雙端正激逆變器研究

張小平，周玉榮

(攀枝花學院 電氣信息工程學院，四川 攀枝花 617000)

雙端正激逆變器研究

張小平，周玉榮

(攀枝花學院 電氣信息工程學院，四川 攀枝花 617000)

針對單端正激逆變器存在的不足，提出了采用兩個單端正激逆變電源，既交錯串并聯逆變焊接電源，開關管選用軟開關交錯控制方法。交錯并聯逆變器既能增加輸出功率密度，又能使電壓頻率增加一倍，減小了裝置體積和輸出紋波。通過仿真和試驗驗證了該控制方法的有效性，使整個控制系統能穩定可靠的運行。

交錯控制；串并聯逆變器；LC濾波

0 前言

逆變焊接電源中常見的電弧有自由電弧、壓縮電弧和脈沖電弧，根據不同的工藝要求采取不同的電弧方式。在此分析脈沖電弧，電流為脈沖波形的電弧通常稱為脈沖電弧，它可以分為直流脈沖電弧和交流脈沖電弧。從主電路分析逆變弧焊分為半橋式逆變弧焊、全橋式逆變弧焊和單端正激弧焊，以上三種弧焊設備各有優缺點。單端正激逆變器主電路次級輸出續流二極管流過的電流幅值大，二極管恢復時間長，主電路的頻率等于開關頻率，輸出濾波器體積大，重要的是高頻變壓器磁心僅工作在磁滯回線的一側，效率較低。在此分析雙端正激逆變直流脈沖弧焊，開關管采用軟開關進行切換，因為硬開關的開關管損耗大，電能轉換效率低，特別是在大電流的負載(比如：弧焊電源)情況下，開關管要使用風冷或水冷，給工藝設計帶來很多不便[1-2]。

1 電路拓撲結構

1.1 單端正激逆變電源缺陷

單端正激逆變弧焊電源主電路原理如圖1所示，經過交流整流后直流電壓逆變成方波提供給負載，在交流整流后有平波電感L平波直流電壓的作用，該電感L對逆變開關管有很大的影響，L越大，變壓器上的電壓上升過程緩慢，同時增大了電壓尖峰，且產生振蕩，振蕩頻率也較低。因此，應根據系統的功率大小和焊接工藝的要求在調試過程中合理選取L的大小；變壓器的漏感對開關管關斷過程的變壓器一次側反向電壓幅值及變壓器二次側的反向電壓尖峰有不利的影響，并且限制了單端正激逆變電源的輸出功率；逆變電路的電容對開關管關斷時間的反向電壓起調整作用，在設計和調試時應選取適當；變壓器的反向去磁作用通過勵磁電流的改變會自動平衡。因此，磁路中應加入適當的空氣隙來改善磁導率的線性度。

1.2 雙端正激逆變電源

兩個單端逆變器交錯并聯運行稱為雙端逆變電源，其輸出電壓、電流按規定的時間序列交替工作。開關管工作在ZVS和ZCS狀況下，稱為一種新型的交錯并聯軟開關逆變器。該逆變器輸出功率大，是兩個單端逆變器輸出功率的疊加，且效率高；由于采用諧振軟開關技術，不存在半橋式、全橋式逆變主電路兩對開關同時導通、短路而燒壞開關管的現象，其工作在ZVS、ZCS狀態，減小了開關管的損耗。負載端加入LC濾波，能減少輸出電壓諧波成分，且電壓、電流紋波小。

直流逆變成交流可以采用硬開關，也可以采用軟開關，硬開關是在較高的電壓和較大電流狀態下進行開關。因此硬開關工作方式在高頻大電流的情況下(特別是在焊接電源)會導致開關器件損耗的增大，這樣在實際應用中不僅造成電能浪費，重要的是開關管溫度升高后如果采用風冷處理會增加體積，采用水冷處理會增加工藝難度；另外開關管在高頻的開關過程中一定會產生大量的諧波以及電磁干擾，從而影響電路的正常工作，嚴重時會損壞開關管。軟開關技術克服了以上的不足，軟開關工作在ZVS、ZCS狀態下，這樣降低了開關管du／dt和di／dt的變化，減少了諧波和電磁干擾(EMI)，降低了逆變器的質量，提高了效率，減小了電路中變壓器、電感、電容的體積，提高了功率密度和系統的穩定性和可靠性。基于以上對硬開關和軟開關的分析，在此采用軟開關逆變電路[2]。

串并聯諧振電路如圖2所示，L1r、C1r和L2r、C2r分別組成串聯諧振，同時L1r、L1p與L2r、L2p并聯向負載交替提供電壓、電流。該電路能交錯給負載提供電壓和電流，從而提高電能的利用率。

2 仿真和實驗

2.1 仿真分析

對圖2的主電路進行仿真分析，假定開關管的頻率為50 kHz，采用PSPICE軟件仿真，電路上橋臂采用N-MOSFET，下橋臂采用P-MOSFET，上橋臂選用IRF4905開關管型號、下橋臂選用IRF3710型號。仿真波形如圖3所示，在0～10μ s內由開關管SN1、SP1導通，SP1為正脈沖導通，SN1為低脈沖導通，保證兩個開關管可靠工作，不同的PWM控制模式會使開關管輸出不同的電壓、電流波形。同樣可以得到圖2右半部分的波形和左半部波形，不過兩者的電壓、電流是交替導通的，也就是當圖2左半部分諧振電路向高頻脈沖變壓器提供電壓時，右半部分諧振電路的開關管處于截止狀態，反之右半分諧振電路工作時，左半部分開關管處于截止狀態。由圖3可以看出，電壓是交錯給輸出變壓器，S1是左半部分諧振電路的電壓波形，其頻率為50 kHz，同樣S2是右半部分諧振電路的電壓輸出波形頻率50 kHz，因此兩者頻率的合成使輸出的電壓頻率為100kHz[2]。

圖3 變壓器二次側電壓波形

2.2 實驗驗證

本研究選用主芯片DSP(TMS320F2812)為控制單元，DSP具有最大150 MHz(1.9 V內核電壓)的時鐘頻率，在一個周期內可以對任何內存地址完成讀取、修改、寫入操作，使得效率及程序代碼達到最佳。實驗波形如圖4所示，從圖4可以看出，輸出電壓、電流波形為交錯，該逆變電源在焊接時能為負載提供交錯的高頻焊接電流。

圖4 雙端逆變電源測試波形

3 結論

通過對雙端正激逆變電源的理論分、仿真和實驗可知，該電路設計減小了功率損耗，開關管交錯導通向負載提供電能，可以根據工藝要求改變電路元器件參數，使輸出的電壓、電流為高頻全波、半波脈沖波和高頻正弦波。

[1]李永平，董 欣.PSPICE電路設計實用教程[M].北京：國防工業出版社，2004.

[2]徐順剛，陳俊昌.一種新型交錯串并聯軟開關逆變器[J].電焊機，2008，38(10)：60-62.

[3]Chianti S J，Charm J M.Parallel control of the UPS inverters with frenquencv-dependent droop scheme[R].IEEE PESc，2001.

[4]陳道煉.DC-AC逆變技術及其應用.北京：機械工業出版社，2003.

Study on a double single-ended forward inverter

ZHANG Xiao-ping，ZHOU Yu-rong
(School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China)

The approach of a parallel double single-ended forward inverter and an interleaving control of a soft switching are presented based on the shortage of the single-ended forward inverter and the forced-switching.An interleaving parallel inverter can not only increase the output power intensity，double the voltage frequency，decrease the device volume and the output ripple current.The simulation and experiment shows that the control approach can carry our purpose expected,and the control system runs stably and reliably.

interleaving control；series-parallel inverter；LC filter

TG434.4

A

1001-2303(2010)01-0059-03

2009-11-20

張小平(1956—)，男，四川攀枝花人，副教授，主要從事電機理論及電力系統控制的研究工作。