大功率高频软开关逆变焊机概述-EDA365

电源 > 电源硬件技术 > 详情

大功率高频软开关逆变焊机概述

发布时间：

1 引言
　
　　逆变焊机技术经历了近十年的发展，逐步替代了落后的工频晶闸管整流技术而进入了高频变换时代。在高频变换技术进程中又走过了它的初级阶段即硬开关PWM阶段，于近年进入了它的第二阶段，即软开关PWM阶段。
　
　　硬开关PWM变换器的拓扑结构简单，技术成熟，适合批量生产。其主要芯片如TL494、UC3525等都比较稳定可靠，这都是目前逆变焊机硬开关PWM功率变换器仍得以广泛应用的主要原因。

　　所谓硬开关PWM（脉冲宽度调制），是指在功率变换过程中电子开关在开通和关断的瞬间处于大电流或高电压的工作条件，所以它的工件可靠性差、效率低、电磁干扰极为严重，因此，硬开关PWM技术已经显得不能适应电子时代的要求。社会发展的要求，迫使电源技术于近几年进入了它的第二阶段即软开关PWM阶段。

　　所谓软开关技术，是指在功率变换技术中，就是在主开关器件关断和导通的瞬间，实现其两端电压或电流为零的技术。也就是术语中常说的ZVS（零压开关）和ZCS（零流开关）开关技术。软开关PWM功率变换器技术是相对于硬开关PWM技术的一次革命性发展，它确实在相当程度上改善了电源产品可靠性、效率、电磁干扰（EMI）三大基本性能。现在国内同行开发的大功率开关电源中大部分采用的是硬开关PWM控制方式，只有少量采用软开关PWM，其软开关PWM大都采用的是移相控制方式，采用芯片如UC3875、UC3879、UCC3895等，采用移相控制技术使功率器件的开关应力减少、开关损耗降低、从而提高了整机效率。然而、这种软开关亦存在诸多不足和遗憾，如：①这种中、大功率移相控制软开关方式实现软开关并不是全范围的。②由于存在环流，开关管的导通损耗大，轻载时效率较低，特别是在占空比较小时，损耗更严重。③输出整流二极管存在寄生振荡。④为了实现滞后桥臂的ZVS，必须在电路中串联电感，这就导致占空比丢失降低输出能力，增大了原边电流定额。且移相控制本身还有一个难以克服的缺点，即死区时间不好调整。当负载较重时，由于环流大，超前桥臂功率上并联的电容放电较快，因此实现零电压导通比较容易，但当负载较轻时，超前桥臂功率管上并联的电容放电很慢，超前桥臂的开关管必须延时很长时间后导通才能实现ZVS导通。

　　有缺陷就有发展，为此我们吸收传统硬开关PWM功率变换器的拓扑结构简单，可调整点少、稳定可靠等优点。同时吸收移相控制软开关PWM功率变换器重载易实现ZVS、ZCS的优点。推出新型大功率全桥软开关（FB-ZVZCS）技术,使超前臂为恒频调宽控制实现ZVS，滞后臂为恒频恒宽控制实现ZCS。从而实现超前臂和滞后臂全范围的软开关（FB-ZVZCS），大大提高了大功率开关电源产品的可靠性，效率、电磁干扰（EMI）三大指标。实现证明了这种控制方法非常优秀。可以说是对传统硬开关大功率开关电源的一次革命。

2 全桥软开关(FB-ZVZCS) 逆变焊机控制板外型图
　
　　该大功率逆变焊机的脉冲控制板的外形如图1所示。该线路板共引出18个脚，线路板内是自主研制的模拟和数字电路组合，此电路能够形成软开关所需的驱动脉冲。

图1 大功率逆变焊机的脉冲控制板的外形图

3 全桥软开关(FB-ZVZCS)逆变焊机控制板内部简图

　　全桥软开关(FB-ZVZCS)控制板内部简图如图2所示。各引脚的功能介绍如下：

图2　全桥软开关(FB-ZVZCS)控制板内部简图
　　1脚接工作电源(UDD=12V或15V)；
　　2脚接工作电源的地；
　　3脚为基准电源(UREF=5V)；
　　4脚为电压误差放大器的反向输入端；
　　5脚为电压误差放大器的同向输入端；
　　6脚11脚接定时电容(CT1 =CT2)；
　　7脚12脚接定时电阻(RT1< RT2)；
　　8脚13脚分别为振荡器放电管的集电极，8脚对6脚接一电阻, 13脚对11脚接一电阻.
　　两电阻的值应相等，改变电阻大小可以调整超前臂的死区和滞后臂的死区大小；
　　9脚对地接一电容，该电容起软启动的作用；
　　10脚为误差放大器的输出端；
　　14脚为关闭脚，从此脚输入一个0.7V左右的电平就可以把四组输出都关掉；
　　15脚16脚为调宽脉冲的输出端,控制全桥软开关(FB-ZVZCS)超前桥臂；
　　17脚18脚为固定脉宽脉冲的输出端,控制全桥软开关(FB-ZVZCS)滞后桥臂；

4 全桥软开关(FB-ZVZCS) 逆变焊机主回路简图及其基本工作原理

4．1全桥软开关逆变焊机主回路简图如图3所示。该焊机的输入电源为三相工频交流380V±20％。

图3　全桥软开关逆变焊机主回路简图

4.2 全桥软开关(FB-ZVZCS)工作原理和波形简图

　　波形简图见图4所示，左臂为超前桥臂,其上下两支开关管的激励信号为恒频调宽的脉冲,右臂为滞后桥臂, 其上下两支开关管的激励信号为恒频恒宽的脉冲,下面我们把实现软开关的过程作简要分析：

4.2.1 初级状态T1 ：

　　V1和V4导通，此时变换器向次级负载输出能量，这时的工作状态与我们通常的硬开关PWM的工作方式一样。

4.2.2 状态T2：

　　V1关断V4维持导通由于V1、V3上都并有电容C1和C3，因此V1关断时，回路的电流并未同时截止，而是通过V4 、L和T给C1充电，给C3放电，此时变换器继续向次级负载输出能量。A点电位经过T之后，如L的能还未释放完，则电流经通过V3的体二级管续流，即V3的两端电压为零，为V3提供了零电压开通的条件,V4关断时V4上的电流已近似为零，因此V4此时为零电流关断。

4.2.3 状态T3：

　　此时V1 、V2、、V4均处于截止状态，由于变压器的漏感L（漏感非常小）使回路内还有一定能量，引起阻尼振荡，其频率（F=1/T）与负载无关，只与L和CV 2DS 、CV4DS、C1、C3有关，由于C1、C3比CV 2DS 、CV4DS大得多，因此这种振荡只有在V2 和V4的DS上观察到在V1、V3的DS上无振荡。这种振荡会增加V2 、V4的损耗，对V1 、V3无影响。为了降低在V2 、V4上的损耗,满足V2 、V4在准零电压状态开通，只需满足以下条件：T3=T/2 T为振荡周期。如果T太小可以增大电感L，为使V2 、V4安全工作不误导通,应适当增大T3，这时可根据不同情况增大L，C1、C3在满足T2 ≥RC的情况下，应取得小一些，功率管采用MOSFET时 C1、C3一般取得几千PF(1000~4700PF),功率管采用IGBT时 C1、C3一般取得大一些(10~20nF).
　　
　　经过T1、T2 、T3 后变换器就完成了半个周期，后半周期与此相同。

4.2.4 T2 、T3的设定

　　T2 、T3 设计合理是能否实现软开关和满足最大占空比的关键。从前面的工作过程分析看出T2 设得太大占空比就会减小，功率管的峰值电流会增大，次级整流二极管的反向耐压就会提高，这样就会增大功率管和二极管的损耗，高频燥声也会增大。因此，应尽量增大占空比，但如果T2 设计小了，C1、C3不能充分充放电，V1 、V3就不能实现零电压开关，其损耗会增加，这是不允许的。T3 的最佳值比较临界，T3 大了由于高频振荡会增大V2 、V4、的损耗，T3 小了容易造成V2 、V4、瞬时短路，功率管采用MOSFET时T3 一般在300nS左右功率管采用IGBT时一般取得大一些300nS ~600nS。