材料与设备õ10õ
焊接技术 1997年第1期
IGBT弧焊逆变器半桥变换电路工作机理
李中友 曲仕尧 王育福
(山东省济南市 山东工业大学 250014)
摘要 本文分析了采用PWM机制的半桥电路不同输出状态下全部工作过程。尤其是根据恒磁电流转移理论,详细论述了变换脉冲前、后沿的物理实质,使分析基本过程时边界条件的确定及研究边沿瞬变过程、吸收电路的作用等有了进一步的依据。这种分析对全桥电路逆变器也是适用的。
关键词 焊接电源 IGBT弧焊逆变器 脉冲边沿 电流转移1 前言
以IGBT开关器件为主流的弧焊逆变器正在发展中,提高其工作的可靠性是当前面临的主要课题。途径之一是对变换过程理论认识的进一步深化,尤其是前、后沿瞬变过程。由于变换电路各个环节都采用了RC或
负载等不同的工RCD吸收网络,又加之逆变器有空载、
作状态,电路的工作过程具有完全不同的状况,基本拓
扑理论未对这类变换过程做全面具体的说明,下面以图1所示的半桥式电路为例研究全面的工作原理。
(1)Ton阶段
直流电压Uin/2加在变压器一次绕组上,其电流(全为激磁电流)及磁通密度都是线性变化的,即
Uin
i1=2Lt+i0(1)
m
5=i1Lm/W1(2)
式中 Lm——中频变压器一次绕组主电感
Uin——输入整流电压
W1——中频变压器一次绕组匝数i0——初始电流(2)Tof阶段
近似认为开关器件瞬间关断,这时中频变压器与其吸收电路进入RLC振荡过程,电容C上的初始电压为Uin/2,初始电流为Ton末的激磁电流,该电流从电容C中拉电荷,电场能继续转变为变压器主电感中的磁场
能,即激磁电流和磁密要继续增大,Tof末达到幅值Bm。这是中频变压器设计时要考虑的一点。
随着振荡过程的进行,变压器的端电压下降,在
图1 半桥变换电路
Tof末的下降幅度除受电路参数LC的影响外,还受Tof时间(这时为死区时间)长短的影响。由于弧焊逆变器设计中一般都在PWM集成电路调制器固有死区的基础上适度加大死区时间,所以这一阶段电容C两端的电压下降幅度更大,如果Tof足够长,这一电压还会成为负值。
在此必须指出两点:
2 空载状态工作过程
在空载状态,电路连续或间歇振荡,以输出空载电压。在输出额定空载电压期间,开关器件导通时间占空比q达到最大值qmax。由于输出端开路,所以从初级侧来看,中频变压器仅等于一个带磁心的电感,变压器上的电压波形如图2所示。下面分Ton、Tof两个阶段进行分析:
¹Tof末电容C上的电压[UCOF]对Ton初开关管电流值的影响 空载运行状态,无输出电流,整流管VD1、VD2中没有通流时形成的存贮电荷以及由此而产生的反向恢复时间、环流尖峰时间。但这里要考虑吸收网络
这时电容C上RC在开关管开通时所形成的冲击电流。
的电压由Tof末的[UCOF]瞬间跃变为反方向的Uin/2值,
其总增量为[UCOF]+Uin/2,由此引起的冲击电流完全流过开关管,其幅值为{[UCOF]+Uin/2}/R。电流尖峰在
图2 空载次级电压波形
焊接工艺上有一定的好处,但要考虑对管子安全的影响,可以通过适当选择电阻R加以,以不超过管子额定电流值为宜。
WeldingTechnology №1 1997
º逆变器的空载电压 由于空载时中频变压器二次侧电压波形仅仅是在Tof期间出现少量“塌角”现象(见图2),所以逆变器的空载电压U0并不是次级电压幅值U2与最大占空比qmax的乘积,而可以足够准确地认
Uin
为是U0=U2=õ1(3)
2n3 负载状态工作过程[2]
由于输出工作电流及其所产生的反馈作用,使脉冲占空比由qmax降为q,q值取决于负载电压U,有U=qõU2[4]。这一状态同样分Ton和Tof两阶段进行分析。
率为
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di2U2-UUin/(2n)-U
=(4)dt=LL »开关管的关断过程 随驱动信号的下降,开关管内阻迅速恢复,管压降升高,电流i1迅速下降。中频变压器一次侧电源由恒定电压源变为下降电流源。由于中频变压器主磁场能量不能突变,而输出滤波电感此时可以看作恒定电流源,所以二次绕组W21、W22间产生恒磁电流转移过程,导致VD1、VD2共同续流及箝位效应,使初级回路的电磁惯性由次级反射电感一下变到仅为初级漏电感,开关管得以迅速关断。所以,随电流i1
(1)Tof阶段整流管VD1、VD2共同续流,由此而产生的零电压箝位效应使中频变压器初、次级电压均为零,因而RC支路上的电压为零。同时,由于加在中频变压器绕组上的伏õ秒数为零,所以磁路中的磁通量及磁密也保持不变,这一点与空载状态下的Tof期间完全不同。保持磁密恒定的磁动势是W21、W22中电流安匝数的差值,即W2(i21-i22)或W2(i22-i21)。而输出电流为i2=i21+i22,由滤波电感释放磁场能来维持。设输出电压为U,则电流i2下降的速度为di2/dt=U/L,可见,i21与i22也下降,但其差值及磁动势W2(i21-i22)或W2(i22-i21)却保持不变,在此有W21=W22=W2。
(2)Ton阶段¹开关管的开通过程 由于Tof阶段与中频变压器并联的RC吸收网络电压为零,所以随开关管驱动信号的上升,内阻下降,管内通过电流。一方面RC支路中的电容C被充电,另一方面W1中出现电流跃升,同步引发了两次级绕组W21、W22之间的恒磁电流转移,方向为W21→W22或者W22→W21。转移期间,VD1、VD2仍具有共同导通的续流及零压箝位效应,中频变压器初次侧等效为一个结点与漏电感的串联,初级回路则等效为一个强电压源对漏电感的充电过程,电流很快跃升到次级输出电流的反射值(含激磁分量),电流转移及续流状态结束。在由续流状态向整流状态的转变中,VD1、VD2中之一要关断,次级出现反向恢复电流形成的环流尖峰,反射到初级,电流超过负载反射值继续升高,形成开通电流尖峰。反向恢复结束,中频变压器两侧分别留下输出工作电流及其反射电流,VD1、VD2由续流状态变为其中之一导通的整流状态,零压箝位及恒磁调节作用消失,中频变压器进入承压状态,并实现初、次级能量传递,开通过程结束。
由于这时RC吸收电路电压的增量为Uin/2,小于空载时的`增量Uin/2+[UCOF],所以由C充电引起的冲击电流比空载时的要小,开通电流尖峰主要还是由VD1或VD2的反向恢复电流构成的。
º基本导通阶段 本阶段,中频变压器一次电压为Uin/2,二次电压为Uin/(2n)(n——中频变压器变比),这时输出滤波电感L贮能,输出电流增长,其变化
的下降,仅发生漏感磁能的释放,及由此导致的关断尖峰电压的发生。RC吸收网络可以吸收漏电感中的磁能,如果电容C不能完全吸收这部分能量,它将通过续流二极管向电源释放,即由输入滤波器实现缓冲吸收。开关管关断以后,RC吸收电路与中频变压器一次侧等效漏电感经历几次振荡,将其中的剩余能量消耗掉。吸收电容C值大,缓冲吸收效果好,但C值大则电阻R上的功耗大,RC吸收电路的时间常数应略大于开关管的关断时间,电容C值应能吸收大部分漏感磁能。4 结论
(1)在空载运行状态,中频变压器一次侧的RC吸收网络使Tof期间一次侧电压仅出现一个塌角现象,在整个Tof期间磁密仍呈增长的趋势,并一直持续到另一开关管导通为止。
(2)在空载运行状态,开关管开通过程中,中频变压器一次侧和与之并联的RC支路电压极性发生跃变,总变量为Uin/2+[UCOF],瞬变电流完全流过开关管,由电阻R限流,要考虑充放电电流对开关管的冲击影响。
(3)在负载状态,开关管开通过程中,整流管VD1或VD2的反向恢复电流是形成开通电流尖峰的主要原因,而RC支路充电电流对尖峰电流影响居次要地位。
(4)在负载状态,开关管关断过程中,中频变压器
漏感及RC电路贮能主要释放在电阻R上,少部分由W1内阻释放。这部分热量是影响整机效率的主要因素。RC是缓冲开关应力,保持变换过程稳定性的重要因素。
参考文献
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(收稿日期:1996—10—28)
