半橋有源廣義軟開關(guān)焊割電源的設(shè)計(jì)研究

吳月濤，謝志峰

(深圳華意隆電氣股份有限公司，廣東 深圳 518055)

0 前言

近年來，電力電子技術(shù)發(fā)展迅猛，逆變式開關(guān)技術(shù)廣泛應(yīng)用于焊割電源，笨重型、低效的傳統(tǒng)焊割電源裝置已被小型、高效的逆變式焊割電源取代。為了實(shí)現(xiàn)逆變式焊割電源裝置的高性能、高效率、高可靠性，減小體積和重量，必須實(shí)現(xiàn)逆變式焊割電源的高頻化。軟開關(guān)技術(shù)是使功率變換器實(shí)現(xiàn)高頻化的重要技術(shù)之一，它應(yīng)用諧振的原理，使開關(guān)器件中的電流(或電壓)按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過零時(shí)使器件開通/關(guān)斷(或電壓為零時(shí)使器件開通/關(guān)斷)，從而減少開關(guān)損耗。它不僅可以解決硬開關(guān)變換器中的硬開關(guān)損耗、容性開通、感性關(guān)斷等問題，還能解決由硬開關(guān)引起的電磁騷擾問題。目前，使用在焊割電源上的軟開關(guān)逆變電源技術(shù)有移相式全橋軟開關(guān)技術(shù)和有限雙極性全橋軟開關(guān)技術(shù)。本研究從另一角度提出一種新型的軟開關(guān)逆變電源技術(shù)，將之運(yùn)用于焊割電源，設(shè)計(jì)出新型的逆變式焊割電源。

1 主回路電氣原理

主回路電氣原理如圖1所示。電網(wǎng)交流電能經(jīng)過開關(guān)QK1接入焊割電源，由整流橋VC1整流為直流電能存儲(chǔ)于電容Cd上。由開關(guān)管IGBT1、IGBT2、IGBT1′、IGBT2′和半橋電容 Cd1、Cd2緩沖電容C1、C2以及主變壓器T1的一次側(cè)繞組(存在漏感LK)、飽和電抗器LS等組成的半橋有源廣義軟開關(guān)逆變電路負(fù)責(zé)將儲(chǔ)于電容Cd上的直流電能逆變成中頻交流電能，再由主變壓器隔離變壓后通過次級(jí)中頻整流即可變成滿足焊割需要的直流電能。

圖1 主回路電氣原理圖

由圖1可以看出，開關(guān)管IGBT1、IGBT2順向串接組成半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，IGBT1、IGBT2稱為主開關(guān)；而另一組開關(guān)管 IGBT1′、IGBT2′背靠背串接組成一組合開關(guān)，IGBT1′、IGBT2′稱為輔助開關(guān)。 從主控制電路輸出的主開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為U1（輸出端口為G1，S1）和 U2（ 輸出端口為 G2，S2），它們是相位相差 180°的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)；從主控制電路輸出的輔助開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為 U1′（輸出端口為 G1′，S1′）和 U2′（輸出端口為 G2′，S2′）它們是相位相差 180°的定寬并留有足夠死區(qū)時(shí)間的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

在主開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)U1、U2和輔助開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào) U1′、U2′的驅(qū)動(dòng)下，開關(guān)管 IGBT1和 IGBT1′將同時(shí)開通，IGBT1按 PWM 關(guān)斷，IGBT1′滯后 IGBT1一段時(shí)間后固定脈寬關(guān)斷；IGBT2和IGBT2′同時(shí)開通，IGBT2按PWM 關(guān)斷，IGBT2′滯后IGBT2一段時(shí)間后固定脈寬關(guān)斷。具體的驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序見圖2。

2 主回路的工作原理

在t1時(shí)刻前，電容C1已經(jīng)被放完電荷，其端電壓為Uc1=0；電容C2已經(jīng)被充滿電荷，其端電壓為Uc2=Uin，“1”點(diǎn)電位為Uin，波形圖見圖10。

(1)t1時(shí)刻：如圖3所示，主開關(guān)IGBT1和輔助開關(guān)IGBT1′同時(shí)開通，由于飽和電抗器LS此時(shí)還未進(jìn)入飽和區(qū)，回路中總的電感LK+LS很大，故回路電流將從零開始緩慢上升的，因此IGBT1為零電流軟開通；而此時(shí)“ 1”和“ 2”兩點(diǎn)等電位，IGBT1′被 IGBT1導(dǎo)通箝位，IGBT1′處于零偏狀態(tài)，因此沒有電流流過，IGBT1′屬于零電流/零電壓軟開通。

圖2 驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序圖

此時(shí)電流流向?yàn)椋篣in+→IGBT1→LS→T1→LK→Cd1、Cd2。

由于一次側(cè)回路串聯(lián)的飽和電感的作用，電流先以很小斜率上升，直到LK達(dá)到飽和安匝數(shù)飽和后才快速升到負(fù)載額定值再按二次側(cè)電抗器決定的斜率上升，這個(gè)時(shí)間需設(shè)置稍大于tq（IGBT開通延遲的總時(shí)間）。一次側(cè)能量在此過程中通過變壓器T1傳給二次側(cè)，二次側(cè)二極管VD3導(dǎo)通，VD4反偏截止。一段時(shí)間后，IGBT1將PWM關(guān)斷，進(jìn)入時(shí)刻t2。

(2)t2～t6時(shí)刻：如圖 4、圖 5 所示，t2時(shí)刻 IGBT1PWM截止（IGBT1′仍保持導(dǎo)通），由于輸出電抗器的作用，一次側(cè)電流不能突變，一次側(cè)電流在t2時(shí) 刻切換通路。

圖3 主開關(guān)IGBT1和輔助開關(guān)IGBT1′同時(shí)開通時(shí)電流路徑

圖4 主開關(guān)IGBT1關(guān)斷時(shí)電流路徑

圖5 主開關(guān)IGBT1關(guān)斷后期電流路徑

此時(shí)電流流向改為：C1、C2→VD2′→IGBT1′→LS→T1→LK→Cd1、Cd2。

此后C1被充電；C2被放電，C1端電壓從零開始緩慢上升，C2端電壓從Uin開始緩慢下降，“1”點(diǎn)電位從Uin緩慢下降，所以IGBT1端電壓是按一定斜率從其飽和壓降（3 V左右）開始緩慢上升的，IGBT1屬于零電壓軟關(guān)斷。

C1和C2充放電，實(shí)際上是“1”點(diǎn)電壓與Cd1和Cd2的中點(diǎn)電壓（半橋電容足夠大，中點(diǎn)電壓始終保持于Uin/2）之差加在LS和LK上，隨著時(shí)間的推移，這個(gè)電壓會(huì)從開始的Uin/2逐漸降到零（此時(shí)“1”點(diǎn)電壓降至Uin/2），這個(gè)過程中變壓器一次側(cè)電流也在減少，見圖10中變壓器一次側(cè)電流t2～t3段。此時(shí)一次側(cè)能量仍通過變壓器T1傳給二次側(cè)，二次側(cè)二極管VD3導(dǎo)通，VD4反偏截止。當(dāng)“1”點(diǎn)電壓低于Uin/2時(shí)，C1和C2繼續(xù)充放電，但此時(shí)漏感和飽和電感被加上反壓，變壓器一次側(cè)電壓為零，二次側(cè)二極管VD3、VD4同時(shí)導(dǎo)通為輸出電感續(xù)流。一次側(cè)電流路徑仍然為：C1、C2→VD2′→IGBT1′→LS→T1→LK→Cd1、Cd2，該電流將急劇減小，見圖 10 中 t3～t4段。當(dāng)C1和C2充放電，使得C1電壓充至Uin、C2電壓放至零時(shí)，漏感和飽和電感仍被加上反壓，變壓器一次側(cè)電壓為零，二次側(cè)二極管VD3、VD4仍然同時(shí)導(dǎo)通并為輸出電感續(xù)流。一次側(cè)電流改變路徑為：Uin-→VD2→LS→T1→LK→Cd1、Cd2，如圖 5 所示。該電流仍將急劇減小，見圖10中t4～t5段。

當(dāng)一次側(cè)電流急劇減小到飽和電感的閥值時(shí)，飽和電感LS電感量劇增，一次側(cè)電流迅速減小到一個(gè)很小值然后以較小的斜率緩慢下降到零并開始向相反方向緩慢發(fā)展，見圖10中t5～t6段，此時(shí)輔助開關(guān)IGBT1′關(guān)斷?？梢娸o助開關(guān)IGBT1′的關(guān)斷屬于零電流/零電壓軟關(guān)斷，關(guān)斷應(yīng)力很小。此后，一次側(cè)的電流完全截止，“2”點(diǎn)電位回到中點(diǎn)電位Uin/2，變壓器一次側(cè)及飽和電感上的電壓都為零，二次側(cè)二極管VD3、VD4仍然同時(shí)導(dǎo)通并繼續(xù)為輸出電感續(xù)流，如圖6所示。

圖6 主開關(guān)IGBT1(IGBT2)和輔助開關(guān)IGBT1′(IGBT2′)均關(guān)斷后的電流路徑

當(dāng)輔助開關(guān)IGBT1′驅(qū)動(dòng)脈沖U1′死區(qū)時(shí)間過去后（死區(qū)時(shí)間由主控板輔助開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)定產(chǎn)生）進(jìn)入t7時(shí)刻。

(3)t7時(shí)刻：如圖7所示，主開關(guān)IGBT2和輔助開關(guān)IGBT2′同時(shí)開通，由于飽和電抗器Ls此時(shí)還未進(jìn)入飽和區(qū)，回路中總的電感LK+LS很大，故回路電流將從零開始，緩慢上升，因此IGBT2為零電流軟開通；而此時(shí)“ 1”和“ 2”兩點(diǎn)等電位，IGBT2′被IGBT2箝位，IGBT2′處于零偏狀態(tài)，因此沒有電流流過，IGBT2′屬于零電流/零電壓軟開通。

圖7 主開關(guān)IGBT2和輔助開關(guān)IGBT2′同時(shí)開通時(shí)電流路徑

此時(shí)電流流向?yàn)椋?Cd1、Cd2→LK→T1→LS→IGBT2→Uin-。

電流先以很小斜率上升，直到LK達(dá)到飽和安匝數(shù)飽和后才快速升到負(fù)載額定值再按二次側(cè)電抗器決定的斜率上升，這個(gè)時(shí)間設(shè)置同樣稍大于tq（IGBT開通延遲的總時(shí)間）。一次側(cè)能量在此過程中通過變壓器T1傳給二次側(cè)，二次側(cè)二極管VD4導(dǎo)通，VD3反偏截止。一段時(shí)間后，IGBT2將PWM關(guān)斷，進(jìn)入時(shí)刻t8。

(4)t8～t12時(shí)刻：如圖 8、圖 9 所示，t8時(shí)刻 IGBT2PWM截止（IGBT2′仍保持開通），由于輸出電抗器的作用，一次側(cè)電流不能突變，一次側(cè)電流在t8時(shí)刻切換通路。

此時(shí)電流流向改為：Cd1、Cd2→LK→T1→LS→VD1′→IGBT2′→C1、C2。

圖8 主開關(guān)IGBT2關(guān)斷時(shí)電流路徑

圖9 主開關(guān)IGBT2關(guān)斷后期電流路徑

此后C2被充電；C1被放電，C2端電壓從零開始緩慢上升，C1端電壓從Uin開始緩慢下降，“1”點(diǎn)電位從零緩慢上升降，所以IGBT2端電壓是按一定斜率從其飽和壓降（3 V左右）開始緩慢上升的，IGBT2屬于零電壓軟關(guān)斷。

C2和C1充放電，實(shí)際上是Cd1和Cd2的中點(diǎn)電壓與“1”點(diǎn)電壓之差加在LS和LK上，隨著時(shí)間的推移，這個(gè)電壓會(huì)從開始的Uin/2逐漸降到零（此時(shí)“1”點(diǎn)電壓升至Uin/2），這個(gè)過程中變壓器一次側(cè)電流也在減少，見圖10中變壓器一次側(cè)電流t8～t9段。此時(shí)一次側(cè)能量仍通過變壓器T1傳給二次側(cè)，一次側(cè)二極管VD4導(dǎo)通，VD3反偏截止。當(dāng)“1”點(diǎn)電壓高于Uin/2時(shí)，C2和C1繼續(xù)充放電，但此時(shí)漏感和飽和電感被加上反壓，變壓器一次側(cè)電壓為零，一次側(cè)二極管VD3、VD4同時(shí)導(dǎo)通為輸出電感續(xù)流。一次側(cè)電流路徑仍然為：Cd1、Cd2→LK→T1→LS→VD1′→IGBT2′→C1、C2。 該電流將急劇減小，見圖 10 中 t9～t10段。當(dāng) C2和 C1充放電，使得 C2電壓充至 Uin、C1電壓放至零時(shí)，漏感和飽和電感仍被加上反壓，變壓器一次側(cè)電壓仍為零，二次側(cè)二極管VD3、VD4仍同時(shí)導(dǎo)通并為輸出電感續(xù)流。一次側(cè)電流改變路徑為：Cd1、Cd2→LK→T1→LS→VD1→Uin+。如圖 9 所示，該電流仍將急劇減小，見圖10中t10～t11段。

當(dāng)一次側(cè)電流急劇減小到飽和電感的閥值時(shí)，飽和電感LS電感量劇增，一次側(cè)電流迅速減小到一個(gè)很小值然后以較小的斜率進(jìn)一步緩慢下降到零并開始向相反方向緩慢發(fā)展，見圖10中t11～t12段，此時(shí)輔助開關(guān)IGBT2′關(guān)斷?？梢娸o助開關(guān)IGBT2′的關(guān)斷屬于零電流/零電壓軟關(guān)斷，關(guān)斷應(yīng)力很小。此后，一次側(cè)的電流完全截止，“2”點(diǎn)電位回到中點(diǎn)電位Uin/2，變壓器一次側(cè)及飽和電感上的電壓都為零，副邊二極管VD3、VD4仍然同時(shí)導(dǎo)通并繼續(xù)為輸出電感續(xù)流，如圖6所示。

當(dāng)輔助開關(guān)IGBT2′驅(qū)動(dòng)脈沖U2′死區(qū)時(shí)間過去，一個(gè)完整的PWM周期結(jié)束，將開始完全相同的下一個(gè)周期。如此周而復(fù)始，完成半橋有源廣義軟開關(guān)PWM逆變的整個(gè)過程。

圖10是該半橋有源廣義軟開關(guān)逆變波形圖。

3 關(guān)鍵器件選擇和有關(guān)參數(shù)設(shè)置

要保證焊割電源在包括空載在內(nèi)的全負(fù)載范圍內(nèi)都能滿足軟開關(guān)條件，需要選擇緩沖電容C1和C2的容量，飽和電感LS的電感量和飽和伏秒數(shù)值等。保證電源能可靠運(yùn)行還需要確定合適的主開關(guān)IGBT器件和輔助開關(guān)IGBT器件的電流、電壓和功率等級(jí)。

圖10 半橋有源廣義軟開關(guān)逆變波形圖

(1)主開關(guān)零電流軟開通條件。

要滿足主開關(guān)零電流軟開通的條件，必須滿足：

a.飽和電感必須有足夠的飽和伏秒數(shù)，可保證從主開關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖U1或U2變高開始，主開關(guān)經(jīng)過開通延時(shí)（Turn-on Delay Time）td（on）和上升時(shí)間（Rise Time）tr后才完全飽和，即飽和伏秒數(shù)中一重要要素飽和電感控制時(shí)間tq（IGBT開通延遲的總時(shí)間）必須大于等于td（on）+tr。

b.飽和電感在飽和時(shí)刻的最大電流必須小到可以忽略不計(jì)以滿足零電流軟開通條件。

c.選擇矩形系數(shù)大的制作工藝簡(jiǎn)單的鐵氧體磁環(huán)。

根據(jù)零電流軟開通條件要求，要求飽和電感飽和時(shí)的電流為一很小值IS。

可算出電感量為

再根據(jù)式（2）和式（3）即可計(jì)算出需要的磁芯的截面積和需要的繞組匝數(shù)

式中 Uin為一次側(cè)直流電壓；tq為飽和電感控制時(shí)間（大于等于td（on）+tr）；LS為飽和電感電感量；IS為飽和電感飽和電流；N為飽和電感繞組匝數(shù)；BS為飽和電感磁芯飽和磁密；S為飽和電感磁芯截面積；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π·10-7；μr為磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率；lC為磁芯平均磁路長(zhǎng)度。

(2)主開關(guān)零電壓軟關(guān)斷條件。

要滿足主開關(guān)零電壓軟關(guān)斷的條件，必須在每一次主開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電容C1和C2保證充放電完畢?？蛰d情況下一次側(cè)電流最小，只要在空載情況下能保證電容C1和C2充放電完畢，就能保證全負(fù)載范圍內(nèi)主開關(guān)能零電壓軟關(guān)斷的條件。

設(shè)一次側(cè)空載勵(lì)磁電流為Im，一次側(cè)電感總和為L(zhǎng)S+LK，根據(jù)能量守恒定律可知：

一般選擇C1=C2=C，通過上式即可算出電容C1和C2的值C。

(3)主開關(guān)器件和輔助開關(guān)器件的選取。

主開關(guān)IGBT器件的電壓、電流容量和功率容量按電源需要滿載輸出電流、電壓以及功率來選擇，輔助開關(guān)IGBT器件因?yàn)楣ぷ髟诖箅娏髌陂g的時(shí)間較短，其電流量及功率容量均可按主開關(guān)IGBT器件電流容量的1/3～1/4來選擇。

4 結(jié)論

通過對(duì)一個(gè)完整PWM周期的理論分析可看出在本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中：主開關(guān)均為零電流軟開通，零電壓軟關(guān)斷；而輔助開關(guān)均為零電流/零電壓軟開通，零電流/零電壓軟關(guān)斷，開關(guān)管開關(guān)應(yīng)力很小，開關(guān)損耗非常低。通過參數(shù)計(jì)算和設(shè)置，可使本電源在包括空載在內(nèi)的全負(fù)載范圍內(nèi)達(dá)到軟開關(guān)條件。根據(jù)本研究制作的一臺(tái)ZX7-250逆變式手工焊機(jī)，逆變頻率為40 kHZ，負(fù)載持續(xù)率達(dá)100%（環(huán)境溫度40℃條件下），電能變換效率達(dá)90%，該電路拓?fù)浼夹g(shù)已獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利授權(quán)，專利號(hào)：ZL 201010532734.6。

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