2 软开关解决电源可靠性.docx
- 文档编号:16237674
- 上传时间:2023-07-12
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:201.35KB
2 软开关解决电源可靠性.docx
《2 软开关解决电源可靠性.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2 软开关解决电源可靠性.docx(12页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
2软开关解决电源可靠性
摘要:
软开关技术是解决逆变弧焊电源可靠性的核心技术。
本文提出了一种新的软开关逆变弧焊电源的设计方案,该方案基本上可实现空载、短路、燃弧全负载范围内的软开关状态。
本文分析了超前臂的关断功耗与并联电容之间的关系,串联电容及回路电感对环流期的电流变化的影响。
并指出了滞后桥臂零电流关断区域,以及超前臂和滞后臂的零开通条件。
在此基础上提出了引入无功电流分量解决空载及轻载时软开关失败问题的方案,以及几个主要谐振参数的设计方法。
在实践中采用本方案表明,降低了开关应力及损耗,提高了整机可靠性,降低了弧焊电源的成本。
关键词:
软开关;逆变;弧焊电源
中图分类号:
TG444
文献标识码:
A
文章编号:
0253-360X(2002)01-14-05
0序言
软开关逆变技术已成功应用于众多电源中,但在逆变弧焊电源的应用中,由于弧焊电源经常工作在输出开路、短路、燃弧等状态中,负载范围宽,在整个负载范围内实现软开关难度大。
现在逆变焊机中软开关控制方式主要分为两种,第一种是串联谐振式的调频工作方式(PFM),这种方式弧焊电源空载时的无功电流太大,主回路中电流峰值很高,存在电流连续与非连续两种状态,控制复杂,仅美国米勒公司在某些类型的焊机中采用;第二种是全桥移相谐振的脉宽调制工作方式(PWM),由于采用PWM控制,控制特性较好,回路中电流峰值低,但实现软开关的条件范围窄[1],本研究提出一种新的软开关逆变弧焊电源的设计方案,解决如何在整个工作范围实现逆变弧焊电源软开关的问题。
1主回路设计与实现
1.1主回路形式
主回路选用改进型的全桥相移谐振式电路,如图1所示。
Q1,Q3为超前臂;Q2,Q4为滞后臂;C1,C3为超前臂电容;C2,C4为滞后臂电容;C1=C3≥C2=C4,CX为抑制环流电容,LX1为变压器回路等效漏感,LX2为饱和电感,B为变压器。
E为输入电压,Uo为输出电压。
1.2控制方式
(1)采用峰值电流控制模式,既保护了开关管又可有效抑制变压器偏磁。
(2)软开关实现模式为Q1,Q3为PWM控制;Q2,Q4为互补180°导通,不进行PWM调制。
整个工作过程分为四个模式。
1.3电路的实现
1.3.1实现中的几个主要问题
(1)元件选择
将以上计算应用于ZX7系列及NBC系列逆变焊接电源的设计中,以ZX7-500电源为例,其功率管可用100A/1200V的IGBT,主变压器采用非晶铁芯绕制,串在变压器原边的电容采用高频CBB系列电容。
(2)控制回路的实现
由于没有此种导通模式的专用芯片,本设计是在电流型芯片UC3846的基础上改造使用。
(3)实现中的难点
饱和电感由于功耗很大、发热,且电感量易发生变化,设计应选择损耗小、矩形度好的铁芯材料。
1.3.2主电路中的几个波形
主电路中的几个波形如图3所示。
2主回路中参数选择计算
以ZX7系列焊机为例,焊接电源的外特性曲线如图4所示。
弧焊电源要可靠工作必须满足在ADBO整个包络线内的所有点上C1,C2,C3,C4要换流充分,否则开通时IGBT两端并联的电容将直接向IGBT放电,使开关器件IGBT损坏。
2.1空载、轻载时C1,C3的换流问题
图4中A点及附近点区域输出电流很小基本上为零,即焊机为空载状态或轻载,此时输出为最大脉宽,C1,C2,C3,C4电容无法进行换流,造成软开关模式失败。
解决方法是在逆变桥内引入无功电流,使超前臂和滞后臂电容换流完毕,由于C1=C3,C2=C4,故主要考虑超前臂的换流,换流无功电流大小满足式为
式中:
IS为换流期间的无功电流;tS为死区时间;E为电源电压。
2.2超前臂电容大小的确定
超前臂为负载换流,C1,C3的作用是降低关断损耗和改善关断轨迹,等效电路如图5所示。
图中C是等效的超前臂电容;Io是输出电流折算到原边回路的等效恒流源。
假定U是IGBT的c、e两端电压,I是流过IGBT中的电流,Ucg是c、g两端电压,Uge是g、e两端电压。
由于EUge,所以Ucg≈U,IC是流过C中的电流。
2.2.2IGBT的关断功耗
IGBT的关断分为两部分,一是场效应管的关断过程,二是内部载流子的自身复合过程。
整个关断过程可等效如图6[2]所示。
图中tOFFA为电流下降时间;tOFFB为电流拖尾时间,关断过程的IGBT上的功耗主要由tOFFA,tOFFB决定,设关断电流简化为线性下降,关断时间为tOFF见图6。
IGBT中的电流为
根据式
(2)可计算出电容量大小。
2.3环流过程分析及串联电容的计算
超前臂关断后,电路进入环流阶段,变压器回路中电流通过串联电容CX基本上线性衰减,使回路中通态损耗变小,滞后臂关断时损耗变小,关断时电流为零最理想。
假设环流时等效电路如图7所示,在以下分析略去滞后臂的关断死区时间。
LX1为等效漏抗;LX2为饱和电感;CX为串联电容,假设LX2饱和电流相对于工作电流约为零,电容电压幅值为UC,LX1初始电流为Io,K在1位为超前臂导通,K在2位时为环流位置。
tON为超前臂导通时间。
t是电流衰减约为零的时间。
K在位置1时,即导通期间tON内,电容CX上的电压变化为
设弧焊电源逆变频率为50kHz,利用式(8)、(9)可得一簇曲线,如图8所示,曲线与直线tON+t=10μs的交点为零关断区的范围,在图中取一曲线可看出,
当tNO在A~B范围内都可保证为滞后臂零电流关断。
选定一条曲线,来保证tON工作范围,此曲线对应一个LX·C值。
电路中的LX值已知后,可选定C值。
LX主要由漏抗来决定,可以测量出来。
2.4开关管的零开通条件及饱和电感的工作状态
饱和电感的磁链数可用伏秒积来表示,饱和电感LX2的工作状况主要有几个阶段,如图9所示。
(1)在B点之前LX2为饱和状态;
(2)在环流期BC段的饱和电感的伏秒数为UC·tBC;(3)死区CE段中的CD段饱和电感的伏秒数为(UC+E)tCD,DE段电流反相饱和电感的伏秒数为
UC·tDE;(4)在IGBT开通初期,LX2上的伏秒数为(UC+E)tEF,其中A、B、C、D、E、F定义如图9中所示。
A点为超前臂关断点,B点为LX2的饱和电流点,C点为滞后臂关断点,D点为LX2电流反相点,E点为IGBT开通时刻,F点为饱和LX2的饱和点。
总之,LX2的总磁链数保证tEF的值大于IGBT的开通时间tON1,来保证IGBT的零电流开通,即tEF-tON1≥0,tEF-tON1的值称为占空比损失,tON1为IGBT的开通时间。
实际中LX随温度改变而变化。
故LX2的选择还需通过试验进行调整。
3生产应用
该方案已成功应用于实践,并推广至平特性、下降特性弧焊电源,使得此类弧焊电源可靠性增加,成本下降,并且此方案已在奥太焊机上应用,生产数千台弧焊电源,取得明显经济效益。
4结论
(1)本文提出的计算方法,可正确地计算出软开关的工作区域,以及开关管的工作状态。
利用本文提出的计算方法,可得到开关管的关断损耗及主回路中几个主要参数值。
(2)本文提出了一种实现全负载软开关的方案,经实际应用取得良好效果
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 软开关解决电源可靠性 开关 解决 电源 可靠性
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)