串聯預穩壓并聯全橋逆變電路仿真

劉 嘉，郭子強，李云嶧

（北京工業大學 機械電子與應用電子技術學院，北京100124）

串聯預穩壓并聯全橋逆變電路仿真

劉 嘉，郭子強，李云嶧

（北京工業大學 機械電子與應用電子技術學院，北京100124）

以逆變焊機為研究對象，為提高逆變焊接電源系統動態特性和控制精度，提出一種串聯Boost預穩壓輸入，全橋逆變并聯輸出的逆變焊接電源主電路結構。分析了電路系統的功率傳輸原理和工作模態，進行了基于Matlab/Simulink的電路系統仿真設計，能更加直觀地分析了電路的動態特性，并與傳統的全橋逆變電路的仿真結果進行了對比。

焊接電源；Boost預穩壓；全橋逆變；Simulink仿真

0 前言

焊機的主要部分就是焊接電源，而焊接電源的性能決定了焊機的主要性能。從電源的角度看，焊機屬于一種二次電源，所謂二次電源就是將電網的電能轉換為工作負載所需的電壓、電流的電能轉換裝置。在電能轉換中有三種基本方法：變壓、整流和逆變[1]。一臺逆變焊機從交流電網到直流輸出經歷過了AC-DC-AC-AC-DC四個步驟的變換過程，每一個環節對焊接工藝和焊接質量都有著很大的影響。弧焊逆變電源是一種采用3×380 V供電，經全橋整流、電容濾波為540 V的直流電。傳統的全橋逆變電路由540 V直流輸入，兩個橋臂開關管交替工作，工作模式相當于Buck降壓電路，再整流為低電壓、大電流的直流輸出。

隨著現代電力電子技術的發展，多模塊串并聯組合集成系統成為研究熱點。串聯輸入、并聯輸出組合系統適用于較高輸入電壓、較大輸出電流的應用場合，這種結構可以保證在低電壓輸出條件下，使用高頻開關管，產生高功率密度和高轉換效率，另外，模塊化結構有很強的冗余操作能力，使整個系統的可靠性得到提高[2]。輸入串聯、輸出并聯組合系統在高輸入電壓的電力機車、三相電壓輸入的功率因數校正技術等方面有許多應用。逆變焊機作為一種典型的高電壓輸入、低電壓大電流輸出的電源系統，串聯輸入、并聯輸出組合系統有著非常理想的應用前景。

本研究針對弧焊逆變焊接電源，提出前級串聯Boost預穩壓輸入，后級全橋逆變電路并聯輸出的主電路結構。三相交流電經過全橋整流，串聯的兩個電容分壓輸入，經輸出可調的Boost升壓拓撲進行DCDC預穩壓調節，由全橋逆變并聯輸出到負載。

1 串聯預穩壓并聯全橋逆變電路的結構和工作原理

串聯預穩壓并聯全橋逆變電路結構如圖1所示，它是由兩個相同的電容串聯作為輸入，兩個相同的帶有預穩壓結構的全橋逆變電路并聯輸出。

圖1 串聯預穩壓并聯全橋逆變主電路結構

在研究弧焊逆變電源的動態特性以及進行控制系統設計之前，首先必須建立電源系統的模型。弧焊逆變電源是一種線性與非線性相結合的開關電源綜合系統，而開關電源中的開關管、二極管工作在通、斷兩個狀態，是一個強非線性系統，為簡單起見，使開關理想化[3]，同時，本研究建模分析的前提是電感電流連續（CCM）。由文獻[4]可知，全橋逆變電路的建模可以簡化為Buck電路的建模，如圖2所示，電路模型就可以描述為一級Boost和一級Buck串聯。

圖2 串聯Boost預穩壓全橋逆變電路原理

通過對開關管S1、S2導通與關斷的控制將功率斷續的加載在儲能元件上，改變儲能加載在負載上電流電壓的平均值，進而改變電路輸出功率。為了方便表述，將開關管的通斷狀態用S1、S2的值（等于1或0）來表示。根據開關管S1、S2的通斷狀態，可以將串聯電路系統分為如下四個工作模態。

模態一，S1=0，S2=1（見圖3）。電路中有兩個回路，輸入電流經過電感L1、電容C1構成回路一，電源與L1、L2、C2和負載R構成回路二。在此過程中L1釋放能量，C1、L2、C2儲存能量。

圖3 電路工作模態一

模態二，S1=0，S2=0（見圖4）。這時，回路一由電源與L1、C1構成，L1釋放能量，C1儲存能量。L2、C2釋放能量，負載電流為L2與C2電流之和，并經由二極管回流構成回路。

圖4 電路工作模態二

模態三，S1=1，S2=1（見圖5）。S1短路，電源與電感L1構成回路，L1電流迅速升高，獲得較大能量。此時，C1中能量得以釋放，為L2、C2和負載續流提供能量。

模態四，S1=1，S2=0（見圖6）。此時電路存在兩個小回路，電源為L1儲能提供能量，L2、C2釋放能量給負載，是負載電流連續。

圖5 電路工作模態三

圖6 電路工作模態四

2 Matlab/Simulink仿真模型建立

Matlab/Simulink提供了電源系統模塊（Power System Blockset），在Power System Blockset的子模塊庫中包括了電源系統仿真分析所需要的模塊，如電力電子子模塊（Power Electronics）中的IGBT、二極管，電源庫（Electronic Sources）包括各種直、交流電源，常用元器件可以在元件庫（Elements）中找到其圖形化模型[5]。這樣方便了Power System Blockset仿真。

電力電子仿真設計時，在電源系統子模塊集中選擇仿真所需要的模塊，直接拖動到Simulink模型文件中即可。串聯預穩壓并聯全橋逆變電路Matlab/ Simulink主電路模型如圖7所示。

進行仿真實驗時，電路模型中各元件參數設置如下：分壓電容C1=C2=100 μF，預穩壓Boost電路電感Lp1=Cp2=60 μH，Boost拓撲輸出穩壓電容Cvd1= Cvd2=100 μF，變壓器變比n=4.5，輸出濾波電感Le= 60 μH，電容Ce=100 pF。

圖7 Simulink仿真模型總體設計

對于電力電子技術的研究，Pspice、Saber、Orcad等仿真工具是使用最多，也非常專業。但是，它們本身在控制系統設計和仿真能力上有所欠缺或不具備這樣的能力，在控制系統設計中常常要求助于Matlab或者Simulink，并且還提供Matlab的接口模塊。目前Simulink集成了電源模塊集，還在控制系統的研究上優于其他仿真軟件，所以選擇Matlab/Simulink，可以在統一的仿真環境中完成研究任務。

系統中預穩壓電路和全橋逆變電路分別獨立采用PI閉環控制，其控制器結構如圖8、圖9所示。

圖8 Boost預穩壓電路PI控制器模型

圖9 全橋逆變電路PI控制器模型

在仿真研究中，開關頻率設置為20 kHz，PI補償控制器的參數設置采用Simulink優化后推薦值，可以表示為

另外，全橋逆變電路并聯輸出使用兩個同步的PWM發生器，分別控制逆變橋兩個橋臂的運行狀態，并使兩個控制器的PWM基波信號相差半個周期，以保證逆變器兩個橋臂交錯運行。

3 仿真設計和結果分析

本研究以CO2氣體保護焊工藝為例，在仿真實驗中分析電路的動態性能，主要分析了串聯預穩壓并聯全橋電路系統在恒流控制下短路過渡和電流跳變過程中電流響應曲線。并在同條件下與傳統的全橋逆變電路的進行電路動態特性對比研究。電源的動態特性是指：當負載狀態發生變化時，弧焊電源輸出電流和輸出電壓與時間的關系，用以表征電源對負載變化的反應能力，簡稱動特性[6]。

CO2焊負載曲線可以用經驗公式來表示[7]

選擇電流100 A、電壓19 V的焊接短路和給定輸出電流跳變兩種情況進行研究。電流100 A、電壓19 V時，焊接電源的輸出回路的等效電阻為0.19 Ω，短路時假設焊接電弧的等效電阻為0.04 Ω。

具體方案為：

（1）在電流給定為100 A的條件下，初始狀態的負載R=0.19 Ω，t=6 ms時，階躍信號源step輸出跳變信號1。這時理想開關Sw閉合，負載R1=0.04 Ω并聯到輸出回路，使等效負載變成0.033 Ω。

圖10為輸出恒流控制下焊接短路時電流變化波形，同樣圖形上方波形為帶有串聯預穩壓電路的輸出電流波形。顯然，串聯預穩壓并聯全橋逆變電路系統過渡過程更加理想，沒有出現電流尖峰，調整時間可以忽略。

圖10 100 A恒流條件下負載由0.19～0.33 Ω電流波形放對比

（2）當負載R=0.19條件下，電流給定值由100 A跳變到200 A，觀察輸出電流的響應曲線。

圖11為輸出電流由100～200 A跳變過渡電流波形對比，圖11a是帶有串聯預穩壓電路的電流輸出波形，圖11b是傳統全橋逆變電路電流輸出波形。圖中帶有串聯預穩壓電路系統過渡調整時間小于0.3ms，僅為傳統全橋逆變電路系統的一半，且超調量更小。

（3）給定電流100 A，負載R=0.19 Ω，觀察電流紋波情況。

圖11 負載為0.19 Ω，電流100～200 A跳變時電流波形比較

圖12b為傳統全橋逆變電路輸出電壓有明顯的跟隨逆變器輸入電壓脈動的紋波，圖12a串聯預穩壓的全橋逆變系統輸出電流波形平滑，且紋波比例更小，約為傳統全橋逆變系統的2/3。

4 結論

設計了一種串聯預穩壓輸入、并聯全橋逆變輸出的模塊化集成電路系統，通過平均連續法建立電路系統模型，分析了串聯預穩壓并聯全橋逆變電路的原理，介紹了電路系統的各個工作運行模態下功率的傳輸回路。

建立了Matlab/Simulink平臺下的仿真模型，設計仿真實驗觀察系統輸出的動態特性，并對實驗結果與傳統的全橋逆變電路進行對比分析。仿真實驗結果表明：串聯預穩壓結構能明顯改善電源系統的動態特性，并消除了輸入電壓的脈動紋波對輸出電流的影響，減小了紋波。

圖12 負載0.19 Ω，輸出100 A穩定時電流紋波比較

[1]中國焊接協會焊接設備分會.逆變焊機選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2012：1-2.

[2]Deshang Sha，Zhiqiang Guo，XiaoZhong Liao.Cross-FeedbackOutput-Current-Sharing Control for Input-Series-Out-Parallel Modular DC-DC Converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010（25）：2762-2769.

[3]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2004：210-220.

[4]劉嘉.弧焊逆變電源的數字化控制[D].北京：北京工業大學，2012.

[5]黃忠霖.電工學的Matlab實踐[M].北京：國防工業出版社，2010：140-175.

[6]中國機械工程協會焊接分會.焊接詞典[M].北京：機械工程出版社，1997.

[7]殷樹言.氣體保護焊工藝基礎及應用[M].北京：機械工業出版社，2012：279-282.

Simulation of series voltage regulator parallel full bridge inverter circuit

LIU Jia，GUO Ziqiang，LI Yunyi
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

This article focuses on inverter welder，in order to improve the dynamic characteristics and control accuracy of the inverter welding power system，the main circuit structure of the power supply system that the Boost voltage pre-regulator in series at input and the full bridge inverter in parallel at output is proposed.Analyzes the transmission principle and working modes of the power system，designs the circuit simulation system based on Matlab/Simulink presenting the dynamic characteristics intuitively，and compares the simulation results of the new system and traditional full bridge inverter system.

welding power supply；voltage regulator；full bridge inverter；Simulink simulation

TG434.1

：A

：1001-2303（2015）10-0001-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.01

2015-04-16；

：2015-05-20

國家自然科學基金資助項目（51375022）

劉 嘉（1969—），男，吉林省吉林人，博士，主要從事數字控制弧焊逆變電源研究工作。