江苏科大,凯而达-方钢结构论文-111111

软开关式逆变弧焊电源的仿真分析方臣富1, 2侯润石1李宪政2 罗卫红2(1. 江苏科技大学材料学院，江苏镇江212003；2. 凯尔达电焊机有限公司，浙江杭州310018)摘要：本文通过Pspice软件对FB-ZVS-PWM变换器桥臂电容与IGBT关断损耗的关系和FB-ZVZCS-PWM变换器开关过程进行了仿真分析。

结果表明，在ZVS模式下随着桥臂电容的增大，IGBT 关断损耗显著降低，但增大相同的电容值，损耗降低相对值越来越小；由于滞后臂较难实现软开关，其桥臂电容不能太大，使得其关断损耗很大，故滞后臂宜采用零电流开关。

采用原边变压器辅助网络的FB-ZVZCS-PWM变换器，能利用变换器的输入电压来衰减变压器原边的环流电流，衰减速度可控且不受负载状态影响，易在全负载范围内实现超前臂零电压开关和滞后臂零电流开关。

关键词：软开关；逆变；弧焊电源；仿真1绪言逆变弧焊电源因动特性好、可控性好、体积小、重量轻、高效节能和焊接工艺性能优良等突出优点而得到越来越广泛应用。

但现有逆变弧焊电源主电路功率器件工作于硬开关方式，会产生较大开关应力和损耗。

因此，以软开关技术取代硬开关技术是逆变弧焊电源发展的必然。

软开关式逆变弧焊电源主电路功率器件（IGBT）软开关的实现，在控制原理确定后主要取决于主电路拓朴结构和器件参数。

由于逆变弧焊电源工作频率高、输出功率大、负载变化大，工作条件恶劣，工作可靠性要高，因此设计时主电路拓朴结构、器件参数值的选择和优化工作量大、工作周期长。

使用计算机仿真技术对电路进行模拟设计、参数优化、灵敏度和时效性分析，可以大大减少试验工作量、缩短设计周期、降低设计成本、提高焊机电气性能和焊接工艺性能。

2FB-ZVS-PWM变换器桥臂电容对IGBT关断损耗的影响2.1FB-ZVS-PWM变换器的组成FB-ZVS-PWM变换器软开关技术由于兼有PWM 控制和谐振开关优点并克服了其各自的缺点，可应用到逆变弧焊电源中。

然而，基本FB-ZVS-PWM 变换器存在滞后臂难以实现零电压开通、占空比损失等问题。

超前臂换流过程中，输出滤波电感L f 与谐振电感L r串联，原边电流类似于一个恒流源，该电流很容易实现对超前臂电容的充放电，因此，超前臂很容易实现零电压开通。

而滞后臂实现零电压开通可以用增大谐振电感Lr或增大I2的方法使实现零电压开关的负载范围变宽。

增大谐振电感Lr 可采用饱和谐振电感的方法来实现，然而空载和轻载原边电流很小，而在实际应用中，不可能把饱和谐振电感设计很大来实现全负载范围内主功率器件的零电压开关。

因此，本文设计了如图1所示采用副边辅助电感的FB-ZVS-PWM变换器，辅助电感L a并联在变压器的副边，该电感可使原边电流增大，从而保证滞后臂在空载和轻载状态下实现零电压开关。

2.2超前臂电容对超前臂IGBT关断损耗的影响如图1所示，当超前臂Q1关断时，其CE两极电压（即桥臂电容C1两端电压）的上升率与桥臂电容C1值成反比，而与该时刻原边电流值成正比。

因此，改变超前臂的桥臂电容值，可以改变超前臂R图1 采用副边辅助电感的FB-ZVS-PWM变换器原理图IGBT关断时电压轨迹，从而改变关断损耗。

采用仿真软件Pspice对图1所示的电路进行超前臂电容变参数分析，其中V in为540V，IGBT采用BSM75模型（驱动电阻为15Ω），L r为50µH，变比K为8，D R1和D R2采用MUR20020CT模型，L f为50µH，R为0.24Ω，逆变频率为20KHz，超前臂电容C lead从10n变到40n（步长为10n），仿真结果如图2所示。

从图中可知随着超前臂电容的增大，IGBT关断损耗显著降低，但增大相同的电容值，损耗降低相对值越来越小。

图2超前臂电容值对超前臂IGBT关断损耗影响的仿真波形2.3滞后臂电容对滞后臂IGBT关断损耗的影响同理可分析滞后臂电容值对滞后臂IGBT关断损耗的影响。

由于滞后臂较难实现零电压开通，因此，滞后臂的电容要比较小，滞后臂电容C lag从2n变到8n（步长为2n），其它参数不变，仿真结果如图3所示。

图3滞后臂电容值对滞后臂IGBT关断损耗影响的仿真波形从图3可以看出，随着滞后臂电容的增大，IGBT 关断损耗明显降低。

但是由于滞后臂电容不能太大，所以滞后臂IGBT 关断损耗很大。

2.4 硬开关方式下RC 网络对IGBT 关断损耗的影响图4是在相同输出电压电流条件下，将图1中C1-C4换成RC 网络（R 为13Ω，C 为18n ）后，采用硬开关控制方式时全桥变换器IGBT 关断损耗的仿真波形。

对比图2，图3和图4可知：当超前臂的电容取较大值（如40n ），则超前臂的IGBT 关断损耗很小，比RC 网络时IGBT 关断损耗还要小的多；而滞后臂IGBT 关断损耗则比RC 网络时IGBT 关断损耗要大。

因此，通过桥臂电容对IGBT 关断损耗影响的仿真分析，我们不但揭示出桥臂电容对IGBT 关断损耗影响的规律，而且知道了滞后臂宜采用零电流关断模式。

图4 RC 吸收网络的全桥变换器IGBT 关断损耗的仿真波形3 FB-ZVZCS-PWM 变换器的开关过程 3.1 变换器的组成通过FB-ZVS-PWM 变换器桥臂电容对IGBT 关断损耗影响的仿真分析知道，滞后臂宜采用零电流关断模式。

为了实现滞后臂的零电流关断，首先必须在原边电流开始环流时，施加一个与环流电流方向相反的电压，使环流电流迅速衰减到零；其次要阻断环流电流反向增加，使原边电流保持为零，只要满足这两个条件才能实现滞后臂的零电流开关。

本文采用原边变压器辅助网络方法来实现滞后臂零电流关断的主电路如图5所示，其中辅助网络由辅助变压器T a 和二极管D 7、D 8组成，T a 的变比为n （n=n a1/n a2）。

R图5 采用原边辅助变压器网络的FB-ZVZCS-PWM 变换器原理图3.2 变换器的开关过程利用Pspice 软件对超前臂驱动脉冲宽度进行变参数仿真分析。

驱动脉冲宽度从2μs 变到18μs ，步长4μs ，辅助变压器变比n 为6，超前臂电容为40n ，R 为0.1Ω，仿真结果如图6所示，从图中可知，原边环流电流衰减很快、衰减斜率不变，且衰减规律不受占空比的影响。

图7是根据仿真结果选定驱动脉冲宽度为10μs 时的实测波形，它与图6中粗实线波形（脉冲宽度为10μs ）所示原边电压v AB 和原边环流电流ip 波形相吻合。

利用Pspice 软件对软开关式逆变弧焊电源的短路状态进行仿真分析。

取R 为0.01Ω，脉冲宽度从0.5μs 变到1.5μs ，步长0.5μs ，仿真结果如图8所示。

图9是根据仿真结果设定短路电流为200A 时的实测波形，它与图8中的粗实线波形（脉冲宽度为1μs ）所示原边电压v AB 和原边环流电流ip 波形相吻合。

根据图8和图9可知，原边变压器辅助网络变换器在负载短路条件下，滞后臂很容易实现零电流关断；根据图7和图9可知，原边峰值电流相同时，原边电流衰减到零的时间相同（均为3.3μs ）。

图6 不同的脉冲宽度下v AB 和ip 的仿真波形（R=0.1Ω）（5μs /格）图7 脉冲宽度为10μs 时v AB 和ip 的实测波形（R=0.1Ω）ΔX图8 不同的脉冲宽度下v AB 和ip 的仿真波形（R=0.01Ω）（5μs /格）图9 短路电流为200A 时v AB 和ip 的实测波形（5μs /格）图10 Q 4的控制信号、Q 4的管压降V ds4和原边电流i p 实测波形Q 4关断时刻图10所示为Q4的控制信号、Q4的管压降V ds4和原边电流i p实测波形，从图中可看出，Q4关断时i p已经为零，即Q4的电流为零，因此不存在IGBT 的拖尾电流。

此外，Q4关断时，其管压降V ds4一直保持为零。

这是由于在Q4关断前，原边电流已经为零，所以Q4关断时，没有电流对Q3、Q4漏源极的寄生电容放电和充电，V ds4一直保持为零直到Q3开通，由此可见，滞后臂是在零电压零电流的条件下关断的，其关断损耗非常低。

虽然，超前臂和滞后臂都有零电压关断的条件，但这两者实现的原理是不同的。

超前臂关断的零电压条件是靠并联电容实现的，并联的电容越大，“零电压”效果越好；滞后臂关断的零电压条件是零电流关断的“附带效应”，不依赖并联电容，而且滞后臂不能实现零电压开通，所以一般不并联电容。

滞后臂的零电流开通是依靠变压器的漏感实现的。

图11 所示为Q2的控制信号、Q2的管压降V ds2和原边电流i p实测波形，从图中可看出，Q2开通时，其管压降V ds2已降到零，实现了零电压开通，开通损耗很小，关断时，V ds2上升缓慢，因此关断损耗也很小。

（5μs/格）图3-18Q2的控制信号、管压降V ds2和原边电流i p实测波形4结论本文通过Pspice软件对FB-ZVS-PWM变换器桥臂电容对IGBT关断损耗和FB-ZVZCS-PWM变换器开关过程进行了仿真分析，仿真结果为软开关式逆变弧焊电源主电路拓朴结构的设计和器件参数值的选择提供了指导。

（1）FB-ZVS-PWM变换器超前臂功率器件IGBT 随着超前臂电容的增大，IGBT关断损耗显著降低，但增大相同的电容值，损耗降低相对值越来越小。

（2）FB-ZVS-PWM变换器滞后臂功率器件IGBT随着滞后臂电容的增大，IGBT关断损耗明显降低。

但是由于滞后臂电容不能太大，所以滞后臂IGBT关断损耗很大。

（3）C网络电容较大时，IGBT关断损耗比RC网络小很多，但由于滞后臂较难实现软开关，滞后臂并联的电容不能太大，使得滞后臂IGBT关断损耗比采用强RC 吸收网络时要大。

因此，滞后臂不宜采用零电压开关，宜采用零电流开关。

（4）仿真和实测波形表明，原边变压器辅助网络变换器在负载短路条件下，滞后臂很容易实现零电流关断；原边峰值电流相同时，原边电流衰减到零的时间相同。

基金项目：浙江省高新技术研究项目（2002X1C034）作者简介：方臣富（1954-），男，重庆人，中国凯尔达电焊机有限公司总工程师，江苏科技大学硕士研究生导师，北京工业大学博士，主要从事焊接设备及工艺、焊接电弧物理特性的研究工作，完成省部级和企业重大科技攻关项目20多项，研制成功40余个品种规格的先进焊接设备并实现产业化，获省部级科技奖6项，发表论文30余篇。