一种具PFC功能的宽电压半桥软开关逆变式焊割机讲解.docx
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一种具PFC功能的宽电压半桥软开关逆变式焊割机讲解
专利说明书
非对称半桥ZVS软开关逆变式焊割电源
技术领域
本发明涉及焊接/切割电源，尤其是一种非对称半桥ZVS软开关逆变式焊割电源。
背景技术
目前高频化已成为逆变式焊割电源的重要特点，高频化可以使逆变式焊割电源具有更高的功率密度，更加节约铜材、钢材、铝材等有色金属的用量，使电源结构更加牢固可靠；而且响应能力更加快速，电流、电压控制精度更高。
但由于电力电子开关器件的开关损耗与逆变频率成正比，频率越高，器件和电路的损耗就越大，逆变器的效率就越低。
所以，一般采用硬开关逆变方式的普通逆变式焊割电源的焊割性能和能效比就显得非常不足了，存在以下缺点：
1，逆变器的电力开关器件电压、电流应力很大，很容易失效和被损坏。
2，开通和关断时在逆变器的电力开关器件上有很大的电压、电流重叠期间，此期间，电力开关器件工作在线性区，使得开通和关断期间产生很大的功率损耗，开关器件发热严重，极易因过热而损坏。
为降低电力开关器件的工作温度以提高其可靠性，必须设计庞大而复杂的散热降温系统。
3，逆变器的开关器件在开通和关断时有很高的电压变化率和电流变化率，这样会产生很强的电磁干扰，使得电磁干扰的防护变得很困难，EMC器件庞大而复杂，成本高。
4，普通逆变式焊割电源的逆变频率不能过高，一般只能在不高于20KHz的范围内，故其功率密度不大，铜材、钢材、铝材等有色金属的用量也大，同时，由于逆变频率不够高，动态响应速度不够快，控制精度高不够高，大大限制了其自动化、精细化方面的运用。
因此，高频化的软开关逆变电源技术的运用就成为必然。
目前采用软开关技术的逆变式焊割电源主要为移相式全桥软开关电路拓扑结构，这种电路的缺点是：
1，移相全桥的软开关逆变电路很难在空载﹑轻载和短路情况下满足软开关的条件。
2，有固有的环流需要抑制，这种电路会损失占空比，为满足输出电压的要求，往往提高逆变变压器的变比，这样就加重了逆变开关器件的电流应力。
3，需要四组载流能力和耐压都相同的电力开关半导体器件，器件成本相对较高。
4，四组电力开关器件的驱动既有相序要求又有时序的要求，驱动电路较复杂，生产﹑调试和服务成本偏高。
发明内容
本发明要解决的问题是，采用一种新型的非对称半桥软开关逆变技术，使得逆变开关器件在软开通软关断的条件下工作，其开关电压应力和电流应力都大为减小，开关损耗也大为减小，器件发热大为减小，同时电磁干扰幅度也大为减小，因此可以工作于更高（100KHZ左右）逆变频率上，其功率密度大，铜材、钢材、铝材等有色金属的用量小，动态响应速度快，控制精度高，很方便于自动化、精细化方面的运用；由于采用和普通半桥一样的电路拓扑结构，使得逆变器结构牢固，器件成本低，控制电路简单，便于维护和检修。
为达到以上目的，本发明“非对称半桥ZVS软开关逆变式焊割电源”包括按设备的电功率流向而顺序连接的：
输入滤波电路（EMC）、一次侧整流滤波电路、非对称半桥软开关逆变电路、隔离变压器和二次侧整流滤波电路以及主控制板电路，主控制板电路既和二次整流滤波电路联通又和非对称半桥软开关逆变电路联通。
附图说明
图一是本发明的电路方框图
图二是本发明的主回路原理图
图三是本发明的主控制板电路图
具体实施方式
如图一所示：
本发明“非对称半桥ZVS软开关逆变式焊割电源”包括按设备的电功率流向而顺序连接的：
输入滤波电路（EMC）1、一次侧整流滤波电路2、非对称半桥软开关逆变电路3、隔离变压器4和二次侧整流滤波电路5以及主控制板电路6。
主控制板电路6既和二次整流滤波电路5联通又和非对称半桥软开关逆变电路3联通。
图一中各电路的构成和相互连接关系见图二。
如图二所示：
输入滤波电路（EMC）1由电源开关S1，差模滤波电容C28和C33，共模滤波电容C29、C30、C31、C32以及共模滤波电感L1组成。
电网干扰信号通过上述滤波器的滤除，使得本焊割电源免受外界电磁干扰，提高稳定性；同样，本焊割电源产生的干扰信号会也会被上述滤波器滤除，使得本焊割不会对外界产生电磁干扰，提高其他设备的稳定性。
一次侧整流滤波电路2由整流桥BR1和电容C34、C35组成。
交流电压、电流通过整流桥BR1整流成直流电压、电流，经过电容C34、C35滤波后送到非对称半桥软开关逆变电路3。
电阻R25为电流泄放电阻，其作用是在关机的情况下，泄放掉电容C34、C35的电荷以保证安全。
非对称半桥软开关逆变电路3，由两组绝缘栅场效应电力开关器件Q1、Q2顺向串接组成半桥拓扑结构，R26、R27分别为两组绝缘栅场效应电力开关器件的栅极串接驱动电阻，电容
C36和C37为谐振电容，它们与饱和电感L2和中频变压器T1的漏电感组成软开关谐振电路。
以保证主开关器件Q1、Q2零电压导通，零电压关断（ZVS）。
电容C40隔直电容，其容量足够大，以至于电力开关器件Q1和Q2的每次导通电容C40上的电压基本维持不变。
从插座A1输出宽度为T
on
驱动脉冲信号送到绝缘栅场效应电力开关器件Q1栅极；从插座
A1输出和Ton互补的T
off
（T
off
=T-T
on
驱动脉冲信号送到Q2栅极（其中T
on
+T
off
=T，T为整个
脉冲周期，Ton为Q1的导通时间/Q2的关断时间，T
off
为Q1的关断时间/Q2的导通时间），使得
电力开关器件Q1在一个脉冲周期里导通Ton时间（小于一个周期的50%），而电力开关器件Q2
则在Q1关断后的的周期剩余时间内互补导通Toff（T
off
=T-T
on
时间（大于一个周期的50%），
这种非对称的导通和关断，就创造了电力开关器件Q1和Q2的软开关（ZVS）工作条件。
隔离变压电路4由具有一次侧绕组和二次侧绕组的中频变压器T1担当，中频变压器T1一次侧绕组的一头经过饱和电感L2接直流母线的负端，另一头经过隔直电容C40后接逆变电路半桥桥臂中点A，二次侧接到二次侧整流滤波电路上。
一次侧绕组和二次绕组是通过绝缘材料安全绝缘的。
二次侧整流滤波电路5由快恢复整流二极管D13、D14，滤波电感L3以及阻容吸收电阻R28、R29和阻容吸收电容C38、C39等组成。
主控制电路6，由内部的电流给定、电流反馈、PWM脉宽调制电路、互补脉冲信号产生电路和隔离驱动电路等构成。
一，非对称半桥软开关逆变功能的实现：
参见图二，绝缘栅场效应电力开关器件Q1和Q2顺向串接成半桥结构，从插座A1输出宽
度为Ton驱动脉冲信号送到绝缘栅场效应电力开关器件Q1栅极；从插座A1输出和T
on
互补的
Toff（T-T
on
驱动脉冲信号送到Q2栅极。
使得电力开关器件Q1在一个脉冲周期里导通T
on
时间（小
于一个周期的50%），而电力开关器件Q2则在Q1关断后的本周期剩余时间内互补导通Toff（T-Ton
时间（大于一个周期的50%），这种非对称的导通和关断，就为电力开关器件Q1和Q2的软开关（ZVS）的提供了必要的开关时序工作条件。
C36和C37为谐振电容，与饱和电感L2一起，配合电力开关器件Q1和Q2的互补通断时序，为电力开关器件Q1和Q2零电压开通和零电压关断创造条件。
T1为隔离变压器，T3为一次侧电流互感器，L2为饱和电感，L3为二次侧滤波电感。
电路工作原理如下述：
假设电路工作时电力开关器件Q1先导通，电流会沿着“+”→“Q1”→“A”→“C40”→“T1一次侧”→“L2”→“-”。
变压器T1将电能传送到二次侧，二次侧整流二极管D13导通，电感L3储能，电路为负载供电。
电力开关器件Q1开通时刻，由于饱和电感L2的
作用，流过饱和电感L2和电力开关器件Q1的电流会从零开始线性上升。
电力开关器件Q1开通后，A点电位就等于母线正电位，电流为隔直电容C40充电，由于C40容量足够大，所以在整个充电过程中，C40上的电压基本不变。
一段时间后电力开关器件Q1PWM关断，由于二次侧电感L3中电流不能突变，映射到隔离变压器T1一次侧的电流也不能突变，于是电流改变路径为“A”→“C40”→“T1一次侧”→“L2”→“-”。
这个过程会对电容器C36充电，电容C36端电压从零线性上升；这个过程也会对电容器C37放电，电容C37端电压从母线电压Ui线性下降，故电力开关器件Q1关断时其端电压从零开始线性上升，属于零电压关断。
当电容C36端电压从零线性上升到母线电压，电容C37端电压从母线电压Ui线性下降到零时，二次侧整流二极管D13电流逐步分流到整流二极管D14上，二次侧整流二极管D13和D14将同时导通，变压器一次侧和二次侧都等效于短路；同时一次侧电流改变路径，将沿着“-”→“Q2体内二极管”→“C40”→“T1一次侧”→“L2”→“-”流动并且很快衰减到零。
这时电力开关器件Q2互补导通。
Q2导通时刻，其端电压为零，故电力开关器件Q2的开通属于零电压开通。
电力开关器件Q2开通后，隔直电容C40上存储的电压加到饱和电感L2和隔离变压器T1的一次侧，电流流动路径为：
“C40正端”→“A”→“Q2”→“L2”→“T1一次侧”→“C40负端”。
变压器T1将电能传送到二次侧，二次侧整流二极管D14导通，电感L3储能，电路为负载供电。
周期结束时，电力开关器件Q2关断，由于二次侧电感L3电流不能突变，映射到隔离变压器T1一次侧的电流也不能突变，电流改变路径为“-”→“L2”→“T1一次侧”→“C40”→“A”。
这个过程会对电容器C37充电，电容C37端电压从零线性上升；这个过程也会对电容器C36放电，电容C36端电压从母线电压Ui线性下降，故电力开关器件Q2关断时其端电压从零开始线性上升，属于零电压关断。
当电容C37端电压从零线性上升到母线电压，电容C36端电压从母线电压Ui线性下降到零。
二次侧整流二极管D14电流逐步分流到整流二极管D13上，二次侧整流二极管D13和D14将同时导通，变压器一次侧和二次侧都等效于短路。
此后，由于饱和电感L2和中频变压器T1的漏感等使一次侧电流再次改变路径将沿“-”→“L2”→“T1一次侧”→“C40”→“A”→“Q1体内二极管”→“+”流动并很快衰减到零。
此后Q1开始下一个周期的PWM开通，此时Q1端电压为零，故Q1的开通属于零电压开通。
如此周而复始，就实现了非对称半桥ZVS软开关逆变功能。
可以看出，两组电力开关器件都工作于零电压开通、零电压关断的状态，实现了电力开关器件的软开关功能，达到了减小电力开关器件电压应力，减小了引起电磁干扰的开关时的电压变化率，减小了电力开关器件因开关损耗带来的发热热量。
使得焊割电源即使在较高频率下，电力开关器件也只承受很小的开关
电压电流应力，只有很小的电磁干扰和开关损耗带来的发热热量。
二，满足非对称半桥软开关逆变功能的驱动脉冲电路实现
参见图三，U1为一电流型PWM集成电路，其1脚为软启动端，外接分压电阻R1、R9和电容C6组成软启动定时电路；2脚为5.1V内部基准稳压电源，C8为其退藕电容；3脚和12脚接电源地；4脚为一次侧脉冲电流信号输入端；5脚为误差信号电压输入端，5脚6脚和7脚内部为一运放电路，5脚为该运放输入同相端，6脚为该运放电路反相端，7脚为该运放输出端，6脚7脚相连，内部运放接成了以5脚为输入端的射极跟随器；8脚外接电容C9为PWM定频电容；9脚外接电阻R11为PWM定频电阻；10脚为同步信号输出端；11脚和14脚为PWM脉冲信号的两个反相位输出端，我们只取出其中14脚的PWM脉冲信号；13脚和15脚为电源供电端，C10为其退藕电容；16脚为脉冲关断端。
从14脚输的PWM脉冲信号一路送到由集成电路U3A、U3B和电阻R7二极管D2电容C12等组成的PWM脉冲开通延时电路，经延时一个死区时间后，送到半桥驱动集成电路U4的2脚；另一路送到由集成电路U3C电阻R12二极管D5电容C11等组成的互补脉冲开通延时电路，经延时一个死区时间后倒相，形成互补脉冲驱动信号，送到半桥驱动集成电路U4的3脚。
经过半桥驱动集成电路U4的隔离和电流放大后，通过插座A1送至电力开关器件Q1和Q2栅极。
死区时间是根据所用的绝缘栅场效应电力开关器件的开关参数来决定和设计的，死区时间一般应略大于绝缘栅场效应电力开关器件在最高工作温度运行时的开通时间和关断时间的总和。
这两组驱动脉冲信号使得电力开关器件Q1PWM开通关断，Q2互补开通关断。
这样，就为实现非对称半桥ZVS软开关提供了合符时序的驱动脉冲信号。
由于电力开关器件的导通时间不等，造成隔离变压器T1一次侧会有直流分量流过，因此，本非对称半桥ZVS软开关逆变式焊割电源的隔离变压器T1，必须开有足够的磁路气隙。
三，焊割其他功能的实现
1，焊割电流给定和反馈，PWM调节和焊割电流显示：
由电位器RT1、RT2、RT3（参见图二）组成焊割电流给定路。
其中，电位器RT3的滑动点给出正的给定信号电压，通过电位器RT1送到误差比较点E点。
分流器FL1（参见图二）上采集的数值为负的电流反馈信号电压经电容C27高频滤波后通过电阻R24也送到误差比较点E点。
该误差信号经由集成电路U2C，电阻R19、R20电容C17、C19和二极管D8、ZD3等组成的误差放大器放大调节后送到集成电路U1的5脚。
另外，一次侧的电流脉冲信号通过互感器T3（参见图二）采集后，由D6整流，C20高频滤波，在采样电阻R21上取得幅度和一次侧脉冲电流幅度成正比的脉冲电压信号，该信号一路经电阻R5、R6和电容C4组成的阻容网络后送到集成电路U1的16脚作过流关断信号；另一路
经电阻R10、R16、R17、R18和电容C18组成的阻容网络后送到集成电路U1的4脚，在4脚和锯齿波补偿信号合成后在集成电路U1的内部和集成电路U1的5脚送来的误差信号比较，生成PWM脉冲，通过集成电路U1内部电路锁相、分频后分别从其11脚和14脚输出互补的PWM信号。
集成电路U1的8脚输出的锯齿波经过集成电路U2B射极跟随放大后，经过由电阻R8、R15和电容C7、C16组成的阻容网络后作为补偿用锯齿波信号。
由电阻R22、R23和电容C21以及DGM1（参见图二）组成焊割电流数字显示电路。
2，欠压，过流和过热保护功能的实现由集成电路U2A及电阻R2、R3组成欠压保护电路，当电网电压过低使得控制电路板+15V电压不足时，集成电路U1会输出高电位，通过二极管D1导向，电容C3滤除干扰后通过电阻R4送至集成电路U1的16脚，使得集成电路U1关断PWM输出。
当一次侧电流超过设定值，经互感器T3（参见图二）检出，整流二极管D6整流，电容C20滤波后，在采样电阻R21上取得过流信号，经R5、R6分压，C4滤波后送至集成电路U1的16脚，关断PWM输出。
当某种原因使得逆变器的电力开关器件温度过高，则安装在电力开关器件散热器上的温度继电器TS1（参见图二）会断开（正常时为常闭状态），电位器RT3（参见图二）+5V电压端失去电压，电流给定电压为零，焊割电源停止输出电流，直到温度降低为止。
由整流二极管D9、D10、D11、D12滤波电容C22、C23、C24、C25、C26三端集成稳压电路U5、U6、U7等组成稳压电源电路，为整个主控制板和焊割电流数显表供电，工频交流变压器T2（参见图二）为整个控制板电路的供电变压器。
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