中心議題:
- 全橋移相諧振逆變弧焊電源結(jié)構(gòu)組成及功能
- 全橋移相諧振逆變弧焊電源設(shè)計(jì)
解決方案:
- 全橋移相諧振逆變弧焊電源主電路設(shè)計(jì)
- 全橋移相諧振逆變弧焊電源控制電路設(shè)計(jì)
- 全橋移相諧振逆變弧焊電源驅(qū)動(dòng)隔離設(shè)計(jì)
電焊機(jī)是工業(yè)牛產(chǎn)和加工領(lǐng)域不可或缺的設(shè)備,其中逆變焊機(jī)由于具有體積小、重量輕、控制性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)控制等優(yōu)異性能,成為焊機(jī)產(chǎn)品的主流發(fā)展方向。
目的市場(chǎng)上大部分逆變焊機(jī)產(chǎn)品工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài),開(kāi)關(guān)損耗嚴(yán)重,開(kāi)關(guān)頻率限制存幾kHz到幾十kHz上,無(wú)法完全發(fā)揮出逆變焊機(jī)小型化和便攜性的特點(diǎn)。另外,焊機(jī)類(lèi)設(shè)備的耗電量占我國(guó)年發(fā)電總量的5‰,被列為十大高能耗產(chǎn)品之一。因此,將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)引入逆變焊機(jī)領(lǐng)域,對(duì)于減小開(kāi)關(guān)損耗、提高開(kāi)關(guān)頻率、減小體積重量以及節(jié)約能源等具有至關(guān)重要的作用。全橋變換器由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),可以方便地工作于多種軟開(kāi)關(guān)模式下,并具有功率器件電壓額定值小、變壓器利用率高、濾波電感小等優(yōu)點(diǎn),而且可以工作在電壓、電流兩種模式下。其中電流模式特別適合應(yīng)用在高頻逆變焊機(jī)的控制上。
因此,本文設(shè)計(jì)了一種基于峰值電流控制模式的全橋移相諧振逆變弧焊電源。采用專(zhuān)用移相芯片UC3879作為主控單元,實(shí)現(xiàn)全橋變換器的移相控制和主開(kāi)關(guān)器件的ZVS。配合一定的焊機(jī)外特性控制電路和峰值電流檢測(cè)技術(shù),成功試制了一臺(tái)6kW/l00kHz的高頻逆變弧焊電源樣機(jī),最后給出了相關(guān)電路圖和實(shí)驗(yàn)波形。
1 結(jié)構(gòu)組成及功能
基于峰值電流模式的全橋移相諧振逆變弧焊電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
220V交流市電經(jīng)整流濾波后做為全橋逆變器的直流輸入,其輸出為脈寬可調(diào)的高頻交流電壓方波,通過(guò)高頻變壓器隔離降壓后,再經(jīng)過(guò)輸出整流濾波得到滿(mǎn)足焊接要求的直流電源。
基于峰值電流控制的移相控制電路是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分。所謂峰值電流控制,即逐個(gè)脈沖電流限制,就是通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)流過(guò)變壓器原邊的電流波形,由其峰值到達(dá)給定的時(shí)刻決定輸出PWM脈沖的寬度.使得主開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電流瞬態(tài)值具有相對(duì)獨(dú)立性。能夠快速地獲得焊機(jī)T作所需的理想電流特性曲線(xiàn).提高其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和可靠性。并有助于克服全橋變換器所固有的偏磁問(wèn)題。外特性控制電路根據(jù)原邊電流峰值和副邊輸出電壓的反饋量與給定量的偏差判斷系統(tǒng)的工況,并通過(guò)移相控制電路調(diào)節(jié)輸出脈寬,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的閉環(huán)控制,使逆變焊機(jī)具有理想的工作特性曲線(xiàn)。
圖2所示即為高頻逆變焊機(jī)所普遍采用的一種行之有效的恒流帶外拖的外特性曲線(xiàn)。其中Uk為空載電壓,即焊機(jī)不工作時(shí)的輸出電壓。一個(gè)較高的空載電壓有助于起弧階段快速建立起穩(wěn)定的工作狀態(tài)。一般空載電壓為90V左右;AB段為起弧階段,即焊機(jī)建立工作狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程,近似于恒壓輸出。這個(gè)過(guò)程中變換器以最大脈寬輸出,以最快速度達(dá)到設(shè)定工作電流時(shí)該階段結(jié)束;BC段為穩(wěn)定工作階段,近似為恒流過(guò)程,使焊機(jī)具有一個(gè)平穩(wěn)、恒定的工作電流;CD段為外拖階段,由于焊機(jī)在頻繁的起弧和工作過(guò)程中焊槍很容易和工件短路粘連,造成焊接過(guò)程不順暢,如果此時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到一個(gè)較低的短路電壓后能夠相應(yīng)地增大輸出電流值,就可以將粘連部分熔斷,從而獲得一個(gè)連續(xù)、平穩(wěn)的焊接過(guò)程。
此外,本系統(tǒng)還包括一系列輸入過(guò)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)以及給定電流和實(shí)際工作電流切換顯示等功能。
[page]
2 主電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)所采用的全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。主電路中選用了MOSFET作為主功率開(kāi)關(guān)器件,這是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的設(shè)計(jì)頻率為100 kHz,而與IGBT一般最高工作在幾十kHz相比,MOSFET的工作頻率則要高的多。另外由于MOSFET自身帶有反并聯(lián)二級(jí)管和較大的輸出電容,如圖3中D1~D4、C1~C4所示,為軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)提供了便利條件。變壓器副邊輸出整流結(jié)構(gòu)有全波整流(變壓器副邊三抽頭+兩只二級(jí)管)和全橋整流(變壓器副邊兩抽頭+四只二級(jí)管)兩種結(jié)構(gòu)可供選擇,前者適合于輸出低壓大電流的場(chǎng)合,后者適合于輸出高壓小電流場(chǎng)合。由于逆變焊機(jī)可看作是一個(gè)低壓大電流源.因此選用全波整流。
本方案選用移相的控制方式,比較適合于選用MOSFET作為主開(kāi)關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其工作過(guò)程大致可分為功率傳輸階段、超前臂諧振階段、環(huán)流階段、滯后臂諧振階段以及電流反向階段等幾個(gè)過(guò)程。需要強(qiáng)調(diào)的是,在滯后臂諧振階段,由于D5和D6同時(shí)換流將副邊短路,輸出濾波電感Lf無(wú)法協(xié)助變壓器原邊漏感Llk參與諧振過(guò)程,因此滯后臂軟開(kāi)關(guān)條件不容易滿(mǎn)足。
與常規(guī)全橋變換器相比,本方案在電路結(jié)構(gòu)上做了如下改進(jìn)。
(1)在Llk的基礎(chǔ)上,原邊串入一個(gè)輔助諧振電感Ls。這有助于克服滯后臂諧振過(guò)程中只有Llk單獨(dú)與諧振,導(dǎo)致諧振能量不足、軟開(kāi)關(guān)范圍受限的缺點(diǎn)。但是另一方而,原邊電流反向過(guò)程中又希望原邊電感值越小越好,以增大電流變化斜率、減小占空比損失。因此輔助諧振電感的大小要權(quán)衡各種因素后合理選取,最好使用飽和電感,可以方便地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
(2)原邊串入無(wú)極性隔直電容C5。全橋變換器工作時(shí)變壓器雙向激磁,存在固有的偏磁問(wèn)題。造成的原因是正負(fù)脈沖不對(duì)稱(chēng),變壓器電壓存在直流分量,使偏磁迅速積累至磁芯飽和,導(dǎo)致電流無(wú)限制上升,逆變失敗。加入一個(gè)無(wú)極性隔直電容,可有效防止直流偏磁。另外本系統(tǒng)采用峰值電流控制,逐個(gè)限制每個(gè)電流脈沖的峰值,迫使正負(fù)脈沖波形對(duì)稱(chēng)。兩者配合使用可從根本上解決偏磁問(wèn)題。
(3)在輸出整流部分引入一個(gè)反并聯(lián)的續(xù)流二級(jí)管D7。在環(huán)流階段,由濾波電感Lf提供的負(fù)載電流大部分可以通過(guò)D7構(gòu)成回路進(jìn)行續(xù)流,可以有效減小由變壓器副邊反射到原邊的續(xù)流電流,從而減小占空比損失和環(huán)流階段的導(dǎo)通損耗。
(4)加入吸收電路。由于輸出整流二級(jí)管反向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)較高的電壓過(guò)沖和高頻震蕩,容易損壞二級(jí)管并發(fā)熱嚴(yán)重。加入由Rs和Cs構(gòu)成的吸收電路后,可明顯改善整流電壓波形。另外如有需要,主開(kāi)關(guān)器件兩端也可并聯(lián)RCD網(wǎng)絡(luò)。
3 控制電路設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)前述逆變焊機(jī)恒流帶外拖的特性曲線(xiàn),本方案選用UNTRODE公司的專(zhuān)用集成移相芯片UC3879,并配合外圍電路,通過(guò)多環(huán)分段控制方法來(lái)完成控制要求。
UC3879是一種能進(jìn)行相位調(diào)制的PWM專(zhuān)用集成芯片。可獨(dú)立調(diào)節(jié)兩對(duì)互補(bǔ)輸出脈沖的死區(qū)時(shí)間,為兩橋臂不同的諧振過(guò)程創(chuàng)造條件。其相位調(diào)制原理為:給定指令信號(hào)由芯片腳3(EA)端輸入,經(jīng)內(nèi)部誤差放大器后輸出誤差信號(hào)Ve,與由芯片腳19(RAMP)端輸入的鋸齒波進(jìn)行比較,輸出脈寬可調(diào)的PWM波形,去改變兩橋臂的相位關(guān)系。
在本方案所采用的峰值電流控制模式下,腳19(RAMP)端的鋸齒波信號(hào)是從變壓器原邊的電流信號(hào)經(jīng)采樣整流得到的。但由于實(shí)際上原邊電流信號(hào)波形上升斜率較緩,與給定比較時(shí),容易因?yàn)楦蓴_或毛刺抖動(dòng)產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此實(shí)際應(yīng)用時(shí),先將原邊電流的采樣整流值與芯片定時(shí)電容CT上的鋸齒波相疊加,經(jīng)過(guò)斜坡補(bǔ)償后,再送入腳19(RAMP)端進(jìn)行比較控制。峰值電流控制過(guò)程如圖4所示。
[page]
外特性分段控制方法及芯片外圍邏輯電路接法如圖5所示。圖5(a)中,變壓器原邊電流通過(guò)一個(gè)自制的1:100電流互感器采樣并整流后得到is,經(jīng)過(guò)采樣電阻得到合適的電壓信號(hào)并與定時(shí)電容CT上的鋸齒波相疊加,輸入到腳19(RAMP)端。腳4(CS)端用作過(guò)流保護(hù),當(dāng)此腳電壓高于2.5V時(shí)將封鎖輸出脈沖。A點(diǎn)接由圖5(b)產(chǎn)生的指定信號(hào)。圖5(b)即為焊機(jī)的外特性實(shí)現(xiàn)電路.包括以下三個(gè)部分。
(1)恒流特性實(shí)現(xiàn) 理論上原邊電流峰值與副邊輸出焊接電流大小是能夠相互反映的,因此,只需給定變壓器原邊脈沖電流的峰值,讓原邊脈沖電流與給定峰值的交點(diǎn)來(lái)決定移相角的大小,就能實(shí)現(xiàn)恒流控制。圖5(b)中Iref即為電流峰值給定值。
(2)外拖特性實(shí)現(xiàn) 正常工作時(shí),輸出電壓反饋值Vfb大于外拖給定值Vz,比較器U3的輸出為零,對(duì)加法器U4沒(méi)有影響,焊接電流由恒流給定值Iref決定;當(dāng)焊槍與工件粘連短路時(shí),Vfb小于VZ,比較器U3的輸出為高,相當(dāng)于給增大了Iref,UC3879內(nèi)部誤差放大器的輸出Ve也增大,焊接電流則隨之增大,從而實(shí)現(xiàn)外拖。
(3)空載電壓限制 如果僅儀對(duì)電流進(jìn)行負(fù)反饋控制,那么空載時(shí)UC3879將始終以最大脈寬輸出,造成不必要的浪費(fèi)且安全性降低。單獨(dú)設(shè)計(jì)一路由比較器U1構(gòu)成的電壓調(diào)節(jié)器,對(duì)焊機(jī)的空載電壓進(jìn)行負(fù)反饋控制,當(dāng)Vfb大于空載電壓給定值Vk時(shí),U1輸出一個(gè)較高電平封鎖C點(diǎn)輸出,并使UC3879輸出脈沖移相角為180°,即有效脈寬為0°,使輸出電壓減小。這樣,UC3879輸出控制信號(hào)的移相角在0°和180°之間交替變化,不僅獲得恒定的空載電壓,而且減小了空載損耗。
4 驅(qū)動(dòng)隔離設(shè)計(jì)
本方案設(shè)計(jì)頻率為100kHz,主開(kāi)關(guān)管處于高頻動(dòng)作狀態(tài),要求盡可能縮短M0SFET柵源電壓的上升時(shí)間和下降時(shí)間,減小開(kāi)關(guān)損耗。因此驅(qū)動(dòng)電路要有較大的驅(qū)動(dòng)電流,同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路到主電路的引線(xiàn)要盡量短,減小柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗。本方案所采用的高頻驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。
其中IN接自來(lái)于UC3879的輸出脈沖信號(hào),CND1接控制電路地信號(hào),GND2接被驅(qū)動(dòng)MOS-FET的源極。6N137是一個(gè)高速光耦,傳輸延遲時(shí)間僅有40 ns。從控制電路來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后送至驅(qū)動(dòng)電路,使得控制電路和驅(qū)動(dòng)電路有較好的電氣隔離,消除對(duì)控制電路的十?dāng)_。MAX4426是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于M0SFET的高頻驅(qū)動(dòng)芯片,其內(nèi)部有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電路,可以很容易地并聯(lián)以提供較大的輸出功率。典型上升、下降時(shí)間僅為20ns,延遲時(shí)間小大于40ns,可工作于1MHz,提供1.5A的峰值輸出電流。
[page]
5 實(shí)驗(yàn)波形
為了驗(yàn)證實(shí)際效果,試制了一臺(tái)逆變弧焊電源樣機(jī)。設(shè)計(jì)容量為6kW;開(kāi)關(guān)頻率100kHz;輸入220V交流電網(wǎng)電壓,輸入濾波電容采用4個(gè)470μF/450V的電解電容;MOSFET主開(kāi)關(guān)管選用IXYS公司的IXFK48N50,其參數(shù)為48A/500V,輸出電容600pF,考慮到電流容量,采用雙管并聯(lián)方式;高頻變壓器設(shè)計(jì)容量10kW,選用EE85磁芯,變比為3,原邊漏感2.5μH;隔直電容選用一個(gè)2.2μF/500V的CBB電容;輸出整流部分選用的是外延型快恢復(fù)整流二極管DSEI一2x101一02A(IXYS公司);濾波電感l(wèi)OμH,濾波電容220μF。
圖7為電流斜坡補(bǔ)償波形。通道3為原始電流采樣波形;通道1為用于補(bǔ)償?shù)匿忼X波;通道2為補(bǔ)償后波形。補(bǔ)償后斜率明硅增加。 圖8所不為原邊電壓(通道3)、原邊電流(通道2)和輸出整流電壓(通道1)波形。從圖8中可清楚地看出占空比損失。
圖9為滯后臂管壓降和其驅(qū)動(dòng)脈沖的波形。
其中通道l和通道2分別為原邊電流、電壓波形;通道3為滯后臂管壓降,通道4為其驅(qū)動(dòng)波形。圖10是圖9的局部展寬波形。從中可以明顯地看到當(dāng)滯后臂管壓降已經(jīng)諧振到零后,驅(qū)動(dòng)脈沖才由低變到高,使其在零電壓下導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。
6 結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一種基于峰值電流控制模式的全橋移相諧振逆變弧焊電源。并成功試制了一臺(tái)100kHz/6kW的高頻逆變弧焊電源樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,用UC3879作為主控芯片并采用文中設(shè)計(jì)的外特性控制電路,可以較好地實(shí)現(xiàn)逆變焊機(jī)的工作特性,兩橋臂都可以在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān),系統(tǒng)工作穩(wěn)定,整機(jī)效率高。引入峰值電流控制,系統(tǒng)的控制性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。