雙端正激逆變器研究

張小平，周玉榮

(攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

雙端正激逆變器研究

張小平，周玉榮

(攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

針對(duì)單端正激逆變器存在的不足，提出了采用兩個(gè)單端正激逆變電源，既交錯(cuò)串并聯(lián)逆變焊接電源，開(kāi)關(guān)管選用軟開(kāi)關(guān)交錯(cuò)控制方法。交錯(cuò)并聯(lián)逆變器既能增加輸出功率密度，又能使電壓頻率增加一倍，減小了裝置體積和輸出紋波。通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的有效性，使整個(gè)控制系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

交錯(cuò)控制；串并聯(lián)逆變器；LC濾波

0 前言

逆變焊接電源中常見(jiàn)的電弧有自由電弧、壓縮電弧和脈沖電弧，根據(jù)不同的工藝要求采取不同的電弧方式。在此分析脈沖電弧，電流為脈沖波形的電弧通常稱(chēng)為脈沖電弧，它可以分為直流脈沖電弧和交流脈沖電弧。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，以上三種弧焊設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)。單端正激逆變器主電路次級(jí)輸出續(xù)流二極管流過(guò)的電流幅值大，二極管恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，主電路的頻率等于開(kāi)關(guān)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(cè)，效率較低。在此分析雙端正激逆變直流脈沖弧焊，開(kāi)關(guān)管采用軟開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，因?yàn)橛查_(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)管損耗大，電能轉(zhuǎn)換效率低，特別是在大電流的負(fù)載(比如：弧焊電源)情況下，開(kāi)關(guān)管要使用風(fēng)冷或水冷，給工藝設(shè)計(jì)帶來(lái)很多不便[1-2]。

1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 單端正激逆變電源缺陷

單端正激逆變弧焊電源主電路原理如圖1所示，經(jīng)過(guò)交流整流后直流電壓逆變成方波提供給負(fù)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(duì)逆變開(kāi)關(guān)管有很大的影響，L越大，變壓器上的電壓上升過(guò)程緩慢，同時(shí)增大了電壓尖峰，且產(chǎn)生振蕩，振蕩頻率也較低。因此，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的功率大小和焊接工藝的要求在調(diào)試過(guò)程中合理選取L的大?。蛔儔浩鞯穆└袑?duì)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程的變壓器一次側(cè)反向電壓幅值及變壓器二次側(cè)的反向電壓尖峰有不利的影響，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(duì)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間的反向電壓起調(diào)整作用，在設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)應(yīng)選取適當(dāng)；變壓器的反向去磁作用通過(guò)勵(lì)磁電流的改變會(huì)自動(dòng)平衡。因此，磁路中應(yīng)加入適當(dāng)?shù)目諝庀秮?lái)改善磁導(dǎo)率的線性度。

1.2 雙端正激逆變電源

兩個(gè)單端逆變器交錯(cuò)并聯(lián)運(yùn)行稱(chēng)為雙端逆變電源，其輸出電壓、電流按規(guī)定的時(shí)間序列交替工作。開(kāi)關(guān)管工作在ZVS和ZCS狀況下，稱(chēng)為一種新型的交錯(cuò)并聯(lián)軟開(kāi)關(guān)逆變器。該逆變器輸出功率大，是兩個(gè)單端逆變器輸出功率的疊加，且效率高；由于采用諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，不存在半橋式、全橋式逆變主電路兩對(duì)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通、短路而燒壞開(kāi)關(guān)管的現(xiàn)象，其工作在ZVS、ZCS狀態(tài)，減小了開(kāi)關(guān)管的損耗。負(fù)載端加入LC濾波，能減少輸出電壓諧波成分，且電壓、電流紋波小。

直流逆變成交流可以采用硬開(kāi)關(guān)，也可以采用軟開(kāi)關(guān)，硬開(kāi)關(guān)是在較高的電壓和較大電流狀態(tài)下進(jìn)行開(kāi)關(guān)。因此硬開(kāi)關(guān)工作方式在高頻大電流的情況下(特別是在焊接電源)會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件損耗的增大，這樣在實(shí)際應(yīng)用中不僅造成電能浪費(fèi)，重要的是開(kāi)關(guān)管溫度升高后如果采用風(fēng)冷處理會(huì)增加體積，采用水冷處理會(huì)增加工藝難度；另外開(kāi)關(guān)管在高頻的開(kāi)關(guān)過(guò)程中一定會(huì)產(chǎn)生大量的諧波以及電磁干擾，從而影響電路的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞開(kāi)關(guān)管。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)克服了以上的不足，軟開(kāi)關(guān)工作在ZVS、ZCS狀態(tài)下，這樣降低了開(kāi)關(guān)管du／dt和di／dt的變化，減少了諧波和電磁干擾(EMI)，降低了逆變器的質(zhì)量，提高了效率，減小了電路中變壓器、電感、電容的體積，提高了功率密度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。基于以上對(duì)硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)的分析，在此采用軟開(kāi)關(guān)逆變電路[2]。

串并聯(lián)諧振電路如圖2所示，L1r、C1r和L2r、C2r分別組成串聯(lián)諧振，同時(shí)L1r、L1p與L2r、L2p并聯(lián)向負(fù)載交替提供電壓、電流。該電路能交錯(cuò)給負(fù)載提供電壓和電流，從而提高電能的利用率。

2 仿真和實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真分析

對(duì)圖2的主電路進(jìn)行仿真分析，假定開(kāi)關(guān)管的頻率為50 kHz，采用PSPICE軟件仿真，電路上橋臂采用N-MOSFET，下橋臂采用P-MOSFET，上橋臂選用IRF4905開(kāi)關(guān)管型號(hào)、下橋臂選用IRF3710型號(hào)。仿真波形如圖3所示，在0～10μ s內(nèi)由開(kāi)關(guān)管SN1、SP1導(dǎo)通，SP1為正脈沖導(dǎo)通，SN1為低脈沖導(dǎo)通，保證兩個(gè)開(kāi)關(guān)管可靠工作，不同的PWM控制模式會(huì)使開(kāi)關(guān)管輸出不同的電壓、電流波形。同樣可以得到圖2右半部分的波形和左半部波形，不過(guò)兩者的電壓、電流是交替導(dǎo)通的，也就是當(dāng)圖2左半部分諧振電路向高頻脈沖變壓器提供電壓時(shí)，右半部分諧振電路的開(kāi)關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)，反之右半分諧振電路工作時(shí)，左半部分開(kāi)關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)。由圖3可以看出，電壓是交錯(cuò)給輸出變壓器，S1是左半部分諧振電路的電壓波形，其頻率為50 kHz，同樣S2是右半部分諧振電路的電壓輸出波形頻率50 kHz，因此兩者頻率的合成使輸出的電壓頻率為100kHz[2]。

圖3 變壓器二次側(cè)電壓波形

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本研究選用主芯片DSP(TMS320F2812)為控制單元，DSP具有最大150 MHz(1.9 V內(nèi)核電壓)的時(shí)鐘頻率，在一個(gè)周期內(nèi)可以對(duì)任何內(nèi)存地址完成讀取、修改、寫(xiě)入操作，使得效率及程序代碼達(dá)到最佳。實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示，從圖4可以看出，輸出電壓、電流波形為交錯(cuò)，該逆變電源在焊接時(shí)能為負(fù)載提供交錯(cuò)的高頻焊接電流。

圖4 雙端逆變電源測(cè)試波形

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)雙端正激逆變電源的理論分、仿真和實(shí)驗(yàn)可知，該電路設(shè)計(jì)減小了功率損耗，開(kāi)關(guān)管交錯(cuò)導(dǎo)通向負(fù)載提供電能，可以根據(jù)工藝要求改變電路元器件參數(shù)，使輸出的電壓、電流為高頻全波、半波脈沖波和高頻正弦波。

[1]李永平，董 欣.PSPICE電路設(shè)計(jì)實(shí)用教程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[2]徐順剛，陳俊昌.一種新型交錯(cuò)串并聯(lián)軟開(kāi)關(guān)逆變器[J].電焊機(jī)，2008，38(10)：60-62.

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

[4]陳道煉.DC-AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

Study on a double single-ended forward inverter

ZHANG Xiao-ping，ZHOU Yu-rong
(School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China)

The approach of a parallel double single-ended forward inverter and an interleaving control of a soft switching are presented based on the shortage of the single-ended forward inverter and the forced-switching.An interleaving parallel inverter can not only increase the output power intensity，double the voltage frequency，decrease the device volume and the output ripple current.The simulation and experiment shows that the control approach can carry our purpose expected,and the control system runs stably and reliably.

interleaving control；series-parallel inverter；LC filter

TG434.4

A

1001-2303(2010)01-0059-03

2009-11-20

張小平(1956—)，男，四川攀枝花人，副教授，主要從事電機(jī)理論及電力系統(tǒng)控制的研究工作。