半桥软开关逆变式焊机原理详解

半桥软开关逆变式焊机原理详解
这是一种新型的半桥软开关逆变技术，可使逆变开关器件在软开通软关断的条件下工作，其开关电压应力和电流应力都大为减小，开关损耗也大为减小，器件发热大为减小，同时电磁干扰幅度也大为减小，由于采用半桥，器件成本也相应降低了。

为达到以上目的，“半桥软开关逆变式焊机”包括按设备的电功率流向而顺序连接的：输入滤波电路、一次侧整流滤波电路、半桥软开关逆变电路、隔离变压器和二次侧整流滤波电路以及主控制板电路，主控制板电路既和二次整流滤波电路联通又和半桥软开关逆变电路联通。

图一是的电路方框图
图二是的主回路原理图
图三是的主控制板电路图
如图一所示：“半桥软开关逆变式焊机”包括按设备的电功率流向而顺序连接的：输入滤波电路1、一次侧整流滤波电路2、半桥软开关逆变电路3、隔离变压器4和二次侧整流滤波电路5以及主控制板电路6。

主控制板电路6既和二次整流滤波电路5联通又和半桥软开关逆变电路3联通。

图一中各电路的构成和相互连接关系见图二。

如图二所示：
输入滤波电路1由电源开关S1，差模滤波电容C27和C28，共模滤波电容C29、C30、C31、C32以及共模滤波电感L1组成。

电网干扰信号通过上述滤波器的滤除，使得本焊机免受外界电磁干扰，提高稳定性；同样，本焊机产生的干扰信号会也会被上述滤波器滤除，使得本焊接不会对外界产生电磁干扰，提高其他设备的稳定性。

一次侧整流滤波电路2由整流桥BR1和电容C34、C35组成。

送入机内的交流电压、电流通过整流桥BR1整流成直流电压、电流，经过电容C34、C35滤波后送半桥软开关逆变电路3。

半桥软开关逆变电路3，由两组绝缘栅场效应电力开关器件Q1、Q2顺向串接组成，另两组绝缘栅场效应电力开关器件Q01和Q02反向串接组成辅助开关电路，R48、R49、R54、R55分别为四只绝缘栅场效应电力开关器件的栅极串接驱动电阻，R50和C38；R51和C39分别为半桥主逆变电路的两只绝缘栅场效应电力开关器件Q1和Q2两极（对于MOSFET器件为D和S极，对于IGBT器件为C和E极，对于MCT器件为A和K极）并联的阻容吸收电路。

辅助开关电路的两组绝缘栅场效应电力开关器件Q01和Q02反向串接后一边接到两组绝缘栅场效应电力开关器件Q1、Q2串接组成的半桥桥臂的中点，另一边则接到直流母线串接谐振电容C36和
C37的中点。

绝缘栅场效应电力开关器件Q01、Q02和谐振电容C36、C37以及饱和电感L2组成软开关辅助谐振电路。

以保证主开关Q1、Q2零电流导通，零电压关断。

电容C40和电容C39是桥臂电容，其容量足够大，以至于主开关Q1和Q2的每次导通，C点的电位基本保持为直流母线电压的二分之一。

电感L3为无功功率电感，其作用是在焊接电源空载时保证电路还能满足软开关条件。

从插座A1输出的相位相差180度的非调制（定宽）驱动脉冲信号送到两组绝缘栅场效应电力开关器件Q01和Q02上；从插座A2输出的相位相差180度的PWM（调宽）驱动脉冲信号送到两组绝缘栅场效应电力开关器件Q1和Q2上。

隔离变压电路4由具有一次侧绕组和二次侧绕组的中频变压器T5担当，中频变压器T5一次侧绕组的一头经过饱和电感L2接电容桥臂的中点C，另一头穿过一次侧电流互感器T4后接主逆变电路半桥桥臂中点B。

二次侧接到二次侧整流滤波电路上。

一次侧绕组和二次绕组是通过绝缘材料安全绝缘的。

二次侧整流滤波电路5由快恢复整流二极管D15、D16，滤波电感L4以及阻容吸收电阻R52、R53和阻容吸收C42、C43等组成。

主控制电路6，由内部的电流给定、电流反馈、PWM脉宽调制电路、定宽互补脉冲信号电路和隔离驱动电路等构成。

一，半桥软开关逆变功能的实现：
参见图二，绝缘栅场效应电力开关器件主开关Q1和Q2顺向串接成半桥结构，而绝缘栅场效应电力开关器件辅助开关Q01和Q02反向串接后一头接Q1和Q2串接的中点，另一头接到串联电容C36和C37的中点。

辅助开关Q01和Q02由插座A1引入主控制板送来的相位相差1800 脉冲宽度非调制（固定脉宽）的驱动信号驱动，而主开关Q1和Q2则由插座A2引入主控制板送来的相位相差1800 脉冲宽度被调制的驱动信号（PWM 信号）驱动。

使得主开关Q1和辅助开关Q01同时被驱动开通，之后Q1受PWM控制关断，而Q01则固定脉宽滞后关断；然后主开关Q2和辅助开关Q02同时被驱动开通，之后Q2受PWM控制关断，而Q02则固定脉宽滞后关断。

如此反复开通和关断，就形成了软开关需要的开关顺序逻辑条件。

T5为隔离变压器，T4为一次侧电流互感器，L2为包和电感，L4为二次侧平波电感。

电路工作原理如下述：
上一个周期刚结束时，电容C36已放完电荷，端电压为零；电容C37已充满电荷，端电压为直流母线电压U。

本周期开始，首先，主开关Q1和辅助开关Q01导通时，电流会沿着“+”→“Q1”→“B”→“T4一次侧”→“T5一次侧”→“L2”→“C”。

变压器T5将电能传送到二次侧，二次侧整流二极管D16导通，电感L4储能。

主开关Q1开通时，由于饱和电感L2的作用，流过饱和电感L2和主开关Q1的电流会从零开始线性上升，故主开关Q1属于零电流开通。

主开关Q1开通后，B点电压等同于直流母线“+”的电压U（略去主开关Q1导通压降），因此辅助开关Q01两端没有电压，同样也没有电流流过，故辅助开关Q01属
于零电压、零电流开通。

过后，主开关Q1会PWM关断，由于二次侧电感L4电流不能突变，使得二次侧整流二极管D16电流逐步分流到整流二极管D15上，最终，两组整流二极管同时导通，中频变压器T5一次侧和二次侧均被短路。

主开关Q1关断后，饱和电感L2和中频变压器T5的漏感以及逆变电路分布电感中电流不能突变，继续沿着“A”→“Q01”→“Q02体内二极管”→“B”→“T4一次侧”→“T5一次侧”→“L2”→“C”的路径流动，电容C36被线性充电，电容C37被线性放电，A点和B点电压缓慢下降。

主开关Q1两端电压由零开始线性上升，所以主开关Q1属于零电压关断，随着时间的推移，电容C36被充上电压值为U的母线电压，电容C37放电到电压值为零，此时饱和电感L2和变压器T5的漏感以及逆变电路分布电感的电流转变路径，沿着“-”→“Q2体内二极管”→“B”→“T4一次侧”→“T5一次侧”→“L2”→“C”继续流动，此时使辅助开关Q01关断，可见Q01属于零电压、零电流关断。

这个周期结束后，电容C37已放完电荷，端电压为零；电容C36已充满电荷，端电压为直流母线电压U。

接着下一个周期开始，主开关Q2和辅助开关Q02同时道通，电流会沿着“C”→“L2”→“T5一次侧”→“T4一次侧”→“B”→“Q2”→“-”。

变压器T5将电能传送到二次侧，二次侧整流二极管D15导通，电感L4储能。

主开关Q2开通时，由于饱和电感L2的作用，流过饱和电感L2和主开关Q2的电流会从零开始线性上升，故主开关Q2属于零电流开通。

主开关Q2开通后，B点电压等同于直流母线“-”的电压（略去主开关Q2导通压降），因此辅助开关Q02两端没有电压，同样也没有电流流过，故辅助开关Q02属于零电压、零电流开通。

过后，主开关Q2会PWM关断，由于二次侧电感L4电流不能突变，使得二次侧整流二极管D15电流逐步分流到整流二极管D16上，最终，两组整流二极管同时导通，中频变压器T5一次侧和二次侧均被短路。

主开关Q2关断后，饱和电感L2和中频变压器T5的漏感以及逆变电路分布电感中电流不能突变，继续沿着“C”→“L2”→“T5一次侧”→“T4一次侧”→“B”→“Q02”→“Q01体内二极管”→“A”的路径流动，电容C37被线性充电，电容C36被线性放电，A点和B点电压缓慢上升。

主开关两两端电压由零开始线性上升，所以主开关Q2属于零电压关断，随着时间的推移，电容C37被充上电压值为U的母线电压，电容C36放电到电压值为零，此时饱和电感L2和变压器T5的漏感以及逆变电路分布电感的电流转变路径，沿着“C”→“L2”→“T5一次侧”→“T4一次侧”→“B”→“Q1体内二极管”→“+”继续流动，此时使辅助开关关断，可见Q02属于零电压零电流关断。

如此周而复始，就实现了半桥软开关逆变功能。

可以看出，两组主开关工作于零电流开通、零电压关断的状态，实现了主开关的软开关功能，达到了减小主开关电压电流应力，减小了引起电磁干扰的开关时的电压电流变化率，减小了主开关器件因开关损耗带来的发热热量。

同时，用于协同创造软开关条件的辅助开关更是工作在零电压、零电流开通和零电压、零电流关断状态。

因此，两组辅助开关只承受很小的开关电压、电流应力，引起电磁干扰和因开关损耗带来的发热热量都很小。

二，满足半桥软开关逆变功能的驱动脉冲电路实现
参见图三，
U1为一电流型PWM集成电路，其1脚为软启动端，外接分压电阻R13、R26和电容C14组成软启动定时电路；2脚为5.1V内部基准稳压电源；3脚和12脚接电源地；4脚为一次侧脉冲电流信号输入端；5脚为误差信号电压输入端，5脚6脚和7脚内部为一运放电路，5脚为该运放输入同相端，6脚为该运放电路反相端，7脚为该运放输出端，6脚7脚相连，内部运放接成了以5脚为输入端的射极跟随器；8脚外接电容C17为PWM定频电容；9脚外接电阻R31为PWM定频电阻；10脚为同步信号输出端；11脚和14脚为PWM脉冲信号的两个互补输出端；13脚和15脚为电源供电端；16脚为脉冲关断端。

从11脚和14脚输出的相位相差1800 的互补的PWM脉冲信号送到由MOSFET管M5、M6、M7、M8组成的功率放大驱动电路后由隔离驱动变压器T2隔离，分成两组由二极管D5、D13电阻R22、R41、R42、R43电容C22、C23整形后通过插座A2送至主开关Q1和Q2栅极。

这组PWM信号的脉冲宽度是变化的，其脉冲宽度是根据焊接电流给定与实际焊接输出电流的误差而不停调整变化的。

从PWM集成电路U1的8脚取出，通过集成电路U2B射极跟随放大后的锯齿波信号；从PWM集成电路U1的10脚取出的脉冲同步信号；11脚和14脚取出的PWM脉冲信号以及从PI调节器送来的放大调节后的误差信号一起送到由集成电路U3A、U3B、U4A、U4B、U5A、U5B、U6和U7以及电阻R1、R2、R3、R4、R11、R12、R16电容C1等组成的脉冲锁相，分频电路，其输出通过由MOSFET管M1、M2、M3、M4组成的功率放大驱动电
路后由隔离驱动变压器T1隔离，分成两组由二极管D1、D6电阻R9、R10、R21、R23电容C2、C3整形后通过插座A1送至辅助开关Q01和Q02栅极。

这组相位相差1800驱动信号的脉冲宽度是固定的。

脉冲锁相、分频电路中，U4A和U4B是带R S触发端的D型触发器；U5A和U5B是四输入或门；U6和U7是同向放大器（这里采用时基电路NE555）。

这两组驱动脉冲信号使得主开关Q1和辅助开关Q01同时导通，Q1 PWM关断，Q01固定脉宽滞后关断；
主开关Q2和辅助开关Q02同时导通，Q2 PWM关断，Q02固定脉宽滞后关断。

这样，就为实现半桥软开关提供了合理的驱动脉冲信号。

三，焊接其他功能的实现
1，焊接电流给定和反馈，PWM调节和焊接电流显示：
由电位器RT2、RT3（参见图二）集成电路U2D以及电阻R36、R46，电位器RT1组成焊接电
流给定路。

其中，电阻R36和R46等值，和集成电路U2D组成反向器，把正的给定信号电压变成负的，通过电位器RT1送到误差比较点E点。

同样，分流器FL1（参见图二）上采集的正的电流反馈信号经电容C25高频滤波后通过电阻R45也送到误差比较点E点。

该误差信号经由集成电路U2C，电阻R33、R44电容C19、C24和二极管D14、ZD1等组成的误差放大器放大调节后送到集成电路U1的5脚。

另外，一次侧的电流脉冲信号通过互感器T4（参见图二）采集后，由D9、D10、D11、D12整流，C24高频滤波，最后在采样电阻R34上取得幅度和一次侧脉冲电流幅度成正比的脉冲电压信号，该信号一路经电阻R19、R18和电容C7组成的阻容网络后送到集成电路U1的16脚作过流关断信号；另一路经电阻R29、R27、R28、R30和电容C18组成的阻容网络后送到集成电路U1的4脚，在4脚和锯齿波补偿信号合成后在集成电路U1的内部和集成电路U1的5脚送来的误差信号比较，生成PWM脉冲，通过集成电路U1内部电路锁相、分频后分别从其11脚和14脚输出互补的PWM信号。

集成电路U1的8脚输出的锯齿波经过集成电路U2B射极跟随放大后，经过由电阻R24、R25和电容C13、C15组成的阻容网络后作为补偿用锯齿波信号。

由电阻R39、R40和电容C26以及DGM1（参见图二）组成焊接电流数字显示电路。

2，欠压，过流和过热保护功能的实现
由集成电路U2A及电阻R14、R15组成欠压保护电路，当电网电压过低使得控制电路板+15V
电压不足时，集成电路U1会输出高电位，通过二极管D2导向，电容C6滤除干扰后通过电阻R17送至集成电路U1的16脚，于是集成电路U1关断PWM输出；同样，该信号也送到集成电路U5A的2脚和集成电路U5B的12脚，关断辅助开关的驱动信号。

当一次侧电流超过设定值，经互感器T4检出，整流二极管D9、D10、D11、D12整流，电容C21滤波后，在采样电阻R21上取得过流信号，经R19、R18分压，C7滤波后送至集成电路U1的16脚，从而关断PWM输出。

当某种原因使得逆变器的电力开关器件温度过高，则安装在电力开关器件散热器上的温度继电器TS1（参见图二）会断开（正常时为常闭状态），电位器RT3（参见图二）+5V电压端失去电压，电流给定电压为零，焊机停止输出电流，直到温度降低为止。

由整流二极管D3、D4、D7、D8滤波电容C8、C9、C10、C11、C12三端集成稳压电路U8、
U9、U10等组成稳压电源电路，为整个主控制板和焊接电流数显表供电，工频交流变压器T3（参见图二）为整个控制板电路的供电变压器。