半橋有源廣義軟開關焊割電源的設計研究

吳月濤，謝志峰

(深圳華意隆電氣股份有限公司，廣東 深圳 518055)

0 前言

近年來，電力電子技術發展迅猛，逆變式開關技術廣泛應用于焊割電源，笨重型、低效的傳統焊割電源裝置已被小型、高效的逆變式焊割電源取代。為了實現逆變式焊割電源裝置的高性能、高效率、高可靠性，減小體積和重量，必須實現逆變式焊割電源的高頻化。軟開關技術是使功率變換器實現高頻化的重要技術之一，它應用諧振的原理，使開關器件中的電流(或電壓)按正弦或準正弦規律變化，當電流自然過零時使器件開通/關斷(或電壓為零時使器件開通/關斷)，從而減少開關損耗。它不僅可以解決硬開關變換器中的硬開關損耗、容性開通、感性關斷等問題，還能解決由硬開關引起的電磁騷擾問題。目前，使用在焊割電源上的軟開關逆變電源技術有移相式全橋軟開關技術和有限雙極性全橋軟開關技術。本研究從另一角度提出一種新型的軟開關逆變電源技術，將之運用于焊割電源，設計出新型的逆變式焊割電源。

1 主回路電氣原理

主回路電氣原理如圖1所示。電網交流電能經過開關QK1接入焊割電源，由整流橋VC1整流為直流電能存儲于電容Cd上。由開關管IGBT1、IGBT2、IGBT1′、IGBT2′和半橋電容 Cd1、Cd2緩沖電容C1、C2以及主變壓器T1的一次側繞組(存在漏感LK)、飽和電抗器LS等組成的半橋有源廣義軟開關逆變電路負責將儲于電容Cd上的直流電能逆變成中頻交流電能，再由主變壓器隔離變壓后通過次級中頻整流即可變成滿足焊割需要的直流電能。

圖1 主回路電氣原理圖

由圖1可以看出，開關管IGBT1、IGBT2順向串接組成半橋拓撲結構，IGBT1、IGBT2稱為主開關；而另一組開關管 IGBT1′、IGBT2′背靠背串接組成一組合開關，IGBT1′、IGBT2′稱為輔助開關。 從主控制電路輸出的主開關驅動信號為U1（輸出端口為G1，S1）和 U2（ 輸出端口為 G2，S2），它們是相位相差 180°的PWM脈沖驅動信號；從主控制電路輸出的輔助開關驅動信號為 U1′（輸出端口為 G1′，S1′）和 U2′（輸出端口為 G2′，S2′）它們是相位相差 180°的定寬并留有足夠死區時間的脈沖驅動信號。

在主開關驅動信號U1、U2和輔助開關驅動信號 U1′、U2′的驅動下，開關管 IGBT1和 IGBT1′將同時開通，IGBT1按 PWM 關斷，IGBT1′滯后 IGBT1一段時間后固定脈寬關斷；IGBT2和IGBT2′同時開通，IGBT2按PWM 關斷，IGBT2′滯后IGBT2一段時間后固定脈寬關斷。具體的驅動脈沖時序見圖2。

2 主回路的工作原理

在t1時刻前，電容C1已經被放完電荷，其端電壓為Uc1=0；電容C2已經被充滿電荷，其端電壓為Uc2=Uin，“1”點電位為Uin，波形圖見圖10。

(1)t1時刻：如圖3所示，主開關IGBT1和輔助開關IGBT1′同時開通，由于飽和電抗器LS此時還未進入飽和區，回路中總的電感LK+LS很大，故回路電流將從零開始緩慢上升的，因此IGBT1為零電流軟開通；而此時“ 1”和“ 2”兩點等電位，IGBT1′被 IGBT1導通箝位，IGBT1′處于零偏狀態，因此沒有電流流過，IGBT1′屬于零電流/零電壓軟開通。

圖2 驅動脈沖時序圖

此時電流流向為：Uin+→IGBT1→LS→T1→LK→Cd1、Cd2。

由于一次側回路串聯的飽和電感的作用，電流先以很小斜率上升，直到LK達到飽和安匝數飽和后才快速升到負載額定值再按二次側電抗器決定的斜率上升，這個時間需設置稍大于tq（IGBT開通延遲的總時間）。一次側能量在此過程中通過變壓器T1傳給二次側，二次側二極管VD3導通，VD4反偏截止。一段時間后，IGBT1將PWM關斷，進入時刻t2。

(2)t2～t6時刻：如圖 4、圖 5 所示，t2時刻 IGBT1PWM截止（IGBT1′仍保持導通），由于輸出電抗器的作用，一次側電流不能突變，一次側電流在t2時 刻切換通路。

圖3 主開關IGBT1和輔助開關IGBT1′同時開通時電流路徑

圖4 主開關IGBT1關斷時電流路徑

圖5 主開關IGBT1關斷后期電流路徑

此時電流流向改為：C1、C2→VD2′→IGBT1′→LS→T1→LK→Cd1、Cd2。

此后C1被充電；C2被放電，C1端電壓從零開始緩慢上升，C2端電壓從Uin開始緩慢下降，“1”點電位從Uin緩慢下降，所以IGBT1端電壓是按一定斜率從其飽和壓降（3 V左右）開始緩慢上升的，IGBT1屬于零電壓軟關斷。

C1和C2充放電，實際上是“1”點電壓與Cd1和Cd2的中點電壓（半橋電容足夠大，中點電壓始終保持于Uin/2）之差加在LS和LK上，隨著時間的推移，這個電壓會從開始的Uin/2逐漸降到零（此時“1”點電壓降至Uin/2），這個過程中變壓器一次側電流也在減少，見圖10中變壓器一次側電流t2～t3段。此時一次側能量仍通過變壓器T1傳給二次側，二次側二極管VD3導通，VD4反偏截止。當“1”點電壓低于Uin/2時，C1和C2繼續充放電，但此時漏感和飽和電感被加上反壓，變壓器一次側電壓為零，二次側二極管VD3、VD4同時導通為輸出電感續流。一次側電流路徑仍然為：C1、C2→VD2′→IGBT1′→LS→T1→LK→Cd1、Cd2，該電流將急劇減小，見圖 10 中 t3～t4段。當C1和C2充放電，使得C1電壓充至Uin、C2電壓放至零時，漏感和飽和電感仍被加上反壓，變壓器一次側電壓為零，二次側二極管VD3、VD4仍然同時導通并為輸出電感續流。一次側電流改變路徑為：Uin-→VD2→LS→T1→LK→Cd1、Cd2，如圖 5 所示。該電流仍將急劇減小，見圖10中t4～t5段。

當一次側電流急劇減小到飽和電感的閥值時，飽和電感LS電感量劇增，一次側電流迅速減小到一個很小值然后以較小的斜率緩慢下降到零并開始向相反方向緩慢發展，見圖10中t5～t6段，此時輔助開關IGBT1′關斷。可見輔助開關IGBT1′的關斷屬于零電流/零電壓軟關斷，關斷應力很小。此后，一次側的電流完全截止，“2”點電位回到中點電位Uin/2，變壓器一次側及飽和電感上的電壓都為零，二次側二極管VD3、VD4仍然同時導通并繼續為輸出電感續流，如圖6所示。

圖6 主開關IGBT1(IGBT2)和輔助開關IGBT1′(IGBT2′)均關斷后的電流路徑

當輔助開關IGBT1′驅動脈沖U1′死區時間過去后（死區時間由主控板輔助開關驅動電路設定產生）進入t7時刻。

(3)t7時刻：如圖7所示，主開關IGBT2和輔助開關IGBT2′同時開通，由于飽和電抗器Ls此時還未進入飽和區，回路中總的電感LK+LS很大，故回路電流將從零開始，緩慢上升，因此IGBT2為零電流軟開通；而此時“ 1”和“ 2”兩點等電位，IGBT2′被IGBT2箝位，IGBT2′處于零偏狀態，因此沒有電流流過，IGBT2′屬于零電流/零電壓軟開通。

圖7 主開關IGBT2和輔助開關IGBT2′同時開通時電流路徑

此時電流流向為： Cd1、Cd2→LK→T1→LS→IGBT2→Uin-。

電流先以很小斜率上升，直到LK達到飽和安匝數飽和后才快速升到負載額定值再按二次側電抗器決定的斜率上升，這個時間設置同樣稍大于tq（IGBT開通延遲的總時間）。一次側能量在此過程中通過變壓器T1傳給二次側，二次側二極管VD4導通，VD3反偏截止。一段時間后，IGBT2將PWM關斷，進入時刻t8。

(4)t8～t12時刻：如圖 8、圖 9 所示，t8時刻 IGBT2PWM截止（IGBT2′仍保持開通），由于輸出電抗器的作用，一次側電流不能突變，一次側電流在t8時刻切換通路。

此時電流流向改為：Cd1、Cd2→LK→T1→LS→VD1′→IGBT2′→C1、C2。

圖8 主開關IGBT2關斷時電流路徑

圖9 主開關IGBT2關斷后期電流路徑

此后C2被充電；C1被放電，C2端電壓從零開始緩慢上升，C1端電壓從Uin開始緩慢下降，“1”點電位從零緩慢上升降，所以IGBT2端電壓是按一定斜率從其飽和壓降（3 V左右）開始緩慢上升的，IGBT2屬于零電壓軟關斷。

C2和C1充放電，實際上是Cd1和Cd2的中點電壓與“1”點電壓之差加在LS和LK上，隨著時間的推移，這個電壓會從開始的Uin/2逐漸降到零（此時“1”點電壓升至Uin/2），這個過程中變壓器一次側電流也在減少，見圖10中變壓器一次側電流t8～t9段。此時一次側能量仍通過變壓器T1傳給二次側，一次側二極管VD4導通，VD3反偏截止。當“1”點電壓高于Uin/2時，C2和C1繼續充放電，但此時漏感和飽和電感被加上反壓，變壓器一次側電壓為零，一次側二極管VD3、VD4同時導通為輸出電感續流。一次側電流路徑仍然為：Cd1、Cd2→LK→T1→LS→VD1′→IGBT2′→C1、C2。 該電流將急劇減小，見圖 10 中 t9～t10段。當 C2和 C1充放電，使得 C2電壓充至 Uin、C1電壓放至零時，漏感和飽和電感仍被加上反壓，變壓器一次側電壓仍為零，二次側二極管VD3、VD4仍同時導通并為輸出電感續流。一次側電流改變路徑為：Cd1、Cd2→LK→T1→LS→VD1→Uin+。如圖 9 所示，該電流仍將急劇減小，見圖10中t10～t11段。

當一次側電流急劇減小到飽和電感的閥值時，飽和電感LS電感量劇增，一次側電流迅速減小到一個很小值然后以較小的斜率進一步緩慢下降到零并開始向相反方向緩慢發展，見圖10中t11～t12段，此時輔助開關IGBT2′關斷。可見輔助開關IGBT2′的關斷屬于零電流/零電壓軟關斷，關斷應力很小。此后，一次側的電流完全截止，“2”點電位回到中點電位Uin/2，變壓器一次側及飽和電感上的電壓都為零，副邊二極管VD3、VD4仍然同時導通并繼續為輸出電感續流，如圖6所示。

當輔助開關IGBT2′驅動脈沖U2′死區時間過去，一個完整的PWM周期結束，將開始完全相同的下一個周期。如此周而復始，完成半橋有源廣義軟開關PWM逆變的整個過程。

圖10是該半橋有源廣義軟開關逆變波形圖。

3 關鍵器件選擇和有關參數設置

要保證焊割電源在包括空載在內的全負載范圍內都能滿足軟開關條件，需要選擇緩沖電容C1和C2的容量，飽和電感LS的電感量和飽和伏秒數值等。保證電源能可靠運行還需要確定合適的主開關IGBT器件和輔助開關IGBT器件的電流、電壓和功率等級。

圖10 半橋有源廣義軟開關逆變波形圖

(1)主開關零電流軟開通條件。

要滿足主開關零電流軟開通的條件，必須滿足：

a.飽和電感必須有足夠的飽和伏秒數，可保證從主開關驅動脈沖U1或U2變高開始，主開關經過開通延時（Turn-on Delay Time）td（on）和上升時間（Rise Time）tr后才完全飽和，即飽和伏秒數中一重要要素飽和電感控制時間tq（IGBT開通延遲的總時間）必須大于等于td（on）+tr。

b.飽和電感在飽和時刻的最大電流必須小到可以忽略不計以滿足零電流軟開通條件。

c.選擇矩形系數大的制作工藝簡單的鐵氧體磁環。

根據零電流軟開通條件要求，要求飽和電感飽和時的電流為一很小值IS。

可算出電感量為

再根據式（2）和式（3）即可計算出需要的磁芯的截面積和需要的繞組匝數

式中 Uin為一次側直流電壓；tq為飽和電感控制時間（大于等于td（on）+tr）；LS為飽和電感電感量；IS為飽和電感飽和電流；N為飽和電感繞組匝數；BS為飽和電感磁芯飽和磁密；S為飽和電感磁芯截面積；μ0為真空磁導率，μ0=4π·10-7；μr為磁芯相對磁導率；lC為磁芯平均磁路長度。

(2)主開關零電壓軟關斷條件。

要滿足主開關零電壓軟關斷的條件，必須在每一次主開關關斷時，電容C1和C2保證充放電完畢。空載情況下一次側電流最小，只要在空載情況下能保證電容C1和C2充放電完畢，就能保證全負載范圍內主開關能零電壓軟關斷的條件。

設一次側空載勵磁電流為Im，一次側電感總和為LS+LK，根據能量守恒定律可知：

一般選擇C1=C2=C，通過上式即可算出電容C1和C2的值C。

(3)主開關器件和輔助開關器件的選取。

主開關IGBT器件的電壓、電流容量和功率容量按電源需要滿載輸出電流、電壓以及功率來選擇，輔助開關IGBT器件因為工作在大電流期間的時間較短，其電流量及功率容量均可按主開關IGBT器件電流容量的1/3～1/4來選擇。

4 結論

通過對一個完整PWM周期的理論分析可看出在本電路拓撲結構中：主開關均為零電流軟開通，零電壓軟關斷；而輔助開關均為零電流/零電壓軟開通，零電流/零電壓軟關斷，開關管開關應力很小，開關損耗非常低。通過參數計算和設置，可使本電源在包括空載在內的全負載范圍內達到軟開關條件。根據本研究制作的一臺ZX7-250逆變式手工焊機，逆變頻率為40 kHZ，負載持續率達100%（環境溫度40℃條件下），電能變換效率達90%，該電路拓撲技術已獲得國家知識產權局發明專利授權，專利號：ZL 201010532734.6。

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