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1、第23卷第1期焊接学报Vol.23No.12002年2月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONFebruary2002软开关逆变式弧焊电源的设计张光先,邹增大,尹海,李思海(山东大学,济南250061)摘要:软开关技术是解决逆变弧焊电源可靠性的核心技术。本文提出了一种新的软开关逆变弧焊电源的设计方案,该方案基本上可实现空载、短路、燃弧全负载范围内的软开关状态。本文分析了超前臂的关断功耗与并联电容之间的关系,串联电容及回路电感对环流期的电流变化的影响。并指出了滞后桥臂零电流关断区域,以及超前臂和滞后臂的零开通条件。在此基础上
2、提出了引入无功电流分量解决空载及轻载时软开关失败问题的方案,以及几个主要谐振参数的设计方法。在实践中采用本方案表明,降低了开关应力及损耗,提高了整机可靠性,降低了弧焊电源的成本。关键词:软开关;逆变;弧焊电源中图分类号:TG444文献标识码:A文章编号:0253-360X(2002)01-14-05张光先0序言软开关逆变技术已成功应用于众多电源中,但在逆变弧焊电源的应用中,由于弧焊电源经常工作在输出开路、短路、燃弧等状态中,负载范围宽,在整个负载范围内实现软开关难度大。现在逆变焊机中软开关控制方式主要分为两种,第一种是串联谐振式的调频工作方式(PFM),这种方式弧焊电源
3、空载时的无功电流太大,主回路中电流峰值很高,存在电流连续与非连续两种状态,控制复杂,仅美国米勒公图1主电路形式司在某些类型的焊机中采用;第二种是全桥移相谐Fig.1Themainloop振的脉宽调制工作方式(PWM),由于采用PWM控出电压。制,控制特性较好,回路中电流峰值低,但实现软开[1]1.2控制方式关的条件范围窄,本研究提出一种新的软开关逆(1)采用峰值电流控制模式,既保护了开关管变弧焊电源的设计方案,解决如何在整个工作范围又可有效抑制变压器偏磁。实现逆变弧焊电源软开关的问题。(2)软开关实现模式为Q1,Q3为PWM控制;Q2,Q4为互补180导通,不进行PWM调制。整
4、个1主回路设计与实现工作过程分为四个模式。Q1,Q4导通,电流通路为1.1主回路形式+-EQ1LXLXCXBQ4E。主回路选用改进型的全桥相移谐振式电路,如12图1所示。Q1截止,电流通路为+-Q1,Q3为超前臂;Q2,Q4为滞后臂;C1,C3为超EC1LXLXCXBQ4E,Q112前臂电容;C2,C4为滞后臂电容;C1=C3C2=C4,两端电压上升。CX为抑制环流电容,LX为变压器回路等效漏感,LX当Q1电压至E时,D3导通,电流通路为12--为饱和电感,B为变压器。E为输入电压,Uo为输ED3LXLXCXBQ4E。12Q4截止
5、,电流通路为收稿日期:2001-08-30--ED3LXLXCXBC3E。12第1期张光先,等:软开关逆变式弧焊电源的设计15当C4电压至E时电流通路为-+ED3LXtXCXBD2E。12Q1,Q2,Q3,Q4驱动波形如图2所示。图2Q1,Q2,Q3,Q4驱动波形Fig.2DrivewaveformofQ1,Q2,Q3,Q41.3电路的实现1.3.1实现中的几个主要问题图3Q1两端电压波形与变压器原边电流波形(1)元件选择Fig.3Sketchchartofvoltagewaveformatboth将以上计算应用于ZX7系列及NBC系列逆变e
6、ndsofQ1andcurrentwaveformat焊接电源的设计中,以ZX7-500电源为例,其功率primaryoftransformer管可用100A/1200V的IGBT,主变压器采用非晶铁芯绕制,串在变压器原边的电容采用高频CBB系列电容。(2)控制回路的实现由于没有此种导通模式的专用芯片,本设计是在电流型芯片UC3846的基础上改造使用。(3)实现中的难点饱和电感由于功耗很大、发热,且电感量易发生变化,设计应选择损耗小、矩形度好的铁芯材料。1.3.2主电路中的几个波形主电路中的几个波形如图3所示。图4弧焊逆变电源的外特性曲线2主回路中参数选择计算Fig.4Outp
7、utcurveofarcweldingpower以ZX7系列焊机为例,焊接电源的外特性曲线C2=C4,故主要考虑超前臂的换流,换流无功电流如图4所示。大小满足式为弧焊电源要可靠工作必须满足在ADBO整个IStS>E,包络线内的所有点上C1,C2,C3,C4要换流充分,否2C1则开通时IGBT两端并联的电容将直接向IGBT放式中:IS为换流期间的无功电流;tS为死区时间;E电,使开关器件IGBT损坏。为电源电压。2.1空载、轻载时C1,C3的
