間密切相關(guān)，導(dǎo)通時間長，發(fā)熱嚴重，安全工作區(qū)變窄（）。 IGBT對驅(qū)動電路的要求IGBT屬于電壓驅(qū)動型器件。但負載短路時其漏極電流增大，承受短路電流的時間減少，對其安全工作不利，因此正偏壓降也不能太高，一般選擇為+12～+15V；負偏電壓（UGE）增大時集極浪涌電流明顯下降，所以提高負偏電壓可防止由于關(guān)斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，但負偏電壓受到G、E極間最大反向耐壓限制，一般取2～10V。但要考慮到IGBT中寄生電容的存在因素。(3) IGBT開通后，驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，以免IGBT在正常工作時退出飽和區(qū)而損壞。 抗干擾及吸收保護電路設(shè)計在逆變焊接電源主電路設(shè)計當中，有一些輔助的電路設(shè)計，它們在整個系統(tǒng)中起到了抗干擾和吸收保護的作用。ce 過流保護原理圖電壓檢測IGBT是一種安全工作區(qū)寬，使用簡單的功率元件，但負載電流過大時能夠承受的時間很短，而且開關(guān)速度高易產(chǎn)生浪涌電壓，因此使用IGBT時一般要采用過流保護電路和浪涌箝位電路。IGBT過流時，電路中漏源電壓UCE將增大，故障檢測電路檢測此信號如果大于某一值時便發(fā)出故障信號，同時關(guān)斷送給柵極的驅(qū)動信號，進而關(guān)斷IGBT的輸出，起到過流保護的功能。阻容網(wǎng)絡(luò)中的電容采用自身發(fā)熱少、低損耗，而且耐壓、耐高溫（+125℃）的HR系列絕緣型陶瓷電容器。為了抑制電網(wǎng)中的高次諧波噪聲，在工頻交流電輸入端接有由電容組成的低通濾波器，以濾去干擾噪聲。在靠近主電路回路配置低電感、低ESR的小容量電容，能夠有效減少高開關(guān)頻率的噪聲，也可以抑制正態(tài)與共態(tài)噪聲。5%，即281～311V，其峰值為：397～440V；整流后輸出直流電壓的范圍為：357～440V。在此，按開關(guān)電源的效率最差時取值，取， ()電源的輸入功率為： W ()最大輸入電流為： A () 考慮裕量，取整流橋的額定電流為400A根據(jù)以上計算，擬選用Shindengen公司的D400VTA160（VRM=1600V，IO=400A） 三相整流橋模塊。通常輸入濾波電容值是從控制紋波的角度來估算的，即為保證給逆變電路提供穩(wěn)定的直流電壓，濾波電路時間常數(shù)必須為紋波中基波周期的6倍以上，由此根據(jù)直流輸入電壓、電流推算出輸入濾波電容值。推算方法如下：輸入整流后面的電路每個周期中所需的能量約為： J ()式中A為輸入交流電壓的相數(shù)，單相輸入時A=1，三相輸入時A=3；每半個周期輸入濾波電容所提供的能量為： ()可得輸入濾波電容的容量為： μF ()從控制紋波角度考慮，也可驗證此結(jié)果也滿足紋波要求。故選用 的陶瓷電容4只并聯(lián)。輸入直流的最小值為，則輸入濾波電感的值約為： mH ()輸入濾波電感為工頻電感，鐵心采用薄硅鋼片疊壓而成，線圈采用多線并繞。計算并設(shè)計合適的變比對于整個弧焊逆變器能否達到預(yù)期目標起著重要的意義。同時，弧焊逆變器短路狀態(tài)時的電流沖擊也愈小。對于軟開關(guān)型弧焊逆變器的輸出電壓存在兩個方面的要求：一是滿載電壓要符合最大焊接規(guī)范要求。所以，對于大功率的軟開關(guān)弧焊逆變器的輸出電壓應(yīng)該優(yōu)先考慮滿載電壓的要求。為了保證引弧成功率，必須保證有足夠大的短路電流上升率，而短路電流上升率（di/dt），一方面與空載電壓有關(guān)；另一方面與輸出電感量值的大小有關(guān)系。這樣不僅可以保證引弧成功率，而且可以增大弧焊變壓器變比，從而提高了變壓器的效率。 V ()從滿載電壓考慮，假定選擇的二次側(cè)的最大導(dǎo)通比為Dsec（max）=，則變壓器二次側(cè)電壓可計算為：式中Vo（max），為滿載電壓，取為28V；VD為輸出整流二極管的通態(tài)壓降，；VRi為電源寄生電阻導(dǎo)致的壓降。而最低直流輸入電壓為: V ()所以變壓器初、次級變比K為: ()在設(shè)計的主電路中，變壓器初、次級變比的實際值為K=9。兩者相比，全波整流電路前的主變壓器的二次繞組帶中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；全橋整流比全波整流多用兩只二極管，成本高，若輸出電流大，則整流橋上二極管的總通態(tài)損耗也較大，影響變換器效率，但在全波整流電路中，二極管承受的最大反向電壓為全橋整流電路的兩倍。根據(jù)技術(shù)指標，采用全波整流電路，該電路由兩個二極管構(gòu)成，流過每個二極管的平均電流等于電感電流平均值的一半。(2) 濾波電感量的計算直流輸出LC濾波的工作頻率為20KHz，一般開關(guān)電源要求在5%的額定負載時，還要保證滿足雜音指標，所以這時輸出濾波電感上的電流還要連續(xù)，也就是說，電感總電流變化的峰峰值為10A ，假設(shè)變壓器副邊脈沖電壓峰值為V2m，對于電感，有下列公式