峰值电流模式控制逆变焊机控制电路的设计

峰值电流模式控制逆变焊机控制电路的设计
河南科技大学材料科学与工程学院夏田朱锦洪
摘要：讨论了峰值电流模式的原理及优缺点，并针对UC3846设计了斜坡补偿电路及焊机保护电路。

关键词：峰值电流模式UC3846 斜坡补偿
Abstract: the article discussed the merit and defect of the peak current mode control ,the slope compasation circuit and the protect circuit is designed for the welding machine.
Key word: peak current mode UC3846 slope compasation
0 前言：
逆变焊机的最主要组成部分是逆变弧焊电源，它的功能是把工频交流电整流，再通过功率晶体管的开关逆变成高频交流方波，然后通过变压器降压，整流二极管整流，通过焊枪和工件产生焊接电弧，包括恒压，恒流外特性。

逆变弧焊电源一般采用脉宽调制（PWM）方式，通过调节直流电平来调节输出电压或电流，逆变电源PWM控制方式有电压型和电流型两种，电压型只通过将输出电压反馈和给定电压反馈比较来控制PWM脉冲变化从而控制逆变开关和电源的输出。

电流型PWM控制是用一个电流传感器去检测变压器原边的电流，反馈到PWM芯片，参与PWM调节，形成电压电流双闭环控制系统。

1．电流型控制有许多的优点：
1.1逐个脉冲控制，动态响应快，调节性能好：因为检测的是原边电流，所以不会出现电压
型控制电路中由于滤波电感的存在而导致响应速度慢的问题，因此电流型控制有输出精度高，稳定性好的优点。

1.2具有瞬态的保护能力，能迅速对电力电子器件进行保护：因为内环逐个脉冲控制，当变
压器原边电流过流时，能迅速对电力电子器件进行保护。

1.3能防止高频变压器偏磁的发生：高频变压器发生偏磁时，励磁电流增加，容易烧毁变压
器，电流型控制中采用检测原边电流的方法，能自动对称变压器的动态磁平衡。

1.4有利于并联均流：在多个电源模块并联时可提供自动均流功能
2．控制电路的设计
2.1 UC3846电流控制芯片的工作原理
电流模式控制分为峰值电流模式控制和平均电流模式控制。

UC3846采用的是峰值电流模式控制法，即将实际的电感电流和电压外环设定的电流值分别接收到PWM比较器的两段进行比较，如图：
变压器一次侧电流采样信号被放大三倍后与电压误差放大信号比较，然后去控制PWM
脉宽调制信号的脉宽。

电流内环和电压外环同时起作用调节PWM 脉宽，如果内环变压器一次侧出现过流，而外环电压信号由于存在输出电感响应速度比内环慢，这个电流信号被霍尔传感器检测到后经过放大与外环电压误差放大信号比较后会迅速调节PWM 脉宽，因此UC3846比电压型PWM 控制芯片响应速度更快，在变压器磁芯偏磁时，能同时调节变压器一次侧和二次侧的电流。

但是同时，UC3846同时拥有电流内环和电压外环，因此从控制上来说更为复杂，在占空比大于50%时容易造成工作电流扰动，尖峰电流值和平均值误差大，并且在二分之一开关频率处容易发生次谐波振荡，为了提高电路的稳定性有必要进行斜坡补偿。

2.2斜坡补偿电路设计
UC3846自身提供了良好的斜率补偿实现平台，因为在定时电容C T 上恰好有一个正的与振荡器同步、同频率的斜坡电压，只要将该电压信号分压之后与峰值电流信号进行叠加就可以实现补偿。

从UC3846的脉宽调制原理来看斜坡补偿有两种实现办法，一种是将斜坡补偿信号加到电流检测信号中，另一种是将斜坡补偿信号从误差电压信号中减去，第一种办法在实现电流限制功能时易产生误差，第二种方法中，必须电压放大器的增益，实现起来比较麻烦。

因此采用改进后的第一种办法，如图3接入射极跟随器减小晶振端的输出阻抗。

射极电阻取R 2的十分之一，为减少补偿电路对C T 上的斜坡电压线性度和稳定性的影响，R 2的阻值要足够大。

图3
下面计算R2参数值：
1． 计算输出电感电流斜坡下降斜率：
秒）安/)(/sec(sec//)(S A L V dt di L S ==
式中sec V 为输出电压，sec L 为滤波电感
2． 把输出滤波电感电流下降斜率折算到变压器一次侧
秒）安/)(/()()'(S A N L S L S =
式中N 为变压器一二次侧的匝数之比
3． 计算折算到一次侧的电流检测信号电压值
秒）伏/)(/()'()'(S V Rsense L S L VS ⨯=
4． 计算振荡锯齿波斜坡电压的斜率
秒）伏/)(/(/)()(S V Ton Vosc d osc VS =
5． 导出斜坡公式
运用叠加法
2
11212)()'()(R R R osc VS R R R L VS ramp V +⨯++⨯=（)(ramp V ）为叠加后的电压值）；212211)'(')'(;)()(R R R L VS L VS R R R osc VS comp VS +⨯=+⨯=
()(comp VS 为振荡斜坡产生的电压，')'(L VS 为电流反馈在Rsense 上产生的电压)。

斜率补偿电压信号的上升率愈大，则峰值电流控制电路对噪声的敏感性愈小，系统的抗噪能力愈强。

另一方面，如果增大斜率补偿电压信号的上升率，则电流注入控制系统的开环穿越频率会减小，系统的动态响应速度将降低。

综合考虑上述因素，在控制工程实践中，斜率补偿电压的上升率一般设计为输出电感电流检测信号下降率折算值的75%。

')'(75.0)(L VS comp VS ⨯=，75.0)'(12⨯⨯=L VS VS R R osc 。

1R 和2C 组成滤波电路，这个滤波电路用于降低开通时的电流尖峰，这个电流尖峰可能会导致电流检测电路错误工作。

这个滤波电路的时间常数不能太小，太小滤波的效果不好，太大则导致电流检测电路响应速度变慢，一般滤波电路的时间常数应该要远小于振荡器的时钟周期Ton ，一般取为1/50。

1250/R Ton C ≤，1R 取1000Ω。

由此完成斜坡补偿和滤波电路的计算。

2.3峰值电流限制电路设计
电流模式控制中最有吸引力的地方就是它的电流限制能力，通过把误差电压放大器的输出限制在一个最大值的办法，简单的实现了限制峰值电流的目的。

如图4，最大电流由1R 和2R 和sense R 决定，这个误差放大器的输出最大电压和Q 1 联系紧密，Q 1用于嵌位误差放大器的最大输出电压。

Q1的基极电压和D1的前端电压基本相等，所以PWM 比较器的反向输入端电压被嵌位在v V pin 5.01-，由此，最大峰值电流()
2125.0R R V R I REF CL +-⨯=/SENSE R ⨯3
图4
2.4快速关断电路设计
UC3846的shutdown 主要用于快速关断保护功能，是对前面峰值电流限制等保护功能的一个补充，关断电路输入部分是一个比较器，如图5。

如果比较器的同相输入端大于350mv ，比较器输出高电平，小晶闸管导通，软启动电容放电，使得pin1电位下降
图5
本电源采用的是富士EXB841驱动电路，当驱动电路检测到IGBT过流时会产生一个过流信号，利用UC3846的shutdown的快速关断功能，这个过流信号被送到shutdown来实现IGBT的快速过流关断保护。

因为动作电压比较小，如果UC3846用于大功率焊机容易受到干扰，所以有必要设计一中可靠的辅助关断电路，保证关断电路不容易受到干扰。

如图6
图6
如果过流信号为是低电平，模拟开关4066c导通，shutdown和负电压接通，保证shutdown 不被干扰电压误导通，如果过流信号是高电平shutdown和正电压接通，模拟开关4066d开通，shutdown出现高电平，将UC3846可靠关断输出脉冲，保护开关管。

2.5 实验结果
通过主电路和控制电路的设计制作，本文设计了基于全桥主电路的峰值电流模式控制
CO气体保护焊机，焊机工作时，斜坡补偿信号和恒压输出如图7：
2
图7
焊机工作时的变压器一次侧通过霍尔传感器检测到的电流波形转换成电压信号加上斜坡补偿后如图7所示，斜坡补偿电路增加了电路的稳定性和抗干扰性能，弥补了峰值电流模式控制的不足，输出电压稳定。

2.6 结论
峰值电流模式控制有很多优点，特别在用于全桥式逆变焊机时，有利于防止主变压器的偏磁，但是峰值电流模式也有抗干扰性能不好，且容易发生亚谐波振荡的缺点，但是通过控制电路的合理设计，尤其是斜坡补偿电路，充分利用UC3846的内部资源，可以克服这些不足。

1.7 参考文献
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李宪正等电流型PWM控制器UC2846及其在逆变弧焊电源中的应用焊接技术：1996（3）22~24。