双端正激逆变器研究

张小平，周玉荣

(攀枝花学院 电气信息工程学院，四川 攀枝花 617000)

双端正激逆变器研究

张小平，周玉荣

(攀枝花学院 电气信息工程学院，四川 攀枝花 617000)

针对单端正激逆变器存在的不足，提出了采用两个单端正激逆变电源，既交错串并联逆变焊接电源，开关管选用软开关交错控制方法。交错并联逆变器既能增加输出功率密度，又能使电压频率增加一倍，减小了装置体积和输出纹波。通过仿真和试验验证了该控制方法的有效性，使整个控制系统能稳定可靠的运行。

交错控制；串并联逆变器；LC滤波

0 前言

逆变焊接电源中常见的电弧有自由电弧、压缩电弧和脉冲电弧，根据不同的工艺要求采取不同的电弧方式。在此分析脉冲电弧，电流为脉冲波形的电弧通常称为脉冲电弧，它可以分为直流脉冲电弧和交流脉冲电弧。从主电路分析逆变弧焊分为半桥式逆变弧焊、全桥式逆变弧焊和单端正激弧焊，以上三种弧焊设备各有优缺点。单端正激逆变器主电路次级输出续流二极管流过的电流幅值大，二极管恢复时间长，主电路的频率等于开关频率，输出滤波器体积大，重要的是高频变压器磁心仅工作在磁滞回线的一侧，效率较低。在此分析双端正激逆变直流脉冲弧焊，开关管采用软开关进行切换，因为硬开关的开关管损耗大，电能转换效率低，特别是在大电流的负载(比如：弧焊电源)情况下，开关管要使用风冷或水冷，给工艺设计带来很多不便[1-2]。

1 电路拓扑结构

1.1 单端正激逆变电源缺陷

单端正激逆变弧焊电源主电路原理如图1所示，经过交流整流后直流电压逆变成方波提供给负载，在交流整流后有平波电感L平波直流电压的作用，该电感L对逆变开关管有很大的影响，L越大，变压器上的电压上升过程缓慢，同时增大了电压尖峰，且产生振荡，振荡频率也较低。因此，应根据系统的功率大小和焊接工艺的要求在调试过程中合理选取L的大小；变压器的漏感对开关管关断过程的变压器一次侧反向电压幅值及变压器二次侧的反向电压尖峰有不利的影响，并且限制了单端正激逆变电源的输出功率；逆变电路的电容对开关管关断时间的反向电压起调整作用，在设计和调试时应选取适当；变压器的反向去磁作用通过励磁电流的改变会自动平衡。因此，磁路中应加入适当的空气隙来改善磁导率的线性度。

1.2 双端正激逆变电源

两个单端逆变器交错并联运行称为双端逆变电源，其输出电压、电流按规定的时间序列交替工作。开关管工作在ZVS和ZCS状况下，称为一种新型的交错并联软开关逆变器。该逆变器输出功率大，是两个单端逆变器输出功率的叠加，且效率高；由于采用谐振软开关技术，不存在半桥式、全桥式逆变主电路两对开关同时导通、短路而烧坏开关管的现象，其工作在ZVS、ZCS状态，减小了开关管的损耗。负载端加入LC滤波，能减少输出电压谐波成分，且电压、电流纹波小。

直流逆变成交流可以采用硬开关，也可以采用软开关，硬开关是在较高的电压和较大电流状态下进行开关。因此硬开关工作方式在高频大电流的情况下(特别是在焊接电源)会导致开关器件损耗的增大，这样在实际应用中不仅造成电能浪费，重要的是开关管温度升高后如果采用风冷处理会增加体积，采用水冷处理会增加工艺难度；另外开关管在高频的开关过程中一定会产生大量的谐波以及电磁干扰，从而影响电路的正常工作，严重时会损坏开关管。软开关技术克服了以上的不足，软开关工作在ZVS、ZCS状态下，这样降低了开关管du／dt和di／dt的变化，减少了谐波和电磁干扰(EMI)，降低了逆变器的质量，提高了效率，减小了电路中变压器、电感、电容的体积，提高了功率密度和系统的稳定性和可靠性。基于以上对硬开关和软开关的分析，在此采用软开关逆变电路[2]。

串并联谐振电路如图2所示，L1r、C1r和L2r、C2r分别组成串联谐振，同时L1r、L1p与L2r、L2p并联向负载交替提供电压、电流。该电路能交错给负载提供电压和电流，从而提高电能的利用率。

2 仿真和实验

2.1 仿真分析

对图2的主电路进行仿真分析，假定开关管的频率为50 kHz，采用PSPICE软件仿真，电路上桥臂采用N-MOSFET，下桥臂采用P-MOSFET，上桥臂选用IRF4905开关管型号、下桥臂选用IRF3710型号。仿真波形如图3所示，在0～10μ s内由开关管SN1、SP1导通，SP1为正脉冲导通，SN1为低脉冲导通，保证两个开关管可靠工作，不同的PWM控制模式会使开关管输出不同的电压、电流波形。同样可以得到图2右半部分的波形和左半部波形，不过两者的电压、电流是交替导通的，也就是当图2左半部分谐振电路向高频脉冲变压器提供电压时，右半部分谐振电路的开关管处于截止状态，反之右半分谐振电路工作时，左半部分开关管处于截止状态。由图3可以看出，电压是交错给输出变压器，S1是左半部分谐振电路的电压波形，其频率为50 kHz，同样S2是右半部分谐振电路的电压输出波形频率50 kHz，因此两者频率的合成使输出的电压频率为100kHz[2]。

图3 变压器二次侧电压波形

2.2 实验验证

本研究选用主芯片DSP(TMS320F2812)为控制单元，DSP具有最大150 MHz(1.9 V内核电压)的时钟频率，在一个周期内可以对任何内存地址完成读取、修改、写入操作，使得效率及程序代码达到最佳。实验波形如图4所示，从图4可以看出，输出电压、电流波形为交错，该逆变电源在焊接时能为负载提供交错的高频焊接电流。

图4 双端逆变电源测试波形

3 结论

通过对双端正激逆变电源的理论分、仿真和实验可知，该电路设计减小了功率损耗，开关管交错导通向负载提供电能，可以根据工艺要求改变电路元器件参数，使输出的电压、电流为高频全波、半波脉冲波和高频正弦波。

[1]李永平，董 欣.PSPICE电路设计实用教程[M].北京：国防工业出版社，2004.

[2]徐顺刚，陈俊昌.一种新型交错串并联软开关逆变器[J].电焊机，2008，38(10)：60-62.

[3]Chianti S J，Charm J M.Parallel control of the UPS inverters with frenquencv-dependent droop scheme[R].IEEE PESc，2001.

[4]陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用.北京：机械工业出版社，2003.

Study on a double single-ended forward inverter

ZHANG Xiao-ping，ZHOU Yu-rong
(School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China)

The approach of a parallel double single-ended forward inverter and an interleaving control of a soft switching are presented based on the shortage of the single-ended forward inverter and the forced-switching.An interleaving parallel inverter can not only increase the output power intensity，double the voltage frequency，decrease the device volume and the output ripple current.The simulation and experiment shows that the control approach can carry our purpose expected,and the control system runs stably and reliably.

interleaving control；series-parallel inverter；LC filter

TG434.4

A

1001-2303(2010)01-0059-03

2009-11-20

张小平(1956—)，男，四川攀枝花人，副教授，主要从事电机理论及电力系统控制的研究工作。