与普通弧焊电源相比，逆变式弧焊电源最显著的特点是工作频率高，目前常见的IGBT逆变式弧焊电源的逆变频率一般在20kHz左右。与其他弧焊电源相比，逆变式弧焊电源具有许多特点。由此可见，变压器和电抗器体积、重量的大幅度减小，将使逆变式弧焊电源本身的体积和重量大幅度减小。逆变式弧焊电源的外特性、动特性等性能主要由电子控制电路进行调节。......
2023-06-30
软开关IGBT逆变式弧焊电源简介
【摘要】：包括逆变式弧焊电源在内的开关式弧焊电源，有硬、软开关之分。硬开关逆变弧焊电源功率开关的导通和关断往往是在工作电流、电压不为零，甚至是较大值的状态下进行的。软开关变换电路结构有多种形式。目前，采用谐振技术与PWM控制技术相结合的恒频移相控制方式，是软开关型逆变弧焊电源的主要发展方向之一，被大多数软开关逆变弧焊电源所采用，本节将对此进行简单介绍。图6-55a所示是恒频移相全桥式软开关逆变主电路原理图。
包括逆变式弧焊电源在内的开关式弧焊电源，有硬、软开关之分。“硬开关”是指功率开关器件工作在被强迫关断（电流不为零）或强迫导通（电压不为零）的状态下。由于目前大多数逆变电源或开关电源都采用了PWM控制技术，因此又称为硬开关PWM控制逆变电源或开关电源。硬开关逆变弧焊电源功率开关的导通和关断往往是在工作电流、电压不为零，甚至是较大值的状态下进行的。
图6-54所示是“硬开关”的开关过程示意图，其中u表示电子功率开关承受的电压；i表示电子功率开关流过的电流。电子功率开关实际的开通与关断过程并不是瞬间完成的，而是要经历一定的时间（即图中的开通时间Δt和关断时间Δt′），电子功率开关上承受的电压（或电流）才会降为零（实际是接近于零）。对于IGBT来说，开关时间为0.5～1μs。可以计算出图6-54中所示的开通与关断损耗分别是∫0Δtuidt、∫0Δt′uidt。
在Δt和Δt′以外的区域，电子功率开关处于导通或截止状态。在导通条件下，u≈0，则导通损耗很小；在截止条件下，i≈0，则截止损耗也很小。在Δt的开通过程和Δt′的关断过程中，u和i都处于较大的状态，产生较大的开通损耗和关断损耗。
综上所述，硬开关逆变电源的开关损耗大，高频工作效率低。开关频率越高，开关损耗越大。实际开关过程中还存在电压过冲、振荡等现象，这会使开关损耗更大。此外，由于硬开关PWM控制逆变电源的开关管在关断过程中的电流、电压变化很快，其变化率di/dt、du/dt很大，所以产生的电磁干扰（EMI）比较严重，给电磁兼容性（EMC）设计带来一定的问题。在“硬开关”的开关过程中，电子功率器件的工作条件非常恶劣，是造成电子功率器件易于损坏的重要原因之一。
图6-54 硬开关的开关过程
a）开通过程 b）关断过程
“软开关”是相对于“硬开关”而言的，表述的是逆变电源中的电子功率开关的开通与关断的行为状态与条件。“软开关”技术的实质是采用了谐振变流技术，即在逆变主电路中增加储能元件，产生谐振，迫使功率器件上的电压或电流迅速降为零，使功率开关器件在零电压或零电流状态下导通和关断。
软开关变换电路结构有多种形式。按切换形式分为零电压开关（ZVS）谐振变换电路、零电流开关（ZCS）谐振变换电路、零电压零电流开关（ZVZCS）谐振变换电路等；按电路结构特点分为负载型（包括串联、并联、混合型）谐振变换器、零电压准谐振变换器（ZVS—QRC）、零电流多谐振变换器（ZCS—MRC）、零电压多谐振变换器（ZVS—MRC）等；按控制输出分为变频控制和恒频控制等。
目前，采用谐振技术与PWM控制技术相结合的恒频移相控制方式，是软开关型逆变弧焊电源的主要发展方向之一，被大多数软开关逆变弧焊电源所采用，本节将对此进行简单介绍。
恒频移相控制方式是在常规PWM控制基础上进行改进的，采用了方波移相控制。其主电路一般采用全桥逆变电路。在全桥逆变电路中，使对角线上的功率器件不同时开通和关断，而是错开一个时间间隔以实现零电流关断或零电压开通，通过调节桥路上占空比来实现输出电压或电流的控制。这种控制方式，参数设计比较方便，电路结构也相对简单，且易于实现。
图6-55a所示是恒频移相全桥式软开关逆变主电路原理图。由于逆变器的负载为变压器，相当于是一个电感-电阻负载。为分析方便，将变压器等效为图中电感L和电阻R串联的方式。VT1和VT3为一组导通相位相差180°的IGBT，VT2和VT4为另一组，每一组中的两个IGBT在切换导通状态时，之间都有死区限制（以防止直通）。保持图中VT1和VT3各自导通与截止时间（或相位）固定不变，即由VT1和VT3组成的桥臂被称为固定臂。使VT4（或VT2）的导通时间相位与VT1（或VT3）相差一定角度，此相位差即为移相的角度，称为移相角，用α表示。α角可根据实际要求实时调节，调节范围为0°～180°。当α=0°时，VT1与VT4或VT3与VT2同时导通与截止，与普通的全桥式逆变电路工作状态相同，此时该电路处于满载状态。当α=180°时，VT1与VT4或VT3与VT2的导通相位相差180°，即VT1与VT2（VT3与VT4）同时开通与关断，逆变器输出为零。由此可见，控制α的大小就可以控制逆变器的输出（电压或电流）。这就是恒频移相控制的策略。
图6-55b所示是四个IGBT的驱动波形示意图及变压器上波形的示意图。设IGBT和二极管导通的管压降为零，软开关逆变电路工作工程如下：
（1）时刻0 VT4开通，因VT1已经开通，b点电位为零，a点电位为E，则Uab=E；同时电容C2、C3充电，电压升至E。
（2）时刻1 VT1关断，因为这时a点电位为Ud，又有电容C1（使电压不能跃变）的作用，VT1关断时两端电压为零，即VT1在零电压下关断；VT1关断后，因电感的作用，电流继续流动，电流方向为E（+）→C1→a→L→R→b→VT4→E（-），C1被充电；当C1电压升至E后，电流回路变为E（-）→D3→a→L→R→b→VT4→E（-）；因D3导通，a点电位被拉低为零。
（3）时刻2 VT3开通，因D3导通使VT3两端电压为零，VT3在零电压下开通。
（4）时刻3 VT4关断，此前VT4导通使C4电压为零，电容（使电压不能跃变）的作用使VT4在零电压下关断；VT4关断后，电感续流电流（谐振电流）回路为a→L→R→b→C4→E（-）→D3→a，C4被充电；当C4电压升至E后，电流回路变为a→L→R→b→D2→E（+）→E（-）→D4→a；因D2导通，b点电位为E，V2两端电压为零。
图6-55 全桥式软开关逆变电路工作原理
a）电路原理 b）控制波形
（5）时刻4 VT2开通，因这时VT2两端电压为零，VT2在零电压下开通，Uab=-E；同时电容C2、C3放电，电压降为零。
（6）时刻5 VT3关断，此前VT3导通使C3电压为零，电容（使电压不能跃变）的作用使VT3在零电压下关断；VT3关断后，电感续流电流（谐振电流）回路为E（+）→VT2→b→R→L→a→C3→E（-），C3被充电；当C3电压升至E后，电流回路变为E（+）→VT2→b→R→L→a→D1→E（+）；因D1导通，a点电位为E，VT1两端电压为零。
（7）时刻6 VT1开通，因这时V1两端电压为零，VT1在零电压下开通。
（8）时刻7 VT2关断，此前VT2导通使C2电压为零，电容（使电压不能跃变）的作用使VT2在零电压下关断；VT2关断后，电感续流电流（谐振电流）回路为b→R→L→a→D1→E（+）→C2→b，C2被充电；当C2电压升至E后，电流回路变为b→R→L→a→D1→E（+）→E（-）→D4→b；因D4导通，b点电位被拉低为零，VT4两端电压为零。
（9）时刻8 VT4开通，因这时VT4两端电压为零，VT4在零电压下开通，开始下一个循环。
应当指出的是，图6-55中VT1和VT3组成的桥总体上相位超前于VT2和VT4组成的桥，也可以将两者的相位关系倒过来（超前变为滞后）使用，但工作原理不变。
综上所述，VT1～VT4的开通与关断都是在零电压下进行，降低了电子功率开关IGBT的开关损耗，提高了逆变器的可靠性。
图6-56是实际的波形。从图6-56b可以看出，在IGBT开通的t1时刻和IGBT关断的t2时刻，IGBT上的电压均为零，从而实现了零电压开关控制。
图6-56 软开关的开关过程实际波形
a）变压器电流、电压波形 b）驱动波形和IGBT集-射电压波形
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