变极性电源二次逆变回路设计.pdfVIP

姚河清等：变极性电源二次逆变回路设计 变极性电源二次逆变回路设计 姚河清 丁坤 祈涛 姚诗涛 （河海大学机电学院） 摘 要：变极性电源要求电流换向频率，正负半波电流幅值比、时间比独立可调；换向时电流变化速度快，以防 止熄弧；从电源工作稳定性考虑，必须尽量减小换向时的电流冲击，保证功率器件不被烧坏；要尽量减少器件损 耗，提高电源工作效率等。本文比较了当前应用的两种二次电路的优缺点，设计了一种串联耦合电感的半桥拓扑， 试验验证该拓扑可较好地满足了工作要求。 1 全桥二次主回路 [1] 全桥结构的二次逆变电路如图 1 所示 。图1 中T1～T4 表示参与换向的四个开关管IGBT 。L 为滤波 电感，C0 为二次逆变母线间缓冲电容，在焊接电流间断和换向期间吸收一次直流源的能量；L0 为回路电 感，该值大约在4～8uH 之间。R0 为电弧等效阻尼。T1 和T4 开通时工件接正（DCEN ）。T2 和T3 开通时 工件接负（DCEP ），钨极为阳极，发射正电子击碎铝工件表面的氧化膜 Al O 。两组管子交替导通，从而 2 3 获得变极性电流输出。 I0 L T1 C1 D1 T2 C2 D2 U2 C0 L0 R0 T3 C3 D3 T4 C4 D4 图1 全桥结构二次主回路 该电路的最大优点在于，滤波电感L 可将一次逆变以及变压器和二次换向电路隔离开来，变压器不会 因为二次换向而产生单向磁饱和现象。二次侧可以完全独立于一次侧工作，一、二次驱动信号没有同步的 必要，电源的控制系统相对简单。 缺点： 1）效率低 每种电流极性下都有两只 IGBT 串联导通，考虑到二次侧大电流低电压的工作条件，以及电弧电压只 有20V 左右，因此IGBT 的管压降带来的功耗比例相当大。 2 ）成本高 由于交流方波电源的功率一般都比较大，而通过IGBT 的电流即是输出电流，所以选择的器件电流定 额大、价格较高。还需要有相应的驱动电路，缓冲电路以及保护电路。为了保证整机的负载持续率，加在 IGBT 上的散热器体积也要大一倍。 3 ）换向易熄弧 为保护换向时IGBT 不被电压击穿，必须有足够大的缓冲电容C 来吸收电感上的能量。缓冲电容的增 大会导致换向电流的变化速度降低，进而削弱了电弧的热惯性，容易造成小电流时换向熄弧。实验中发现， 全桥二次结构的换向熄弧在小电流时最明显。如图2 所示，就是DCEN 电流为25A ，由DCEN 向DCEP 换 向失败（a 点），发生了熄弧。 191 第五届全国计算机在焊接中的应用学术与技术交流会论文集，2008 年10 月29 日-11 月3 日，广西南宁 图2 电流换向熄弧 4 ）谐振尖峰大 根据前文分析，在DCEP 向DCEN 换向开始阶段，钨极温度很高，换向后钨极有很强的热发射电子能 力。由此计算得到的等效阻尼非常小。此时C0 和L0 以及等效阻尼R0 组成的RLC 谐振回路将形成很大的 谐振电流尖峰。该电流远远大于设定电流I0 ，严重时将烧损电源。 5 ）引弧困难 高频引弧是TIG 焊中常用的引弧方法。但若在全桥结构中使用高频引弧，则高频高压信号将直接串入 IGBT，很容易导致开关器件的损坏。若使用接触引弧，由于缓冲电容 C0 和电弧属于并联关系，接触引弧 时必须先将C0 充电至电弧电压甚至更高。由于缓冲电容数值较大，引弧成功前电弧等效阻尼很大，因此充 电时间相对较长，引弧困难。 可以说