串联预稳压全桥移相逆变电路系统模型仿真

刘 嘉，李云峄，岳长路，白立来

（北京工业大学机械电子与应用电子技术学院，北京100124）

串联预稳压全桥移相逆变电路系统模型仿真

刘 嘉，李云峄，岳长路，白立来

（北京工业大学机械电子与应用电子技术学院，北京100124）

弧焊逆变电源具有低电压、大电流的特点，为了提高其在大功率、高频化场合中电源系统的动态性能，提出一种Boost串联预稳压输入，全桥移相并联输出的弧焊逆变电源拓扑结构。通过小信号模型分析，研究电源系统的稳定性和响应速度；利用Matlab/Simulink建立电源系统的动态特性仿真模型，进一步研究了电源系统在输入电压、负载突变和给定信号变化情况下系统的动态响应过程，优化了电源系统的闭环控制参数，有效地预测了弧焊逆变电源系统的稳定性和响应速度。

焊接电源；输入串联输出并联；预稳压；移相全桥；Simulink仿真

0 前言

焊接是现代金属加工中最重要的方法之一，而焊接电源是实现焊接的最重要的设备。焊接电源是焊接生产过程中的能源供给装置，其性能的优劣直接影响到焊接质量的好坏，随着焊接工艺、金属材料不断发展，在高质量、高效率的焊接生产中，对焊接电源的要求也在不断提高。因此，对焊接电源的研究一直以来都受到人们的高度重视[1]。

目前应用的弧焊逆变电源主要由三相交流电供电，经过全桥整流、电容滤波为540 V的直流电，然后直接串联全桥逆变电路，经中频变压器、二次整流滤波为低电压、大电流的直流输出。但是电网输入电压纹波脉动大，会直接影响后级全桥逆变电路的稳定性，从而影响电源系统的动态特性和稳定性。利用两个串联Boost结构作为全桥逆变电路的稳定电压输入。

对于传统的弧焊逆变电源系统结构，多模块串并联组合模式日益成为研究的焦点。主要包括输入并联输出并联模式（IPOP）、输入并联输出串联模式（IPOS）、输入串联输出并联模式（ISOP）、输入串联输出串联模式（ISOS），其中ISOP模式适用于输入电压较高、输出电流较大的应用场合，这种结构可以保证在低电压输出时使用高频开关，提高电源系统的功率密度、转换效率和响应速度[2-3]。

针对弧焊逆变电源提出一种Boost串联预稳压全桥移相逆变电路拓扑结构。由三相电经过全桥整流、两个相同电容的分压，经恒电压闭环控制的Boost电路进行预稳压调节输出DC，由全桥移相逆变电路并联输出AC，再经过整流滤波输出至负载。

1 全桥移相逆变电路结构及控制方式

1.1 电路结构

串联预稳压全桥移相逆变电路的主拓扑结构如图1所示，包括两个带预稳压调节的全桥移相模块（#1、#2）。它由两个相同的电容C1、C2串联分压，作为Boost预稳压结构的输入，经全桥移相逆变电路并联输出。

图1 串联预稳压全桥移相逆变主电路结构

与传统的DC-DC变换器不同，本研究采用一种新的移相并联控制方法，该逆变器一次侧由两个相同的全桥结构并联组成，二次侧采取新的整流方法，即变压器二次侧输出分别接在整流桥的三个桥臂上，其中一个桥臂由两路变压器共有[4]。

1.2 控制方式

两路全桥分别采用移相PWM控制，一方面可以提高逆变器输出频率及电源系统的响应速度，另一方面可以减小电磁元件的质量和体积。因此，图1中两个模式在驱动波形上存在一定的延迟时间，使整流器输出直流方波电压在相位上互为180°，且输出频率是开关频率的4倍，如图2所示。

图2 全桥移相逆变电路控制方式

由图2可知，US1、US2、US3、US4表示#1中开关管的PWM驱动波形，US1'、US2'、US3'、US4'表示#2中开关管的PWM驱动波形，UAB表示整流器输出的直流方波（虚线是#2的输出直流方波）。以#1为例，S1、S3是超前桥臂，S2、S4是滞后桥臂，位于同一桥臂上的S1（S2）和S3（S4）在相位上互补导通并且带有死区；位于对角线上的S1（S2）和S4（S3）不能同时导通，并且相差一个相位，称为移相角α[5]。

2 小信号模型分析及仿真模型的建立

2.1 小信号模型分析

在研究弧焊逆变电源动态特性之前先要解决好电源系统的模型建立问题。由于弧焊逆变电源作为开关电源中的一种，是一个线性与非线性相结合的综合系统，研究起来并不容易，所以一直吸引着人们的关注。现有的分析方法大致有两类：一是数字仿真法；二是解析建模法。前者的优点是准确度高，不足之处是物理意义不明确；后者的优、缺点刚好与前者相反，可以调整参数[6]。因此，采用解析法中的状态空间平均法来建立弧焊逆变电源的小信号模型，为简单起见，使开关理想化。关于Boost预稳压电路的建模分析见文献[7]，在此不再赘述。

弧焊逆变电源中的全桥电路由最基本的Buck电路演变而来[8]。因此，全桥移相逆变电路的建模就简化为Buck电路的建模问题，本研究全桥逆变电路工作在电感电流连续模式（CCM）。全桥电路简化为Buck电路的电流回路示意如图3所示。

图3 Buck电路电流回路

图3中，R为系统负载，C为输出端电压滤波电容，Si为并联全桥电路开关管，L为输出端电流滤波电感。在每个工作周期内，开关管Si依次工作在导通和关断两个状态，其中i=1、2。

根据状态空间平均法，建立交流小信号的状态方程和输出方程

对式（1）作拉氏变换得

将设计参数：输入电压Ud1=310 V、变压器变比N=8、输出滤波电感L=40 μH、输出滤波电容C= 100 pF、负载电阻R=0.19 Ω代入式（4）中可得

根据PI恒电流闭环控制的全桥移相逆变电路系统开环传递函数，得到系统的伯德图，如图4所示。

图4 全桥移相逆变电路开环Bode图

图4中，虚线为没有PI调节的系统响应曲线，实线为PI调节后的系统响应曲线，PI调节后的系统穿越频率为12.1 kHz，相角裕量60°。一般来说，穿越频率决定了系统过渡过程的快慢。穿越频率越大，则系统的频带越宽，惯性越小，过渡过程越快；相角裕量则是系统相对稳定的重要指标，相角裕量越大则系统的阻尼系数越大，系统的输出相应的超调量越小，大体上相角裕量30°～70°，相当于阻尼系数ξ=0.3～0.8，此时的动态性能较好。

因此，对于Boost串联预稳压输入、全桥移相逆变电路并联输出电源系统，采用模块解耦的闭环控制策略时，电路系统都具有较高的稳定性和响应速度。

2.2 电源系统模型建立

在小信号模型建立过程中，忽略了开关管的导通和通断，假设逆变器输出负载恒定，对相关参数施加扰动量。并且在实际应用中，电弧焊的送丝速度变化、电网电压波动及频繁的短路过渡等都影响电源系统的整体性能。因此，小信号模型对于弧焊逆变电源的分析存在弊端。

Simulink是基于Matlab环境基础上的高性能系统仿真设计平台，提供友好的图形用户界面（GUI）[9]。Simulink作为弧焊逆变电源的仿真工具，电源系统模块集丰富，如电力电子子模块（Power Electronics）中的IGBT、二极管等，还在控制系统的研究领域里优于其他仿真软件。所以选择Simulink进行主电路的仿真研究。建模时，只需鼠标点击或者拖拽电源系统模块中所需器件的图标即可。串联预稳压全桥移相逆变电路仿真模型见图5。仿真模型中的元件参数为：开关频率f=20 kHz，输入分压电容C1= C2=100 μF，Boost电路电感L1=L2=60 μH，Boost电路输出稳压电容C3=C4=100 μF，变压器匝比N=8∶1，输出滤波电感Lf=40 μH，电容Cf=100 pF。

图5 Simulink仿真模型总体设计

Boost预稳压电路的恒电压PI闭环控制器参数设置采用Simulink中PI Tuner的推荐值[7]

全桥移相逆变电路采用恒电流PI闭环控制，其PI闭环控制器的参数设置采用Simulink中PI Tuner的推荐值，表示为

控制器结构如图6所示。

图6 全桥移相逆变器PI控制器模型

Simulink中没有相关芯片的模型，为了设置PWM驱动波形的移相和死区时间，需利用Simulink中的数字或模拟器件建立移相和死区电路模型，如图7所示。两个模块的移相生成电路结构相同，经PI调节的输出误差信号与锯齿波信号比较得到所需的移相角，然后输入移相脉冲电路，经过模块中的逻辑运算和死区时间的设置得到8路移相的PWM信号，模块2的驱动信号相比于模块1有一定的延迟。

3 仿真设计结果分析

在弧焊工艺过程中，频繁的短路过渡以及负载的强烈变化严重影响弧焊电源的电压、电流信号的稳定性，使焊接过程不稳定，并且在实际应用中，输入电压的变化、负载突变及电流跳变情况下的电压、电流响应能够全面、真实地反映焊机的动特性[8]。因此，对弧焊逆变电源的动态性能进行仿真研究，包括：（1）输入电压突变时电压、电流的响应（2）电流给定条件下，负载突变时电流、电压的响应；（3）负载不变情况下，给定信号跳变时的电流、电压的响应。

动特性仿真的具体方案为：

（1）由于电网电压脉动纹波大，严重影响弧焊逆变电源系统的稳定性和动态性能。为了验证Boost串联结构的预稳压调节性能，在仿真实验中人为地加入扰动信号使输入三相电压产生10％的波动。在20 ms时，阶跃信号源跳变为1，理想开关闭合，三相输入电压突变，观察串联预稳压电路及全桥移相逆变电路的输出电流、电压响应曲线，如图8所示。

图7 全桥移相脉冲生成电路

图8 输入电压突变时电压、电流响应曲线

由图8可知，仿真电网电压突变时电压、电流波形，从上至下依次为：模块1 Boost电路输出电压UC3、模块2 Boost电路输出电压UC4、移相全桥逆变器输出电流和电压波形。在20ms时，输入电压以10％跳变（380～418 V），观察Boost串联电路输出电压UC3和UC4近似相等，且纹波电压为±3 V。基于Boost串联电路的预稳压调节，使电网电压的脉动纹波变化对后级全桥移相逆变电路的输出影响较小。由图8c、8d可知，移相全桥逆变器的输出电流、电压波形平稳。所以，当电网电压在一定的电压范围内波动时，经过串联预稳压电路的调节，实现功率输出平衡，减小对后级逆变器输出波形的影响。

（2）在电流给定100 A的条件下，初始状态时负载R为0.19 Ω，20 ms时，阶跃信号源step发出阶跃响应，输出跳变信号1。这时理想开关Switch闭合，负载R1=0.04 Ω并联到输出回路，使等效负载跳变为0.033 Ω，观察预稳压电路和全桥移相逆变电路的输出电压、电流波形，如图9所示。

由图9可知，图9a、图9b为Boost串联电路的电压输出波形，图9c是移相全桥逆变电路的电流输出波形。当电流在电阻切换瞬间，产生约6 V的尖峰，电流波动小于±2 A，经过0.3 ms调整后达到稳定状态，并且电压纹波减小一半，由于采用的是纯阻性负载，因此电压和电流的过渡过程相似，但在电压的波形中没有产生类似的尖峰。

当负载突变时，Boost串联预稳压电路输出电压经过100 μs的调整后趋于稳定。因此，当负载突变时，经过Boost串联电路的预稳压调节及全桥移相逆变电路的恒电流闭环控制，使输出电流快速趋于稳定，改善了电源系统的动态性能。

（3）在负载0.19 Ω、20 ms时，电流给定由100 A跳变到200 A，串联预稳压电路及全桥移相逆变电路的输出电压、电流响应曲线如图10所示。图10a、10b为Boost串联电路的电压输出波形，图10c、10d是移相全桥逆变电路的电流、电压输出波形。当负载恒定时，输出电流跳变，大约经过500 μs到达稳态电流200 A，由图10c可知，输出电流上升时间较快，波形平稳。同时，Boost串联电路输出电压在电流突变时产生波动，经过预稳压调节达到稳态，虽然电压纹波加大，但电压纹波小于±2 V，满足要求。

图9 100A恒电流条件下负载由0.19 Ω→0.033 Ω时电压、电流响应曲线

图10 负载0.19 Ω，电流100～200 A跳变时电压、电流响应曲线

4 结论

（1）提出一种新的移相全桥并联控制方法——Boost串联预稳压输入、移相全桥并联输出电源系统。通过对电源系统模型的优化及整体仿真，预测了弧焊逆变电源的数字化控制效果。

（2）利用Matlab/Simulink建立动态特性仿真模型，通过分析弧焊工艺过程中电流、电压参数的变化，以及电网电压的波动，证明串联预稳压全桥移相逆变器改善了电源系统的动态性能，提高了弧焊逆变电源系统的响应速度。

[1]张伟.高频逆变点焊电源及智能监控系统的研究[D].江西：南昌航空大学，2011.

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Model simulation of series voltage regulator phase-shift full-bridge inverter circuit system based on Matlab/Simulink

LIU Jia，LI Yunyi，YUE Changlu，BAI Lilai
（College of Mechanical Engineeringand Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Arc welding inverter has the characteristics of low voltage and high current,in order to improve the dynamic performance of its power supply system in the high-power and high-frequency occasions，an arc welding inverter topology of Boost pre-regulator series input and phase-shift full-bridge parallel output is put forward.Based on the small-signal model，the stability and response speed of the power system are studied，and the simulation model of the dynamic characteristics of power system is established by taking advantage of Matlab/Simulink，and the dynamic response process of the power system under the circumstance of input voltage jump，load mutation and given signal change is further studied，and the closed-loop control parameters of the power supply system are optimized，the stability and response speed of the arc welding inverter power system are effectively predicted.

welding power supply；ISOP；voltage regulator；phase-shift full-bridge；Simulink simulation

TG434.1

A

1001－2303（2016）06－0008-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.02

2016-01-16

修回日期：国家自然科学基金资助项目（51375022）

刘嘉(1969—)，男，吉林省吉林市人，博士，副教授，主要从事数字化控制弧焊逆变电源研究工作。