摘要：設(shè)計(jì)了一種基于峰值電流控制模式的全橋移相諧振變換器。采用專用移相芯片UC3879作為主控單元，實(shí)現(xiàn)全橋變換器的移相控制和主開關(guān)器件的ZVS。配合一定的焊機(jī)外特性控制電路和峰值電流檢測技術(shù)，成功試制了一臺6kW/l00kHz的高頻逆變弧焊電源樣機(jī)，最后給出了相關(guān)電路圖和實(shí)驗(yàn)波形。
關(guān)鍵詞：峰值電流控制；移相控制；斜坡補(bǔ)償；零電壓開關(guān)；逆變焊機(jī)

0 引言

電焊機(jī)是工業(yè)牛產(chǎn)和加工領(lǐng)域不可或缺的設(shè)備，其中逆變焊機(jī)由于具有體積小、重量輕、控制性能好、動態(tài)響應(yīng)快、易于實(shí)現(xiàn)焊接過程的實(shí)時(shí)控制等優(yōu)異性能，成為焊機(jī)產(chǎn)品的主流發(fā)展方向。

目的市場上大部分逆變焊機(jī)產(chǎn)品工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗嚴(yán)重，開關(guān)頻率限制存幾kHz到幾十kHz上，無法完全發(fā)揮出逆變焊機(jī)小型化和便攜性的特點(diǎn)。另外，焊機(jī)類設(shè)備的耗電量占我國年發(fā)電總量的5‰，被列為十大高能耗產(chǎn)品之一。因此，將軟開關(guān)技術(shù)引入逆變焊機(jī)領(lǐng)域，對于減小開關(guān)損耗、提高開關(guān)頻率、減小體積重量以及節(jié)約能源等具有至關(guān)重要的作用。全橋變換器由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以方便地工作于多種軟開關(guān)模式下，并具有功率器件電壓額定值小、變壓器利用率高、濾波電感小等優(yōu)點(diǎn)，而且可以工作在電壓、電流兩種模式下。其中電流模式特別適合應(yīng)用在高頻逆變焊機(jī)的控制上。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于峰值電流控制模式的全橋移相諧振逆變弧焊電源。


1 結(jié)構(gòu)組成及功能

基于峰值電流模式的全橋移相諧振逆變弧焊電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

220V交流市電經(jīng)整流濾波后做為全橋逆變器的直流輸入，其輸出為脈寬可調(diào)的高頻交流電壓方波，通過高頻變壓器隔離降壓后，再經(jīng)過輸出整流濾波得到滿足焊接要求的直流電源。

基于峰值電流控制的移相控制電路是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分。所謂峰值電流控制，即逐個(gè)脈沖電流限制，就是通過實(shí)時(shí)檢測流過變壓器原邊的電流波形，由其峰值到達(dá)給定的時(shí)刻決定輸出PWM脈沖的寬度．使得主開關(guān)管的導(dǎo)通電流瞬態(tài)值具有相對獨(dú)立性。能夠快速地獲得焊機(jī)T作所需的理想電流特性曲線．提高其動態(tài)響應(yīng)速度和可靠性。并有助于克服全橋變換器所固有的偏磁問題。外特性控制電路根據(jù)原邊電流峰值和副邊輸出電壓的反饋量與給定量的偏差判斷系統(tǒng)的工況，并通過移相控制電路調(diào)節(jié)輸出脈寬，實(shí)現(xiàn)對輸出電流的閉環(huán)控制，使逆變焊機(jī)具有理想的工作特性曲線。

圖2所示即為高頻逆變焊機(jī)所普遍采用的一種行之有效的恒流帶外拖的外特性曲線。其中Uk為空載電壓，即焊機(jī)不工作時(shí)的輸出電壓。一個(gè)較高的空載電壓有助于起弧階段快速建立起穩(wěn)定的工作狀態(tài)。一般空載電壓為90V左右；AB段為起弧階段，即焊機(jī)建立工作狀態(tài)的過渡過程，近似于恒壓輸出。這個(gè)過程中變換器以最大脈寬輸出，以最快速度達(dá)到設(shè)定工作電流時(shí)該階段結(jié)束；BC段為穩(wěn)定工作階段，近似為恒流過程，使焊機(jī)具有一個(gè)平穩(wěn)、恒定的工作電流；CD段為外拖階段，由于焊機(jī)在頻繁的起弧和工作過程中焊槍很容易和工件短路粘連，造成焊接過程不順暢，如果此時(shí)系統(tǒng)檢測到一個(gè)較低的短路電壓后能夠相應(yīng)地增大輸出電流值，就可以將粘連部分熔斷，從而獲得一個(gè)連續(xù)、平穩(wěn)的焊接過程。

此外，本系統(tǒng)還包括一系列輸入過、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)以及給定電流和實(shí)際工作電流切換顯示等功能。

2 主電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用的全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。主電路中選用了MOSFET作為主功率開關(guān)器件，這是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的設(shè)計(jì)頻率為100 kHz，而與IGBT一般最高工作在幾十kHz相比，MOSFET的工作頻率則要高的多。另外由于MOSFET自身帶有反并聯(lián)二級管和較大的輸出電容，如圖3中D1～D4、C1~C4所示，為軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)提供了便利條件。變壓器副邊輸出整流結(jié)構(gòu)有全波整流(變壓器副邊三抽頭+兩只二級管)和全橋整流(變壓器副邊兩抽頭+四只二級管)兩種結(jié)構(gòu)可供選擇，前者適合于輸出低壓大電流的場合，后者適合于輸出高壓小電流場合。由于逆變焊機(jī)可看作是一個(gè)低壓大電流源．因此選用全波整流。

本方案選用移相的控制方式，比較適合于選用MOSFET作為主開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其工作過程大致可分為功率傳輸階段、超前臂諧振階段、環(huán)流階段、滯后臂諧振階段以及電流反向階段等幾個(gè)過程。需要強(qiáng)調(diào)的是，在滯后臂諧振階段，由于D5和D6同時(shí)換流將副邊短路，輸出濾波電感Lf無法協(xié)助變壓器原邊漏感Llk參與諧振過程，因此滯后臂軟開關(guān)條件不容易滿足。

與常規(guī)全橋變換器相比，本方案在電路結(jié)構(gòu)上做了如下改進(jìn)。

(1)在Llk的基礎(chǔ)上，原邊串入一個(gè)輔助諧振電感Ls。這有助于克服滯后臂諧振過程中只有Llk單獨(dú)參與諧振，導(dǎo)致諧振能量不足、軟開關(guān)范圍受限的缺點(diǎn)。但是另一方而，原邊電流反向過程中又希望原邊電感值越小越好，以增大電流變化斜率、減小占空比損失。因此輔助諧振電感的大小要權(quán)衡各種因素后合理選取，最好使用飽和電感，可以方便地動態(tài)調(diào)節(jié)。

(2)原邊串入無極性隔直電容C5。全橋變換器工作時(shí)變壓器雙向激磁，存在固有的偏磁問題。造成的原因是正負(fù)脈沖不對稱，變壓器電壓存在直流分量，使偏磁迅速積累至磁芯飽和，導(dǎo)致電流無限制上升，逆變失敗。加入一個(gè)無極性隔直電容，可有效防止直流偏磁。另外本系統(tǒng)采用峰值電流控制，逐個(gè)限制每個(gè)電流脈沖的峰值，迫使正負(fù)脈沖波形對稱。兩者配合使用可從根本上解決偏磁問題。

(3)在輸出整流部分引入一個(gè)反并聯(lián)的續(xù)流二級管D7。在環(huán)流階段，由濾波電感Lf提供的負(fù)載電流大部分可以通過D7構(gòu)成回路進(jìn)行續(xù)流，可以有效減小由變壓器副邊反射到原邊的續(xù)流電流，從而減小占空比損失和環(huán)流階段的導(dǎo)通損耗。

(4)加入吸收電路。由于輸出整流二級管反向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)較高的電壓過沖和高頻震蕩，容易損壞二級管并發(fā)熱嚴(yán)重。加入由Rs和Cs構(gòu)成的吸收電路后，可明顯改善整流電壓波形。另外如有需要，主開關(guān)器件兩端也可并聯(lián)RCD網(wǎng)絡(luò)。

3 控制電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)前述逆變焊機(jī)恒流帶外拖的特性曲線，本方案選用UNTRODE公司的專用集成移相芯片UC3879，并配合外圍電路，通過多環(huán)分段控制方法來完成控制要求。

UC3879是一種能進(jìn)行相位調(diào)制的PWM專用集成芯片。可獨(dú)立調(diào)節(jié)兩對互補(bǔ)輸出脈沖的死區(qū)時(shí)間，為兩橋臂不同的諧振過程創(chuàng)造條件。其相位調(diào)制原理為：給定指令信號由芯片腳3(EA)端輸入，經(jīng)內(nèi)部誤差放大器后輸出誤差信號Ve，與由芯片腳19(RAMP)端輸入的鋸齒波進(jìn)行比較，輸出脈寬可調(diào)的PWM波形，去改變兩橋臂的相位關(guān)系。