软开关式逆变弧焊电源的研究

摘要

传统逆变弧焊电源存在的主要问题是可靠性较差，其最主要原因是主电路运行于硬开关方式，功率器件的开关损耗、开关应力和开关噪声都很大，从而降低了其可靠性。采用软开关技术能使功率器件开关时电压和电流的轨迹相错开，从而有效改善这一问题。此外，控制模式的改进也能有效提高弧焊电源的可靠性，本文采用了峰值电流模式控制，并对电源系统进行建模，同时采用计算机仿真对变换器和系统辅助分析。 由于弧焊电源负载变化范围很大，因此要求软开关实现的范围要很大。本文针对目前软开关逆变弧焊电源变换器的应用，分析了FB-ZVS-PWM变换器滞后臂较难实现零电压开通的原因，并采用副边辅助电感的方法来克服。通过仿真的方法分析了FB-ZVS-PWM变换器中桥臂电容对IGBT关断损耗的影响：随着桥臂电容的增大，关断损耗显著降低。但是滞后臂由于较难实现软开关，不能并联较大的电容，因此，滞后臂关断损耗较大。采用FB-ZVZCS-PWM变换器可克服这一问题，它在超前臂关断后，将原边环流电流衰减到零并保持，使滞后臂实现零电流开关。然而，传统的FB-ZVZCS-PWM变换器采用阻断电容衰减原边环流电流，衰减的快慢受负载影响很大，难以在全范围内实现滞后臂的软开关。本文采用原边变压器辅助网络的方法来衰减原边环流电流，该方法使原边环流电流衰减的快慢与负载无关，且可通过改变辅助变压器的变比来改变，从而容易在全范围内实现滞后臂的软开关。 加大超前臂电容会导致超前臂换流时间变化范围很大，这与传统移相控制中死区时间固定相矛盾。采用有限双极性控制的方法可有效解决这一问题，该方法更适合于控制用于弧焊电源的FB-ZVS-PWM或FB-ZVZCS-PWM变换器。 传统的逆变焊机采用电压模式单闭环控制，它响应较慢，没有抗偏磁能力，也不能对功率器件进行实时电流限制，因此影响了变换器的可靠性。为此，本文采用峰值电流模式控制，内环控制功率器件每个开关周期的峰值电流，实现功率器件电流限制和自动纠正偏磁并大大提高了系统的响应速度；外环控制焊机输出的平均电流。 为了进行电源系统分析和设计，本文建立了电压模式和峰值电流模式控制的逆变弧焊电源数学模型，并用计算机进行分析。在峰值电流模式控制下，输出电感被内环“吸收”，表现出从控制到输出的频率特性在变换器频率的一半以内近似为比例特性，它不受负载的影响，这使补偿网络容易设计，且系统性能明显优于采用电压模式。 采用上述方法，并根据焊接工艺特点设计了相关的外特性控制电路，本文研制了焊条电弧焊和钨极氩弧焊两用焊机，输出电流为20A～400A。