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)

針對單端正激逆變器存在的不足，提出了采用兩個單端正激逆變電源，既交錯串并聯(lián)逆變焊接電源，開關(guān)管選用軟開關(guān)交錯控制方法。交錯并聯(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。通過仿真和試驗驗證了該控制方法的有效性，使整個控制系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠的運行。

交錯控制；串并聯(lián)逆變器；LC濾波

0 前言

逆變焊接電源中常見的電弧有自由電弧、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。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。在此分析雙端正激逆變直流脈沖弧焊，開關(guān)管采用軟開關(guān)進(jìn)行切換，因為硬開關(guān)的開關(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，開關(guān)管要使用風(fēng)冷或水冷，給工藝設(shè)計帶來很多不便[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越大，變壓器上的電壓上升過程緩慢，同時增大了電壓尖峰，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)試過程中合理選取L的大??；變壓器的漏感對開關(guān)管關(guān)斷過程的變壓器一次側(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；逆變電路的電容對開關(guān)管關(guān)斷時間的反向電壓起調(diào)整作用，在設(shè)計和調(diào)試時應(yīng)選取適當(dāng)；變壓器的反向去磁作用通過勵磁電流的改變會自動平衡。因此，磁路中應(yīng)加入適當(dāng)?shù)目諝庀秮砀纳拼艑?dǎo)率的線性度。

1.2 雙端正激逆變電源

兩個單端逆變器交錯并聯(lián)運行稱為雙端逆變電源，其輸出電壓、電流按規(guī)定的時間序列交替工作。開關(guān)管工作在ZVS和ZCS狀況下，稱為一種新型的交錯并聯(lián)軟開關(guān)逆變器。該逆變器輸出功率大，是兩個單端逆變器輸出功率的疊加，且效率高；由于采用諧振軟開關(guān)技術(shù)，不存在半橋式、全橋式逆變主電路兩對開關(guān)同時導(dǎo)通、短路而燒壞開關(guān)管的現(xiàn)象，其工作在ZVS、ZCS狀態(tài)，減小了開關(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關(guān)，也可以采用軟開關(guān)，硬開關(guān)是在較高的電壓和較大電流狀態(tài)下進(jìn)行開關(guān)。因此硬開關(guān)工作方式在高頻大電流的情況下(特別是在焊接電源)會導(dǎo)致開關(guān)器件損耗的增大，這樣在實際應(yīng)用中不僅造成電能浪費，重要的是開關(guān)管溫度升高后如果采用風(fēng)冷處理會增加體積，采用水冷處理會增加工藝難度；另外開關(guān)管在高頻的開關(guān)過程中一定會產(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)重時會損壞開關(guān)管。軟開關(guān)技術(shù)克服了以上的不足，軟開關(guān)工作在ZVS、ZCS狀態(tài)下，這樣降低了開關(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?；谝陨蠈τ查_關(guān)和軟開關(guān)的分析，在此采用軟開關(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 仿真和實驗

2.1 仿真分析

對圖2的主電路進(jìn)行仿真分析，假定開關(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開關(guān)管型號、下橋臂選用IRF3710型號。仿真波形如圖3所示，在0～10μ s內(nèi)由開關(guān)管SN1、SP1導(dǎo)通，SP1為正脈沖導(dǎo)通，SN1為低脈沖導(dǎo)通，保證兩個開關(guān)管可靠工作，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。同樣可以得到圖2右半部分的波形和左半部波形，不過兩者的電壓、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，右半部分諧振電路的開關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)，反之右半分諧振電路工作時，左半部分開關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)。由圖3可以看出，電壓是交錯給輸出變壓器，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 實驗驗證

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)的時鐘頻率，在一個周期內(nèi)可以對任何內(nèi)存地址完成讀取、修改、寫入操作，使得效率及程序代碼達(dá)到最佳。實驗波形如圖4所示，從圖4可以看出，輸出電壓、電流波形為交錯，該逆變電源在焊接時能為負(fù)載提供交錯的高頻焊接電流。

圖4 雙端逆變電源測試波形

3 結(jié)論

通過對雙端正激逆變電源的理論分、仿真和實驗可知，該電路設(shè)計減小了功率損耗，開關(guān)管交錯導(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)計實用教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[2]徐順剛，陳俊昌.一種新型交錯串并聯(lián)軟開關(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。