魏少翀，陳乃富，葉　林，劉澤坤，吳樹輝

（1．蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215004；2．安科瑞電氣股份有限公司，上海201801）

基于移相全橋軟開關(guān)的逆變式電弧噴涂電源

魏少翀1，陳乃富2，葉林1，劉澤坤1，吳樹輝1

（1．蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215004；2．安科瑞電氣股份有限公司，上海201801）

針對(duì)傳統(tǒng)電弧噴涂電源存在體積大、質(zhì)量重、無反饋控制、無法準(zhǔn)確控制輸出電壓等缺點(diǎn)，研制了一種逆變式電弧噴涂電源，通過提高工作頻率，大大減少了變壓器、電感等器件的質(zhì)量及體積，采用移相全橋控制，并利用軟開關(guān)技術(shù)，使得全橋開關(guān)管及二次側(cè)二極管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，大大降低了熱耗和整機(jī)損耗，提高了變換器轉(zhuǎn)換效率。逆變式電弧噴涂電源在縮小整機(jī)大小的基礎(chǔ)上，提高了輸出波形質(zhì)量，優(yōu)化了噴涂質(zhì)量。研究電路基本工作原理并分析軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件，建立對(duì)應(yīng)的仿真模型并研制了試驗(yàn)樣機(jī)，仿真及試驗(yàn)結(jié)果證明了該方案的可行性。

電弧噴涂；逆變式；移相全橋；軟開關(guān)

0　前言

電弧噴涂技術(shù)是一種適用范圍廣、施工靈活、高效率的熱噴涂方法，是一種在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的表面改性技術(shù)。電弧噴涂的基本原理是將電弧噴涂電源加在兩根連續(xù)送進(jìn)的金屬絲之間從而形成電弧，電弧的熱量將金屬熔化，利用壓縮空氣將熔化的金屬霧化成微熔滴，高速噴向工件表面形成涂層。該涂層在不改變工件基體材料性能的基礎(chǔ)上，可以大幅提升工件綜合性能，如耐磨、防腐、抗氧化、隔熱等[1]。

傳統(tǒng)也是目前廣泛使用的電弧噴涂電源采用工頻變壓器降壓，整流輸出恒電壓直流電的拓?fù)洌鋬?yōu)點(diǎn)是電源可靠性高，能夠在惡劣工況下長(zhǎng)時(shí)間工作。但其存在的問題較多：（1）由于變壓器工作在工頻狀態(tài)，電源體積大，質(zhì)量重，不利于現(xiàn)場(chǎng)尤其是復(fù)雜工況下的施工，制約了電弧噴涂技術(shù)的應(yīng)用。（2）整機(jī)采用無反饋的開環(huán)控制，無法對(duì)輸出電流進(jìn)行跟蹤控制，實(shí)際使用時(shí)電流波動(dòng)非常大，嚴(yán)重降低了電弧噴涂涂層的質(zhì)量[2]。（3）輸出電壓的調(diào)節(jié)通過變壓器抽頭實(shí)現(xiàn)，通常分幾個(gè)檔位，并非無級(jí)調(diào)節(jié)，對(duì)于不同的噴涂材料無法準(zhǔn)確的輸出最優(yōu)電壓，影響了噴涂質(zhì)量。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變式電源與傳統(tǒng)機(jī)型相比有著明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）能量通過高頻變壓器傳遞，通?？梢宰龅?5kHz，大大降低了整機(jī)的體積和質(zhì)量。（2）通過對(duì)輸出電壓、電流的采樣進(jìn)行閉環(huán)控制，使得輸出與參考值吻合，輸出波形質(zhì)量高。（3）通過改變參考值，可以實(shí)現(xiàn)電壓變化范圍內(nèi)任意電壓的輸出。

目前，隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，采用逆變式的各類焊接電源已廣泛使用，但逆變式電弧噴涂設(shè)備的研究卻鮮有報(bào)道。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)逆變式電弧噴涂電源進(jìn)行了研究，研制了相關(guān)樣機(jī)，但并未詳細(xì)分析電路，且電路中IGBT為硬開關(guān)，增加了系統(tǒng)的損耗、發(fā)熱和電磁干擾。

本研究采用一種基于移相全橋拓?fù)涞碾娀娡侩娫?，通過軟開關(guān)技術(shù)大大提高了效率。仿真與試驗(yàn)表明：采用該拓?fù)涞碾娫矗|(zhì)量輕，體積小，輸出電壓和電流波形平穩(wěn)，調(diào)節(jié)靈活，動(dòng)態(tài)性能好，適合應(yīng)用在電弧噴涂領(lǐng)域。

1　主電路原理及分析

采用的電弧噴涂電源結(jié)構(gòu)以及主電路的拓?fù)浞謩e如圖1和圖2所示。

圖1　電弧噴涂電源結(jié)構(gòu)框圖Fig.1Structure diagram of arc-spraying inverter power

圖2　主電路拓?fù)銯ig.2Main circuit topology

逆變式電弧噴涂電源將三相交流輸入380 V電壓經(jīng)過整流電路和無源濾波電路變成540 V直流電，再經(jīng)由全橋電路進(jìn)行逆變，變成高頻方波交流電，此處高頻開關(guān)頻率選為25 kHz，全橋電路4每個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管（斜對(duì)角的兩個(gè)開關(guān)管，如IGBT1和IGBT4或IGBT2和IGBT3）180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通之間相差一個(gè)移相角。通過調(diào)節(jié)移相角的大小，來調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖寬度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。通過高頻變壓器將能量傳遞到二次側(cè)的全波整流電路，將其整流為直流電，再通過濾波電路最終輸出所需的穩(wěn)定的直流電。

（1）模態(tài)1（t12～t0）：IGBT1和IGBT4導(dǎo)通，高頻變壓器T一次電流ip給隔直電容Cb充電，隔直電容Cb上的電壓線性上升。t0時(shí)刻，IGBT1關(guān)斷，進(jìn)入開關(guān)模態(tài)2。

（2）模態(tài)2（t0～t1）：t0時(shí)刻，IGBT1關(guān)斷，電流向IGBT1、IGBT3的結(jié)電容C1、C3轉(zhuǎn)移，C1充電，C3放電，開關(guān)管IGBT1兩端的電壓線性上升，C1、C3限制了IGBT1兩端電壓的上升率，IGBT1實(shí)現(xiàn)了ZVS關(guān)斷。t1時(shí)刻，C3上的電壓下降至零，隨后VD3導(dǎo)通進(jìn)入開關(guān)模態(tài)3。

圖3　全橋變換器關(guān)鍵波形Fig.3Key waveforms of full-bridge converter

（3）模態(tài)3（t1～t2）：t1時(shí)刻，C3上的電壓下降至零，隨后IGBT3兩端反向并聯(lián)二極管VD3導(dǎo)通，起到續(xù)流作用，IGBT3兩端的電壓為零，此時(shí)IGBT3導(dǎo)通，IGBT3實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。IGBT3導(dǎo)通以后全橋輸出兩端電壓UAB被箝位到零，隔直電容Cb上的電壓加到漏感Lr上，變壓器一次電流ip線性下降。漏感Lr中的能量加到Cb上，變壓器二次側(cè)兩個(gè)整流二極管VD3、VD4同時(shí)導(dǎo)通給負(fù)載供電。

（4）模態(tài)4（t2～t3）：t2時(shí)刻，一次電流ip下降至零，由于電感的存在會(huì)阻止電流的變化，一次電流ip反向續(xù)流。但是由于滯后臂IGBT2和IGBT4采用的是逆阻性IGBT，隔阻了負(fù)向電流，所以一次電流ip維持為零。在這期間，隔直電容Cb的電壓維持不變，IGBT4導(dǎo)通，但是沒有電流流過。t3時(shí)刻，IGBT4零電流關(guān)斷。變壓器二次側(cè)二極管VD3、VD4同時(shí)導(dǎo)通，各自承受一半的負(fù)載電流。

（5）模態(tài)5（t3～t4）：IGBT4零電流關(guān)斷以后，一次電流ip仍為零，負(fù)載電流沿著VD3、VD4續(xù)流。

（6）模態(tài)6（t4～t5）：t4時(shí)刻，IGBT2導(dǎo)通，由于漏感Lr的存在，一次電流ip無法突變，所以IGBT2導(dǎo)通時(shí)電流為零即零電流開通。IGBT2導(dǎo)通以后，一次電流ip線性增加，輸出電流經(jīng)VD4流向負(fù)載。

（7）模態(tài)7（t5～t6）：IGBT2、IGBT3同時(shí)導(dǎo)通，給負(fù)載供電。

2　軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)

由于所述開關(guān)管及二次側(cè)二極管都工作在高頻狀態(tài)下，故軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)可有效降低開關(guān)損耗，極大降低散熱，提高轉(zhuǎn)換效率[5-7]。

2.1超前臂零電壓開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件

由原理分析可知，IGBT1、IGBT3零電壓關(guān)斷是因其并聯(lián)電容（包含寄生電容）C1、C3電壓不能突變實(shí)現(xiàn)的，零電壓開通是通過諧振電感（主要是指變壓器漏感）與開關(guān)管所并聯(lián)電容（包含寄生電容）產(chǎn)生諧振實(shí)現(xiàn)的。通過諧振使同超前橋臂上關(guān)斷的開關(guān)管所并聯(lián)電容（包含寄生電容）充電，使即將導(dǎo)通的開關(guān)管并聯(lián)電容（包含寄生電容）放電，當(dāng)充放電結(jié)束后，即將導(dǎo)通的開關(guān)管兩端電壓降為0，其寄生二極管導(dǎo)通，此時(shí)發(fā)出該管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)其零電壓導(dǎo)通。

因此，要實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，必須滿足兩個(gè)條件：（1）驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須在諧振結(jié)束后寄生二極管導(dǎo)通后給出，即同一橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間必須大于所并聯(lián)電容（包含寄生電容）充放電時(shí)間；（2）諧振階段應(yīng)保證：諧振時(shí)間內(nèi)將要導(dǎo)通的開關(guān)管所并聯(lián)電容（包含寄生電容）完全放電，即

2.2滯后臂零電流實(shí)現(xiàn)條件[8]

想要實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZCS，必須的條件是要在滯后橋臂關(guān)斷或者開通之前ip已經(jīng)降為零。一次電流降為0所需時(shí)間為：

式中Deff為占空比；T為開關(guān)周期；Lik為變壓器的漏感；Cb為隔直電容。

3參數(shù)設(shè)計(jì)[9]

3.1全橋開關(guān)管的選取

開關(guān)管流過的最大電流為

式中母線最低電壓Ubus(min)=457 V。三相輸入電壓經(jīng)過整流橋整流和電容濾波后的電壓實(shí)際選取時(shí)預(yù)留2倍的裕量，取1.2 kV的 IGBT，選取Infineon公司的IGW40T120型IGBT。

3.2二次側(cè)二極管選型

二次側(cè)整流二極管的選型需要考慮反向耐壓值和通過電流的耐流值，并且還需考慮到一定的裕量，因此全波整流二極管承受的最大反向電壓為

式中Uhsec(max)為變壓器二次輸入電壓的最大值。

考慮到變壓器漏感的存在，會(huì)與二極管的體電容發(fā)生諧振，二次電壓會(huì)出現(xiàn)尖峰，所以留有一定的裕量，選擇150 V耐壓值的二極管。

式中Iomax為最大輸出電流，取250 A?？紤]到二極管承受的電流將會(huì)隨著溫度的升高而降低，且有可能存在的電流尖峰，實(shí)際選取電流應(yīng)力為400 A的三菱公司生產(chǎn)的MURP40040CT型二極管。

3.3隔直電容的選取

隔直電容Cb可由式（6）計(jì)算：

實(shí)際電路選用一個(gè)1 μF/275 V的CBB電容。

4　仿真及試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證上述拓?fù)淇尚行?，在Saber仿真軟件中對(duì)該變換器進(jìn)行了建模仿真，所選參數(shù)與實(shí)際一致，具體指標(biāo)為：輸入三相AC 380V輸入、輸出DC 40 V/ 250 A、開關(guān)頻率25 kHz。

設(shè)定仿真時(shí)間0.1 s、仿真步長(zhǎng)100 ns，圖4為主電路仿真的主要波形，由于全橋的上下管子波形是對(duì)稱的，所以只選其中的一組。圖4中超前臂的驅(qū)動(dòng)電壓UGE(IGBT3)和UCE(IGBT3)可發(fā)現(xiàn)超前臂已經(jīng)實(shí)現(xiàn)ZVS，UGE(IGBT4)為滯后臂下管的驅(qū)動(dòng)電壓波形，Ip為一次電流波形，從波形可以看出滯后臂實(shí)現(xiàn)了ZCS，UAB為中心點(diǎn)間的電壓。通過仿真波形的分析，該變換器可以實(shí)現(xiàn)超前臂的ZVS和滯后臂的ZCS。

圖4　主電路的主要仿真波形Fig.4Main simulation waveform of the main circuit

為了驗(yàn)證上述理論完成了一臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)在滿載工作狀態(tài)下的主要試驗(yàn)波形如圖5所示，輸入電壓540V，輸出電壓40V，輸出電流250 A。

圖5a中Ip為變壓器一次電流波形，可以看出逆阻型IGBT能夠很好地阻斷變壓器一次電流的反向續(xù)流，UAB為中心點(diǎn)間的電壓。圖5b中Up為變壓器一次電壓。圖5c中Ucb為隔直電容間的電壓，圖5d中UG為滯后臂下管的驅(qū)動(dòng)電壓波形，Ic(IGBT4)為流過IGBT4的電流波形，從波形可以明顯看出滯后臂實(shí)現(xiàn)了ZCS，圖5e為超前臂的驅(qū)動(dòng)電壓UGE(IGBT3)和UCE(IGBT3)，可發(fā)現(xiàn)超前臂已經(jīng)實(shí)現(xiàn)ZVS，圖5f中UA和UB分別為中心點(diǎn)對(duì)地的電壓。

5　結(jié)論

研究一種逆變式電弧噴涂電源，采用移相全橋進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，分析其主電路工作原理及軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件。仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性，研究的電弧噴涂電源具有整機(jī)體積小、質(zhì)量輕、輸出波形質(zhì)量高、輸出電壓范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，通過軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)，降低了開關(guān)損耗，在減少散熱的基礎(chǔ)上，同樣大大減少了散熱器的體積。

圖5　試驗(yàn)波形Fig.5Experimental waveforms

另外，逆變式電弧噴涂電源小型化的特點(diǎn)有利于在各種不同的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工，可有效推廣電弧噴涂工藝。

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Arc-spraying inverter power based on phase-shifted full-bridge soft switching

WEI Shaochong1，CHEN Naifu2，YE Lin1，LIU Zekun1，WU Shuhui1
（1.SuzhouNuclearPowerResearchInstitute，Suzhou215004，China；2.AcrelElectricCo.，Ltd.，Shanghai201801，China）

Asthetraditionalarcsprayingpowerhassomedefects，suchasbigvolume，heavyquality，nofeedbackcontrol，inaccuratecontrolof output voltage and so on，a inverter type arc spraying power source is developed.By improving the working frequency，greatly reducing the quality and volume of the transformer and inductance，adopting the phase shifting full bridge control，and using the soft switch technology，it realizes soft switch of the full bridge switch tube and vice diode achieve，which greatly reduces the energy loss of the whole machine and improves the efficiency of the converter conversion.On the base of narrowing the size of the new arc spraying inverter power，it improves the quality of the output waveform and optimizes the quality of spraying.Studies the basic working principle and analyzes implementation conditions of soft switch circuit in the paper.Meanwhile，corresponding simulation model is established and the experimental prototype is developed，itprovesthefeasibilityoftheschemebythesimulationandexperimentalresults.

arc-spraying；inverter；phase-shifted full-bridge；soft switching

TG439.9

A

1001－2303（2016）02－0053-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.11

2015－10－28；

2015－12－26

魏少翀（1989—），男，江蘇蘇州人，碩士，主要從事電力電子技術(shù)、表面工程技術(shù)等研究工作。