数字化的逆变弧焊电源

源
Key words：arc-welding power；inverter；digitalization；human-machine interface；soft switch
技
术
0 前言
数字技术、电力电子技术以及控制论的进步 推动着弧焊电源的发展。数字化逆变弧焊电源成为 焊机的发展方向，它不仅可靠性高、控制精度高， 而且容易大规模集成、方便升级，推动了焊接产业 的发展。
字
has been used in the processing industry，shipbuilding，nuclear industry more and more．This paper introduces the developing process
化 焊
of arc-welding power in main circuit，controlling circuit and human-machine interface．Arc welding power's structure and performance
与
important direction of development of electric welding machnie．Compared to analog welding，the digital inverter machine has many
数
advantages，such as high reliability，high precision control，easy to large-scale integrated，easy to upgrade，and so on．Therefore，this machine
2．2 常用软开关主电路的拓扑形式及其典
的软开关过程。控制方式如图 3 所示。
型应用
2．2．2 改进的全桥相移谐振式软开关电路
软开关主电路的常用拓扑形式有单端逆变、半
由于超前臂是负载换相，换相充分，超前臂易
桥、全桥等方式。其中单端电路仅有一个功率开关器
实现零电压关断与零电流开通。滞后臂通过变压器
件而且只能工作于一个象限，所以功率不易做大，适
(1)系统的控制策略通过软件方式实现，方便修 改。
(2)数字控制以数字信号处理为基础，基本不受 外界环境影响。
(3)模拟控制精度由元件参数值的误差决定，而 数字化控制精度取决于系统位数，精度高。
(4)数字系统性能不受元器件参数的影响，可以 大规模的进行测试、调试和量产，产品一致性好。
(5)数字控制系统采用 MCU、DSP、FPGA 等数 字芯片，方便与其他设备进行通信[1]。
路受到固有问题的影响。为此，研究人员在谐振技
术和无损耗缓冲电路的基础上提出了组合软开关
功率变换器的理论。组合软开关技术结合无损耗技
术与谐振零电压技术、零电流技术的优点，使得电
图 5 改进的相移谐振软开关主电路
路中既可以存在零电压开通，也可以存在零电流关
图 5 中，IGBT1、IGBT3 是超前臂，IGBT2、IGBT4 为滞后臂，驱动脉冲如图 6 所示。
Electric Welding Machine ·11·
专题讨论
第 39 卷
目前，数字化的弧焊电源技术优势在欧美，其 中奥地利 Fronius 的 TPS 系列数字化弧焊电源最具 代表性。另外芬兰 Kemppi，德国 EWM，美国 Miller、 Lincoln 公司以及日本的松下、OTC 都有相关的系 列产品。对于数字化焊接设备的研究，国内高校主 要集中在北京工业大学、山东大学、上海交通大学、 华南理工大学等，国内企业则以山大奥太、唐山松 下、北京时代为代表，目前也有很多数字化产品进 入市场。国内数字化弧焊电源的研究虽然起步较 晚，但是发展迅速，在数字化的硬件电路方面已经 达到世界先进水平，但是在控制策略和工艺控制方 面还有一定的差距。
Electric Welding Machine ·13·
专题讨论
第 39 卷
源的控制电路已经由过去的分立元件、简单集成电 路发展到以单片机、DSP、CPLD／FPGA 为核心的数 字化控制电路。
3．1 控制电路硬件结构
3．1．1 模拟控制电路 一般的模拟逆变弧焊电源如图 9 所示，控制电
路是由无源或有源器件组成的模拟系统。焊接电流、 电压等参数通过传感器采样，反馈到控制回路。反 馈量与给定信号比较，经过 PI 控制器输出到 PWM 控制芯片，PWM 信号则经过功率放大、隔离来触发 功率开关元件的导通／关断，完成系统的闭环控制[6]。 模拟控制器的性能由分立元件的参数决定，受温度 等外界参数影响较大，调试较为复杂且一致性较差。
专
图 4 串联饱和电感和谐振电容的相移主电路
题
由Hale Waihona Puke Baidu谐振电容上的电压可将环流期的电流进行
图 7 空载情况下的工作波形
讨
衰减，降低通态损耗，串入的饱和电感将产生固定
论
的换流能量以及固定的占空比，占空比丢失不会随
︱ ︱
负载电流的增加而增加。
逆
2．2．3 全范围软开关技术
变
空载时变压器一次电流很小，超前臂换相失败，
摘要：逆变弧焊电源以其稳定的电气性能和良好的焊接效果，成为电焊机重要的发展方向。而数字化的
逆变焊机具有模拟焊机不可比拟的优势：可靠性高、控制精度高、易于大规模集成、方便升级等，因此
在工业加工、船舶制造、核工业等领域应用越来越广泛，取代模拟焊机成为大势所趋。从主电路、控制电
路以及人机交互方面描述了弧焊电源的发展历程，对各个阶段的弧焊电源组成结构和性能进行了比较，
将半桥电路应用于中小功率电路；与半桥电路相比， 全桥逆变电路功率开关器件多一倍，开关器件额定 电流却小一半，容易做成较大功率的逆变焊接电源， 输出 400 A 以上的焊接电源基本采用了这种电路结 构[4]。逆变焊机常用的桥式逆变电路如图1 所示。
2 逆变式主电路
桥式电路通过在变压器一次侧串联隔直电容 或采用控制峰值电流的方法来校正变压器的偏磁，
第2期
图 3 全桥相移谐振软开关电路的驱动脉冲
压器一次侧串联饱和电感和谐振电容的方法来解 决此问题，电路如图 4 所示。
超前臂调脉宽，滞后臂不调脉宽，每个桥臂上 的功率开关导通相位相反，超前臂上并联有电容，滞 后臂上不并联电容，超前臂是零电压关断，滞后臂 是零电流关断，由于该电路中在负载电压很低时，超 前臂换相时间加长，扩展了超前臂软开关电流工作 范围，增加附加绕组 W23，实现了空载情况下的软开 关。空载情况下的工作波形如图 7 所示，负载情况 下的工作波形如图 8 所示[5]。
弧焊电源从模拟式到逆变式已经进入了数字
因此桥式电路在逆变弧焊电源中得到了广泛应用。
专 化跨越。逆变式的主电路使得弧焊电源的特性有了
题
提升：(1)电源损耗大大降低，整机效率达到 90％以
讨 论
上；(2)随着频率的升高，输出电流纹波减小，提高了
2．2．1 全桥相移谐振软开关电路 为了降低开关管的开关应力而提出的全桥相移
漏抗形成的环流电流来换相，换相能量受负载影响
用于小功率电路；半桥电路由两个功率开关器件组
较大，负载小时不易实现软开关，负载大时存在占
成，开关器件额定电流比桥式电路高一倍，倾向于
空比丢失、通态损耗大等问题。许多学者提出了在变
·12· Electric Welding Machine
专题讨论
杨 通等：数字化的逆变弧焊电源
1 数字化弧焊电源的优点及现状
数字化的弧焊电源包括逆变主电路、数字控制 电路和人机交互，其中主电路和控制电路是实现弧
收 稿 日 期 ：2008－07－23；修 回 日 期 ：2008－12－01 作 者 简 介：杨 通(1985—)，男，山东聊城人，在读硕士，主要
从事电力电子和开关电源的研究。
焊电源数字化的内核，人机交互是数字化弧焊电源 的外在表现。数字化弧焊电源相对模拟弧焊电源有 如下优势：
着重讨论了相移谐振软开关技术、逆变技术、数字技术在弧焊电源中的应用，并对先进的控制算法进
行了分析，在此基础上对弧焊电源的发展提出展望。
关键词：弧焊电源；逆变；数字化；人机交互；软开关
中图分类号：TG434；TG409
文献标识码：C
文章编号：10 01－2303(2009)02－0011－07
专 题
Digitalized arc welding power
断，同时既可以包含零电流开通，也可以包含零电 压关断，是这四种状态的任意组合。无损耗缓冲技术
和谐振技术组合而成的新型软开关技术将成为软
开关电路的发展趋势。
图 6 改进的相移谐振软开关主电路的驱动脉冲
3 数字化控制电路
随着大规模专用集成电路(ASIC)、数字信号处 理器(DSP)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、现场可编 程门阵列(FPGA)等新型半导体器件的发展，弧焊电
谐振软开关电路，基本结构与桥式逆变电路相同，
︱
输出电弧的特性。其中软开关技术代替硬开关技术
︱ 成为弧焊电源发展的主要方向。
逆 变
2．1 主电路软开关取代硬开关
由四个功率开关管构成。相对于桥式电路，不同的 是每个开关器件两端都有电容并联。电路结构如图 2 所示。
与
大多数逆变电路采用 PWM 硬开关控制方式。
数 功率开关器件在较高电压下承载较大电流，产生很
字
大的开关损耗，并且随着频率的提高成比例增加。
化 焊
这不仅降低了变换器的效率，而且严重的发热温升
接
可能急剧缩短开关器件的寿命，并会产生严重的电
电
磁噪声[2]。
源
为了解决硬开关存在的缺点，软开关技术应运
技 术
而生。软开关技术是使功率变换器得以高频化的重
要技术之一，它应用谐振原理，使开关器件中的电
Ltd．，Shandong 250101，China)
逆
变
Abstract：For its stable performance and excellent electrical property and welding effection，inverter welding power source has became an
与
超前臂 IGBT 开通时其并联电容剩余电压较高，并
数 字
联电容直接向 IGBT 放电，造成 IGBT 损坏，山东奥
化
太公司提出另一种相移谐振电路的拓扑形式，如图 5 所示。
焊
图 8 负载情况下的工作波形
接
2．3 软开关电路的发展方向
电
软开关变换器都应用了谐振原理，在电路中并
源 技
联或串联谐振网络，势必会产生谐振损耗，并使电 术
讨
YANG Tong1，HUANG Yan-ling1，ZHANG Guang-xian2
论 ︱
(1．School of Control Science and Engineering，Shandong University，Shandong 250061，China；2．Aotai Electric Co．， ︱
全桥相移谐振电路的工作时序与桥式电路有 较大不同，电路结构中分超前臂和滞后臂。在图 2 中 ，IGBT1、IGBT3 为超前臂，IGBT2、IGBT4 为滞后 臂。通过控制超前臂和滞后臂导通的相位差来调节 输出功率，由于超前臂和滞后臂的上下一对开关管 导通与关断相位上互差 180°且死区不变，每个桥臂 上都有并联的电容，可实现超前臂与滞后臂的零电 压关断，在电流连续时可实现各桥臂的零电流开通
第 39 卷 第 2 期 2009 年 2 月
Electric Welding Machine
Vol．39 No．2 Feb．2009
数字化的逆变弧焊电源
杨 通 1，黄延龄 1，张光先 2
(1．山东大学 控制科学与工程学院，山东 济南 250061；2．山东山大奥太电气有限公司，山 东 济南 250101)
流(或电压)按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过
零时，关断器件(或电压为零时导通器件)，从而减少
开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的开关
损耗、容性开通以及感性关断问题，而且还能解决
由硬开关引起的 EMI 问题[3]，从而提高逆变焊接电
源的可靠性，在焊接领域得到了大规模的应用。
图 2 全桥相移谐振软开关电路
接
in each stages are compared．Then discusses the enormous influence of soft switch and digitization technology，and prospects the
电
developments of arc-welding power based on these．