单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路及方法

摘要

本发明公开了单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路及方法，包括用于采集原边电流并进行信号处理的第一传感器及信号调理模块，第一传感器及信号调理模块与比例调节器相连，经过比例调节器处理后的原边电流信号分两路，一路通过A通道与预置给定信号进入第一比较器，第一比较器与第一信号调理模块相连，第一信号调理模块与数字控制器相连；另一路通过B通道与处理后的输出电流信号进入第二比较器，第二比较器与第二信号调理模块相连，第二信号调理模块与数字控制器相连。动态响应快，可靠性高。结合模拟电路和数字控制的特点，根据偏磁严重程度，进行分级处理，将完全能够满足快速偏磁现象的处理要求，大幅提升系统可靠性和安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种偏磁分级处理电路，尤其涉及单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路及方 法。

背景技术

单相全桥逆变电路，一般由四个功率开关器件和变压器构成。相比半桥电路结构，每个 功率开关器件承受的电流减少一半，因此，全桥逆变电路是大功率能量变换设备的首选，例 如输出电流在400A以上的逆变焊接电源基本采用此结构。但是，该电路不具备抑制变压器 偏磁的能力，造成系统可靠性低。

当两个PWM半周期内施加在主变压器上的脉冲幅度或宽度不等时，变压器中将产生直 流分量。励磁电流的急剧变化，使磁化曲线严重畸变，产生变压器偏磁现象，造成原边电流 过流，使功率器件等的热损耗加大，引发其永久性破坏，危及系统安全。然而，此时在输出 电流中一般不会产生明显的特征信号，且系统偏磁时，变压器原边电流陡升时间一般在几个 微秒之内，因此偏磁信号检测和控制处理的时间越快越好。

目前主要采用增加隔直电容器、增大变压器磁路气隙、串联线性电感等方法来抑制偏磁， 但是这些方法存在易增大变压器体积、无法完全消除偏磁、降低系统动态响应等诸多问题。 申请号为201110352645.8的发明专利“逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置”，提出了一种 新的偏磁实时检测电路，该方法能够及时检测出的偏磁时刻和强度，并由数字控制器采取相 应地控制策略，但是当偏磁情况极为严重，几个微秒内将造成系统损坏，该方法将难以保证 这种严重偏磁情况下系统的安全和可靠性。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路及方法， 该方法通过区分偏磁严重程度，将其分为严重偏磁和一般偏磁两种级别，采取分级处理措施， 在能够及时保证系统安全的同时，根据电路产生的偏磁时刻和强弱，在数字控制器中编程实 现不同的控制策略，达到消除偏磁现场，提高系统可靠性的目的，可广泛应用于基于全桥逆 变电路结构的系统中，具有重要的实际意义和应用价值。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，包括用于采集原边电流并进行信号处理的第一传 感器及信号调理模块，第一传感器及信号调理模块与比例调节器相连，经过比例调节器处理 后的原边电流信号分两路，一路通过A通道与预置给定信号进入第一比较器，第一比较器与 第一信号调理模块相连，第一信号调理模块与数字控制器相连；

另一路通过B通道与处理后的输出电流信号进入第二比较器，第二比较器与第二信号调理 模块相连，第二信号调理模块与数字控制器相连。

所述处理后的输出电流信号为经过第二传感器及信号调理模块及加法器处理的信号。

所述加法器还与调节电压输入模块相连。

所述比例调节器为由电阻R7、R8和运算放大器U_{1_1B}组成，比例调节器用于调节原边电流 信号的幅值。

所述预置给定信号为UP经电阻R11和R12分压及C2滤波后的信号。

所述调节电压输入模块由电阻R1和用于分压的电位器R2以及用于滤波电容C1组成。

所述加法器由电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器U_{1_1A}组成。

所述第一信号调理模块为上拉电阻R10；所述第二信号调理模块为上拉电阻R9。

所述第一传感器及信号调理模块中的信号调理模块，由整流桥D1_1、R13、R12和运算放 大器U_{1_1C}组成；所述第二传感器及信号调理模块中的信号调理模块，由R11和运算放大器U_{1_1D}组成。

单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理方法，包括以下步骤：

由电流传感器获取变压器原边电流信号，并经信号调理电路转换成同相脉冲电流信号， 经比例调节器，输出幅值可调的原边电流信号，与预置给定的信号比较；

同时，由电流传感器实时获取系统输出电流，并转换成电压信号，由调节电压输入模块 及加法器处理后输出幅度可调的反馈信号；

当原边电流信号大于预置给定的信号时，为严重偏磁，原边电流信号将通过分支通路A， 经比较器输出高电平的PWM封锁信号，再经过上拉电阻，保证此信号无误地送入数字控制器 处理，数字控制器将此情况的优先级设置为最高，一旦接收到该信号，将立刻封锁驱动脉冲， 保证系统安全；

当原边电流信号小于预置给定的信号时，为一般偏磁，原边电流信号将通过通路B，与经 过处理的输出电流信号比较，由比较器输出偏磁信号，经上拉电阻处理后，送入数字控制器， 数字控制器根据偏磁信号出现的位置和强弱，实现PWM占空比的快速调节，使变压器迅速脱 离饱和，恢复正常的磁滞回线工作区，达到消除偏磁的目的。

所述偏磁信号包含了偏磁信号产生的位置和宽度。

数字控制器可以采用单片机、DSP或FPGA，当然控制器的处理速度越快越好。无论哪种 方式，均要保证此程序的最高优先级。由于偏磁检测电路全部采用了模拟器件搭建，所以能 够及时、正确的检测出偏磁信号；而检测出的偏磁信号又传送至数字控制器，可编程实现多 种控制策略，适应不同工艺、不同场合和应用背景下的偏磁现象处理。

本发明的有益效果：

本方法充分利用能量变换系统输入输出的变比关系和先进的数字控制技术，具有以往措 施无法比拟的优点：

（1）动态响应快，可靠性高。结合模拟电路和数字控制的特点，根据偏磁严重程度，进 行分级处理，将完全能够满足快速偏磁现象的处理要求，大幅提升系统可靠性和安全性。方 法简易且便于实现和产业化应用。

（2）通用性强，普适度高。本方法适合于基于单相全桥逆变电路结构的大部分能量变换 系统，例如，在焊接系统中，无论是直流焊、脉冲焊、冷金属过渡焊等焊接工艺对应的焊接 电源设计过程中，均可沿用此方案。

（3）灵活多变，智能性好。本方法可根据实际工程应用的多样性和特殊性，在数字控制 器中编程实现不同的控制策略，根据偏磁现象自动处理，使系统具备智能性。

附图说明

图1本发明整体结构示意图；

图2本发明具体电路连接示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，包括用于采集原边电流并进行信号处 理的第一传感器及信号调理模块，第一传感器及信号调理模块与比例调节器相连，经过比例 调节器处理后的原边电流信号分两路，一路通过A通道与预置给定信号进入第一比较器，第 一比较器与第一信号调理模块相连，第一信号调理模块与数字控制器相连；

另一路通过B通道与处理后的输出电流信号进入第二比较器，第二比较器与第二信号调理 模块相连，第二信号调理模块与数字控制器相连。

所述处理后的输出电流信号为经过第二传感器及信号调理模块及加法器处理的信号。所 述加法器还与调节电压输入模块相连。所述第一传感器及信号调理模块中的信号调理模块， 由整流桥D1_1、R13、R12和运算放大器U_{1_1C}组成，其中整流桥D1_1和电阻R13构成同相整流 器，实现将交流的原边电流信号整流成同相信号，R12和运算放大器U_{1_1C}构成跟随器，实现 阻抗匹配，保证后续电路正常工作；所述第二传感器及信号调理模块中的信号调理模块，是 由R11和运算放大器U_{1_1D}组成的跟随器，实现阻抗匹配，保证后续电路正常工作。比例调节 器为由电阻R7、R8和运算放大器U_{1_1B}组成，比例调节器用于调节原边电流信号的幅值。预置 给定信号为UP经电阻R11和R12分压及C2滤波后的信号。调节电压输入模块由电阻R1和用于 分压的电位器R2以及用于滤波电容C1组成。加法器由电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器U_{1_1A}组成。第一信号调理模块为上拉电阻R10；所述第二信号调理模块为上拉电阻R9。

由于变压器偏磁将导致原边电流过流，因此通过传感器、信号调理电路和比例调节器得 到处理后的原边电流信号。如果系统产生了严重偏磁，难以调节消除，原边电流信号将通过 分支通路A，直接与预置的给定信号比较，产生系统保护信号，由数字控制器即刻处理，关闭 PWM驱动脉冲，保障系统安全。若为一般偏磁，原边电流信号将通过通路B，与经过传感器、 信号调理和加法器/减法器等得到的系统输出电流信号比较，由比较器输出偏磁信号，包含了 偏磁信号产生的位置和宽度，经信号调理环节后，送入数字控制器。根据偏磁信号出现的位 置和强弱，编程实现PWM占空比的快速调节，使变压器迅速脱离饱和，恢复正常的磁滞回线 工作区，达到消除偏磁的目的。

如图2所示，由电流传感器获取变压器原边电流信号，经由整流桥D1_1、R13、R12和 运算放大器U_{1_1C}组成的同相调整和跟随电路，将原边电流的交流信号转换成同相脉冲电流信 号Ui1，经由电阻R7、R8和运算放大器U_{1_1B}构成的比例调节器，输出幅值可调的原边反馈 电流信号；同时，由电阻R11和R12分压及C2滤波后，输出预置的给定信号，即能量变换 系统能够容忍的最大原边过流值，上拉电阻R10用来确保控制器能够接收准确的严重偏磁信 号；同时，由电流传感器实时获取系统输出电流，并通过由R11和运算放大器U_{1_1D}组成的 跟随电路转换成电压信号U_i2，与由电阻R1和电位器R2分压以及电容C1滤波后产生的U_m一起，经由电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器U_{1_1A}构成的加法器累加，输出幅度可调的 电流反馈信号，其中电位器R2的作用是调节反馈电流幅值，确定偏磁现象出现的临界点。

当变压器偏磁导致原边过流较大，严重威胁到系统安全，即超过设定值后，获取并变换 的变压器原边电流将经过通路A与其最大设定值，经比较器U2_1A比较，产生PWM封锁信号 送入数字控制器，控制器将此情况的优先级设置为最高，一旦接收到该信号，将立刻封锁驱 动脉冲，保证系统安全。若变压器偏磁程度在可调节范围内，获取并变换的变压器原边电流 将经过通路B与输出电流信号，经比较器U2_1B比较，可及时获得偏磁信号送至数字控制器进 行处理。上拉电阻R9用来确保控制器能够接收准确的偏磁信号。控制器则可在检测出偏磁信 号后，调整后续PWM驱动脉冲的占空比，使主变压器恢复正常的磁滞回线工作区，达到消除 偏磁的目的，提高系统稳定性和可靠性。