軟開關(guān)型逆變弧焊電源的研究現(xiàn)狀*

岳 慧，吳志生

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院焊接教研室，山西 太原 030024）

摘要：闡述了軟開關(guān)技術(shù)及軟開關(guān)逆變弧焊電源的發(fā)展概況，主要介紹了軟開關(guān)弧焊逆變器的6種基本形式以及移相控制全橋逆變器的3種形式，并指出了軟開關(guān)逆變弧焊電源的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：弧焊電源；軟開關(guān)；移相控制

0 引言

弧焊電源是對(duì)焊接電弧提供電能的一種裝置，軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)弧焊電源產(chǎn)生了技術(shù)性變革，使得功率器件能夠在電壓為零時(shí)導(dǎo)通或電流為零時(shí)關(guān)斷，極大地降低了開關(guān)損耗。軟開關(guān)憑借著硬開關(guān)不可比擬的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于焊接電源中，成為近年來研究的焦點(diǎn)［1］。

1 軟開關(guān)技術(shù)

軟開關(guān)技術(shù)就是指通過輔助的諧振電路使功率開關(guān)器件在開通前電壓為零或者關(guān)斷前電流為零［2］，其實(shí)質(zhì)就是將電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)到主電路中，使電路兩端的電壓與電流相位相同，產(chǎn)生諧振，迫使功率器件在開通前電壓為零或者關(guān)斷前電流為零［3］。

軟開關(guān)替代硬開關(guān)作為弧焊電源的功率器件，大大降低了開關(guān)損耗，提高了開關(guān)頻率，減少了電磁干擾和射頻干擾，同時(shí)減輕了電源的重量，在較大程度上解決了開關(guān)可靠性低的問題［4］。

2 軟開關(guān)型逆變弧焊電源的發(fā)展概況

直流弧焊發(fā)電機(jī)是最開始應(yīng)用于電弧焊的弧焊電源，自20世紀(jì)20年代開始，交流弧焊變壓器、弧焊整流器、硅弧焊整流器、晶閘管式弧焊整流器及脈沖弧焊電源的相繼研制成功，為弧焊電源帶來躍變式發(fā)展。1972年美國(guó)成功研制了采用晶閘管（SCR）作為開關(guān)器件的逆變弧焊電源，隨后晶體管（GTR）、場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）相繼成功應(yīng)用于逆變弧焊電源中，尤其是到了20世紀(jì)末，功率半導(dǎo)體器件取得的突破進(jìn)展加快了逆變弧焊電源的工業(yè)化進(jìn)程［5］。

針對(duì)逆變弧焊電源中硬開關(guān)存在的問題，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1984年美國(guó)VEPC的李澤元教授等人提出了準(zhǔn)諧振開關(guān)電路（QRC），1986年美國(guó)威康星大學(xué)的D.M.Divan教授提出了諧振直流環(huán)逆變器，1988年美國(guó)VPEC的W.A.Tabiz等人提出了多諧振電力開關(guān)變換器（MRC）［6］，多種諧振變換器的出現(xiàn)，極大地推動(dòng)了軟開關(guān)技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用，使軟開關(guān)逆變電路成為近年來學(xué)者們研究的熱點(diǎn)之一。

雖然諧振、準(zhǔn)諧振和多諧振開關(guān)變換器能夠?qū)崿F(xiàn)功率器件的零電壓零電流的通斷，但其功率器件的電流和電壓應(yīng)力都比傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制（PWM）變換器大，且高頻諧振增加了器件的導(dǎo)通損耗。為解決以上問題，20世紀(jì)80年代末提出了移相控制的全橋零電壓變換器（phase-shifted full-bridge zero-voltage-switching PWM converter）［7］，其綜合了零電壓準(zhǔn)諧振開關(guān)和脈寬調(diào)制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，代表著大功率軟開關(guān)逆變電路的研究方向，應(yīng)用前景十分廣闊［8］。

3 軟開關(guān)弧焊逆變器電路拓?fù)涞难芯楷F(xiàn)狀

3.1 軟開關(guān)弧焊逆變器電路拓?fù)涓攀?/p>

目前常見的諧振式軟開關(guān)型逆變主電路的基本形式有6種。

3.1.1 零電流（ZCS）開關(guān)諧振逆變主電路

圖1為零電流開關(guān)諧振逆變主電路。零電流開關(guān)是將電感串聯(lián)到電路中，而將電容并聯(lián)到二極管上，迫使電路產(chǎn)生諧振以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件上電流波形的整形，從而使功率器件在關(guān)斷前電流為零，減小開關(guān)損失，實(shí)現(xiàn)理想開關(guān)條件。

3.1.2 零電壓（ZVS）開關(guān)諧振逆變主電路

圖2為零電壓開關(guān)諧振逆變主電路。零電壓開關(guān)是將電感串聯(lián)在電路中，而將電容并聯(lián)在功率器件兩端，迫使電路產(chǎn)生諧振以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件上電壓波形的整形，從而使功率器件在零電壓條件下導(dǎo)通，改善了器件的運(yùn)行環(huán)境。

圖1 ZCS主電路

圖2 ZVS主電路

3.1.3 多諧振（MRC）逆變主電路

圖3為多諧振逆變主電路。多諧振逆變主電路將諧振電容分別并聯(lián)在開關(guān)器件和二極管兩端，實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件和二極管都為零電壓開關(guān)。多諧振是指在一個(gè)開關(guān)結(jié)構(gòu)中既有零電壓開關(guān)的特性，也有零電流開關(guān)的特性。

圖3 MRC主電路

3.1.4 串聯(lián)諧振逆變主電路

圖4為半橋和全橋串聯(lián)諧振逆變主電路。串聯(lián)諧振逆變主電路中都串聯(lián)了RCL和功率器件，使電路中的負(fù)載阻抗大于傳輸線的特性阻抗，導(dǎo)致電路產(chǎn)生振蕩，實(shí)現(xiàn)了器件的自然換流［9］。

圖4 半橋和全橋串聯(lián)諧振逆變主電路

3.1.5 移相控制諧振逆變主電路

圖5為移相控制諧振逆變主電路。二極管VD并聯(lián)在功率器件VT兩端，當(dāng)主電路中的二極管VD開通時(shí)，導(dǎo)通功率器件VT，即功率器件與其并聯(lián)的二極管同時(shí)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)功率器件在開通時(shí)電壓為零，獲得了零電壓開關(guān)。

3.2 移相控制的軟開關(guān)逆變器

移相控制的軟開關(guān)逆變器可分為半橋逆變器和全橋逆變器，而全橋變換器能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓、零電流和零電壓零電流3種軟開關(guān)方式。

3.2.1 移相控制ZVS PWM全橋變換器

圖6為移相控制ZVS PWM全橋變換器電路結(jié)構(gòu)。VT1～VT4為功率開關(guān)器件，VD1～VD4為反并聯(lián)二極管，C1～C4是相應(yīng)功率器件的寄生電容，Llk是變壓器的漏感，此電路就是利用變壓器的漏感及功率器件的分布電容來完成功率器件在開通前電壓為零。VT1、VT4和VT3、VT2導(dǎo)通時(shí)相差一個(gè)相位，將超前導(dǎo)通的VT1和VT3稱為超前臂，滯后導(dǎo)通的VT2和VT4稱為滯后臂。

圖5 移相控制諧振逆變主電路

圖6 移相控制ZVS PWM全橋變換器

此變換器有以下4個(gè)特點(diǎn)：①功率開關(guān)器件在導(dǎo)通時(shí)電壓為零，改善了開關(guān)損耗過大的問題；②變壓器初次級(jí)的電流和電壓波動(dòng)符合變化規(guī)律，與變壓器輸出端的整流方式無(wú)直接關(guān)聯(lián)；③超前臂能夠很好地在功率器件導(dǎo)通時(shí)使電壓降為零，而滯后臂則不然；④變壓器輸出端串聯(lián)的諧振電感使其輸出端產(chǎn)生了占空比的丟失。

3.2.2 移相控制ZCS PWM變換器

圖7為移相控制ZCS PWM變換器電路結(jié)構(gòu)。電路中，VT1～VT4為功率開關(guān)器件，Llk是變壓器的漏感，Cr是諧振電容，Lb是升壓電感。將二極管VD1～VD4分別串聯(lián)在VT1～VT4來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的單方向?qū)?，同時(shí)承受反向電壓。兩個(gè)功率器件VT1和VT3（或VT2和VT4）導(dǎo)通后存在一個(gè)相同的時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)器件的自然換流。

圖7 移相控制ZCS PWM全橋變換器

此變換器有以下4個(gè)特點(diǎn)：①功率開關(guān)器件在關(guān)斷時(shí)電流為零，改善了開關(guān)損耗過大的問題，防止了電流拖尾現(xiàn)象的產(chǎn)生；②超前臂能夠很好地在功率器件關(guān)斷時(shí)使電流降為零，而滯后臂則不然；③變壓器輸出端并聯(lián)的諧振電容使其輸出端的電流產(chǎn)生了占空比的丟失；④輸出整流二極管在導(dǎo)通時(shí)電壓為零，使得二極管不發(fā)生反向恢復(fù)，不會(huì)造成開通損耗過大。

3.2.3 移相控制ZVZCS PWM全橋變換器

圖8為移相控制ZVZCS PWM全橋變換器電路結(jié)構(gòu)。該變換器實(shí)現(xiàn)了超前臂為零電壓開關(guān)，滯后臂為零電流開關(guān)。其中VT1和VT3為超前臂，VT2和VT4為滯后臂，VD1、C1及VD3、C3分別是VT1、VT3的反并聯(lián)二極管和并聯(lián)電容，Llk是變壓器的漏感。此電路與移相控制ZCS PWM變換器的不同之處是，將VD2、VD4串聯(lián)在滯后臂的開關(guān)管中，同時(shí)增加了隔直電容Cb和飽和電感Lf［10］。

圖8 移相控制ZVZCS PWM全橋變換器

此變換器有以下4個(gè)特點(diǎn)：①超前臂的功率開關(guān)器件在導(dǎo)通時(shí)電壓為零，而滯后臂的則在關(guān)斷時(shí)電流為零，實(shí)現(xiàn)了理想開關(guān)條件；②電路中反并聯(lián)二極管使電路產(chǎn)生續(xù)流，而零電壓零電流開關(guān)減小了續(xù)流期間的環(huán)路電流，降低了占空比的丟失，使變換器的工作效率和變壓器的能量傳輸性能得以提高；③將一個(gè)隔直電容串聯(lián)到電路中，使軟開關(guān)能夠在較大負(fù)載范圍內(nèi)自由切換；④具有拖尾電流特性的IGBT有較大的開關(guān)損耗，而此變換器能夠有效地減小開關(guān)損耗，在一定程度上方便了IGBT的使用，降低了生產(chǎn)成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

諧振技術(shù)是軟開關(guān)技術(shù)的核心，它可以使開關(guān)器件中的電流（或電壓）按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，從而實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)器件在零電壓條件下導(dǎo)通或零電流條件下關(guān)斷。采用諧振技術(shù)與PWM技術(shù)相結(jié)合的恒頻移相控制方式，同時(shí)針對(duì)軟開關(guān)逆變電源的特點(diǎn)，采用適合的控制方式，結(jié)合多種技術(shù)，盡可能地解決可靠性低的問題，是軟開關(guān)逆變弧焊電源的主要發(fā)展趨勢(shì)。

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Research Status of Soft-switching Inverter Arc Welding Power Source

YUE Hui，WU Zhi-sheng
（School of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：This paper described the soft-switching technique and the development situation of soft-switching arc welding inverter power source，mainly introduced seven basic forms of soft-switching arc welding inverters and three forms of phase-shifted control full-bridge inverters，and pointed out the development direction of soft-switching arc welding power source.

Key words：arc welding power source；soft-switching；phase-shiftedcontrol

中圖分類號(hào)：TG434.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-6413（2016）01-0224-03

*山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（2010322005-03）；山西省留學(xué)基金（2012-075）；太原市人才專項(xiàng)基金（09121013）

收稿日期：2015-03-30；

修訂日期：2015-10-28

作者簡(jiǎn)介：岳慧 （1991-），女，山西介休人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹匦脱b備焊接工藝及其自動(dòng)控制。