艇用逆变弧焊电源的研制

　　1 引言

　　随着电力电子技术的发展和软开关逆变技术的成熟，逆变直流弧焊电源得到了快速的发展。但是目前市场上的大部分产品都只适用于生产现场，体积大、笨重，不能用于需要频繁移动和应急焊接的场合。本文提出的一种逆变弧焊电源方案，把高频逆变与软开关相结合，能有效提高电源效率及可靠性，减小体积、重量和 EMI，非常适合潜艇等要求苛刻的场合。

　　2 主电路拓扑的选择

　　移相全桥 PWM 软开关电路由于把 PWM 控制技术和软开关技术的优点结合在一起，在中大功率变换方面成为最有吸引力的电路形式，也是逆变弧焊电源中较为成功的一种主电路拓扑。

　　移相全桥 PWM 电路中，逆变桥的四只 IGBT在一个周期中均有半个周期导通，半个周期关断。每个桥臂上的两只 IGBT 互补导通(不考虑死区时间)，而对角线上的两只 IGBT 开通时间相差一定的相角。先开通的两只 IGBT 组成的桥臂称为超前桥臂，其开通时间固定，后开通的两只 IGBT组成的桥臂称为滞后臂，滞后臂开关管开通时间滞后于超前臂开关管，滞后相角由负载大小决定，负载越重，滞后角越小，即对角线上两只开关管重合导通时间越长。移相全桥 PWM 软开关电路软开关的实现方式分为两大类：ZVS 和 ZVZCS[3]。

　　2.1 ZVS 软开关方式

　　主电路如图 1 所示。

　　由于有并联电容，超前桥臂和滞后桥臂都实现 ZVS。但超前桥臂和滞后桥臂实现 ZVS 的过程是不一样的。

　　超前桥臂开关过程中，用来实现ZVS的能量是变压器漏抗Llk和输出滤波电抗Lf两者能量之和。一般来说，Lf很大，其储存的能量很容易用来实现ZVS。滞后桥臂开关过程中，变压器副边是短路的，此时用来实现ZVS的能只是变压器漏抗Llk中所储存的能量。Llk一般很小，所以ZVS的实现就要困难得多。而且在轻载情况下更是无法实现ZVS，还会存在较大的占空比丢失，限制了频率的进一步提高。而电焊机的负载往往是大范围变化的，这就使得滞后桥臂实现ZVS的效果不是太理想。而且在各种中大功率变换器场合，IGBT都有取代MOSFET的趋势。但是IGBT关断时存在拖尾电流，在ZVS条件下会造成较大的开关损耗。另外，该电路还存在较大的环流，降低了电路的效率。

　　2.2 ZVZCS 软开关方式

　　一种有代表性的主电路如图 2 所示[4]。

　　该电路的特点是滞后臂 IGBT 不再并联电容，桥臂中点与变压器之间串入阻断电容和饱和电抗，因而该电路超前臂实现 ZVS，滞后臂在饱和电抗 Ls和阻断电容 Cb的作用下实现 ZCS。具体过程简述如下。在超前臂的一只 IGBT 关断后，主电路进入自然换流过程(图 3 所示 ΔT 时段)，因为此时饱和电抗 Ls仍处于饱和状态，变换器一次侧电流 ip在隔直电容 Cb和主变压器原边漏抗Llk的谐振作用下迅速下降。当 ip下降到零时，由于饱和电抗 Ls已退出了饱和，就阻止了 Vcbp引起的电流反向流动，从而使滞后臂的关断在零压零流状态下完成。随后，滞后臂上的另一只 IGBT开通，电源电压 Vin与 Vcbp之和加在饱和电抗上。由于饱和电抗进入饱和需要一个短暂的过程，电流不能立即上升，这样滞后臂的开通也是在零电流下完成的.