李 林

(成都紡織高等專(zhuān)科學(xué)校 電子信息與電氣工程系，四川 成都 611731)

輸入/輸出并聯(lián)直流變換器在逆變焊機(jī)中的應(yīng)用

李 林

(成都紡織高等專(zhuān)科學(xué)校 電子信息與電氣工程系，四川 成都 611731)

輸入/輸出并聯(lián)型直流變換器能降低開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)應(yīng)力，適用于高輸入電壓、低輸出電壓、大電流、大功率的焊接系統(tǒng)。分析了逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)管發(fā)展，輸入/輸出并聯(lián)直流變換器的工作原理，重點(diǎn)分析了并聯(lián)變換器均流控制的方法。針對(duì)其工作時(shí)存在不均流現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)各變換器的輸出電流采樣并比較后去控制IGBT的導(dǎo)通時(shí)間(占空比)來(lái)達(dá)到均流。通過(guò)理論分析和仿真試驗(yàn)驗(yàn)證以上方法的可行性，試驗(yàn)表明輸出直流電壓的紋波小、質(zhì)量高。

直流變換器；并聯(lián)均流；DSP

0 前言

隨著逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展和半導(dǎo)體器件的成熟，逆變焊機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，逆變焊機(jī)的電路結(jié)構(gòu)一般是整流后逆變成不同頻率的電流波形。由于逆變出來(lái)的電流頻率高，因此，其控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性和焊機(jī)體積、質(zhì)量都有所改善。逆變焊機(jī)隨著開(kāi)關(guān)管的發(fā)展相繼經(jīng)過(guò)了晶體管逆變焊機(jī)、晶閘管逆變焊機(jī)、場(chǎng)效應(yīng)管逆變焊機(jī)、IGBT逆變焊機(jī)。

早期的晶閘管器逆變焊機(jī)主電路采用半橋串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)。由于晶閘管是半控器件，無(wú)法自動(dòng)關(guān)斷，必須利用諧振電路中諧振電流自然過(guò)零關(guān)斷，快速晶閘管的逆變頻率低，約2～3 kHz，但是這個(gè)頻率對(duì)CO2氣體保護(hù)焊的焊接過(guò)程仍無(wú)法進(jìn)行精細(xì)控制，因此，晶閘管逆變焊機(jī)一般用在焊條電弧焊/氬弧焊系列焊機(jī)；隨著大功率晶體管的出現(xiàn)，產(chǎn)生了大功率晶體管逆變焊機(jī)，晶體管是全控器件，主電路結(jié)構(gòu)靈活，有單端、半橋、全橋等，逆變頻率達(dá)到了20 kHz，雖然逆變頻率的提高，減小了逆變焊機(jī)的體積和質(zhì)量，但是大功率晶體管有二次擊穿現(xiàn)象，易損壞，可靠性低，很快被功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極性晶體管所代替；場(chǎng)效應(yīng)管具有工作頻率高、無(wú)二次擊穿、電壓驅(qū)動(dòng)，易并聯(lián)等特點(diǎn)，在小容量逆變焊機(jī)中得到迅速應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)管單只容量較小且耐壓較低，因此，場(chǎng)效應(yīng)管逆變焊機(jī)大多集中在單相輸入和輸出容量較小的品種，主電路多為全橋逆變形式，為增加功率容量和電壓等級(jí)，需要多個(gè)功率單元并聯(lián)和串聯(lián)。這樣多個(gè)功率單元的串、并聯(lián)后使系統(tǒng)的可靠性降低，因此，大功率場(chǎng)效應(yīng)管逆變焊機(jī)應(yīng)用較少；IGBT具有場(chǎng)效應(yīng)管電壓驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，電壓等級(jí)和電流容量相比場(chǎng)效應(yīng)管大，因而在中大功率逆變焊機(jī)得到廣泛的應(yīng)用，其工作頻率達(dá)到20 kHz以上，以半橋和全橋?yàn)橹?，焊機(jī)輸出容量等級(jí)為200～2 000 A?，F(xiàn)在在弧焊領(lǐng)域中IGBT逆變焊機(jī)已經(jīng)成為逆變焊機(jī)的主流[1]。

在此分析輸入/輸出并聯(lián)的IGBT直流變換器在逆變焊機(jī)中應(yīng)用，針對(duì)其工作時(shí)存在不均流現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)各變換器的輸出電流采樣比較后去控制IGBT的導(dǎo)通時(shí)間(占空比)來(lái)滿(mǎn)足均流。通過(guò)理論分析和仿真試驗(yàn)驗(yàn)證以上方法的可行性。

1 理論分析

大功率電源一般采用功率單元并聯(lián)(半橋式和全橋式)，一般采用全橋式并聯(lián)，如圖1所示。

圖1 橋式并聯(lián)電路原理

圖1 中，I1和I2是并聯(lián)的兩個(gè)變換器。在變換器I1中，假設(shè)開(kāi)關(guān)管是高電平導(dǎo)通，當(dāng)給IGBT12和IGBT13高脈沖電壓，IGBT11和IGBT14低脈沖電壓時(shí)，其IGBT12和IGBT13兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，IGBT11和IGBT14兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不導(dǎo)通，此時(shí)高頻變壓器一次電流回路為：M→IGBT12→C→IGBT13→N，而高頻變壓器二次電流為：A→VD1→A1→L1→E→F→O1；當(dāng)給IGBT11和IGBT14高脈沖電壓，IGBT12和IGBT13低脈沖電壓時(shí)，其IGBT11和IGBT14兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，IGBT12和IGBT13兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不導(dǎo)通，此時(shí)高頻變壓器一次電流為：M→IGBT11→C→IGBT14→N，而高頻變壓器二次電流為：G→VD2→A1→L1→E→F→O1；同理可推出變換器I2的工作原理。對(duì)圖1的主電路進(jìn)行仿真分析，假定開(kāi)關(guān)管的頻率為50kHz，用PSPICE軟件仿真，圖2為圖1開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)波形，其占空比約50%。

圖2 開(kāi)關(guān)管觸發(fā)波形

圖3 為圖1中A和B點(diǎn)的電壓輸出波形。圖4為負(fù)載電壓輸出波形，由圖4可知，輸出電壓波形為紋波很小的直流電壓，直流電壓質(zhì)量高，并且通過(guò)并聯(lián)提高了輸出功率。

圖3 A和B點(diǎn)的輸出波形

圖4 負(fù)載輸出波形

2 控制方法

圖1中變換器正常工作的關(guān)鍵是保證各模塊的輸出電壓、電流相等，即輸出功率相等，否則將在輸出電路之間形成環(huán)流，造成能量損耗，嚴(yán)重時(shí)將造成電路損壞，系統(tǒng)無(wú)法正常工作。有文獻(xiàn)采用相同占空比的控制方法，由于占空比相等，輸入電壓高的模塊將提供更多的輸出功率，從而達(dá)到模塊間輸入電壓的自動(dòng)均衡，但如果模塊不完全匹配，則無(wú)法保證輸入均壓和輸出均流；也有文獻(xiàn)使用輸入均壓環(huán)校正各自電流內(nèi)環(huán)的給定來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入均壓；還有文獻(xiàn)提出了一種輸出電壓環(huán)和輸入均壓環(huán)解耦的控制策略。上述的控制策略都是通過(guò)調(diào)節(jié)模塊占空比來(lái)調(diào)節(jié)模塊的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)輸入均壓，但是當(dāng)系統(tǒng)處于極端條件時(shí)，如負(fù)載極輕甚至空載時(shí)，模塊輸出功率很小，此時(shí)占空比的調(diào)節(jié)空間有限，以致無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸入均壓，引起模塊不平衡工作，甚至損壞輸入電壓過(guò)高的模塊[2]。本研究的控制思想是通過(guò)檢測(cè)變換器I1和I2的輸出電壓和電流的大小，從而計(jì)算出I1和I2輸出功率的大小，如果功率不相等，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的占空比使其兩個(gè)變換器的輸出功率相等，這樣就滿(mǎn)足了變換器I1和I2輸出電流均流。

3 試驗(yàn)

對(duì)圖1進(jìn)行試驗(yàn)，在此選用的主芯片是TI公司專(zhuān)為控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的芯片DSP(TMS320F2812)[3]，具有最大150 MHz(1.9 V內(nèi)核電壓)的時(shí)鐘頻率，在一個(gè)周期內(nèi)可以對(duì)任何內(nèi)存地址快速完成讀取、修改、寫(xiě)入操作，滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。DSP系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

圖5 變換器控制原理

所設(shè)計(jì)電路包括：TMS320F2812 DSP，設(shè)定值絕對(duì)值、SRAM電路，EEPROM電路，鍵盤(pán)電路，LCD顯示電路，光耦合電路。系統(tǒng)工作時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定值讓DSP產(chǎn)生開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過(guò)分別采樣兩個(gè)變換器的輸出電壓和電流進(jìn)行數(shù)字閉環(huán)控制，判斷兩臺(tái)變換器的輸出電流是否相等，其實(shí)現(xiàn)原理是通過(guò)DSP的AD采樣得到兩者的模擬差；給定值和反饋值分別判斷其大小并進(jìn)行PI運(yùn)算。當(dāng)外部給定值突變時(shí)，如果實(shí)際給定速度能夠按設(shè)定的斜率線性上升，就可以得到緩慢的上升的電壓。DSP計(jì)算出PWM占空比，輸出PWM信號(hào)經(jīng)光耦合驅(qū)動(dòng)IGBT的導(dǎo)通或者關(guān)斷[4－6]。

軟件設(shè)計(jì)方面是設(shè)定函數(shù)表，由設(shè)定值去對(duì)應(yīng)函數(shù)表中的PWM占空比，也就是通常所說(shuō)的查表法，其流程如圖6所示，圖1中A點(diǎn)測(cè)試電壓波形如圖7所示，圖1中U0輸出電壓如圖8所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程

圖7 圖1中A點(diǎn)測(cè)試電壓波形

圖8 圖1中U0輸出電壓測(cè)試波形

4 結(jié)論

輸入/輸出并聯(lián)型直流變換器正常工作的關(guān)鍵是每個(gè)模塊輸出電流的均流。通過(guò)理論分析了其工作原理，同時(shí)通過(guò)仿真驗(yàn)證了輸入/輸出并聯(lián)型直流變換器的輸出直流電壓穩(wěn)定，其紋波小，輸出功率增加一倍，輸出直流電流也增加一倍，為了控制各模塊輸出均流，通過(guò)對(duì)各模塊的輸出電壓和輸出電流采樣并通過(guò)DSP運(yùn)算處理后控制開(kāi)關(guān)管的占空比達(dá)到均流的目的。該變換器和控制電路能對(duì)焊機(jī)提供低電壓大電流穩(wěn)定可靠的直流電壓。仿真和實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了該變換器和控制方法的正確性。

[1]張光先.逆變焊機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

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[5]李 宏，徐德民，焦振宏.基于DSP的大功率永磁直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2006，40(5)：29－31.

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Study on Input-paralleled/output-paralleled DC－DC converters for welding inverter

LI Lin
(Electronic Information and Electric Engineering Department，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，China)

Parallel Input Parallel Output DC－DC converter can reduce the switching switch stress，for high input voltage，low output voltage，high current，high-power welding system.This paper analyzes the switch inverter circuit topology development，parallel input parallel output of the working principle of DC－DC converter，are analyzed in parallel converter current control method.Work exists for its uneven flow phenomena，through the converter output current sampling and comparison to control IGBT＇s conduction time(duty cycle)to achieve current sharing.Through theoretical analysis and simulation verify the feasibility of the above methods,tests show that the output DC voltage ripple,output DC voltage of high quality.

paralld DC converter；sharing current；DSP

TG434.1

A

1001－2303(2011)03－0043－04

2010－07－15

李 林(1968—)，男，四川宜賓人，講師，碩士，主要從事電子與電機(jī)控制及電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究工作。