單端正激焊接系統(tǒng)中吸收電路的分析

潘慧梅，張小平

PAN Hui-mei，ZHANG Xiao-ping

（攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，攀枝花 617000）

0 引言

隨著焊接工藝技術(shù)不斷提高，焊接電源輸出電壓、電流波形的質(zhì)量、穩(wěn)定性和可靠性也要求越來越高。焊接電弧電源隨焊接工藝要求不同而不同。逆變焊接電源中常見的電弧有脈沖電弧、自由電弧和壓縮電弧。近年來，電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，在焊接系統(tǒng)中，脈沖電弧在焊接系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。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，以上三種弧焊各有自優(yōu)缺點(diǎn)。單端正激逆變器主電路次級輸出續(xù)流二極管流過的電流幅值大，二極管恢復(fù)時(shí)間長，主電路的頻率等于開關(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。本文用單端正激逆變直流脈沖弧焊，但是直流脈沖弧焊存在開關(guān)管在高頻的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)存在過沖電壓和過沖電流，影響了焊接系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，嚴(yán)重時(shí)焊接系統(tǒng)將無法工作，本文重點(diǎn)分析單端正激逆變電源中用吸收電路抑制，眾所周知，開關(guān)管瞬時(shí)的電壓和電流(du/dt、di/dt)將將產(chǎn)生過沖電壓和過沖電流。本文通過仿真分析可知，通過改變RC吸收電路的參數(shù)值能抑制開關(guān)管產(chǎn)生尖峰電壓和電流，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。本文的吸收電路將為提高焊接系統(tǒng)電弧質(zhì)量以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供一定的指導(dǎo)意義[1,2]。

1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

圖1為單端正激逆變弧焊主電路原理圖，單端正激逆變電源是經(jīng)過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對逆變開關(guān)管有很大的影響，L增大，不僅使變壓器上的電壓上升過程緩慢，而且增大了電壓尖峰，同時(shí)還產(chǎn)生振蕩。L越大，振蕩頻率越低。因此，要根據(jù)系統(tǒng)的功率大小和焊接工藝的要求以及在調(diào)試過程中合理的選取L的大小值；變壓器的漏感對開關(guān)管關(guān)斷過程的變壓器一次反向電壓幅值及變壓器二次的反向電壓尖峰有很不利的影響，并且限制了單端正激逆變電源的輸出功率；逆變電路的電容對開關(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)要選取適當(dāng)；變壓器的反向去磁作用通過勵(lì)磁電流的改變會自動平衡。因此，磁路中要加入適當(dāng)?shù)目諝庀稄亩纳拼艑?dǎo)率的線性度[2～5]。

圖1 單端正激逆變弧焊主電路原理圖

2 仿真分析

對圖1的主電路的開關(guān)管開通和關(guān)斷是的過沖電壓進(jìn)行仿真分析，假定開關(guān)管的頻率為46KHZ，用PSPICE軟件仿真其參數(shù)[2]，S1用N-MOSFET，S2用P-MOSFET，上橋臂選用IRF4905開關(guān)管型號、下橋臂選用IRF3710型號。為了更清晰的分析開關(guān)管的過沖電壓，我們對開關(guān)管S1的開關(guān)狀態(tài)的尖鋒電壓進(jìn)行仿真分析。S1為正脈沖導(dǎo)通，S2為低脈沖導(dǎo)通，這樣保證其兩個(gè)開關(guān)管可靠的工作，不同的PWM控制模式會使開關(guān)管輸出不同的電壓、電流波形。圖2(a)為開關(guān)管兩端不加RC吸收電路的的仿真波形，從該圖中可知，MOSFET開通瞬間有較大過充電壓；圖2(b)為在開關(guān)管兩端加吸收電路的仿真波形，RC吸收電路參數(shù)為：C=1NF、R=1kΩ，與圖2(a)相比減小了過充電壓；圖2(c)為RC吸收電路參數(shù)為：C=2.2nF、R=330Ω的仿真波形。從仿真波形分析可知，MOSFET在開通和關(guān)斷時(shí)存在尖鋒電壓，在開關(guān)管兩端加吸收電路后能抑制過充電壓，通過仿真波形比較可知，吸收電路的電容越大，吸收電阻越小的情況下吸收過充電壓的效果越明顯。

圖3 吸收電路的仿真波形

圖4 軟件系統(tǒng)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖5 RC吸收電路開關(guān)管測試波形

基于上述分析和設(shè)計(jì)，本文選用主芯片DSP(TMS320F2812)為控制單元，DSP具有最大150MHz（1.9V內(nèi)核電壓）的時(shí)鐘頻率，在一個(gè)周期內(nèi)可以對任何內(nèi)存地址快速完成讀取、修改、寫入操作，使得效率及程序代碼達(dá)到最佳[1]。圖4為軟件系統(tǒng)流程圖，圖5為RC吸收電路試驗(yàn)波形，圖5(a)C=5nF、R=0.8kΩ時(shí)的測試波形,圖5(b)R=100Ω、C=15nF時(shí)的測試波形。從試驗(yàn)波形可以看出，RC吸收電路能抑制開關(guān)管的過充電壓和過充電流，當(dāng)電容C的取值越大，電阻取值越小時(shí)，吸收效果越好。

4 結(jié)論

本文通過對雙端正激逆變焊接電原開關(guān)管的的理論分析可知、開關(guān)管在高頻導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)會產(chǎn)生過沖電壓和過沖電流，通過理論分仿真可知，RC吸收電路能減小過沖電壓和過沖電流，同時(shí)增加吸收電路的電容和減小電阻的值能更好吸收開關(guān)管的尖峰電壓，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了RC吸收電路在焊接逆變電源應(yīng)用中的可行性。

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