输入/输出并联直流变换器在逆变焊机中的应用

李 林

(成都纺织高等专科学校 电子信息与电气工程系，四川 成都 611731)

输入/输出并联直流变换器在逆变焊机中的应用

李 林

(成都纺织高等专科学校 电子信息与电气工程系，四川 成都 611731)

输入/输出并联型直流变换器能降低开关管的开关应力，适用于高输入电压、低输出电压、大电流、大功率的焊接系统。分析了逆变电路拓扑结构开关管发展，输入/输出并联直流变换器的工作原理，重点分析了并联变换器均流控制的方法。针对其工作时存在不均流现象，通过对各变换器的输出电流采样并比较后去控制IGBT的导通时间(占空比)来达到均流。通过理论分析和仿真试验验证以上方法的可行性，试验表明输出直流电压的纹波小、质量高。

直流变换器；并联均流；DSP

0 前言

随着逆变电路拓扑结构的发展和半导体器件的成熟，逆变焊机的应用越来越广泛，逆变焊机的电路结构一般是整流后逆变成不同频率的电流波形。由于逆变出来的电流频率高，因此，其控制过程的动态特性和焊机体积、质量都有所改善。逆变焊机随着开关管的发展相继经过了晶体管逆变焊机、晶闸管逆变焊机、场效应管逆变焊机、IGBT逆变焊机。

早期的晶闸管器逆变焊机主电路采用半桥串联谐振结构。由于晶闸管是半控器件，无法自动关断，必须利用谐振电路中谐振电流自然过零关断，快速晶闸管的逆变频率低，约2～3 kHz，但是这个频率对CO2气体保护焊的焊接过程仍无法进行精细控制，因此，晶闸管逆变焊机一般用在焊条电弧焊/氩弧焊系列焊机；随着大功率晶体管的出现，产生了大功率晶体管逆变焊机，晶体管是全控器件，主电路结构灵活，有单端、半桥、全桥等，逆变频率达到了20 kHz，虽然逆变频率的提高，减小了逆变焊机的体积和质量，但是大功率晶体管有二次击穿现象，易损坏，可靠性低，很快被功率场效应晶体管和绝缘栅双极性晶体管所代替；场效应管具有工作频率高、无二次击穿、电压驱动，易并联等特点，在小容量逆变焊机中得到迅速应用。场效应管单只容量较小且耐压较低，因此，场效应管逆变焊机大多集中在单相输入和输出容量较小的品种，主电路多为全桥逆变形式，为增加功率容量和电压等级，需要多个功率单元并联和串联。这样多个功率单元的串、并联后使系统的可靠性降低，因此，大功率场效应管逆变焊机应用较少；IGBT具有场效应管电压驱动特点，电压等级和电流容量相比场效应管大，因而在中大功率逆变焊机得到广泛的应用，其工作频率达到20 kHz以上，以半桥和全桥为主，焊机输出容量等级为200～2 000 A。现在在弧焊领域中IGBT逆变焊机已经成为逆变焊机的主流[1]。

在此分析输入/输出并联的IGBT直流变换器在逆变焊机中应用，针对其工作时存在不均流现象，通过对各变换器的输出电流采样比较后去控制IGBT的导通时间(占空比)来满足均流。通过理论分析和仿真试验验证以上方法的可行性。

1 理论分析

大功率电源一般采用功率单元并联(半桥式和全桥式)，一般采用全桥式并联，如图1所示。

图1 桥式并联电路原理

图1 中，I1和I2是并联的两个变换器。在变换器I1中，假设开关管是高电平导通，当给IGBT12和IGBT13高脉冲电压，IGBT11和IGBT14低脉冲电压时，其IGBT12和IGBT13两个开关管导通，IGBT11和IGBT14两个开关管不导通，此时高频变压器一次电流回路为：M→IGBT12→C→IGBT13→N，而高频变压器二次电流为：A→VD1→A1→L1→E→F→O1；当给IGBT11和IGBT14高脉冲电压，IGBT12和IGBT13低脉冲电压时，其IGBT11和IGBT14两个开关管导通，IGBT12和IGBT13两个开关管不导通，此时高频变压器一次电流为：M→IGBT11→C→IGBT14→N，而高频变压器二次电流为：G→VD2→A1→L1→E→F→O1；同理可推出变换器I2的工作原理。对图1的主电路进行仿真分析，假定开关管的频率为50kHz，用PSPICE软件仿真，图2为图1开关管的触发波形，其占空比约50%。

图2 开关管触发波形

图3 为图1中A和B点的电压输出波形。图4为负载电压输出波形，由图4可知，输出电压波形为纹波很小的直流电压，直流电压质量高，并且通过并联提高了输出功率。

图3 A和B点的输出波形

图4 负载输出波形

2 控制方法

图1中变换器正常工作的关键是保证各模块的输出电压、电流相等，即输出功率相等，否则将在输出电路之间形成环流，造成能量损耗，严重时将造成电路损坏，系统无法正常工作。有文献采用相同占空比的控制方法，由于占空比相等，输入电压高的模块将提供更多的输出功率，从而达到模块间输入电压的自动均衡，但如果模块不完全匹配，则无法保证输入均压和输出均流；也有文献使用输入均压环校正各自电流内环的给定来实现输入均压；还有文献提出了一种输出电压环和输入均压环解耦的控制策略。上述的控制策略都是通过调节模块占空比来调节模块的输出功率，从而实现输入均压，但是当系统处于极端条件时，如负载极轻甚至空载时，模块输出功率很小，此时占空比的调节空间有限，以致无法实现输入均压，引起模块不平衡工作，甚至损坏输入电压过高的模块[2]。本研究的控制思想是通过检测变换器I1和I2的输出电压和电流的大小，从而计算出I1和I2输出功率的大小，如果功率不相等，通过调节开关管的占空比使其两个变换器的输出功率相等，这样就满足了变换器I1和I2输出电流均流。

3 试验

对图1进行试验，在此选用的主芯片是TI公司专为控制应用设计的芯片DSP(TMS320F2812)[3]，具有最大150 MHz(1.9 V内核电压)的时钟频率，在一个周期内可以对任何内存地址快速完成读取、修改、写入操作，满足系统的实时性。DSP系统控制框图如图5所示。

图5 变换器控制原理

所设计电路包括：TMS320F2812 DSP，设定值绝对值、SRAM电路，EEPROM电路，键盘电路，LCD显示电路，光耦合电路。系统工作时，控制系统通过设定值让DSP产生开关管的驱动信号。通过分别采样两个变换器的输出电压和电流进行数字闭环控制，判断两台变换器的输出电流是否相等，其实现原理是通过DSP的AD采样得到两者的模拟差；给定值和反馈值分别判断其大小并进行PI运算。当外部给定值突变时，如果实际给定速度能够按设定的斜率线性上升，就可以得到缓慢的上升的电压。DSP计算出PWM占空比，输出PWM信号经光耦合驱动IGBT的导通或者关断[4－6]。

软件设计方面是设定函数表，由设定值去对应函数表中的PWM占空比，也就是通常所说的查表法，其流程如图6所示，图1中A点测试电压波形如图7所示，图1中U0输出电压如图8所示。

图6 系统程序流程

图7 图1中A点测试电压波形

图8 图1中U0输出电压测试波形

4 结论

输入/输出并联型直流变换器正常工作的关键是每个模块输出电流的均流。通过理论分析了其工作原理，同时通过仿真验证了输入/输出并联型直流变换器的输出直流电压稳定，其纹波小，输出功率增加一倍，输出直流电流也增加一倍，为了控制各模块输出均流，通过对各模块的输出电压和输出电流采样并通过DSP运算处理后控制开关管的占空比达到均流的目的。该变换器和控制电路能对焊机提供低电压大电流稳定可靠的直流电压。仿真和实验均验证了该变换器和控制方法的正确性。

[1]张光先.逆变焊机原理与设计[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]程璐璐，阮新波，章 涛.输入串联输出并联的直流变换器控制策略研究[J].中国电机工程学报，2006，26(22)：67－73.

[3]苏奎峰，吕 强，耿庆锋.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版.2005.

[4]曹太强，许建平，吴 昊.基于DSP数字调速直流电机系统设计[J].电力电子技术，2008，2(24)：73－77.

[5]李 宏，徐德民，焦振宏.基于DSP的大功率永磁直流电机调速系统设计[J].电力电子技术，2006，40(5)：29－31.

[6]曾 敏，杨九铭，张泉宏，等.基于DSP的直流变频控制系统研究[J].电力电子技术，2005，39(6)：112－113.

Study on Input-paralleled/output-paralleled DC－DC converters for welding inverter

LI Lin
(Electronic Information and Electric Engineering Department，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，China)

Parallel Input Parallel Output DC－DC converter can reduce the switching switch stress，for high input voltage，low output voltage，high current，high-power welding system.This paper analyzes the switch inverter circuit topology development，parallel input parallel output of the working principle of DC－DC converter，are analyzed in parallel converter current control method.Work exists for its uneven flow phenomena，through the converter output current sampling and comparison to control IGBT＇s conduction time(duty cycle)to achieve current sharing.Through theoretical analysis and simulation verify the feasibility of the above methods,tests show that the output DC voltage ripple,output DC voltage of high quality.

paralld DC converter；sharing current；DSP

TG434.1

A

1001－2303(2011)03－0043－04

2010－07－15

李 林(1968—)，男，四川宜宾人，讲师，硕士，主要从事电子与电机控制及电力系统自动化研究工作。