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桥式弧焊逆变器主电路拓扑结构分析
马俊龙1 ,文秀海2 ,侯志坚2
(1. 河南机电高等专科学校,2. 新乡电气控制设备厂,河南新乡453002)
现代弧焊电源设备的发展与电力电子技术及电子器件的发展密切相关,基于新型功率半导体开关器件(MOSFET、IGBT等) 的PWM 高频逆变技术的发展,引起了传统焊接电源设备的一场更新换代的技术革命,逆变弧焊电源作为新一代弧焊电源具有高效、节能、轻巧、机动性强,动、静态特性和焊接工艺特性好等优点,是当前国际上焊接电源设备发展的主流和方向。本文从主电路拓扑结构和工作原理的角度对两种典型弧焊逆变器进行分析和研究。
1 传统全桥逆变器(Full Bridge)
在逆变电源的应用中,为了进一步提高电效率、磁效率和输出功率,简化电路组成结构,出现了全逆变器(Full Bridge) 。图1a 为其原理简图,工频交流电源的整流滤波回路与双单端逆变器相同,只是在逆变单元中分别由VT1 和VT3 组成左桥臂,VT2 和VT4组成右桥臂,四个开关功率管共同组成桥式电路。
工作原理分析:
1) 在NT时,左桥臂中VT1 和右桥臂VT4 门极激励脉冲信号Ugvt1 和Ugvt4 同时现,VT1 和VT4 同时导通,高频变压器将向次级传输能量,原边电流回路为Ud + →VT1 →T1 →VT4 →Ud - 。经过次级的整流电路整流、直流电抗器DCL 的滤波作用,从而得到合适焊接工艺要求的直流电。图1b 为此时等效电路(Equivalent circuit) 。电路稳态方程:
输出电压:Uo = D Ud / n
2) 在NT + ton 时,功率开关VT1、VT4 的控制极的PWM脉冲激励同时消失,VT1、VT4 同时截止,由于VD2、VD3 的钳位作用,VT1、VT4 承受****电压Ud ,次级整流管的截止,其阻断了高频变压器与输出回路的联系,此时主电路将不再向输出回路传输能量,高频变压器等效为一个电感,将储存在其中的电磁能量通过VD2、VD3 回馈到电源中。
3) 左桥臂中VT3 和右桥臂VT2 工作原理与1) 、2) 相同,不再叙述,工作波形如图2c 所示。
全桥逆变器优点:高频变压器只需要一个原边绕组,且工作在第一、三象限,副边带有中心抽头绕组,因而采用全波整流输出,高频变压器铁芯和绕组****利用,使效率、功率密度得到提高。
2 移相全桥逆变器(phase - shifting FB invert2-er)
移相全桥逆变器是将传统全桥逆变器和移相控制技术的有机结合,电路结构与传统全桥电路一样,典型电路原理简图如图2a 所示。利用高频变压器的漏抗LLK和开关功率管的输出组成谐振电路,漏抗LLK的储能通过电容C1～C4 进行释放,继而使电容C1～C4 两端的电压逐渐降为零,为VT1、VT2、VT3、VT4 开通创造有利的条件。同时电路又采用移相技术,改变两个桥臂开关管脉冲激励信号相位差,就可使占空比进行改变,也就是调节输出电压的大小。将VT1 和VT3 组成的桥臂称为移相臂,VT2 和VT4 组成的桥臂称为固定臂。
工作原理分析:
电路半个周期(t1-t6) 的工作过程分为四个阶段。
在t1 之前VT1 和VT4 导通。
1) t1-t2移相臂转换
在t = t1 时,VT1 关断,C1 被原边电流充电,C3 进行放电,开关管VT1 和VT3 两端电压为:UVT1 = IP t/2C ,UVT3 = Ud-IP t/ 2C VT1 两端电压逐渐上升至Ud。
2) t2-t3箝位续流阶段
高频变压器初级电流通过开关VT4 和VT3 的反并联二极管VD3 进行续流,VT3 可以在任意时刻开
通。
3) t3-t4固定臂转换
在t = t3 时,高频变压器的初级电流比IP 稍小,此时VT4 进行关断,初级电流将通过C4 流动,使VT4
两端的电压上升,而VT2 两端电压下降,为VT2 的开通做准备。
4) t4-t5能量传输期
在t = t4时,开关管VT2 导通,高频变压器初级承受输入电源电压Ud ,能量开始向次级传输。这一过程基本与传统的全桥逆变器工作原理相同。移相全桥逆变电路,利用开关管本身的特点而实现调节控制,可接近软开关。减少了开关过程损耗,可保证变换器的效率达80 %～90 % ,并且不会发生开关应力过大的问题。
移相全桥逆变电路,利用开关管本身的特点而实现调节控制,可接近软开关。减少了开关过程损耗,可保证变换器的效率达80 %～90 % ,并且不会发生开关应力过大的问题。
3 总结
通过对两种典型逆变弧焊电源的分析和研究,可知两种电路各有优点。传统全桥逆变电路输出功率大,但功率器件功耗较大。移相全桥逆变电路可近似做到软开关,减小开关应力,其代表了逆变电源的发展方向。
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