由于逆变电路的内阻很小，就会形成很大的短路电流，烧坏变流装置，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。综上所述，为了防止逆变失败，不仅逆变角β 不能等于零，而且不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。确定最小逆变角βmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角β 应为式中，δ 为晶闸管的关断时间tq 折合的电角度；γ 为换相重叠角；θ′为安全裕量角。......
2023-06-23
逆变电路的基本形式简介
【摘要】：晶体管式、场效应晶体管式以及IGBT式逆变弧焊电源中的逆变电路基本形式主要有单端式、半桥式、全桥式等。图6-3 带有去磁线圈和二极管钳位的单端正激逆变电路a）逆变电路原理图 b）波形图2.半桥式逆变电路半桥式逆变电路的形式及其波形如图6-4所示。当VT2导通时，VT1截止时，相应产生上述相似过程，只是电压极性相反。
晶体管式、场效应晶体管式以及IGBT式逆变弧焊电源中的逆变电路基本形式主要有单端式、半桥式、全桥式等。
1.单端式逆变电路
逆变弧焊电源采用的单端式逆变电路主要有单端反激式、单端正激式等。
（1）单端反激逆变电路 图6-2为单端反激式逆变电路原理图。IGBT管VT1为电子功率开关，Ud为由电网输入后经整流滤波后加至逆变器的直流电压。VT1按逆变频率周期性通、断，把输入的直流电压Ud变为中频的单向脉冲电压。此电压经中频变压器T降压，快速二极管VD1整流，电抗器L和电容C滤波，输出稳定的直流电流Iz。
如图6-2a所示，当IGBT管VT1导通时，直流电压Ud加到变压器T的一次线圈N1上，其电压为上正下负。根据变压器原理和线圈同名端的定义，二次线圈N2与一次线圈N1的电压极性相反，即N2上感应的电压上负下正，使二极管VD1承受反压而截止，因此N2上没有电流。此时流过N1的电流所产生的电能转化为磁能被变压器T储存起来。当VT1关断时，N2上的电压极性会反转过来（因为根据电磁定律，电感总是抑制电流变化），即上正下负，使VD1承受正向电压而导通，N2上有电流通过，储存在变压器T中的能量被释放出来，加于负载。
图6-2b为电压、电流的波形图，其中k为变压器的电压比。使负载电流IZ连续的原因是输出滤波电容C在N2没有电流时，将其储存的能量释放给负载，使IZ不间断。
由于这种变换器在电子功率开关导通期间只存储能量，在关断期间才向负载传递，中频变压器在工作过程中既是变压器又相当于一个储能用电感，因此称之为“电感储能变换器”。
图6-2 单端式逆变电路
a）逆变电路原理图 b）波形图
这种电路能量传递受到变压器很大限制，不太适合应用于弧焊电源。
（2）带有去磁线圈和二极管钳位电路的单端正激逆变电路 图6-3a所示是一种单端正激逆变电路，该电路中带有去磁线圈N3和钳位二极管VD3。由图6-3a可见，该电路中，变压器一次线圈N1、二次线圈N2的极性相同，当IGBT管VT1在给定控制脉冲信号ui作用下导通时，N1、N2的同名端都是高电位，变压器二次回路中的二极管VD1导通，而二极管VD2以及去磁线圈N3回路中的VD3截止。变压器二次回路带有负载RL，其负载电流为IZ。变压器N2的电流IN2不仅提供给负载电流IZ，同时使电感L、电容C储能。变压器一次电流IN1包括两部分电流，一部分为励磁电流i0；一部分为负载电流（在数值上为IN2/k，k为变压器电压比）。
设变压器一次线圈N1中的等效电感为L1，VT1导通时间为tON，励磁电流i0为
当IGBT管VT1关断时，由于感应电动势的作用，变压器一次线圈N1上电压极性颠倒，即一次线圈N1的同名端为低电位。若无去磁线圈N3，变压器中储存的能量将导致VT1的集电极有很高的电位幅值，使VT1工作条件变得很恶劣；加上去磁线圈N3后，当VT1关断的瞬间，变压器T中的能量会经过去磁线圈N3和续流二极管VD3释放，其电流为IN3由于N3并联在直流供电电源的输出端，所以去磁线圈N3的电压被钳位于Ud，而N1的电压被钳位于Uc（Uc=Ud·N1/N3）；一般取N1=N3，则Uc=Ud。当变压器T中的能量逐渐释放为零时，N1上的感生电动势消失，IGBT管VT1的UCE1为Ud，变压器一次电流IN1≈0。
当IGBT管VT1关断时，变压器二次回路中的VD1截止，VD2导通，输出电感L经VD2续流，将L储存的能量向负载R释放，同时C放电，也为R补充能量。各部分的电压电流波形如图6-3b所示。
图6-3 带有去磁线圈和二极管钳位的单端正激逆变电路
a）逆变电路原理图 b）波形图
2.半桥式逆变电路
半桥式逆变电路的形式及其波形如图6-4所示。如图所示，IGBT管VT1、VT2由驱动电路以脉冲方式激励交替导通，相位相差180°，其交流矩形波作用于变压器T上。由于电容C1、C2的分压作用，矩形波的幅值只有Ud/2；由于电路中二极管VD1、VD2的钳位作用，IGBT管VT1、VT2承受的最大电压为Ud。矩形波交流电经变压器T降压，快速二极管全波整流，输出电抗器滤波，输出较为稳定的直流电。
当两只IGBT管VT1、VT2都截止时，一般情况下C1、C2容量相等，则两电容的中点A的电压为输入电压Ud的一半，即UC1=UC2=Ud/2。当VT1导通时，电容C1将通过VT1、变压器一次线圈N1放电；同时电源电压Ud通过VT1、N1为C2充电。此时，加在N1上电压为Ud/2，VT2承受电压为Ud。当VT1由导通变为截止时，N1上电压极性反转过来，变压器储存的能量经C2、VD2释放。因N1所产生电压被钳位于Ud/2，故在此瞬间，VT2上承受电压为零，VT1承受电压为Ud。这个能量释放过程很快，即N1上电压衰减很快。之后，VT1、VT2都截止，它们的端电压又都回到输入电压的一半，即Ud/2。当VT2导通时，VT1截止时，相应产生上述相似过程，只是电压极性相反。
图6-4 半桥式逆变电路
a）逆变电路原理图 b）VT1或VT2上波形图（tON为开通时间，tOFF为关断时间）
从图6-4所示波形可见，IGBT管开通的瞬间存在电流尖峰，这是由于变压器二次回路中的整流二极管的反向恢复造成的。当IGBT管由导通变为截止时，开关管两端除了承受电压Ud/2外，还有较高的电压尖峰，这是由于变压器一次漏感和引线电感上储存的能量释放引起的。
半桥式逆变电路中变压器一次线圈的电压只是直流供电电源电压的一半，即半桥逆变电路的输出功率比较小。因此，半桥逆变电路适于中等容量的逆变弧焊电源。芬兰KEMPPI公司生产的MASTER350逆变式弧焊电源就是采用了典型的半桥逆变电路的形式，国内许多厂家的逆变式弧焊电源也采用了半桥逆变电路的形式。
3.全桥式逆变电路
全桥逆变电路与半桥逆变电路的区别就是，用两只同样的功率开关管代替半桥逆变电路中的两只电容，即由IGBT管VT1、VT2、VT3、VT4组成桥的四臂，中频变压器T连接在中间，如图6-5所示。
IGBT管VT1、VT4为一组，IGBT管VT2、VT3为另一组，它们分别由相位相差180°的驱动脉冲激励而交替导通，产生交流矩形波作用于变压器T上，矩形波幅值为直流电压Ud。VT1～VT4承受的最大正向电压为Ud。交流矩形波经变压器T降压，快速二极管全波整流，输出电抗器滤波，得到比较稳定的直流输出。
从图6-5可见，当VT1、VT4同时导通时，电流经VT1、N1、VT4闭合，直流电压Ud加在N1上，N1上的电压为下正上负，VT2、VT3未导通而承受正向电压Ud。VT1、VT4关断的瞬间，N1上电压极性反转过来，变压器储存能量经续流二极管VD3、电容C、二极管VD2释放。N1感生电动势被钳位于Ud以下，这一瞬间，VT2、VT3无压降，VT1、VT4承受正向电压Ud。这个能量释放过程一般很快，VT1、VT4承受的电压幅值会很快衰减下去。因此在一组IGBT由导通到关断时，由于变压器一次漏感和引线电感上储存的能量释放引起的电压尖峰被钳位于Ud。VT2、VT3导通再关断也会相应出现上述过程，在此不再赘述。其波形与半桥逆变电路相类似。
图6-5 全桥式逆变电路原理图
a）逆变电路原理图 b）VT1～VT4中一个的波形图（tON为开通时间，tOFF为关断时间）
由于输入整流电压Ud直接作用于变压器上，变压器工作在磁滞回线的正反两侧，利用率高，适用于大、中功率输出。美国MILLER公司生产的XMT-300系列的逆变式弧焊电源就是采用的全桥逆变电路，国内许多厂家生产的逆变式弧焊电源也都采用全桥逆变电路。但该逆变电路中需要四只（组）电子功率开关，驱动电路较为复杂，抗不平衡能力较差。
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