基于移相全桥软开关的逆变式电弧喷涂电源

魏少翀，陈乃富，叶　林，刘泽坤，吴树辉

（1．苏州热工研究院有限公司，江苏苏州215004；2．安科瑞电气股份有限公司，上海201801）

基于移相全桥软开关的逆变式电弧喷涂电源

魏少翀1，陈乃富2，叶林1，刘泽坤1，吴树辉1

（1．苏州热工研究院有限公司，江苏苏州215004；2．安科瑞电气股份有限公司，上海201801）

针对传统电弧喷涂电源存在体积大、质量重、无反馈控制、无法准确控制输出电压等缺点，研制了一种逆变式电弧喷涂电源，通过提高工作频率，大大减少了变压器、电感等器件的质量及体积，采用移相全桥控制，并利用软开关技术，使得全桥开关管及二次侧二极管实现软开关，大大降低了热耗和整机损耗，提高了变换器转换效率。逆变式电弧喷涂电源在缩小整机大小的基础上，提高了输出波形质量，优化了喷涂质量。研究电路基本工作原理并分析软开关的实现条件，建立对应的仿真模型并研制了试验样机，仿真及试验结果证明了该方案的可行性。

电弧喷涂；逆变式；移相全桥；软开关

0　前言

电弧喷涂技术是一种适用范围广、施工灵活、高效率的热喷涂方法，是一种在工业领域广泛应用的表面改性技术。电弧喷涂的基本原理是将电弧喷涂电源加在两根连续送进的金属丝之间从而形成电弧，电弧的热量将金属熔化，利用压缩空气将熔化的金属雾化成微熔滴，高速喷向工件表面形成涂层。该涂层在不改变工件基体材料性能的基础上，可以大幅提升工件综合性能，如耐磨、防腐、抗氧化、隔热等[1]。

传统也是目前广泛使用的电弧喷涂电源采用工频变压器降压，整流输出恒电压直流电的拓扑，其优点是电源可靠性高，能够在恶劣工况下长时间工作。但其存在的问题较多：（1）由于变压器工作在工频状态，电源体积大，质量重，不利于现场尤其是复杂工况下的施工，制约了电弧喷涂技术的应用。（2）整机采用无反馈的开环控制，无法对输出电流进行跟踪控制，实际使用时电流波动非常大，严重降低了电弧喷涂涂层的质量[2]。（3）输出电压的调节通过变压器抽头实现，通常分几个档位，并非无级调节，对于不同的喷涂材料无法准确的输出最优电压，影响了喷涂质量。随着电力电子技术的发展，逆变式电源与传统机型相比有着明显的优点：（1）能量通过高频变压器传递，通常可以做到25kHz，大大降低了整机的体积和质量。（2）通过对输出电压、电流的采样进行闭环控制，使得输出与参考值吻合，输出波形质量高。（3）通过改变参考值，可以实现电压变化范围内任意电压的输出。

目前，随着电力电子技术发展，采用逆变式的各类焊接电源已广泛使用，但逆变式电弧喷涂设备的研究却鲜有报道。文献[3-4]对逆变式电弧喷涂电源进行了研究，研制了相关样机，但并未详细分析电路，且电路中IGBT为硬开关，增加了系统的损耗、发热和电磁干扰。

本研究采用一种基于移相全桥拓扑的电弧喷涂电源，通过软开关技术大大提高了效率。仿真与试验表明：采用该拓扑的电源，质量轻，体积小，输出电压和电流波形平稳，调节灵活，动态性能好，适合应用在电弧喷涂领域。

1　主电路原理及分析

采用的电弧喷涂电源结构以及主电路的拓扑分别如图1和图2所示。

图1　电弧喷涂电源结构框图Fig.1Structure diagram of arc-spraying inverter power

图2　主电路拓扑Fig.2Main circuit topology

逆变式电弧喷涂电源将三相交流输入380 V电压经过整流电路和无源滤波电路变成540 V直流电，再经由全桥电路进行逆变，变成高频方波交流电，此处高频开关频率选为25 kHz，全桥电路4每个桥臂的两个开关管（斜对角的两个开关管，如IGBT1和IGBT4或IGBT2和IGBT3）180°互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个移相角。通过调节移相角的大小，来调节输出电压脉冲宽度，从而达到调节输出电压的目的。通过高频变压器将能量传递到二次侧的全波整流电路，将其整流为直流电，再通过滤波电路最终输出所需的稳定的直流电。

（1）模态1（t12～t0）：IGBT1和IGBT4导通，高频变压器T一次电流ip给隔直电容Cb充电，隔直电容Cb上的电压线性上升。t0时刻，IGBT1关断，进入开关模态2。

（2）模态2（t0～t1）：t0时刻，IGBT1关断，电流向IGBT1、IGBT3的结电容C1、C3转移，C1充电，C3放电，开关管IGBT1两端的电压线性上升，C1、C3限制了IGBT1两端电压的上升率，IGBT1实现了ZVS关断。t1时刻，C3上的电压下降至零，随后VD3导通进入开关模态3。

图3　全桥变换器关键波形Fig.3Key waveforms of full-bridge converter

（3）模态3（t1～t2）：t1时刻，C3上的电压下降至零，随后IGBT3两端反向并联二极管VD3导通，起到续流作用，IGBT3两端的电压为零，此时IGBT3导通，IGBT3实现零电压导通。IGBT3导通以后全桥输出两端电压UAB被箝位到零，隔直电容Cb上的电压加到漏感Lr上，变压器一次电流ip线性下降。漏感Lr中的能量加到Cb上，变压器二次侧两个整流二极管VD3、VD4同时导通给负载供电。

（4）模态4（t2～t3）：t2时刻，一次电流ip下降至零，由于电感的存在会阻止电流的变化，一次电流ip反向续流。但是由于滞后臂IGBT2和IGBT4采用的是逆阻性IGBT，隔阻了负向电流，所以一次电流ip维持为零。在这期间，隔直电容Cb的电压维持不变，IGBT4导通，但是没有电流流过。t3时刻，IGBT4零电流关断。变压器二次侧二极管VD3、VD4同时导通，各自承受一半的负载电流。

（5）模态5（t3～t4）：IGBT4零电流关断以后，一次电流ip仍为零，负载电流沿着VD3、VD4续流。

（6）模态6（t4～t5）：t4时刻，IGBT2导通，由于漏感Lr的存在，一次电流ip无法突变，所以IGBT2导通时电流为零即零电流开通。IGBT2导通以后，一次电流ip线性增加，输出电流经VD4流向负载。

（7）模态7（t5～t6）：IGBT2、IGBT3同时导通，给负载供电。

2　软开关实现

由于所述开关管及二次侧二极管都工作在高频状态下，故软开关的实现可有效降低开关损耗，极大降低散热，提高转换效率[5-7]。

2.1超前臂零电压开关实现条件

由原理分析可知，IGBT1、IGBT3零电压关断是因其并联电容（包含寄生电容）C1、C3电压不能突变实现的，零电压开通是通过谐振电感（主要是指变压器漏感）与开关管所并联电容（包含寄生电容）产生谐振实现的。通过谐振使同超前桥臂上关断的开关管所并联电容（包含寄生电容）充电，使即将导通的开关管并联电容（包含寄生电容）放电，当充放电结束后，即将导通的开关管两端电压降为0，其寄生二极管导通，此时发出该管驱动信号，实现其零电压导通。

因此，要实现开关管的零电压开通，必须满足两个条件：（1）驱动信号必须在谐振结束后寄生二极管导通后给出，即同一桥臂驱动信号的死区时间必须大于所并联电容（包含寄生电容）充放电时间；（2）谐振阶段应保证：谐振时间内将要导通的开关管所并联电容（包含寄生电容）完全放电，即

2.2滞后臂零电流实现条件[8]

想要实现滞后桥臂的ZCS，必须的条件是要在滞后桥臂关断或者开通之前ip已经降为零。一次电流降为0所需时间为：

式中Deff为占空比；T为开关周期；Lik为变压器的漏感；Cb为隔直电容。

3参数设计[9]

3.1全桥开关管的选取

开关管流过的最大电流为

式中母线最低电压Ubus(min)=457 V。三相输入电压经过整流桥整流和电容滤波后的电压实际选取时预留2倍的裕量，取1.2 kV的 IGBT，选取Infineon公司的IGW40T120型IGBT。

3.2二次侧二极管选型

二次侧整流二极管的选型需要考虑反向耐压值和通过电流的耐流值，并且还需考虑到一定的裕量，因此全波整流二极管承受的最大反向电压为

式中Uhsec(max)为变压器二次输入电压的最大值。

考虑到变压器漏感的存在，会与二极管的体电容发生谐振，二次电压会出现尖峰，所以留有一定的裕量，选择150 V耐压值的二极管。

式中Iomax为最大输出电流，取250 A。考虑到二极管承受的电流将会随着温度的升高而降低，且有可能存在的电流尖峰，实际选取电流应力为400 A的三菱公司生产的MURP40040CT型二极管。

3.3隔直电容的选取

隔直电容Cb可由式（6）计算：

实际电路选用一个1 μF/275 V的CBB电容。

4　仿真及试验结果

为了验证上述拓扑可行性，在Saber仿真软件中对该变换器进行了建模仿真，所选参数与实际一致，具体指标为：输入三相AC 380V输入、输出DC 40 V/ 250 A、开关频率25 kHz。

设定仿真时间0.1 s、仿真步长100 ns，图4为主电路仿真的主要波形，由于全桥的上下管子波形是对称的，所以只选其中的一组。图4中超前臂的驱动电压UGE(IGBT3)和UCE(IGBT3)可发现超前臂已经实现ZVS，UGE(IGBT4)为滞后臂下管的驱动电压波形，Ip为一次电流波形，从波形可以看出滞后臂实现了ZCS，UAB为中心点间的电压。通过仿真波形的分析，该变换器可以实现超前臂的ZVS和滞后臂的ZCS。

图4　主电路的主要仿真波形Fig.4Main simulation waveform of the main circuit

为了验证上述理论完成了一台试验样机。样机在满载工作状态下的主要试验波形如图5所示，输入电压540V，输出电压40V，输出电流250 A。

图5a中Ip为变压器一次电流波形，可以看出逆阻型IGBT能够很好地阻断变压器一次电流的反向续流，UAB为中心点间的电压。图5b中Up为变压器一次电压。图5c中Ucb为隔直电容间的电压，图5d中UG为滞后臂下管的驱动电压波形，Ic(IGBT4)为流过IGBT4的电流波形，从波形可以明显看出滞后臂实现了ZCS，图5e为超前臂的驱动电压UGE(IGBT3)和UCE(IGBT3)，可发现超前臂已经实现ZVS，图5f中UA和UB分别为中心点对地的电压。

5　结论

研究一种逆变式电弧喷涂电源，采用移相全桥进行控制，并实现了软开关，分析其主电路工作原理及软开关实现的条件。仿真及试验验证了该方案的可行性，研究的电弧喷涂电源具有整机体积小、质量轻、输出波形质量高、输出电压范围内任意调节等特点，通过软开关的实现，降低了开关损耗，在减少散热的基础上，同样大大减少了散热器的体积。

图5　试验波形Fig.5Experimental waveforms

另外，逆变式电弧喷涂电源小型化的特点有利于在各种不同的现场进行施工，可有效推广电弧喷涂工艺。

[1]徐滨士，王海斗.再制造工程中的热喷涂技术[J].热喷涂技术，2009（1）：1-7.

[2]张甲英，朱绍华，马世宁，等.高速电弧喷涂电流波动对涂层性能的影响[J].焊接学报，2002（5）：9-11.

[3]熊腊森，刘长友，刘松.逆变式电弧喷涂电源的研究[J].电焊机，2001，31（6）：11-12.

[4]刘松，熊腊森.基于FLEX10K的电弧喷涂电源及其VHDL程序的实现[J].电焊机，2002，32（7）：9-12.

[5]Honnyong Cha，Lihua Chen，Rongjun Ding，et al.An AlternativeEnergyRecoveryClampCircuitforFull-BridgePWM Converters With Wide Ranges of Input Voltage[J].IEEE Trans on PE，2008：2828-2837.

[6]Wu Chen，Xinbo Ruan，Junji Ge.A Novel Full-Bridge Converter Achieving ZVS over Wide load Range with a Passive Auxiliary Circuit.Energy Conversion Congress and Exposition[C].ECCE，2010：1110-1115.

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[9]王瑞超，薛家祥.软开关弧焊逆变电源的动特性分析[J].焊接学报，2012，33（10）：17-20．

Arc-spraying inverter power based on phase-shifted full-bridge soft switching

WEI Shaochong1，CHEN Naifu2，YE Lin1，LIU Zekun1，WU Shuhui1
（1.SuzhouNuclearPowerResearchInstitute，Suzhou215004，China；2.AcrelElectricCo.，Ltd.，Shanghai201801，China）

Asthetraditionalarcsprayingpowerhassomedefects，suchasbigvolume，heavyquality，nofeedbackcontrol，inaccuratecontrolof output voltage and so on，a inverter type arc spraying power source is developed.By improving the working frequency，greatly reducing the quality and volume of the transformer and inductance，adopting the phase shifting full bridge control，and using the soft switch technology，it realizes soft switch of the full bridge switch tube and vice diode achieve，which greatly reduces the energy loss of the whole machine and improves the efficiency of the converter conversion.On the base of narrowing the size of the new arc spraying inverter power，it improves the quality of the output waveform and optimizes the quality of spraying.Studies the basic working principle and analyzes implementation conditions of soft switch circuit in the paper.Meanwhile，corresponding simulation model is established and the experimental prototype is developed，itprovesthefeasibilityoftheschemebythesimulationandexperimentalresults.

arc-spraying；inverter；phase-shifted full-bridge；soft switching

TG439.9

A

1001－2303（2016）02－0053-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.11

2015－10－28；

2015－12－26

魏少翀（1989—），男，江苏苏州人，硕士，主要从事电力电子技术、表面工程技术等研究工作。