大功率高頻軟開關(guān)逆變器的設(shè)計

引言

　　逆變器技術(shù)經(jīng)歷了近十年的發(fā)展，逐步替代了落后的工頻晶閘管整流技術(shù)而進(jìn)入了高頻變換時代。在高頻變換技術(shù)進(jìn)程中又走過了它的初級階段即硬開關(guān)PWM階段，于近年進(jìn)入了它的第二階段，即軟開關(guān)PWM階段。

　　硬開關(guān)PWM變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單。技術(shù)成熟，適合批量生產(chǎn)。其主要芯片如TL494、UC3525等都比較穩(wěn)定可靠，這都是目前逆變焊機(jī)硬開關(guān)PWM功率變換器仍得以廣泛應(yīng)用的主要原因。

　　所謂硬開關(guān)PWM(脈沖寬度調(diào)制)，是指在功率變換過程中電子開關(guān)在開通和關(guān)斷的瞬間處于大電流或高電壓的工作條件，所以它的工件可靠性差、效率低、電磁干擾極為嚴(yán)重。

　　所謂軟開關(guān)技術(shù)，是指在功率變換技術(shù)中，就是在主開關(guān)器件關(guān)斷和導(dǎo)通的瞬間，實(shí)現(xiàn)其兩端電壓或電流為零的技術(shù)。也就是術(shù)語中常說的ZVS(零壓開關(guān))和ZCS(零流開關(guān))開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)PWM功率變換器技術(shù)足相對于硬開關(guān)PWM技術(shù)的一次革命性發(fā)展，它確實(shí)在相當(dāng)程度上改善了電源產(chǎn)品的可靠性、效率、電磁干擾(EMI)三大基本性能?，F(xiàn)在國內(nèi)同行開發(fā)的大功率開關(guān)電源中大部分采用的是硬開關(guān)PWM控制方式，只有少量采用軟開關(guān)PWM，其軟開關(guān)PWM大都采用的是移相控制方式，采用控制芯片如UC3875、UC3879、UCC3895等，采用移相控制技術(shù)使功率器件的開關(guān)應(yīng)力減少、開關(guān)損耗降低、從而提高了整機(jī)效率。然而、這種軟開關(guān)亦存在諸多不足和遺憾，如：

(1)這種中、大功率移相控制軟開戈方式實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)并不是全范圍的；
(2)由于存在環(huán)流，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗大，輕載時效率較低，特別是在占空比較小時，損耗更嚴(yán)重；
(3)輸出整流二極管存在寄生振蕩；
(4)為了實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，必須在電路中串聯(lián)電感，這就導(dǎo)致占空比丟失降低輸出能力，增大了原邊電流定額。

而且移相控制本身還有一個難以克服的缺點(diǎn)，即死區(qū)時間不好調(diào)整。當(dāng)負(fù)載較重時，由于環(huán)流大，超前橋臂管上并聯(lián)的電容放電較快，因此實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通比較容易，但當(dāng)負(fù)載較輕時，超前橋臂開關(guān)管上并聯(lián)的電容放電很慢，超前橋臂的開關(guān)管必須延時較長時間后導(dǎo)通才能實(shí)現(xiàn)ZVS導(dǎo)通。

有缺陷就有發(fā)展，為此我們吸收傳統(tǒng)硬開關(guān)PWM功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，可凋整點(diǎn)少、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)；同時吸收移相控制軟開關(guān)PWM功率變換器重載易實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的優(yōu)點(diǎn)；推出新型大功率全橋軟開關(guān)(FB—ZVZCS)技術(shù)，使超前臂為恒頻調(diào)寬控制實(shí)現(xiàn)ZVS，滯后臂為恒頻恒寬控制實(shí)現(xiàn)ZCS。從而實(shí)現(xiàn)超前臂和滯后臂傘范圍的軟開關(guān)(FB—ZVZCS)，大大提高了大功牢開關(guān)電源產(chǎn)品的可靠性、效率、電磁干擾(EMI)三大指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)證明了這種控制方法非常優(yōu)秀，可以說是對傳統(tǒng)硬開關(guān)大功率開關(guān)電源的一次革命。

l 全橋軟開關(guān)(FB—ZVZCS)逆變器

　　該大功率逆變焊機(jī)的脈沖檸制板的外形示意圖如圖l所示。該線路板共引出18個腳，線路板內(nèi)是自主研制的模擬和數(shù)字電路組合，此電路能夠形成軟開關(guān)所需的驅(qū)動脈沖。

1.1 逆變器控制板
　　全橋軟開關(guān)(FB—ZVZCS)控制板內(nèi)部簡圖如圖2所示。各引腳的功能介紹如下。

腳1接工作電源(UDD=12V或15V)；
腳2接工作電源的地；
腳3為基準(zhǔn)電源(UREF=5V)；
腳4為電壓誤差放大器的反向輸入端；
腳5為電壓誤差放大器的同向輸入端；
腳6、腳ll接定時電容(CT1=CT2)；
腳7、腳12接定時電阻(RT1RT2)；
腳8、腳13分別為振蕩器放電管的集電極，腳8對腳6接一電阻，腳13對腳11接一電阻。兩電阻的值應(yīng)相等，改變電阻大小可以調(diào)整超前臂的死區(qū)和滯后臂的死區(qū)大小；
腳9對地接一電容，該電容起軟啟動的作用；
腳10為誤差放大器的輸出端；
腳14為關(guān)閉腳，從此腳輸入一個0.7V左右的電平就可以把4組輸出都關(guān)掉；
腳15、腳16為調(diào)寬脈沖的輸出端，控制全橋軟開關(guān)(FB—ZVZCS)超前橋臂；
腳17、腳18為固定脈寬脈沖的輸出端，控制全橋軟開關(guān)(FB—ZVZCS)滯后橋臂。

1.2 逆變器主電路
　　全橋軟開關(guān)逆變焊機(jī)主電路簡圖如圖3所示。該焊機(jī)的輸入電源為三相工頻交流電壓。

2 逆變器的工作原理和波形
　　波形簡圖如圖4所示，左臂為超前橋臂，其上下兩支開關(guān)管的激勵信號為恒頻調(diào)寬的脈沖，右臂為滯后橋臂，其上下兩支開關(guān)管的激勵信號為恒頻恒寬的脈沖。下面我們把實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的過程作簡要分析。

2．1 初級狀態(tài)(t1，t2)
　　S1和S4導(dǎo)通，此時變換器向次級負(fù)載輸出能量，這時的工作狀態(tài)與我們通常的硬開關(guān)PWM的工作方式一樣。

2.2 狀態(tài)2(t2，t3)
　　S1關(guān)斷，S4維持導(dǎo)通，由于S1和S3上都

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