雙零軟開關逆變弧焊電源的系統建模與仿真

卜士瑞，胡小建，，吳治國

(1.合肥工業大學 材料學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學 計算機網絡系統研究所，安徽 合肥 230009)

雙零軟開關逆變弧焊電源的系統建模與仿真

卜士瑞1，胡小建1，2，吳治國2

(1.合肥工業大學 材料學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學 計算機網絡系統研究所，安徽 合肥 230009)

為了克服硬開關式逆變弧焊電源存在的開關損耗大以及過電流、過電壓等影響，建立了雙零軟開關逆變弧焊電源系統，分析了系統的工作原理；利用Matlab r2006a軟件分別建立了雙零軟開關電路系統與硬開關系統的仿真模型，并對系統的特性進行了仿真。通過與硬開關系統的對比分析可以看出，軟開關系統實現了超前臂的零電壓開通和滯后臂的零電流關斷，并獲得了一套實現超前臂零電壓開通、滯后臂零電流關斷的系統參數。仿真結果表明，所建立的軟開關系統的功耗與安全性等性能明顯優于硬開關，且為軟開關系統的優化設計提供了指導。

軟開關；零電壓；零電流；計算機仿真；弧焊逆變電源

0 前言

逆變弧焊電源與傳統電源相比具有體積小、質量輕、動態性能好、控制性能優良和高效節能等突出優點，在自動化焊接設備及弧焊機器人中得到了廣泛的應用。然而，迄今為止大多數弧焊逆變電源主電路功率器件工作于硬開關方式，其工作過程開關壓力大，開關損耗也大，且安全可靠性差。因此，以軟開關技術取代硬開關技術成為逆變弧焊電源發展的趨勢[1]。

20世紀80年代末期，脈寬調制軟開關電路拓撲的問世，推動了大功率逆變技術的研究與應用上了一個新的臺階。軟開關技術是在硬開關電路的基礎上增加了電感、電容等諧振器件，構成輔助換相網絡，在開關過程前后引入諧振過程，開關在其兩端的電壓為零時導通，或使流過開關的電流為零時關斷，改善開關條件，降低傳統硬開關的開關損耗和開關噪聲，從而提高電路效率[2]。移相全橋零電壓脈寬調制(FB-Zero-Voltage-Switching PWM)變換器是目前應用最廣泛的軟開關電路之一，它的特點是電路簡單，與硬開關全橋電路相比，僅增加了一個諧振電感，使四個開關均為零電壓開通。在以往的研究中，FB-ZVS-PWM變換器多采用功率場效應晶體管(Power MOSFET)作為開關器件。然而，隨著電子電力器件的快速發展，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)有逐漸替代MOSFET的趨勢。一方面由于IGBT存在拖尾電流，造成了很大的關斷損耗，所以希望IGBT最好在零電流狀態關斷。另一方面，箝位續流的環流也會造成附加的導通損耗，使FB-ZVSPWM變換器難以用到大功率變換的應用中。而全橋零電壓零電流脈寬調制(FB-ZVZCS-PWM)變換器克服了FB-ZVS-PWM變換器的這兩個缺點，成功地解決了關斷損耗和附加環流等問題[3-4]，同時具有小的占空比損失、低的二次側寄生振蕩和寬的軟開關切換的負載范圍等優點。

雙零軟開關逆變弧焊電源主電路功率器件(IGBT)軟開關的實現，在控制原理確定后主要取決于主電路拓撲結構和器件參數。由于逆變式弧焊電源工作頻率高、輸出功率大、負載變化大，因此設計時主電路拓撲結構、系統參數的選擇和優化工作量大、工作周期長。采用計算機仿真技術進行電路模擬設計，參數優化，可大大減少實驗工作量，縮短設計周期，降低設計成本，提高焊機電氣性能和焊接工藝性能[5-6]。在此分別建立了硬開關電路和雙零軟開關電路的系統仿真模型，通過比較分析，揭示了該軟開關系統的運行規律，同時進行了系統參數的優化設計，獲得了一套實現超前臂零電壓開通、滯后臂零電流關斷的系統仿真參數，指導了實際電路的構建。

1 雙零軟開關逆變弧焊電源系統

全橋零電壓零電流脈寬調制變換器(FB-ZVZCSPWM)在全橋移相式零電壓脈寬調制變換器(FBZVS-PWM)的基礎上增加了一個飽和電感Lr和一個阻斷電容Cx，如圖1所示，使一次電流在箝位續電流期間迅速衰減到零并保持，從而實現滯后臂上開關管的零電流關斷，超前臂的開關管與ZVS-PWM變換器一樣實現零電壓開關。其中IGBT1、IGBT2組成超前橋臂，IGBT3、IGBT4組成滯后橋臂；VD1～VD4為相應IGBT管的內部反并聯二極管；C1、C2為超前臂電容，C3、C4為滯后臂電容；Lr為可變電感，Cx為阻斷電容，Tr為高頻變壓器，VD5、VD6為變壓器二次側整流二極管；R5、C5與R6、C6分別組成VD5、VD6的緩沖電路；Lf、Cf分別為變壓器二次側濾波電感和濾波電容；R為電弧等效負載。

圖1 FB-ZVZCS-PWM變換器原理

在分析之前先對FB-ZVZCS-PWM變換器做如下假設：(1)所有開關管、二極管均為理想器件；(2)所有電感、電容和變壓器均為理想元件；(3)電感Lr是理想磁性開關，未飽和時其電感值無限大，飽和后電感值接近于零；(4)輸出濾波電感值足夠大，在一個開關過程中可視為恒電流源。主電路的四個開關管的控制信號采用有限雙極性方式[7]，以控制主電路的有效占空比。逆變器的工作過程如圖2所示，半周期內可分為三個時間段。

圖2 軟開關逆變電路工作過程

(1)t0～t1。

t0-時刻，IGBT1～IGBT4開關管均未開通，整個電路沒有回路。t0+時刻，IGBT1、IGBT4導通，電容C1、C4上的電壓迅速降為零，電容C2、C3上的電壓變為電源電壓U。t0～t1期間，IGBT1、IGBT4導通后，變壓器一次電壓等于整流后電壓(540 V)，阻斷電容Cx電壓線性上升。

(2)t1～t2。

t1-時刻，IGBT1開關管還未關斷。t1+時刻，IGBT1關斷，即此狀態下只有IGBT4開通。此時一次電流由IGBT1轉移到電容C1和C2支路中，IGBT1兩端的并聯電容C1充電至540 V，IGBT2兩端的并聯電容C2放電至零時，IGBT2的反并聯二極管VD2導通，為IGBT2的零電壓開通做好了準備。充放電結束后，電流值很快下降，直至為零時刻，IGBT4關斷，實現了零電流關斷。

(3)t2～t3。

t2-時刻，IGBT4開關管還未關斷。t2+時刻，IGBT4實現零電流關斷，電路中不存在回路，變壓器一、二次電流和電壓均為零。t2～t3期間，UC1＝UC3＝U，UC2＝UC4＝0，主電路中的電流仍為零，這段短暫的時間稱為“死區”時間。

(4)t3。

t3-時刻，四個功率開關管仍然處于關斷狀態，UC1＝U，UC2＝0，UC3＝U，UC4＝0。t3+時刻后，IGBT2、IGBT3同時開通，其工作過程類似于前面描述的t0～t3，IGBT2實現零電壓開通，IGBT3實現零電流關斷。

2 系統仿真模型

本實驗仿真軟件選用Matlab r2006a，在Simulink的SimPowerSystem模塊庫中，仿真模型包括可變電感模塊、功率負載模塊和主電路系統仿真模型等軟開關系統，以及與其對比分析的硬開關系統仿真模型。

2.1 軟開關系統仿真模型

2.1.1 可變電感模塊

在SimPowerSystem模塊庫中，電感模型均為線性電感，而電感是此電路實現軟開關的核心元件，線性電感無法滿足此電路的要求，需要一個可飽和電感來滿足要求。本研究設計采用可變電感Lr模塊代替飽和電感模塊[8]，如圖3所示。

圖3 可變電感模塊設計

該電感模塊在系統模型中主要有兩方面作用：一是當一次電流Ip從一個方向向另一方向發生變化時，一段時間內流過可變電感中的電流大于飽和臨界電流，Lr的電感量降為接近于零，增大了電流的變化斜率，從而減小了占空比損失。二是當一次電流衰減到零后，可變電感Lr退出飽和呈現出很大的電感量，阻止了Ip向反方向變化，在一段時間內維持了電流過零，實現了滯后臂的零電流開通。

2.1.2 功率負載模塊

在焊接過程中，電弧負載的變化是非常復雜的，要想完全模擬出焊接過程是非常困難的。本設計中采用兩個電阻性負載R1、R2以及理想開關和一個脈沖發生器構成的簡單并聯電阻網絡，可以基本模擬焊接的短路及燃弧過程。負載仿真電路如圖4所示。

圖4 負載仿真電路

模型中，電阻性負載R1和R2通過一個理想開關S并聯，其中R1為焊接燃弧時電弧的等效電阻，R2為焊接短路時電弧的等效電阻。開關S由脈沖觸發器P控制，在仿真過程中，通過設定P的占空比來控制S的導通和關斷時間。當S關斷時，電阻網絡由R1等效于焊接燃弧電阻；當S導通時，R1與R2并聯，電阻網絡等效于焊接短路電阻。開關S的不斷導通與關斷使整個電阻網絡在正常燃弧和焊接短路狀態實現跳變，基本模擬出焊接過程中負載的復雜變化。

2.1.3 主電路系統仿真模型

雙零軟開關逆變弧焊電源主電路系統仿真模型如圖5所示。在模型中，輸入整流濾波電路等效為直流電源U，提供540 V直流電源給逆變橋。逆變全橋的四個IGBT管接收到脈沖發生器輸出的控制信號，將輸入的電源轉換為540 V／20 kHz的方波交流，然后進入變壓器Trans進行降壓隔離處理，再經輸出整流濾波電路，得到最終需要的理想弧焊電源，提供給模擬負載情況的電阻網絡，構成整個電路的運行過程。

2.1.4 系統仿真參數

經參數優化設計，仿真電路的關鍵參數如下：直流輸入電壓U＝540 V；逆變開關頻率20 kHz；開關管選用IGBT管；飽和電感用可變電感模塊Lr代替，臨界電流值Ic＝5 A，飽和時電感Lr＝0.001μ H，退出飽和后電感Lr＝1.5 mH；諧振電容C1＝C2＝30 nF，C3＝C4＝3 nF；阻斷電容Cx＝5μ F；變壓器一、二次側匝數比近似7∶1；輸出濾波電感Lf＝80μ H；濾波電容

圖5 FB-ZVZCS-PWM主電路系統仿真模型

80μF。

2.2 硬開關系統仿真模型

為了與硬開關系統進行對比分析，本研究建立了相應的硬開關系統仿真模型，如圖6所示。仿真電路中的功率負載模塊、保護電路模塊及其他主要元器件均與軟開關系統完全一致，各元器件的參數也基本保持一致，兩者的主要區別是硬開關系統沒有可飽和電感模塊和阻斷電容Cx。

圖6 硬開關系統仿真模型

3 仿真結果和分析

通過對仿真過程中系統參數的優化設計，得到了軟開關電路的仿真波形，并與硬開關電路進行對比分析，如圖7、圖8所示。

(1)圖7a為硬開關一次電流Ip、一次電壓Uab波形，圖8a為軟開關一次電流Ip、一次電壓Uab和阻斷電容Ucx的波形。對比發現，硬開關在開通和關斷的瞬間有明顯的電流尖峰，且一次電壓值在開關切換瞬間極性突變，產生很大的電壓損耗；而在雙零軟開關中由于增加了阻斷電容，當一次電流正向流動時，阻斷電容的電壓是增加的，當一次電流反向流動時，阻斷電容上的電壓是減少的，也就是說阻斷電容的極性與一次電流的流動方向相反，起到了給一次電流Ip復位的作用，從而為滯后臂的零電流開關創造條件。

圖7 硬開關電路仿真波形

圖8 雙零軟開關系統仿真波形

由于加入了可變電感Lr，當一次電流Ip衰減到零后，可變電感Lr呈現出很大的電感量，阻止了Ip向反方向的變化，維持電流過零時間。從軟開關主電路仿真模型中滯后臂的仿真曲線可以看出，在開關管關斷的瞬間，開關管中的電流已下降到零，從而實現了滯后臂的零電流關斷。

(2)圖7b、圖8b分別為硬、軟開關超前臂電壓Uce、電流Ice及驅動波形。對比發現，硬開關在開通時開關管的電壓不是立即下降到零，而是有一個下降時間，且電壓還未下降為零時電流就已經開始上升，產生了明顯的開通損耗；而在圖8b中，軟開關超前臂電壓Uce減小到零一段時間后，電流Ice才逐漸上升，實現了超前臂的零電壓開通，并具有很寬的負載范圍。

(3)圖7c、圖8c分別為硬、軟開關滯后臂電壓Uce、電流Ice及驅動波形。對比發現，硬開關電路在關斷的瞬間，電流和電壓有一個交疊區，產生明顯的關斷損耗；而在圖8c中，軟開關滯后臂電流Ice減小到零后，電壓Uce才緩慢上升，實現了滯后臂的零電流關斷。

對比硬開關和軟開關主電路系統仿真模型，從IGBT管的仿真曲線可知：在硬開關仿真模型中，在IGBT管開通和關斷的瞬間，其上的電流和電壓均不為零，就會產生開關損耗。并且在硬開關狀態下，會產生很高的du／dt和di／dt，從而產生較大的電磁干擾。而在軟開關仿真模型中，四個IGBT管在關斷的瞬間，電壓或者電流已下降到零，從而實現了軟關斷過程，降低了開關損耗，開關器件安全性能顯著提高。

4 結論

分析了全橋零電壓零電流脈寬調制變換器工作原理，利用Matlab軟件建立了雙零軟開關系統仿真模型，并與硬開關電路進行對比分析，表明該雙零軟開關弧焊逆變電源系統具有如下特點：

(1)在FB-ZVS-PWM變換器的基礎上增加了一個阻斷電容，實現了超前臂的零電壓開關，滯后臂的零電流開關。

(2)該軟開關系統成功解決了硬開關電路的開關損耗和安全可靠性等問題，相比硬開關具有明顯的優越性。

(3)系統參數的優化，為實現實際逆變弧焊電源系統的設計提供了優化設計的方法。

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Modeling and Simulation of the ZVZCS-PWM arc welding inverter power system

BU Shi-rui1，HU Xiao-jian1，2，WU Zhi-guo1
(1.Material Institute，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Institute of Computer Network System，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

In order to overcome the effects of large switching losses，over-current，over-voltage which exist in hard-switching inverter welding power source，this paper established a double-zero soft-switching inverter arc welding power supply system and analyzed the working principle of the system，and established a double-zero soft-switching circuit system and the hard-switching system simulation model by using the Matlab r2006a software，and simulated characteristics of the system.Compared with the hard-switching system，we can see that the soft-switching system make zero-voltage of the leading leg turn-on and lagging leg zero-current turn-off，at the same time，a suit of simulated parameter which achieved ZVS of leading leg and ZCS of lagging leg were obtained.The simulation results show that the power and security of soft-switching system which we established is superior to hard-switching，which get the ready for optimizing the design of the soft-switching system.

soft switching；zero-voltage-switching(ZVS)；zero-current-switching(ZCS)；computer simulation；arc welding inverter power

TG434.1

A

1001-2303(2011)05-0048-06

2010-11-15

國家自然科學基金資助項目(70971035)

卜士瑞(1985—)，男，安徽天長人，碩士，主要從事現代焊接過程控制技術及其仿真模擬方面的研究。