双零软开关逆变弧焊电源的系统建模与仿真

卜士瑞，胡小建，，吴治国

(1.合肥工业大学 材料学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 计算机网络系统研究所，安徽 合肥 230009)

双零软开关逆变弧焊电源的系统建模与仿真

卜士瑞1，胡小建1，2，吴治国2

(1.合肥工业大学 材料学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 计算机网络系统研究所，安徽 合肥 230009)

为了克服硬开关式逆变弧焊电源存在的开关损耗大以及过电流、过电压等影响，建立了双零软开关逆变弧焊电源系统，分析了系统的工作原理；利用Matlab r2006a软件分别建立了双零软开关电路系统与硬开关系统的仿真模型，并对系统的特性进行了仿真。通过与硬开关系统的对比分析可以看出，软开关系统实现了超前臂的零电压开通和滞后臂的零电流关断，并获得了一套实现超前臂零电压开通、滞后臂零电流关断的系统参数。仿真结果表明，所建立的软开关系统的功耗与安全性等性能明显优于硬开关，且为软开关系统的优化设计提供了指导。

软开关；零电压；零电流；计算机仿真；弧焊逆变电源

0 前言

逆变弧焊电源与传统电源相比具有体积小、质量轻、动态性能好、控制性能优良和高效节能等突出优点，在自动化焊接设备及弧焊机器人中得到了广泛的应用。然而，迄今为止大多数弧焊逆变电源主电路功率器件工作于硬开关方式，其工作过程开关压力大，开关损耗也大，且安全可靠性差。因此，以软开关技术取代硬开关技术成为逆变弧焊电源发展的趋势[1]。

20世纪80年代末期，脉宽调制软开关电路拓扑的问世，推动了大功率逆变技术的研究与应用上了一个新的台阶。软开关技术是在硬开关电路的基础上增加了电感、电容等谐振器件，构成辅助换相网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关在其两端的电压为零时导通，或使流过开关的电流为零时关断，改善开关条件，降低传统硬开关的开关损耗和开关噪声，从而提高电路效率[2]。移相全桥零电压脉宽调制(FB-Zero-Voltage-Switching PWM)变换器是目前应用最广泛的软开关电路之一，它的特点是电路简单，与硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，使四个开关均为零电压开通。在以往的研究中，FB-ZVS-PWM变换器多采用功率场效应晶体管(Power MOSFET)作为开关器件。然而，随着电子电力器件的快速发展，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)有逐渐替代MOSFET的趋势。一方面由于IGBT存在拖尾电流，造成了很大的关断损耗，所以希望IGBT最好在零电流状态关断。另一方面，箝位续流的环流也会造成附加的导通损耗，使FB-ZVSPWM变换器难以用到大功率变换的应用中。而全桥零电压零电流脉宽调制(FB-ZVZCS-PWM)变换器克服了FB-ZVS-PWM变换器的这两个缺点，成功地解决了关断损耗和附加环流等问题[3-4]，同时具有小的占空比损失、低的二次侧寄生振荡和宽的软开关切换的负载范围等优点。

双零软开关逆变弧焊电源主电路功率器件(IGBT)软开关的实现，在控制原理确定后主要取决于主电路拓扑结构和器件参数。由于逆变式弧焊电源工作频率高、输出功率大、负载变化大，因此设计时主电路拓扑结构、系统参数的选择和优化工作量大、工作周期长。采用计算机仿真技术进行电路模拟设计，参数优化，可大大减少实验工作量，缩短设计周期，降低设计成本，提高焊机电气性能和焊接工艺性能[5-6]。在此分别建立了硬开关电路和双零软开关电路的系统仿真模型，通过比较分析，揭示了该软开关系统的运行规律，同时进行了系统参数的优化设计，获得了一套实现超前臂零电压开通、滞后臂零电流关断的系统仿真参数，指导了实际电路的构建。

1 双零软开关逆变弧焊电源系统

全桥零电压零电流脉宽调制变换器(FB-ZVZCSPWM)在全桥移相式零电压脉宽调制变换器(FBZVS-PWM)的基础上增加了一个饱和电感Lr和一个阻断电容Cx，如图1所示，使一次电流在箝位续电流期间迅速衰减到零并保持，从而实现滞后臂上开关管的零电流关断，超前臂的开关管与ZVS-PWM变换器一样实现零电压开关。其中IGBT1、IGBT2组成超前桥臂，IGBT3、IGBT4组成滞后桥臂；VD1～VD4为相应IGBT管的内部反并联二极管；C1、C2为超前臂电容，C3、C4为滞后臂电容；Lr为可变电感，Cx为阻断电容，Tr为高频变压器，VD5、VD6为变压器二次侧整流二极管；R5、C5与R6、C6分别组成VD5、VD6的缓冲电路；Lf、Cf分别为变压器二次侧滤波电感和滤波电容；R为电弧等效负载。

图1 FB-ZVZCS-PWM变换器原理

在分析之前先对FB-ZVZCS-PWM变换器做如下假设：(1)所有开关管、二极管均为理想器件；(2)所有电感、电容和变压器均为理想元件；(3)电感Lr是理想磁性开关，未饱和时其电感值无限大，饱和后电感值接近于零；(4)输出滤波电感值足够大，在一个开关过程中可视为恒电流源。主电路的四个开关管的控制信号采用有限双极性方式[7]，以控制主电路的有效占空比。逆变器的工作过程如图2所示，半周期内可分为三个时间段。

图2 软开关逆变电路工作过程

(1)t0～t1。

t0-时刻，IGBT1～IGBT4开关管均未开通，整个电路没有回路。t0+时刻，IGBT1、IGBT4导通，电容C1、C4上的电压迅速降为零，电容C2、C3上的电压变为电源电压U。t0～t1期间，IGBT1、IGBT4导通后，变压器一次电压等于整流后电压(540 V)，阻断电容Cx电压线性上升。

(2)t1～t2。

t1-时刻，IGBT1开关管还未关断。t1+时刻，IGBT1关断，即此状态下只有IGBT4开通。此时一次电流由IGBT1转移到电容C1和C2支路中，IGBT1两端的并联电容C1充电至540 V，IGBT2两端的并联电容C2放电至零时，IGBT2的反并联二极管VD2导通，为IGBT2的零电压开通做好了准备。充放电结束后，电流值很快下降，直至为零时刻，IGBT4关断，实现了零电流关断。

(3)t2～t3。

t2-时刻，IGBT4开关管还未关断。t2+时刻，IGBT4实现零电流关断，电路中不存在回路，变压器一、二次电流和电压均为零。t2～t3期间，UC1＝UC3＝U，UC2＝UC4＝0，主电路中的电流仍为零，这段短暂的时间称为“死区”时间。

(4)t3。

t3-时刻，四个功率开关管仍然处于关断状态，UC1＝U，UC2＝0，UC3＝U，UC4＝0。t3+时刻后，IGBT2、IGBT3同时开通，其工作过程类似于前面描述的t0～t3，IGBT2实现零电压开通，IGBT3实现零电流关断。

2 系统仿真模型

本实验仿真软件选用Matlab r2006a，在Simulink的SimPowerSystem模块库中，仿真模型包括可变电感模块、功率负载模块和主电路系统仿真模型等软开关系统，以及与其对比分析的硬开关系统仿真模型。

2.1 软开关系统仿真模型

2.1.1 可变电感模块

在SimPowerSystem模块库中，电感模型均为线性电感，而电感是此电路实现软开关的核心元件，线性电感无法满足此电路的要求，需要一个可饱和电感来满足要求。本研究设计采用可变电感Lr模块代替饱和电感模块[8]，如图3所示。

图3 可变电感模块设计

该电感模块在系统模型中主要有两方面作用：一是当一次电流Ip从一个方向向另一方向发生变化时，一段时间内流过可变电感中的电流大于饱和临界电流，Lr的电感量降为接近于零，增大了电流的变化斜率，从而减小了占空比损失。二是当一次电流衰减到零后，可变电感Lr退出饱和呈现出很大的电感量，阻止了Ip向反方向变化，在一段时间内维持了电流过零，实现了滞后臂的零电流开通。

2.1.2 功率负载模块

在焊接过程中，电弧负载的变化是非常复杂的，要想完全模拟出焊接过程是非常困难的。本设计中采用两个电阻性负载R1、R2以及理想开关和一个脉冲发生器构成的简单并联电阻网络，可以基本模拟焊接的短路及燃弧过程。负载仿真电路如图4所示。

图4 负载仿真电路

模型中，电阻性负载R1和R2通过一个理想开关S并联，其中R1为焊接燃弧时电弧的等效电阻，R2为焊接短路时电弧的等效电阻。开关S由脉冲触发器P控制，在仿真过程中，通过设定P的占空比来控制S的导通和关断时间。当S关断时，电阻网络由R1等效于焊接燃弧电阻；当S导通时，R1与R2并联，电阻网络等效于焊接短路电阻。开关S的不断导通与关断使整个电阻网络在正常燃弧和焊接短路状态实现跳变，基本模拟出焊接过程中负载的复杂变化。

2.1.3 主电路系统仿真模型

双零软开关逆变弧焊电源主电路系统仿真模型如图5所示。在模型中，输入整流滤波电路等效为直流电源U，提供540 V直流电源给逆变桥。逆变全桥的四个IGBT管接收到脉冲发生器输出的控制信号，将输入的电源转换为540 V／20 kHz的方波交流，然后进入变压器Trans进行降压隔离处理，再经输出整流滤波电路，得到最终需要的理想弧焊电源，提供给模拟负载情况的电阻网络，构成整个电路的运行过程。

2.1.4 系统仿真参数

经参数优化设计，仿真电路的关键参数如下：直流输入电压U＝540 V；逆变开关频率20 kHz；开关管选用IGBT管；饱和电感用可变电感模块Lr代替，临界电流值Ic＝5 A，饱和时电感Lr＝0.001μ H，退出饱和后电感Lr＝1.5 mH；谐振电容C1＝C2＝30 nF，C3＝C4＝3 nF；阻断电容Cx＝5μ F；变压器一、二次侧匝数比近似7∶1；输出滤波电感Lf＝80μ H；滤波电容

图5 FB-ZVZCS-PWM主电路系统仿真模型

80μF。

2.2 硬开关系统仿真模型

为了与硬开关系统进行对比分析，本研究建立了相应的硬开关系统仿真模型，如图6所示。仿真电路中的功率负载模块、保护电路模块及其他主要元器件均与软开关系统完全一致，各元器件的参数也基本保持一致，两者的主要区别是硬开关系统没有可饱和电感模块和阻断电容Cx。

图6 硬开关系统仿真模型

3 仿真结果和分析

通过对仿真过程中系统参数的优化设计，得到了软开关电路的仿真波形，并与硬开关电路进行对比分析，如图7、图8所示。

(1)图7a为硬开关一次电流Ip、一次电压Uab波形，图8a为软开关一次电流Ip、一次电压Uab和阻断电容Ucx的波形。对比发现，硬开关在开通和关断的瞬间有明显的电流尖峰，且一次电压值在开关切换瞬间极性突变，产生很大的电压损耗；而在双零软开关中由于增加了阻断电容，当一次电流正向流动时，阻断电容的电压是增加的，当一次电流反向流动时，阻断电容上的电压是减少的，也就是说阻断电容的极性与一次电流的流动方向相反，起到了给一次电流Ip复位的作用，从而为滞后臂的零电流开关创造条件。

图7 硬开关电路仿真波形

图8 双零软开关系统仿真波形

由于加入了可变电感Lr，当一次电流Ip衰减到零后，可变电感Lr呈现出很大的电感量，阻止了Ip向反方向的变化，维持电流过零时间。从软开关主电路仿真模型中滞后臂的仿真曲线可以看出，在开关管关断的瞬间，开关管中的电流已下降到零，从而实现了滞后臂的零电流关断。

(2)图7b、图8b分别为硬、软开关超前臂电压Uce、电流Ice及驱动波形。对比发现，硬开关在开通时开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，且电压还未下降为零时电流就已经开始上升，产生了明显的开通损耗；而在图8b中，软开关超前臂电压Uce减小到零一段时间后，电流Ice才逐渐上升，实现了超前臂的零电压开通，并具有很宽的负载范围。

(3)图7c、图8c分别为硬、软开关滞后臂电压Uce、电流Ice及驱动波形。对比发现，硬开关电路在关断的瞬间，电流和电压有一个交叠区，产生明显的关断损耗；而在图8c中，软开关滞后臂电流Ice减小到零后，电压Uce才缓慢上升，实现了滞后臂的零电流关断。

对比硬开关和软开关主电路系统仿真模型，从IGBT管的仿真曲线可知：在硬开关仿真模型中，在IGBT管开通和关断的瞬间，其上的电流和电压均不为零，就会产生开关损耗。并且在硬开关状态下，会产生很高的du／dt和di／dt，从而产生较大的电磁干扰。而在软开关仿真模型中，四个IGBT管在关断的瞬间，电压或者电流已下降到零，从而实现了软关断过程，降低了开关损耗，开关器件安全性能显著提高。

4 结论

分析了全桥零电压零电流脉宽调制变换器工作原理，利用Matlab软件建立了双零软开关系统仿真模型，并与硬开关电路进行对比分析，表明该双零软开关弧焊逆变电源系统具有如下特点：

(1)在FB-ZVS-PWM变换器的基础上增加了一个阻断电容，实现了超前臂的零电压开关，滞后臂的零电流开关。

(2)该软开关系统成功解决了硬开关电路的开关损耗和安全可靠性等问题，相比硬开关具有明显的优越性。

(3)系统参数的优化，为实现实际逆变弧焊电源系统的设计提供了优化设计的方法。

[1]殷树言，陈树君.软开关变换技术在弧焊逆变电源中的应用[J].电力电子技术，1999，33(1)：18-21.

[2]杨 通，黄延龄，张光先.数字化的逆变弧焊电源[J].电焊机，2009，39(02)：11-14.

[3]陈树君，卢振洋，黄鹏飞，等.双零软开关弧焊逆变电源[J].焊接学报，2002，23(3)：1-5.

[4]阮新波，严仰光.零电压零电流开关PWM DC／DC全桥逆变器的分析[J].电工技术学报，2000，15(2)：73-77.

[5] Gole A M.Guidelines for Modeling Power Electronics in Electric Power Engineering Applications[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12(1)：23-27.

[6]方臣富，殷树言，候润石，等.软开关弧焊逆变器电路拓扑与参数的仿真设计[J].焊接技术，2005，34(4)：41-43.

[7]候润石，方臣富.电流模式零电压零电流开关TIG焊机的研制[J].电焊机，2004，11(34)：39-41.

[8]付炜亮，田松亚.零电压零电流PWM弧焊逆变电源工作过程分析及仿真[J].电焊机，2007，37(10)：54-58.

Modeling and Simulation of the ZVZCS-PWM arc welding inverter power system

BU Shi-rui1，HU Xiao-jian1，2，WU Zhi-guo1
(1.Material Institute，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Institute of Computer Network System，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

In order to overcome the effects of large switching losses，over-current，over-voltage which exist in hard-switching inverter welding power source，this paper established a double-zero soft-switching inverter arc welding power supply system and analyzed the working principle of the system，and established a double-zero soft-switching circuit system and the hard-switching system simulation model by using the Matlab r2006a software，and simulated characteristics of the system.Compared with the hard-switching system，we can see that the soft-switching system make zero-voltage of the leading leg turn-on and lagging leg zero-current turn-off，at the same time，a suit of simulated parameter which achieved ZVS of leading leg and ZCS of lagging leg were obtained.The simulation results show that the power and security of soft-switching system which we established is superior to hard-switching，which get the ready for optimizing the design of the soft-switching system.

soft switching；zero-voltage-switching(ZVS)；zero-current-switching(ZCS)；computer simulation；arc welding inverter power

TG434.1

A

1001-2303(2011)05-0048-06

2010-11-15

国家自然科学基金资助项目(70971035)

卜士瑞(1985—)，男，安徽天长人，硕士，主要从事现代焊接过程控制技术及其仿真模拟方面的研究。