輸入/輸出并聯直流變換器在逆變焊機中的應用

李 林

(成都紡織高等專科學校 電子信息與電氣工程系，四川 成都 611731)

輸入/輸出并聯直流變換器在逆變焊機中的應用

李 林

(成都紡織高等專科學校 電子信息與電氣工程系，四川 成都 611731)

輸入/輸出并聯型直流變換器能降低開關管的開關應力，適用于高輸入電壓、低輸出電壓、大電流、大功率的焊接系統。分析了逆變電路拓撲結構開關管發展，輸入/輸出并聯直流變換器的工作原理，重點分析了并聯變換器均流控制的方法。針對其工作時存在不均流現象，通過對各變換器的輸出電流采樣并比較后去控制IGBT的導通時間(占空比)來達到均流。通過理論分析和仿真試驗驗證以上方法的可行性，試驗表明輸出直流電壓的紋波小、質量高。

直流變換器；并聯均流；DSP

0 前言

隨著逆變電路拓撲結構的發展和半導體器件的成熟，逆變焊機的應用越來越廣泛，逆變焊機的電路結構一般是整流后逆變成不同頻率的電流波形。由于逆變出來的電流頻率高，因此，其控制過程的動態特性和焊機體積、質量都有所改善。逆變焊機隨著開關管的發展相繼經過了晶體管逆變焊機、晶閘管逆變焊機、場效應管逆變焊機、IGBT逆變焊機。

早期的晶閘管器逆變焊機主電路采用半橋串聯諧振結構。由于晶閘管是半控器件，無法自動關斷，必須利用諧振電路中諧振電流自然過零關斷，快速晶閘管的逆變頻率低，約2～3 kHz，但是這個頻率對CO2氣體保護焊的焊接過程仍無法進行精細控制，因此，晶閘管逆變焊機一般用在焊條電弧焊/氬弧焊系列焊機；隨著大功率晶體管的出現，產生了大功率晶體管逆變焊機，晶體管是全控器件，主電路結構靈活，有單端、半橋、全橋等，逆變頻率達到了20 kHz，雖然逆變頻率的提高，減小了逆變焊機的體積和質量，但是大功率晶體管有二次擊穿現象，易損壞，可靠性低，很快被功率場效應晶體管和絕緣柵雙極性晶體管所代替；場效應管具有工作頻率高、無二次擊穿、電壓驅動，易并聯等特點，在小容量逆變焊機中得到迅速應用。場效應管單只容量較小且耐壓較低，因此，場效應管逆變焊機大多集中在單相輸入和輸出容量較小的品種，主電路多為全橋逆變形式，為增加功率容量和電壓等級，需要多個功率單元并聯和串聯。這樣多個功率單元的串、并聯后使系統的可靠性降低，因此，大功率場效應管逆變焊機應用較少；IGBT具有場效應管電壓驅動特點，電壓等級和電流容量相比場效應管大，因而在中大功率逆變焊機得到廣泛的應用，其工作頻率達到20 kHz以上，以半橋和全橋為主，焊機輸出容量等級為200～2 000 A。現在在弧焊領域中IGBT逆變焊機已經成為逆變焊機的主流[1]。

在此分析輸入/輸出并聯的IGBT直流變換器在逆變焊機中應用，針對其工作時存在不均流現象，通過對各變換器的輸出電流采樣比較后去控制IGBT的導通時間(占空比)來滿足均流。通過理論分析和仿真試驗驗證以上方法的可行性。

1 理論分析

大功率電源一般采用功率單元并聯(半橋式和全橋式)，一般采用全橋式并聯，如圖1所示。

圖1 橋式并聯電路原理

圖1 中，I1和I2是并聯的兩個變換器。在變換器I1中，假設開關管是高電平導通，當給IGBT12和IGBT13高脈沖電壓，IGBT11和IGBT14低脈沖電壓時，其IGBT12和IGBT13兩個開關管導通，IGBT11和IGBT14兩個開關管不導通，此時高頻變壓器一次電流回路為：M→IGBT12→C→IGBT13→N，而高頻變壓器二次電流為：A→VD1→A1→L1→E→F→O1；當給IGBT11和IGBT14高脈沖電壓，IGBT12和IGBT13低脈沖電壓時，其IGBT11和IGBT14兩個開關管導通，IGBT12和IGBT13兩個開關管不導通，此時高頻變壓器一次電流為：M→IGBT11→C→IGBT14→N，而高頻變壓器二次電流為：G→VD2→A1→L1→E→F→O1；同理可推出變換器I2的工作原理。對圖1的主電路進行仿真分析，假定開關管的頻率為50kHz，用PSPICE軟件仿真，圖2為圖1開關管的觸發波形，其占空比約50%。

圖2 開關管觸發波形

圖3 為圖1中A和B點的電壓輸出波形。圖4為負載電壓輸出波形，由圖4可知，輸出電壓波形為紋波很小的直流電壓，直流電壓質量高，并且通過并聯提高了輸出功率。

圖3 A和B點的輸出波形

圖4 負載輸出波形

2 控制方法

圖1中變換器正常工作的關鍵是保證各模塊的輸出電壓、電流相等，即輸出功率相等，否則將在輸出電路之間形成環流，造成能量損耗，嚴重時將造成電路損壞，系統無法正常工作。有文獻采用相同占空比的控制方法，由于占空比相等，輸入電壓高的模塊將提供更多的輸出功率，從而達到模塊間輸入電壓的自動均衡，但如果模塊不完全匹配，則無法保證輸入均壓和輸出均流；也有文獻使用輸入均壓環校正各自電流內環的給定來實現輸入均壓；還有文獻提出了一種輸出電壓環和輸入均壓環解耦的控制策略。上述的控制策略都是通過調節模塊占空比來調節模塊的輸出功率，從而實現輸入均壓，但是當系統處于極端條件時，如負載極輕甚至空載時，模塊輸出功率很小，此時占空比的調節空間有限，以致無法實現輸入均壓，引起模塊不平衡工作，甚至損壞輸入電壓過高的模塊[2]。本研究的控制思想是通過檢測變換器I1和I2的輸出電壓和電流的大小，從而計算出I1和I2輸出功率的大小，如果功率不相等，通過調節開關管的占空比使其兩個變換器的輸出功率相等，這樣就滿足了變換器I1和I2輸出電流均流。

3 試驗

對圖1進行試驗，在此選用的主芯片是TI公司專為控制應用設計的芯片DSP(TMS320F2812)[3]，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快速完成讀取、修改、寫入操作，滿足系統的實時性。DSP系統控制框圖如圖5所示。

圖5 變換器控制原理

所設計電路包括：TMS320F2812 DSP，設定值絕對值、SRAM電路，EEPROM電路，鍵盤電路，LCD顯示電路，光耦合電路。系統工作時，控制系統通過設定值讓DSP產生開關管的驅動信號。通過分別采樣兩個變換器的輸出電壓和電流進行數字閉環控制，判斷兩臺變換器的輸出電流是否相等，其實現原理是通過DSP的AD采樣得到兩者的模擬差；給定值和反饋值分別判斷其大小并進行PI運算。當外部給定值突變時，如果實際給定速度能夠按設定的斜率線性上升，就可以得到緩慢的上升的電壓。DSP計算出PWM占空比，輸出PWM信號經光耦合驅動IGBT的導通或者關斷[4－6]。

軟件設計方面是設定函數表，由設定值去對應函數表中的PWM占空比，也就是通常所說的查表法，其流程如圖6所示，圖1中A點測試電壓波形如圖7所示，圖1中U0輸出電壓如圖8所示。

圖6 系統程序流程

圖7 圖1中A點測試電壓波形

圖8 圖1中U0輸出電壓測試波形

4 結論

輸入/輸出并聯型直流變換器正常工作的關鍵是每個模塊輸出電流的均流。通過理論分析了其工作原理，同時通過仿真驗證了輸入/輸出并聯型直流變換器的輸出直流電壓穩定，其紋波小，輸出功率增加一倍，輸出直流電流也增加一倍，為了控制各模塊輸出均流，通過對各模塊的輸出電壓和輸出電流采樣并通過DSP運算處理后控制開關管的占空比達到均流的目的。該變換器和控制電路能對焊機提供低電壓大電流穩定可靠的直流電壓。仿真和實驗均驗證了該變換器和控制方法的正確性。

[1]張光先.逆變焊機原理與設計[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]程璐璐，阮新波，章 濤.輸入串聯輸出并聯的直流變換器控制策略研究[J].中國電機工程學報，2006，26(22)：67－73.

[3]蘇奎峰，呂 強，耿慶鋒.TMS320F2812原理與開發[M].北京：電子工業出版.2005.

[4]曹太強，許建平，吳 昊.基于DSP數字調速直流電機系統設計[J].電力電子技術，2008，2(24)：73－77.

[5]李 宏，徐德民，焦振宏.基于DSP的大功率永磁直流電機調速系統設計[J].電力電子技術，2006，40(5)：29－31.

[6]曾 敏，楊九銘，張泉宏，等.基于DSP的直流變頻控制系統研究[J].電力電子技術，2005，39(6)：112－113.

Study on Input-paralleled/output-paralleled DC－DC converters for welding inverter

LI Lin
(Electronic Information and Electric Engineering Department，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，China)

Parallel Input Parallel Output DC－DC converter can reduce the switching switch stress，for high input voltage，low output voltage，high current，high-power welding system.This paper analyzes the switch inverter circuit topology development，parallel input parallel output of the working principle of DC－DC converter，are analyzed in parallel converter current control method.Work exists for its uneven flow phenomena，through the converter output current sampling and comparison to control IGBT＇s conduction time(duty cycle)to achieve current sharing.Through theoretical analysis and simulation verify the feasibility of the above methods,tests show that the output DC voltage ripple,output DC voltage of high quality.

paralld DC converter；sharing current；DSP

TG434.1

A

1001－2303(2011)03－0043－04

2010－07－15

李 林(1968—)，男，四川宜賓人，講師，碩士，主要從事電子與電機控制及電力系統自動化研究工作。