單端正激焊接系統中吸收電路的分析

潘慧梅，張小平

PAN Hui-mei，ZHANG Xiao-ping

（攀枝花學院 電氣信息工程學院，攀枝花 617000）

0 引言

隨著焊接工藝技術不斷提高，焊接電源輸出電壓、電流波形的質量、穩定性和可靠性也要求越來越高。焊接電弧電源隨焊接工藝要求不同而不同。逆變焊接電源中常見的電弧有脈沖電弧、自由電弧和壓縮電弧。近年來，電力電子技術的不斷發展，在焊接系統中，脈沖電弧在焊接系統中已經得到廣泛的應用。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，以上三種弧焊各有自優缺點。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。本文用單端正激逆變直流脈沖弧焊，但是直流脈沖弧焊存在開關管在高頻的導通和關斷時存在過沖電壓和過沖電流，影響了焊接系統的穩定性和可靠性，嚴重時焊接系統將無法工作，本文重點分析單端正激逆變電源中用吸收電路抑制，眾所周知，開關管瞬時的電壓和電流(du/dt、di/dt)將將產生過沖電壓和過沖電流。本文通過仿真分析可知，通過改變RC吸收電路的參數值能抑制開關管產生尖峰電壓和電流，通過實驗驗證了該方法的可行性。本文的吸收電路將為提高焊接系統電弧質量以及系統的穩定性和可靠性提供一定的指導意義[1,2]。

1 電路拓撲結構分析

圖1為單端正激逆變弧焊主電路原理圖，單端正激逆變電源是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增大，不僅使變壓器上的電壓上升過程緩慢，而且增大了電壓尖峰，同時還產生振蕩。L越大，振蕩頻率越低。因此，要根據系統的功率大小和焊接工藝的要求以及在調試過程中合理的選取L的大小值；變壓器的漏感對開關管關斷過程的變壓器一次反向電壓幅值及變壓器二次的反向電壓尖峰有很不利的影響，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，在設計和調試時要選取適當；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，磁路中要加入適當的空氣隙從而改善磁導率的線性度[2～5]。

圖1 單端正激逆變弧焊主電路原理圖

2 仿真分析

對圖1的主電路的開關管開通和關斷是的過沖電壓進行仿真分析，假定開關管的頻率為46KHZ，用PSPICE軟件仿真其參數[2]，S1用N-MOSFET，S2用P-MOSFET，上橋臂選用IRF4905開關管型號、下橋臂選用IRF3710型號。為了更清晰的分析開關管的過沖電壓，我們對開關管S1的開關狀態的尖鋒電壓進行仿真分析。S1為正脈沖導通，S2為低脈沖導通，這樣保證其兩個開關管可靠的工作，不同的PWM控制模式會使開關管輸出不同的電壓、電流波形。圖2(a)為開關管兩端不加RC吸收電路的的仿真波形，從該圖中可知，MOSFET開通瞬間有較大過充電壓；圖2(b)為在開關管兩端加吸收電路的仿真波形，RC吸收電路參數為：C=1NF、R=1kΩ，與圖2(a)相比減小了過充電壓；圖2(c)為RC吸收電路參數為：C=2.2nF、R=330Ω的仿真波形。從仿真波形分析可知，MOSFET在開通和關斷時存在尖鋒電壓，在開關管兩端加吸收電路后能抑制過充電壓，通過仿真波形比較可知，吸收電路的電容越大，吸收電阻越小的情況下吸收過充電壓的效果越明顯。

圖3 吸收電路的仿真波形

圖4 軟件系統流程圖

3 實驗驗證

圖5 RC吸收電路開關管測試波形

基于上述分析和設計，本文選用主芯片DSP(TMS320F2812)為控制單元，DSP具有最大150MHz（1.9V內核電壓）的時鐘頻率，在一個周期內可以對任何內存地址快速完成讀取、修改、寫入操作，使得效率及程序代碼達到最佳[1]。圖4為軟件系統流程圖，圖5為RC吸收電路試驗波形，圖5(a)C=5nF、R=0.8kΩ時的測試波形,圖5(b)R=100Ω、C=15nF時的測試波形。從試驗波形可以看出，RC吸收電路能抑制開關管的過充電壓和過充電流，當電容C的取值越大，電阻取值越小時，吸收效果越好。

4 結論

本文通過對雙端正激逆變焊接電原開關管的的理論分析可知、開關管在高頻導通和關斷時會產生過沖電壓和過沖電流，通過理論分仿真可知，RC吸收電路能減小過沖電壓和過沖電流，同時增加吸收電路的電容和減小電阻的值能更好吸收開關管的尖峰電壓，通過實驗驗證了RC吸收電路在焊接逆變電源應用中的可行性。

[1] 張小平,周玉榮.雙端正激逆變器研究[J].電焊機,2010,40(1)：59-61.

[2] 李永平,董欣,蔣宏.PSPICE電路設計實用教程[M].國防工業出版社,2004.

[3] 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.

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

[5] 陳道煉.DC-AC 逆變技術及其應用[M].北京：機械工業出版社,2003.