弧焊電源保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

在電氣技術(shù)指標(biāo)滿足正常使用要求的條件下，為使電源的元器件在各種惡劣環(huán)境下能夠安全可靠地工作，必須設(shè)計(jì)保護(hù)電路。設(shè)計(jì)保護(hù)電路的過程中，如何選擇元件的參數(shù)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。若參數(shù)選擇不合理，保護(hù)電路將影響電源的性能，甚至損壞器件，因此對(duì)保護(hù)電路選擇合理的參數(shù)對(duì)電源的可靠性起到至關(guān)重要的作用。

針對(duì)影響開關(guān)電源可靠性的環(huán)節(jié)，本文詳細(xì)介紹了防浪涌軟啟動(dòng)電路、瞬時(shí)過壓抑制電路以及消除變壓器直流偏磁電路的設(shè)計(jì)方案，并且對(duì)保護(hù)電路中元件的選型給出了計(jì)算方法。本文所介紹的保護(hù)電路專門針對(duì)輸出空載電壓70V,輸出電流160A,頻率20kHz，額定功率6kW的弧焊電源。

弧焊電源的電路結(jié)構(gòu)

數(shù)字弧焊電源由主電路、控制電路兩部分組成。其中，主電路由整流環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)、變壓整流濾波環(huán)節(jié)等部分組成。主回路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電源主回路結(jié)構(gòu)圖

整流部分采用三相全波整流模塊，濾波部分采用兩組并聯(lián)和兩組串聯(lián)結(jié)構(gòu)的工頻濾波電容，濾波后的直流電送入逆變模塊的輸入端。逆變模塊采用智能IPM模塊。從電路形式上看，IPM與全橋逆變器結(jié)構(gòu)相同，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)對(duì)角元件同時(shí)導(dǎo)通，將輸入電壓交錯(cuò)疊加到高頻變壓器的初級(jí)，并且可以使用改變占空比的方法調(diào)整輸出電壓。高頻變壓器的輸出經(jīng)二極管和電抗器進(jìn)行整流、濾波，輸出穩(wěn)定的直流。

工頻整流后的直流輸出電壓U_d為537V。輸出最大電流I₀=160A。由于采用兩個(gè)變壓器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，每個(gè)變壓器次級(jí)輸出電流I_d=I_o/2，則變壓器原邊的輸入電流I=N₂/N₁I_d≈1/580=16(A)，變壓器原邊的輸入電壓V=U_d/2≈270V，整流橋交流側(cè)電流為：

（1）

弧焊電源保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

1 防浪涌軟啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

電源的輸入為電容器輸入型，即采用電容器對(duì)直流輸入進(jìn)行濾波，因此一旦附加有交流脈動(dòng)時(shí)，電容中就有電流流過。電源的三相輸入電流在合閘瞬間，由于電容器上的初始電壓為零，電容器在充電瞬間會(huì)形成很大的浪涌電流。特別是大功率開關(guān)電源，采用容量較大的濾波電容器，浪涌電流會(huì)達(dá)100A以上。在電源接通瞬間產(chǎn)生如此大的浪涌電流，重者往往會(huì)導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或合閘開關(guān)的觸點(diǎn)燒壞，整流橋過流損壞；輕者也會(huì)使空氣開關(guān)產(chǎn)生打火現(xiàn)象，合不上閘。為此，要設(shè)置防止浪涌電流的軟啟動(dòng)電路，以保證電源正常而可靠運(yùn)行。

浪涌電流的值隨著輸入電壓的增大而增大，當(dāng)交流側(cè)的輸入電壓相位達(dá)到90o時(shí)為最大值。采用電容進(jìn)行濾波通常導(dǎo)致輸入電流的峰值I_acp約為I_ac的3～4倍。如果能對(duì)浪涌電流進(jìn)行有效的抑制，那么浪涌電流可以抑制到交流輸入Iac的5倍以下。但是，如果過度抑制浪涌電流，則電容器充分充電的時(shí)間增長(zhǎng)，充電尚未結(jié)束前就產(chǎn)生振蕩，有2次性的沖擊電流流通，因此浪涌抑制電路中電阻的選擇非常重要。軟啟動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 輸入沖擊抑制電路

根據(jù)（1）式的計(jì)算得出交流輸入電流I_ac=14A，則浪涌電流可以按交流輸入的4倍來抑制I’=1/4I_ac=3.5A，輸入相電壓為220V，則輸入相電壓的峰值E_ip為311V。
需要的電阻值為

R=E_ip/I_ac=89Ω （2）

電阻的瞬間功率為

P_R=(E_ip)2/R=1087W （3）

電阻的瞬間過功率較大，為了保證電阻對(duì)浪涌電流能夠起到有效的抑制作用，應(yīng)選擇繞線式水泥電阻，其耐瞬間過功率可高達(dá)額定功率的100～400倍。這里，可選擇阻值為100Ω的限流電阻，功率為10W的水泥電阻。

2 直流偏磁消除電路

全橋逆變器的原理如圖3所示。

圖3 直流偏磁抑制電路

驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)對(duì)角元件同時(shí)導(dǎo)通，同相的開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則電源將被短路。因此兩組觸發(fā)脈沖應(yīng)有一段共同處于低電平的死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間必須要大于開關(guān)管的最長(zhǎng)導(dǎo)通飽和延遲關(guān)斷時(shí)間。圖3中，T1、T4與T2、T3交替導(dǎo)通時(shí)，a、b兩點(diǎn)的電位根據(jù)開關(guān)管的導(dǎo)通而浮動(dòng)。如果開關(guān)管具有不同的開關(guān)特性，那么在相同的基極脈沖寬度作用下，將會(huì)對(duì)a，b接點(diǎn)處的電壓波形產(chǎn)生影響，如圖4所示。

圖4 變壓器串聯(lián)耦合電容工作波形圖

圖4中，矩形A1中的反斜線代表了不平衡的工作特性。如果變壓器原邊的輸入電壓帶有這種不平衡特性，將會(huì)發(fā)生偏磁現(xiàn)象，致使鐵芯飽和并產(chǎn)生過大的集電極電流，從而降低了變換器的效率，使開關(guān)管失控。在變壓器原邊線圈的輸入中串聯(lián)一個(gè)耦合電容，則將直流偏磁濾掉。

耦合電容C與輸出端的電抗器組成了一個(gè)串聯(lián)諧振電路，其諧振頻率為

（4）

其中，LR為折算到變壓器原邊的副邊電感值。

為了使耦合電容充電為線性，要使諧振頻率低于逆變器的開關(guān)頻率。在設(shè)計(jì)中取諧振頻率為逆變器開關(guān)頻率的1/4。根據(jù)公式（4）可以算出電容值為

(5)

電容器在每半個(gè)周期充電或放電一次，充電電壓為V，當(dāng)電容的充電電壓為反極性的V時(shí)，若電壓過大則影響逆變器電壓的調(diào)整率。

電容的充電電壓 （6）

其中，I為變壓器原邊平均電流， Δt為電容充電時(shí)間間隔。

根據(jù)式（6）算得電容的充電電壓VC>(10%～20%)V.通過計(jì)算可以看出VC的值過大，這將對(duì)逆變器產(chǎn)生不利的影響，因此要重新確定電容值。這里，我們確定耦合電容的值為4μF。

3 瞬時(shí)過壓抑制電路的設(shè)計(jì)

PWM調(diào)制的全橋電路的全波整流器如圖5所示，D1、D2是快恢復(fù)二極管。

圖5 緩沖電路原理圖

變壓器副邊的輸出電壓為Vs，則二極管D1、D2在截止時(shí)承受2Vs的反向電壓。由于高頻變壓器的漏電感及整流管的結(jié)間電容在截止時(shí)形成一個(gè)諧振電路，導(dǎo)致瞬時(shí)過壓振蕩將二極管擊穿，造成電源的輸出端短路。因此要在電源的輸出部分設(shè)置RC緩沖電路以保護(hù)快恢復(fù)二極管，提高電路的可靠性。對(duì)于大電流輸出的電源，緩沖器RC要設(shè)置在每個(gè)整流管的兩端。緩沖器的設(shè)計(jì)既要對(duì)二極管起到保護(hù)作用，又要盡量減小損耗。

結(jié)論

本文對(duì)防浪涌軟啟動(dòng)電路、瞬時(shí)過壓抑制電路以及消除變壓器直流偏磁電路等保護(hù)電路中元件的參數(shù)給出了詳細(xì)的計(jì)算方法，但在計(jì)算中變壓器與功率器件被視為理想器件將其損耗忽略。因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，要對(duì)計(jì)算的理論值做一些修正，才能保證保護(hù)電路的可靠性。