半桥有源广义软开关焊割电源的设计研究

吴月涛，谢志峰

(深圳华意隆电气股份有限公司，广东 深圳 518055)

0 前言

近年来，电力电子技术发展迅猛，逆变式开关技术广泛应用于焊割电源，笨重型、低效的传统焊割电源装置已被小型、高效的逆变式焊割电源取代。为了实现逆变式焊割电源装置的高性能、高效率、高可靠性，减小体积和重量，必须实现逆变式焊割电源的高频化。软开关技术是使功率变换器实现高频化的重要技术之一，它应用谐振的原理，使开关器件中的电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时使器件开通/关断(或电压为零时使器件开通/关断)，从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗、容性开通、感性关断等问题，还能解决由硬开关引起的电磁骚扰问题。目前，使用在焊割电源上的软开关逆变电源技术有移相式全桥软开关技术和有限双极性全桥软开关技术。本研究从另一角度提出一种新型的软开关逆变电源技术，将之运用于焊割电源，设计出新型的逆变式焊割电源。

1 主回路电气原理

主回路电气原理如图1所示。电网交流电能经过开关QK1接入焊割电源，由整流桥VC1整流为直流电能存储于电容Cd上。由开关管IGBT1、IGBT2、IGBT1′、IGBT2′和半桥电容 Cd1、Cd2缓冲电容C1、C2以及主变压器T1的一次侧绕组(存在漏感LK)、饱和电抗器LS等组成的半桥有源广义软开关逆变电路负责将储于电容Cd上的直流电能逆变成中频交流电能，再由主变压器隔离变压后通过次级中频整流即可变成满足焊割需要的直流电能。

图1 主回路电气原理图

由图1可以看出，开关管IGBT1、IGBT2顺向串接组成半桥拓扑结构，IGBT1、IGBT2称为主开关；而另一组开关管 IGBT1′、IGBT2′背靠背串接组成一组合开关，IGBT1′、IGBT2′称为辅助开关。 从主控制电路输出的主开关驱动信号为U1（输出端口为G1，S1）和 U2（ 输出端口为 G2，S2），它们是相位相差 180°的PWM脉冲驱动信号；从主控制电路输出的辅助开关驱动信号为 U1′（输出端口为 G1′，S1′）和 U2′（输出端口为 G2′，S2′）它们是相位相差 180°的定宽并留有足够死区时间的脉冲驱动信号。

在主开关驱动信号U1、U2和辅助开关驱动信号 U1′、U2′的驱动下，开关管 IGBT1和 IGBT1′将同时开通，IGBT1按 PWM 关断，IGBT1′滞后 IGBT1一段时间后固定脉宽关断；IGBT2和IGBT2′同时开通，IGBT2按PWM 关断，IGBT2′滞后IGBT2一段时间后固定脉宽关断。具体的驱动脉冲时序见图2。

2 主回路的工作原理

在t1时刻前，电容C1已经被放完电荷，其端电压为Uc1=0；电容C2已经被充满电荷，其端电压为Uc2=Uin，“1”点电位为Uin，波形图见图10。

(1)t1时刻：如图3所示，主开关IGBT1和辅助开关IGBT1′同时开通，由于饱和电抗器LS此时还未进入饱和区，回路中总的电感LK+LS很大，故回路电流将从零开始缓慢上升的，因此IGBT1为零电流软开通；而此时“ 1”和“ 2”两点等电位，IGBT1′被 IGBT1导通箝位，IGBT1′处于零偏状态，因此没有电流流过，IGBT1′属于零电流/零电压软开通。

图2 驱动脉冲时序图

此时电流流向为：Uin+→IGBT1→LS→T1→LK→Cd1、Cd2。

由于一次侧回路串联的饱和电感的作用，电流先以很小斜率上升，直到LK达到饱和安匝数饱和后才快速升到负载额定值再按二次侧电抗器决定的斜率上升，这个时间需设置稍大于tq（IGBT开通延迟的总时间）。一次侧能量在此过程中通过变压器T1传给二次侧，二次侧二极管VD3导通，VD4反偏截止。一段时间后，IGBT1将PWM关断，进入时刻t2。

(2)t2～t6时刻：如图 4、图 5 所示，t2时刻 IGBT1PWM截止（IGBT1′仍保持导通），由于输出电抗器的作用，一次侧电流不能突变，一次侧电流在t2时 刻切换通路。

图3 主开关IGBT1和辅助开关IGBT1′同时开通时电流路径

图4 主开关IGBT1关断时电流路径

图5 主开关IGBT1关断后期电流路径

此时电流流向改为：C1、C2→VD2′→IGBT1′→LS→T1→LK→Cd1、Cd2。

此后C1被充电；C2被放电，C1端电压从零开始缓慢上升，C2端电压从Uin开始缓慢下降，“1”点电位从Uin缓慢下降，所以IGBT1端电压是按一定斜率从其饱和压降（3 V左右）开始缓慢上升的，IGBT1属于零电压软关断。

C1和C2充放电，实际上是“1”点电压与Cd1和Cd2的中点电压（半桥电容足够大，中点电压始终保持于Uin/2）之差加在LS和LK上，随着时间的推移，这个电压会从开始的Uin/2逐渐降到零（此时“1”点电压降至Uin/2），这个过程中变压器一次侧电流也在减少，见图10中变压器一次侧电流t2～t3段。此时一次侧能量仍通过变压器T1传给二次侧，二次侧二极管VD3导通，VD4反偏截止。当“1”点电压低于Uin/2时，C1和C2继续充放电，但此时漏感和饱和电感被加上反压，变压器一次侧电压为零，二次侧二极管VD3、VD4同时导通为输出电感续流。一次侧电流路径仍然为：C1、C2→VD2′→IGBT1′→LS→T1→LK→Cd1、Cd2，该电流将急剧减小，见图 10 中 t3～t4段。当C1和C2充放电，使得C1电压充至Uin、C2电压放至零时，漏感和饱和电感仍被加上反压，变压器一次侧电压为零，二次侧二极管VD3、VD4仍然同时导通并为输出电感续流。一次侧电流改变路径为：Uin-→VD2→LS→T1→LK→Cd1、Cd2，如图 5 所示。该电流仍将急剧减小，见图10中t4～t5段。

当一次侧电流急剧减小到饱和电感的阀值时，饱和电感LS电感量剧增，一次侧电流迅速减小到一个很小值然后以较小的斜率缓慢下降到零并开始向相反方向缓慢发展，见图10中t5～t6段，此时辅助开关IGBT1′关断。可见辅助开关IGBT1′的关断属于零电流/零电压软关断，关断应力很小。此后，一次侧的电流完全截止，“2”点电位回到中点电位Uin/2，变压器一次侧及饱和电感上的电压都为零，二次侧二极管VD3、VD4仍然同时导通并继续为输出电感续流，如图6所示。

图6 主开关IGBT1(IGBT2)和辅助开关IGBT1′(IGBT2′)均关断后的电流路径

当辅助开关IGBT1′驱动脉冲U1′死区时间过去后（死区时间由主控板辅助开关驱动电路设定产生）进入t7时刻。

(3)t7时刻：如图7所示，主开关IGBT2和辅助开关IGBT2′同时开通，由于饱和电抗器Ls此时还未进入饱和区，回路中总的电感LK+LS很大，故回路电流将从零开始，缓慢上升，因此IGBT2为零电流软开通；而此时“ 1”和“ 2”两点等电位，IGBT2′被IGBT2箝位，IGBT2′处于零偏状态，因此没有电流流过，IGBT2′属于零电流/零电压软开通。

图7 主开关IGBT2和辅助开关IGBT2′同时开通时电流路径

此时电流流向为： Cd1、Cd2→LK→T1→LS→IGBT2→Uin-。

电流先以很小斜率上升，直到LK达到饱和安匝数饱和后才快速升到负载额定值再按二次侧电抗器决定的斜率上升，这个时间设置同样稍大于tq（IGBT开通延迟的总时间）。一次侧能量在此过程中通过变压器T1传给二次侧，二次侧二极管VD4导通，VD3反偏截止。一段时间后，IGBT2将PWM关断，进入时刻t8。

(4)t8～t12时刻：如图 8、图 9 所示，t8时刻 IGBT2PWM截止（IGBT2′仍保持开通），由于输出电抗器的作用，一次侧电流不能突变，一次侧电流在t8时刻切换通路。

此时电流流向改为：Cd1、Cd2→LK→T1→LS→VD1′→IGBT2′→C1、C2。

图8 主开关IGBT2关断时电流路径

图9 主开关IGBT2关断后期电流路径

此后C2被充电；C1被放电，C2端电压从零开始缓慢上升，C1端电压从Uin开始缓慢下降，“1”点电位从零缓慢上升降，所以IGBT2端电压是按一定斜率从其饱和压降（3 V左右）开始缓慢上升的，IGBT2属于零电压软关断。

C2和C1充放电，实际上是Cd1和Cd2的中点电压与“1”点电压之差加在LS和LK上，随着时间的推移，这个电压会从开始的Uin/2逐渐降到零（此时“1”点电压升至Uin/2），这个过程中变压器一次侧电流也在减少，见图10中变压器一次侧电流t8～t9段。此时一次侧能量仍通过变压器T1传给二次侧，一次侧二极管VD4导通，VD3反偏截止。当“1”点电压高于Uin/2时，C2和C1继续充放电，但此时漏感和饱和电感被加上反压，变压器一次侧电压为零，一次侧二极管VD3、VD4同时导通为输出电感续流。一次侧电流路径仍然为：Cd1、Cd2→LK→T1→LS→VD1′→IGBT2′→C1、C2。 该电流将急剧减小，见图 10 中 t9～t10段。当 C2和 C1充放电，使得 C2电压充至 Uin、C1电压放至零时，漏感和饱和电感仍被加上反压，变压器一次侧电压仍为零，二次侧二极管VD3、VD4仍同时导通并为输出电感续流。一次侧电流改变路径为：Cd1、Cd2→LK→T1→LS→VD1→Uin+。如图 9 所示，该电流仍将急剧减小，见图10中t10～t11段。

当一次侧电流急剧减小到饱和电感的阀值时，饱和电感LS电感量剧增，一次侧电流迅速减小到一个很小值然后以较小的斜率进一步缓慢下降到零并开始向相反方向缓慢发展，见图10中t11～t12段，此时辅助开关IGBT2′关断。可见辅助开关IGBT2′的关断属于零电流/零电压软关断，关断应力很小。此后，一次侧的电流完全截止，“2”点电位回到中点电位Uin/2，变压器一次侧及饱和电感上的电压都为零，副边二极管VD3、VD4仍然同时导通并继续为输出电感续流，如图6所示。

当辅助开关IGBT2′驱动脉冲U2′死区时间过去，一个完整的PWM周期结束，将开始完全相同的下一个周期。如此周而复始，完成半桥有源广义软开关PWM逆变的整个过程。

图10是该半桥有源广义软开关逆变波形图。

3 关键器件选择和有关参数设置

要保证焊割电源在包括空载在内的全负载范围内都能满足软开关条件，需要选择缓冲电容C1和C2的容量，饱和电感LS的电感量和饱和伏秒数值等。保证电源能可靠运行还需要确定合适的主开关IGBT器件和辅助开关IGBT器件的电流、电压和功率等级。

图10 半桥有源广义软开关逆变波形图

(1)主开关零电流软开通条件。

要满足主开关零电流软开通的条件，必须满足：

a.饱和电感必须有足够的饱和伏秒数，可保证从主开关驱动脉冲U1或U2变高开始，主开关经过开通延时（Turn-on Delay Time）td（on）和上升时间（Rise Time）tr后才完全饱和，即饱和伏秒数中一重要要素饱和电感控制时间tq（IGBT开通延迟的总时间）必须大于等于td（on）+tr。

b.饱和电感在饱和时刻的最大电流必须小到可以忽略不计以满足零电流软开通条件。

c.选择矩形系数大的制作工艺简单的铁氧体磁环。

根据零电流软开通条件要求，要求饱和电感饱和时的电流为一很小值IS。

可算出电感量为

再根据式（2）和式（3）即可计算出需要的磁芯的截面积和需要的绕组匝数

式中 Uin为一次侧直流电压；tq为饱和电感控制时间（大于等于td（on）+tr）；LS为饱和电感电感量；IS为饱和电感饱和电流；N为饱和电感绕组匝数；BS为饱和电感磁芯饱和磁密；S为饱和电感磁芯截面积；μ0为真空磁导率，μ0=4π·10-7；μr为磁芯相对磁导率；lC为磁芯平均磁路长度。

(2)主开关零电压软关断条件。

要满足主开关零电压软关断的条件，必须在每一次主开关关断时，电容C1和C2保证充放电完毕。空载情况下一次侧电流最小，只要在空载情况下能保证电容C1和C2充放电完毕，就能保证全负载范围内主开关能零电压软关断的条件。

设一次侧空载励磁电流为Im，一次侧电感总和为LS+LK，根据能量守恒定律可知：

一般选择C1=C2=C，通过上式即可算出电容C1和C2的值C。

(3)主开关器件和辅助开关器件的选取。

主开关IGBT器件的电压、电流容量和功率容量按电源需要满载输出电流、电压以及功率来选择，辅助开关IGBT器件因为工作在大电流期间的时间较短，其电流量及功率容量均可按主开关IGBT器件电流容量的1/3～1/4来选择。

4 结论

通过对一个完整PWM周期的理论分析可看出在本电路拓扑结构中：主开关均为零电流软开通，零电压软关断；而辅助开关均为零电流/零电压软开通，零电流/零电压软关断，开关管开关应力很小，开关损耗非常低。通过参数计算和设置，可使本电源在包括空载在内的全负载范围内达到软开关条件。根据本研究制作的一台ZX7-250逆变式手工焊机，逆变频率为40 kHZ，负载持续率达100%（环境温度40℃条件下），电能变换效率达90%，该电路拓扑技术已获得国家知识产权局发明专利授权，专利号：ZL 201010532734.6。

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