作者：馮興海 ， 孫洪雨 ， 郭長林

逆變焊機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了近十年的發(fā)展，逐步替代了落后的工頻晶閘管整流技術(shù)而進(jìn)入了高頻變換時代。在高頻變換技術(shù)進(jìn)程中又走過了它的初級階段即硬開關(guān)PWM階段，于近年進(jìn)入了它的第二階段，即軟開關(guān)PWM階段。

硬開關(guān)PWM變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單。技術(shù)成熟，適合批量生產(chǎn)。其主要芯片如TL494、UC3525等都比較穩(wěn)定可靠，這都是目前逆變焊機(jī)硬開關(guān)PWM功率變換器仍得以廣泛應(yīng)用的主要原因。

所謂硬開關(guān)PWM（脈沖寬度調(diào)制），是指在功率變換過程中電子開關(guān)在開通和關(guān)斷的瞬間處于大電流或高電壓的工作條件，所以它的工件可靠性差、效率低、電磁干擾極為嚴(yán)重。

所謂軟開關(guān)技術(shù)，是指在功率變換技術(shù)中，就是在主開關(guān)器件關(guān)斷和導(dǎo)通的瞬間，實現(xiàn)其兩端電壓或電流為零的技術(shù)。也就是術(shù)語中常說的ZVS（零壓開關(guān)）和ZCS（零流開關(guān)）開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)PWM功率變換器技術(shù)足相對于硬開關(guān)PWM技術(shù)的一次革命性發(fā)展，它確實在相當(dāng)程度上改善了電源產(chǎn)品的可靠性、效率、電磁干擾（EMI）三大基本性能。現(xiàn)在國內(nèi)同行開發(fā)的大功率開關(guān)電源中大部分采用的是硬開關(guān)PWM控制方式，只有少量采用軟開關(guān)PWM，其軟開關(guān)PWM大都采用的是移相控制方式，采用控制芯片如UC3875、UC3879、UCC3895等，采用移相控制技術(shù)使功率器件的開關(guān)應(yīng)力減少、開關(guān)損耗降低、從而提高了整機(jī)效率。然而、這種軟開關(guān)亦存在諸多不足和遺憾，如：

（1）這種中、大功率移相控制軟開戈方式實現(xiàn)軟開關(guān)并不是全范圍的；

（2）由于存在環(huán)流，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗大，輕載時效率較低，特別是在占空比較小時，損耗更嚴(yán)重；

（3）輸出整流二極管存在寄生振蕩；

（4）為了實現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，必須在電路中串聯(lián)電感，這就導(dǎo)致占空比丟失降低輸出能力，增大了原邊電流定額。

而且移相控制本身還有一個難以克服的缺點，即死區(qū)時間不好調(diào)整。當(dāng)負(fù)載較重時，由于環(huán)流大，超前橋臂管上并聯(lián)的電容放電較快，因此實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通比較容易，但當(dāng)負(fù)載較輕時，超前橋臂開關(guān)管上并聯(lián)的電容放電很慢，超前橋臂的開關(guān)管必須延時較長時間后導(dǎo)通才能實現(xiàn)ZVS導(dǎo)通。

有缺陷就有發(fā)展，為此我們吸收傳統(tǒng)硬開關(guān)PWM功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，可凋整點少、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點；同時吸收移相控制軟開關(guān)PWM功率變換器重載易實現(xiàn)ZVS、ZCS的優(yōu)點；推出新型大功率全橋軟開關(guān)（FB—ZVZCS）技術(shù)，使超前臂為恒頻調(diào)寬控制實現(xiàn)ZVS，滯后臂為恒頻恒寬控制實現(xiàn)ZCS。從而實現(xiàn)超前臂和滯后臂傘范圍的軟開關(guān)（FB—ZVZCS），大大提高了大功牢開關(guān)電源產(chǎn)品的可靠性、效率、電磁干擾（EMI）三大指標(biāo)。實現(xiàn)證明了這種控制方法非常優(yōu)秀，可以說是對傳統(tǒng)硬開關(guān)大功率開關(guān)電源的一次革命。

1 全橋軟開關(guān)（FB—ZVZCS）逆變焊機(jī)

該大功率逆變焊機(jī)的脈沖檸制板的外形示意圖如圖l所示。該線路板共引出18個腳，線路板內(nèi)是自主研制的模擬和數(shù)字電路組合，此電路能夠形成軟開關(guān)所需的驅(qū)動脈沖。

1.1 逆變焊機(jī)控制板

全橋軟開關(guān)（FB—ZVZCS）控制板內(nèi)部簡圖如圖2所示。各引腳的功能介紹如下。

腳1接工作電源（UDD=12V或15V）；

腳2接工作電源的地；

腳3為基準(zhǔn)電源（UREF=5V）；

腳4為電壓誤差放大器的反向輸入端；

腳5為電壓誤差放大器的同向輸入端；

腳6、腳ll接定時電容（CT1=CT2）；

腳7、腳12接定時電阻（RT1

2 逆變焊機(jī)的工作原理和波形

波形簡圖如圖4所示，左臂為超前橋臂，其上下兩支開關(guān)管的激勵信號為恒頻調(diào)寬的脈沖，右臂為滯后橋臂，其上下兩支開關(guān)管的激勵信號為恒頻恒寬的脈沖。下面我們把實現(xiàn)軟開關(guān)的過程作簡要分析。

2．1 初級狀態(tài)（t1，t2）

S1和S4導(dǎo)通，此時變換器向次級負(fù)載輸出能量，這時的工作狀態(tài)與我們通常的硬開關(guān)PWM的工作方式一樣。

2.2 狀態(tài)2（t2，t3）

S1關(guān)斷，S4維持導(dǎo)通，由于S1和S3上都并有電容（C1和C3），因此S1關(guān)斷時，回路的電流并未同時截止，而是通過S4、L和T給C1充電，給C3放電，此時變換器繼續(xù)向次級負(fù)載輸出能量。A點電流經(jīng)諧振電感L及變壓器T到達(dá)B點，如電感L的能量還未釋放完，則電流通過S3的體二級管續(xù)流，即S3的兩端電壓為零，為S3提供了零電壓開通的條件，S4關(guān)斷時，S4上的電流已近似為零，因此S4此時為零電流關(guān)斷。

2.3 狀態(tài)3（t3，t4）

此時S1、S2、S4均處于截止?fàn)顟B(tài)，由于變壓器的漏感Ls（漏感非常小）使電路內(nèi)還有一定能量，引起阻尼振蕩，其頻率與負(fù)載無關(guān)，只與L及S2和S4的分布電容（C1和C3）有關(guān)，由于C1和C3比S2和S4的分布電容大得多，因此這種振蕩只有在S2和S4的漏一源兩端上觀察到，在S1和S3的漏一源兩端上無振蕩。這種振蕩會增加S2和S4的損耗，對S1和S3無影響。為了降低在S2和S4上的損耗，滿足S2和S4在準(zhǔn)零電壓狀態(tài)開通，只需滿足以下條件：T3=t4-t3=T／2，T為振蕩周期。如果T太小可以增大電感L，為使S2和S4安全工作不誤導(dǎo)通，應(yīng)適當(dāng)增大T3，這時可根據(jù)不同情況增大L，而C1和C3在滿足T2≥RC的情況下，應(yīng)取得小一些，功率管采用MOSFET時，C1和C3一般取得1000～4700pF，功率管采用IGBT時C1和C3一般取大一些（10～20nF）。

經(jīng)過上述3個狀態(tài)后變換器就完成了半個周期，后半周期與此相同。

2.4 狀態(tài)2和狀態(tài)3的時間設(shè)定

設(shè)計是否合理是實現(xiàn)軟開關(guān)和滿足最大占空比的關(guān)鍵。從前面的工作過程分析看出狀態(tài)2設(shè)得太大占空比就會減小，功率管的峰值電流會增大，次級整流二極管的反向耐壓就會提高，這樣就會增大功率管和二極管的損耗，高頻燥聲也會增大。因此，應(yīng)盡量增大占空比，但如果狀態(tài)2設(shè)計小了，C1和C3不能充分充放電，S1和S3就不能實現(xiàn)零電壓開關(guān)，其損耗會增加，這是不允許的。狀態(tài)3時間的最佳值比較臨界，狀態(tài)3時間長了由于高頻振蕩會增大S2和S4的損耗，狀態(tài)3時間短了容易造成S2和S4瞬時短路，功率管采用MOSFET時，狀態(tài)3時間一般在300ns左右，功率器件采用IGBT時一般取大一些（300～600ns）。

3 逆變焊機(jī)驅(qū)動波形死區(qū)及前后沿設(shè)置

S1和S3及S2和S4驅(qū)動波形的死區(qū)設(shè)置，S1和S4或S3和S2波形的前后沿的相對位置的設(shè)置如圖5所示。

4 結(jié)語

實驗結(jié)果表明，設(shè)計出的大功率軟開關(guān)弧焊逆變器不僅體積小、重量輕、生產(chǎn)成本低，而且具有高效率和高可靠性，ICBT的開關(guān)損耗大大減小。該焊機(jī)的工藝性、可制造性、可維護(hù)性都達(dá)到了一個很高的水平。

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