卜士瑞，胡小建，，吳治國(guó)

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究所，安徽 合肥 230009)

雙零軟開(kāi)關(guān)逆變弧焊電源的系統(tǒng)建模與仿真

卜士瑞1，胡小建1，2，吳治國(guó)2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究所，安徽 合肥 230009)

為了克服硬開(kāi)關(guān)式逆變弧焊電源存在的開(kāi)關(guān)損耗大以及過(guò)電流、過(guò)電壓等影響，建立了雙零軟開(kāi)關(guān)逆變弧焊電源系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的工作原理；利用Matlab r2006a軟件分別建立了雙零軟開(kāi)關(guān)電路系統(tǒng)與硬開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)的特性進(jìn)行了仿真。通過(guò)與硬開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的對(duì)比分析可以看出，軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超前臂的零電壓開(kāi)通和滯后臂的零電流關(guān)斷，并獲得了一套實(shí)現(xiàn)超前臂零電壓開(kāi)通、滯后臂零電流關(guān)斷的系統(tǒng)參數(shù)。仿真結(jié)果表明，所建立的軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的功耗與安全性等性能明顯優(yōu)于硬開(kāi)關(guān)，且為軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

軟開(kāi)關(guān)；零電壓；零電流；計(jì)算機(jī)仿真；弧焊逆變電源

0 前言

逆變弧焊電源與傳統(tǒng)電源相比具有體積小、質(zhì)量輕、動(dòng)態(tài)性能好、控制性能優(yōu)良和高效節(jié)能等突出優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化焊接設(shè)備及弧焊機(jī)器人中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，迄今為止大多數(shù)弧焊逆變電源主電路功率器件工作于硬開(kāi)關(guān)方式，其工作過(guò)程開(kāi)關(guān)壓力大，開(kāi)關(guān)損耗也大，且安全可靠性差。因此，以軟開(kāi)關(guān)技術(shù)取代硬開(kāi)關(guān)技術(shù)成為逆變弧焊電源發(fā)展的趨勢(shì)[1]。

20世紀(jì)80年代末期，脈寬調(diào)制軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)涞膯?wèn)世，推動(dòng)了大功率逆變技術(shù)的研究與應(yīng)用上了一個(gè)新的臺(tái)階。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是在硬開(kāi)關(guān)電路的基礎(chǔ)上增加了電感、電容等諧振器件，構(gòu)成輔助換相網(wǎng)絡(luò)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振過(guò)程，開(kāi)關(guān)在其兩端的電壓為零時(shí)導(dǎo)通，或使流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流為零時(shí)關(guān)斷，改善開(kāi)關(guān)條件，降低傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲，從而提高電路效率[2]。移相全橋零電壓脈寬調(diào)制(FB-Zero-Voltage-Switching PWM)變換器是目前應(yīng)用最廣泛的軟開(kāi)關(guān)電路之一，它的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，與硬開(kāi)關(guān)全橋電路相比，僅增加了一個(gè)諧振電感，使四個(gè)開(kāi)關(guān)均為零電壓開(kāi)通。在以往的研究中，F(xiàn)B-ZVS-PWM變換器多采用功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)作為開(kāi)關(guān)器件。然而，隨著電子電力器件的快速發(fā)展，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)有逐漸替代MOSFET的趨勢(shì)。一方面由于IGBT存在拖尾電流，造成了很大的關(guān)斷損耗，所以希望IGBT最好在零電流狀態(tài)關(guān)斷。另一方面，箝位續(xù)流的環(huán)流也會(huì)造成附加的導(dǎo)通損耗，使FB-ZVSPWM變換器難以用到大功率變換的應(yīng)用中。而全橋零電壓零電流脈寬調(diào)制(FB-ZVZCS-PWM)變換器克服了FB-ZVS-PWM變換器的這兩個(gè)缺點(diǎn)，成功地解決了關(guān)斷損耗和附加環(huán)流等問(wèn)題[3-4]，同時(shí)具有小的占空比損失、低的二次側(cè)寄生振蕩和寬的軟開(kāi)關(guān)切換的負(fù)載范圍等優(yōu)點(diǎn)。

雙零軟開(kāi)關(guān)逆變弧焊電源主電路功率器件(IGBT)軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)，在控制原理確定后主要取決于主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件參數(shù)。由于逆變式弧焊電源工作頻率高、輸出功率大、負(fù)載變化大，因此設(shè)計(jì)時(shí)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)的選擇和優(yōu)化工作量大、工作周期長(zhǎng)。采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行電路模擬設(shè)計(jì)，參數(shù)優(yōu)化，可大大減少實(shí)驗(yàn)工作量，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高焊機(jī)電氣性能和焊接工藝性能[5-6]。在此分別建立了硬開(kāi)關(guān)電路和雙零軟開(kāi)關(guān)電路的系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)比較分析，揭示了該軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，同時(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了一套實(shí)現(xiàn)超前臂零電壓開(kāi)通、滯后臂零電流關(guān)斷的系統(tǒng)仿真參數(shù)，指導(dǎo)了實(shí)際電路的構(gòu)建。

1 雙零軟開(kāi)關(guān)逆變弧焊電源系統(tǒng)

全橋零電壓零電流脈寬調(diào)制變換器(FB-ZVZCSPWM)在全橋移相式零電壓脈寬調(diào)制變換器(FBZVS-PWM)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)飽和電感Lr和一個(gè)阻斷電容Cx，如圖1所示，使一次電流在箝位續(xù)電流期間迅速衰減到零并保持，從而實(shí)現(xiàn)滯后臂上開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷，超前臂的開(kāi)關(guān)管與ZVS-PWM變換器一樣實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。其中IGBT1、IGBT2組成超前橋臂，IGBT3、IGBT4組成滯后橋臂；VD1～VD4為相應(yīng)IGBT管的內(nèi)部反并聯(lián)二極管；C1、C2為超前臂電容，C3、C4為滯后臂電容；Lr為可變電感，Cx為阻斷電容，Tr為高頻變壓器，VD5、VD6為變壓器二次側(cè)整流二極管；R5、C5與R6、C6分別組成VD5、VD6的緩沖電路；Lf、Cf分別為變壓器二次側(cè)濾波電感和濾波電容；R為電弧等效負(fù)載。

圖1 FB-ZVZCS-PWM變換器原理

在分析之前先對(duì)FB-ZVZCS-PWM變換器做如下假設(shè)：(1)所有開(kāi)關(guān)管、二極管均為理想器件；(2)所有電感、電容和變壓器均為理想元件；(3)電感Lr是理想磁性開(kāi)關(guān)，未飽和時(shí)其電感值無(wú)限大，飽和后電感值接近于零；(4)輸出濾波電感值足夠大，在一個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程中可視為恒電流源。主電路的四個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)采用有限雙極性方式[7]，以控制主電路的有效占空比。逆變器的工作過(guò)程如圖2所示，半周期內(nèi)可分為三個(gè)時(shí)間段。

圖2 軟開(kāi)關(guān)逆變電路工作過(guò)程

(1)t0～t1。

t0-時(shí)刻，IGBT1～I(xiàn)GBT4開(kāi)關(guān)管均未開(kāi)通，整個(gè)電路沒(méi)有回路。t0+時(shí)刻，IGBT1、IGBT4導(dǎo)通，電容C1、C4上的電壓迅速降為零，電容C2、C3上的電壓變?yōu)殡娫措妷篣。t0～t1期間，IGBT1、IGBT4導(dǎo)通后，變壓器一次電壓等于整流后電壓(540 V)，阻斷電容Cx電壓線性上升。

(2)t1～t2。

t1-時(shí)刻，IGBT1開(kāi)關(guān)管還未關(guān)斷。t1+時(shí)刻，IGBT1關(guān)斷，即此狀態(tài)下只有IGBT4開(kāi)通。此時(shí)一次電流由IGBT1轉(zhuǎn)移到電容C1和C2支路中，IGBT1兩端的并聯(lián)電容C1充電至540 V，IGBT2兩端的并聯(lián)電容C2放電至零時(shí)，IGBT2的反并聯(lián)二極管VD2導(dǎo)通，為IGBT2的零電壓開(kāi)通做好了準(zhǔn)備。充放電結(jié)束后，電流值很快下降，直至為零時(shí)刻，IGBT4關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。

(3)t2～t3。

t2-時(shí)刻，IGBT4開(kāi)關(guān)管還未關(guān)斷。t2+時(shí)刻，IGBT4實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，電路中不存在回路，變壓器一、二次電流和電壓均為零。t2～t3期間，UC1＝UC3＝U，UC2＝UC4＝0，主電路中的電流仍為零，這段短暫的時(shí)間稱為“死區(qū)”時(shí)間。

(4)t3。

t3-時(shí)刻，四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管仍然處于關(guān)斷狀態(tài)，UC1＝U，UC2＝0，UC3＝U，UC4＝0。t3+時(shí)刻后，IGBT2、IGBT3同時(shí)開(kāi)通，其工作過(guò)程類似于前面描述的t0～t3，IGBT2實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，IGBT3實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。

2 系統(tǒng)仿真模型

本實(shí)驗(yàn)仿真軟件選用Matlab r2006a，在Simulink的SimPowerSystem模塊庫(kù)中，仿真模型包括可變電感模塊、功率負(fù)載模塊和主電路系統(tǒng)仿真模型等軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，以及與其對(duì)比分析的硬開(kāi)關(guān)系統(tǒng)仿真模型。

2.1 軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)仿真模型

2.1.1 可變電感模塊

在SimPowerSystem模塊庫(kù)中，電感模型均為線性電感，而電感是此電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的核心元件，線性電感無(wú)法滿足此電路的要求，需要一個(gè)可飽和電感來(lái)滿足要求。本研究設(shè)計(jì)采用可變電感Lr模塊代替飽和電感模塊[8]，如圖3所示。

圖3 可變電感模塊設(shè)計(jì)

該電感模塊在系統(tǒng)模型中主要有兩方面作用：一是當(dāng)一次電流Ip從一個(gè)方向向另一方向發(fā)生變化時(shí)，一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)可變電感中的電流大于飽和臨界電流，Lr的電感量降為接近于零，增大了電流的變化斜率，從而減小了占空比損失。二是當(dāng)一次電流衰減到零后，可變電感Lr退出飽和呈現(xiàn)出很大的電感量，阻止了Ip向反方向變化，在一段時(shí)間內(nèi)維持了電流過(guò)零，實(shí)現(xiàn)了滯后臂的零電流開(kāi)通。

2.1.2 功率負(fù)載模塊

在焊接過(guò)程中，電弧負(fù)載的變化是非常復(fù)雜的，要想完全模擬出焊接過(guò)程是非常困難的。本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)電阻性負(fù)載R1、R2以及理想開(kāi)關(guān)和一個(gè)脈沖發(fā)生器構(gòu)成的簡(jiǎn)單并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)，可以基本模擬焊接的短路及燃弧過(guò)程。負(fù)載仿真電路如圖4所示。

圖4 負(fù)載仿真電路

模型中，電阻性負(fù)載R1和R2通過(guò)一個(gè)理想開(kāi)關(guān)S并聯(lián)，其中R1為焊接燃弧時(shí)電弧的等效電阻，R2為焊接短路時(shí)電弧的等效電阻。開(kāi)關(guān)S由脈沖觸發(fā)器P控制，在仿真過(guò)程中，通過(guò)設(shè)定P的占空比來(lái)控制S的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，電阻網(wǎng)絡(luò)由R1等效于焊接燃弧電阻；當(dāng)S導(dǎo)通時(shí)，R1與R2并聯(lián)，電阻網(wǎng)絡(luò)等效于焊接短路電阻。開(kāi)關(guān)S的不斷導(dǎo)通與關(guān)斷使整個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)在正常燃弧和焊接短路狀態(tài)實(shí)現(xiàn)跳變，基本模擬出焊接過(guò)程中負(fù)載的復(fù)雜變化。

2.1.3 主電路系統(tǒng)仿真模型

雙零軟開(kāi)關(guān)逆變弧焊電源主電路系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。在模型中，輸入整流濾波電路等效為直流電源U，提供540 V直流電源給逆變橋。逆變?nèi)珮虻乃膫€(gè)IGBT管接收到脈沖發(fā)生器輸出的控制信號(hào)，將輸入的電源轉(zhuǎn)換為540 V／20 kHz的方波交流，然后進(jìn)入變壓器Trans進(jìn)行降壓隔離處理，再經(jīng)輸出整流濾波電路，得到最終需要的理想弧焊電源，提供給模擬負(fù)載情況的電阻網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成整個(gè)電路的運(yùn)行過(guò)程。

2.1.4 系統(tǒng)仿真參數(shù)

經(jīng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真電路的關(guān)鍵參數(shù)如下：直流輸入電壓U＝540 V；逆變開(kāi)關(guān)頻率20 kHz；開(kāi)關(guān)管選用IGBT管；飽和電感用可變電感模塊Lr代替，臨界電流值Ic＝5 A，飽和時(shí)電感Lr＝0.001μ H，退出飽和后電感Lr＝1.5 mH；諧振電容C1＝C2＝30 nF，C3＝C4＝3 nF；阻斷電容Cx＝5μ F；變壓器一、二次側(cè)匝數(shù)比近似7∶1；輸出濾波電感Lf＝80μ H；濾波電容

圖5 FB-ZVZCS-PWM主電路系統(tǒng)仿真模型

80μF。

2.2 硬開(kāi)關(guān)系統(tǒng)仿真模型

為了與硬開(kāi)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，本研究建立了相應(yīng)的硬開(kāi)關(guān)系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示。仿真電路中的功率負(fù)載模塊、保護(hù)電路模塊及其他主要元器件均與軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)完全一致，各元器件的參數(shù)也基本保持一致，兩者的主要區(qū)別是硬開(kāi)關(guān)系統(tǒng)沒(méi)有可飽和電感模塊和阻斷電容Cx。

圖6 硬開(kāi)關(guān)系統(tǒng)仿真模型

3 仿真結(jié)果和分析

通過(guò)對(duì)仿真過(guò)程中系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了軟開(kāi)關(guān)電路的仿真波形，并與硬開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7、圖8所示。

(1)圖7a為硬開(kāi)關(guān)一次電流Ip、一次電壓Uab波形，圖8a為軟開(kāi)關(guān)一次電流Ip、一次電壓Uab和阻斷電容Ucx的波形。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，硬開(kāi)關(guān)在開(kāi)通和關(guān)斷的瞬間有明顯的電流尖峰，且一次電壓值在開(kāi)關(guān)切換瞬間極性突變，產(chǎn)生很大的電壓損耗；而在雙零軟開(kāi)關(guān)中由于增加了阻斷電容，當(dāng)一次電流正向流動(dòng)時(shí)，阻斷電容的電壓是增加的，當(dāng)一次電流反向流動(dòng)時(shí)，阻斷電容上的電壓是減少的，也就是說(shuō)阻斷電容的極性與一次電流的流動(dòng)方向相反，起到了給一次電流Ip復(fù)位的作用，從而為滯后臂的零電流開(kāi)關(guān)創(chuàng)造條件。

圖7 硬開(kāi)關(guān)電路仿真波形

圖8 雙零軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)仿真波形

由于加入了可變電感Lr，當(dāng)一次電流Ip衰減到零后，可變電感Lr呈現(xiàn)出很大的電感量，阻止了Ip向反方向的變化，維持電流過(guò)零時(shí)間。從軟開(kāi)關(guān)主電路仿真模型中滯后臂的仿真曲線可以看出，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的瞬間，開(kāi)關(guān)管中的電流已下降到零，從而實(shí)現(xiàn)了滯后臂的零電流關(guān)斷。

(2)圖7b、圖8b分別為硬、軟開(kāi)關(guān)超前臂電壓Uce、電流Ice及驅(qū)動(dòng)波形。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，硬開(kāi)關(guān)在開(kāi)通時(shí)開(kāi)關(guān)管的電壓不是立即下降到零，而是有一個(gè)下降時(shí)間，且電壓還未下降為零時(shí)電流就已經(jīng)開(kāi)始上升，產(chǎn)生了明顯的開(kāi)通損耗；而在圖8b中，軟開(kāi)關(guān)超前臂電壓Uce減小到零一段時(shí)間后，電流Ice才逐漸上升，實(shí)現(xiàn)了超前臂的零電壓開(kāi)通，并具有很寬的負(fù)載范圍。

(3)圖7c、圖8c分別為硬、軟開(kāi)關(guān)滯后臂電壓Uce、電流Ice及驅(qū)動(dòng)波形。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，硬開(kāi)關(guān)電路在關(guān)斷的瞬間，電流和電壓有一個(gè)交疊區(qū)，產(chǎn)生明顯的關(guān)斷損耗；而在圖8c中，軟開(kāi)關(guān)滯后臂電流Ice減小到零后，電壓Uce才緩慢上升，實(shí)現(xiàn)了滯后臂的零電流關(guān)斷。

對(duì)比硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)主電路系統(tǒng)仿真模型，從IGBT管的仿真曲線可知：在硬開(kāi)關(guān)仿真模型中，在IGBT管開(kāi)通和關(guān)斷的瞬間，其上的電流和電壓均不為零，就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。并且在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生很高的du／dt和di／dt，從而產(chǎn)生較大的電磁干擾。而在軟開(kāi)關(guān)仿真模型中，四個(gè)IGBT管在關(guān)斷的瞬間，電壓或者電流已下降到零，從而實(shí)現(xiàn)了軟關(guān)斷過(guò)程，降低了開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)器件安全性能顯著提高。

4 結(jié)論

分析了全橋零電壓零電流脈寬調(diào)制變換器工作原理，利用Matlab軟件建立了雙零軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)仿真模型，并與硬開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行對(duì)比分析，表明該雙零軟開(kāi)關(guān)弧焊逆變電源系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1)在FB-ZVS-PWM變換器的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)阻斷電容，實(shí)現(xiàn)了超前臂的零電壓開(kāi)關(guān)，滯后臂的零電流開(kāi)關(guān)。

(2)該軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)成功解決了硬開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)損耗和安全可靠性等問(wèn)題，相比硬開(kāi)關(guān)具有明顯的優(yōu)越性。

(3)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)實(shí)際逆變弧焊電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

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Modeling and Simulation of the ZVZCS-PWM arc welding inverter power system

BU Shi-rui1，HU Xiao-jian1，2，WU Zhi-guo1
(1.Material Institute，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Institute of Computer Network System，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

In order to overcome the effects of large switching losses，over-current，over-voltage which exist in hard-switching inverter welding power source，this paper established a double-zero soft-switching inverter arc welding power supply system and analyzed the working principle of the system，and established a double-zero soft-switching circuit system and the hard-switching system simulation model by using the Matlab r2006a software，and simulated characteristics of the system.Compared with the hard-switching system，we can see that the soft-switching system make zero-voltage of the leading leg turn-on and lagging leg zero-current turn-off，at the same time，a suit of simulated parameter which achieved ZVS of leading leg and ZCS of lagging leg were obtained.The simulation results show that the power and security of soft-switching system which we established is superior to hard-switching，which get the ready for optimizing the design of the soft-switching system.

soft switching；zero-voltage-switching(ZVS)；zero-current-switching(ZCS)；computer simulation；arc welding inverter power

TG434.1

A

1001-2303(2011)05-0048-06

2010-11-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(70971035)

卜士瑞(1985—)，男，安徽天長(zhǎng)人，碩士，主要從事現(xiàn)代焊接過(guò)程控制技術(shù)及其仿真模擬方面的研究。