全橋逆變電路在焊接電源中的應用

摘要：設計了一種基于峰值電流控制模式的全橋移相諧振變換器。采用專(zhuān)用移相芯片UC3879作為主控單元，實(shí)現全橋變換器的移相控制和主開(kāi)關(guān)器件的ZVS。配合一定的焊機外特性控制電路和峰值電流檢測技術(shù)，成功試制了一臺6kW/l00kHz的高頻逆變弧焊電源樣機，最后給出了相關(guān)電路圖和實(shí)驗波形。

關(guān)鍵詞：峰值電流控制；移相控制；斜坡補償；零電壓開(kāi)關(guān)；逆變焊機

0 引言

電焊機是工業(yè)牛產(chǎn)和加工領(lǐng)域不可或缺的設備，其中逆變焊機由于具有體積小、重量輕、控制性能好、動(dòng)態(tài)響應快、易于實(shí)現焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)控制等優(yōu)異性能，成為焊機產(chǎn)品的主流發(fā)展方向。

目的市場(chǎng)上大部分逆變焊機產(chǎn)品工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗嚴重，開(kāi)關(guān)頻率限制存幾kHz到幾十kHz上，無(wú)法完全發(fā)揮出逆變焊機小型化和便攜性的特點(diǎn)。另外，焊機類(lèi)設備的耗電量占我國年發(fā)電總量的5‰，被列為十大高能耗產(chǎn)品之一。因此，將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)引入逆變焊機領(lǐng)域，對于減小開(kāi)關(guān)損耗、提高開(kāi)關(guān)頻率、減小體積重量以及節約能源等具有至關(guān)重要的作用。全橋變換器由于自身結構的特點(diǎn)，可以方便地工作于多種軟開(kāi)關(guān)模式下，并具有功率器件電壓額定值小、變壓器利用率高、濾波電感小等優(yōu)點(diǎn)，而且可以工作在電壓、電流兩種模式下。其中電流模式特別適合應用在高頻逆變焊機的控制上。

因此，本文設計了一種基于峰值電流控制模式的全橋移相諧振逆變弧焊電源。

1 結構組成及功能

基于峰值電流模式的全橋移相諧振逆變弧焊電源系統的結構框圖如圖1所示。

220V交流市電經(jīng)整流濾波后做為全橋逆變器的直流輸入，其輸出為脈寬可調的高頻交流電壓方波，通過(guò)高頻變壓器隔離降壓后，再經(jīng)過(guò)輸出整流濾波得到滿(mǎn)足焊接要求的直流電源。

基于峰值電流控制的移相控制電路是整個(gè)系統設計的核心部分。所謂峰值電流控制，即逐個(gè)脈沖電流限制，就是通過(guò)實(shí)時(shí)檢測流過(guò)變壓器原邊的電流波形，由其峰值到達給定的時(shí)刻決定輸出PWM脈沖的寬度．使得主開(kāi)關(guān)管的導通電流瞬態(tài)值具有相對獨立性。能夠快速地獲得焊機T作所需的理想電流特性曲線(xiàn)．提高其動(dòng)態(tài)響應速度和可靠性。并有助于克服全橋變換器所固有的偏磁問(wèn)題。外特性控制電路根據原邊電流峰值和副邊輸出電壓的反饋量與給定量的偏差判斷系統的工況，并通過(guò)移相控制電路調節輸出脈寬，實(shí)現對輸出電流的閉環(huán)控制，使逆變焊機具有理想的工作特性曲線(xiàn)。

圖2所示即為高頻逆變焊機所普遍采用的一種行之有效的恒流帶外拖的外特性曲線(xiàn)。其中Uk為空載電壓，即焊機不工作時(shí)的輸出電壓。一個(gè)較高的空載電壓有助于起弧階段快速建立起穩定的工作狀態(tài)。一般空載電壓為90V左右；AB段為起弧階段，即焊機建立工作狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程，近似于恒壓輸出。這個(gè)過(guò)程中變換器以最大脈寬輸出，以最快速度達到設定工作電流時(shí)該階段結束；BC段為穩定工作階段，近似為恒流過(guò)程，使焊機具有一個(gè)平穩、恒定的工作電流；CD段為外拖階段，由于焊機在頻繁的起弧和工作過(guò)程中焊槍很容易和工件短路粘連，造成焊接過(guò)程不順暢，如果此時(shí)系統檢測到一個(gè)較低的短路電壓后能夠相應地增大輸出電流值，就可以將粘連部分熔斷，從而獲得一個(gè)連續、平穩的焊接過(guò)程。

此外，本系統還包括一系列輸入過(guò)、欠壓保護、過(guò)流保護、短路保護以及給定電流和實(shí)際工作電流切換顯示等功能。

2 主電路設計

本系統所采用的全橋變換器拓撲結構如圖3所示。主電路中選用了MOSFET作為主功率開(kāi)關(guān)器件，這是因為本系統的設計頻率為100 kHz，而與IGBT一般最高工作在幾十kHz相比，MOSFET的工作頻率則要高的多。另外由于MOSFET自身帶有反并聯(lián)二級管和較大的輸出電容，如圖3中D1～D4、C1~C4所示，為軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現提供了便利條件。變壓器副邊輸出整流結構有全波整流(變壓器副邊三抽頭+兩只二級管)和全橋整流(變壓器副邊兩抽頭+四只二級管)兩種結構可供選擇，前者適合于輸出低壓大電流的場(chǎng)合，后者適合于輸出高壓小電流場(chǎng)合。由于逆變焊機可看作是一個(gè)低壓大電流源．因此選用全波整流。

本方案選用移相的控制方式，比較適合于選用MOSFET作為主開(kāi)關(guān)的拓撲結構。其工作過(guò)程大致可分為功率傳輸階段、超前臂諧振階段、環(huán)流階段、滯后臂諧振階段以及電流反向階段等幾個(gè)過(guò)程。需要強調的是，在滯后臂諧振階段，由于D5和D6同時(shí)換流將副邊短路，輸出濾波電感Lf無(wú)法協(xié)助變壓器原邊漏感Llk參與諧振過(guò)程，因此滯后臂軟開(kāi)關(guān)條件不容易滿(mǎn)足。

與常規全橋變換器相比，本方案在電路結構上做了如下改進(jìn)。

(1)在Llk的基礎上，原邊串入一個(gè)輔助諧振電感Ls。這有助于克服滯后臂諧振過(guò)程中只有Llk單獨