现在逆变焊接电源普遍采用工作在硬开关状态下的传统PWM变换器,在硬开关方式下,开通和关断 损耗大,电子元器件的寿命缩短,此外,还存在感性关断、容性开通、二极管的反向恢复等问题, 这些缺陷使焊机的可靠性下降,阻碍了电路工作频率的进一步提高。解决这些问题的最好方法是采用软开关技术(softswitching),最理想的开关过程是在开关管两端电压为零时开通管子,当管子中的电流为 零时关断管子。目前,零电压转换(ZVT)双管正激式变换器在弧焊电源中的应用未见报道,笔 者用双管正激式零电压转换正激式拓扑,对1台可靠性极高的小型逆变焊接电源进行了全方位的研 究。1变换器的工作原理1.1变换器的原理图1给出了ZVT双管正激式变换器的主电路及主要波形。D1Q1DQ1Da1Da3DR1LfRLd从图中可以看出,Q1(DQ1),Q2(DQ2),D1,D2,变压器及变压器二次侧的 整流和滤波电路构成双管正激式变换器,变压器一、二次侧的匝数比为K=W1/W2。辅助开关 管Qa(Da1),辅助二极管Da2,Da3和Da4,谐振电感Lr和谐振电容Cr构成辅助 谐振电路。其中,Da2用来阻止谐振电感电流反向流动和承受辅助开关管Qa的反向电压。在分 析之前,作出如下假设:(1)所有开关管、二极管均为理想器件;(2)Lf足够大,在一个周 期中,其电流基本保持不变,这样Lf和Cf以及负载电阻可以看成一个电流为I0的恒流源。在 一个开关周期Ts中,该变换器有6种状态,其等效电路如图2所示。1.2工作过程分析(1) 开关模态1
(图2a)在t0时刻之前,主开关管Q1,Q2和辅助开关管Qa均 处于关断状态,谐振电感电流为零,谐振电容电压为Vin,负载电流I0流过续流二极管DR2 。在t0时刻,开通辅助开关管Qa、谐振电感和谐振电容通过辅助开关管和辅助二极管Da2开始谐振工作,谐振电感电流iLr从零开始增加,谐振电容电压开始下降:iLr(t)=VZrinsinωr(t-to),(1)VCr(t)=Vincosωr(t-to),(2)式中:ωr(t)=1/!LrCr,Tr=2πLrCr!,Zr=!L r/Cr。在ta时刻,谐振电感电流达到最大值ILr,max=VZrin,并且开始减小。谐 振电容电压VCr下降到0V,并且继续反方向增加,此时主开关管Q1,Q2两端的电压开始从 21Vin下降:t01=21Tr。(3)(2)开关模态2(图2b)由于辅 助二极管Da2的阻断作用,当iLr下降到0A后不能反方向流动,在t1时刻后可以零电流关 断辅助管。在t1时刻零电压开通主开关管Q1,Q2,加在变压器一次侧绕组上的电压为电源电 压Vin,其励磁电流iM从零开始上升,即:iM(t)=LVMin(t-t1)。(4)在 t2时刻,关断主开关管Q1和Q2,此时励磁电流和原边绕组电流分别为:IM(t2)=LV MinTon,(5)Ip(t2)=KI0+LVMinTon,(6)式中:Ton为主开关 管的导通时间。(3)开关模态3(图2c)在t2时刻,主开关管Q1和Q2关 断后,整流管DR1继续导通,此时折算到一次侧的负载电流I0/K和励磁电流iM通过辅助二 极管Da3和Da4同时给谐振电容Cr充电。一般iM!I0/K,可以忽略,因此Cr的电压 从-Vin开始上升,同样Q1和Q2两端的电压也是线性上升的。由于Cr限制了Q1和Q2上 的电压上升率,因此,Q1和Q2是零电压关断的。在t3时刻,Cr的电压上升到0V。开关模 态3的持续时间为:t23=KCrVin/I0,(7)此时励磁电流达到正向最大值IM(+ )。(4)开关模态4(图2d)在此开关模态中,Cr的电压从零继续上升,加 在变压器一次侧绕组的电压为负向电压,因此二次侧绕组也为负,这时励磁电感与谐振电容Cr谐 振工作,励磁电流从IM(+)开始减小,谐振电容电压从0V继续上升。在t4时刻,谐振电容 电压上升到Vin,开关模态4结束。它的持续时间为:t34=ω1M1sin-1(VinI M(+)ZM1)。(8)(5)开关模态5(图2e)当谐振电容电压VCr上 升到Vin后,二极管D1和D2导通,将VCr箝位在Vin,励磁电流流过D1和D2,并且 线性下降。在t5时刻,励磁电流减小到0V,变压器完成磁复位,主开关管Q1和Q2两端电压 从Vin降至12Vin。开关模态5的持续时间为:t45=LMVIMin(t4)。(9) (6)开关模态6(图2f)在此开关模态中,负载电流流过续流二极管DR2。 在t6时刻,辅助开关管开通,开始另一个开关周期。2谐振电容及电感的确定2.1谐振电容由 上述分析可知,谐振电容的大小决定主开关管关断时电压的上升率,上升率越小,主开关管关断时 电流和电压的交叠区越小。在工程设计中,一般使开关管在最大负载条件下关断时,其电压上升到 电源电压的时间为(2～3)tf,tf为主开关管的关断时间,这样可由下式决定谐振电容的大 小:Cr=KI0·(2V～i3n)tf,(10)所以Cr=1260·3130≈1μF, 谐振电容的电压应为电源电压Vin。2.2谐振电感为了不影响主电路的PWM工作,一般使辅 助电路的工作时间很小,为:t01=Tr/2=π#LrCr=Ts/N,(11)式中:N= 6～10,Ts为开关周期。根据上式可以计算出谐振电感的大小:Lr=(TsNπ)·C1r ,(12)所以,Lr=(40×10-610π)·1×110-6=1.6μH。3试验结果 3.1仿真与实测波形图3与图4为用ISPICE仿真的<2～4>波形图:①为主开关管IG BT22图2各开关模态的等效电路两端的电压;②为辅助脉冲波形。从图中可以看出,当辅助脉 冲开通之后,两端的电压就下降为零,实现了IGBT的零电压开通。图4为谐振电流与一次侧工 作电流的比较图:①为主开关管IGBT两端流过的电流;②为谐振电流。从刻度中可以看出,一 次侧工作电流为13A,谐振电流约为25A,可见谐振网络的设计是合理的。图5为辅助开关驱 动脉冲和主开关集射极电压波形图,可以看出,在辅助开关开通后,主开关集射极电压下降为零, 然后主开关管触发导通,说明IGBT实现了零电压开通,IGBT的开通损耗可以认为是零。图 6为主、辅开关管驱动脉冲波形,可以看出,控制电路中时序电路设计合理、成功。30.001 0.00020.00300.0200.0100.0S2inVoltsVVP2inVol tsWFM.G0W2图3零电压转换状态的仿真图图4谐振电流与一次侧工作电流的比较图30 .0020.0010.000-10.0014.00-2.002.006.0010.00 i>nS@1<2>1 @张克波$吉林大学材料科学与工程学院!吉林长春130022
@姜冰$吉林大学材料科学与工程学院!吉林长春130022针对现在单相小型逆变弧焊电源存在 开关管开通和关断损耗大、可靠性低等问题,进行了分析研究,提出了零电压转换(ZVT)正激 式变换器。试验证明,该弧焊电源可以使主开关管IGBT在从极小负载到极大负载范围内实现零 电压关断,零开关范围非常大,不受负载的影响。这种模式的零电压开关能使变换装置小型化和轻 量化的程度加大,非常适用于中、小功率弧焊电源。逆变弧焊电源;;软开关;;零电压转换;;仿真<1>阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术.北京:科学技术出版社,2000.
<2>郑光钦.全能混合电路仿真OrCADPspice A/DV9.北京:中国铁道出版社,2000.
<3>MicrosimCorporation.The Design Center Circuit Analysis User’s Guide.Microsim Corporation,1994.
<4>戴先中.用于PSPICE仿真的IGBT宏模型.电力电子技术,1998,32( 4):86-89.见谐振网络的设计是合理的。图5为辅助开关驱动脉冲和主开关集射极电压波 形图,可以看出,在辅助开关开通后,主开关集射极电压下降为零,然后主开关管触发导通,说明 IGBT实现了零电压开通,IGBT的开通损耗可以认为是零。图6为主、辅开关管驱动脉冲波 形,可以看出,控制电路中时序电路设计合理、成功。30.0010.00020.00300 .0200.0100.0S2inVoltsVVP2inVoltsWFM.G0W2图3零 电压转换状态的仿真图图4谐振电流与一次侧工作电流的比较图30.0020.0010.000-10.0014.00-2.00
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