半桥有源广义软开关焊割电源的设计研究
摘要:介绍了一种新型的半桥有源软开关电路拓扑技术,该技术采用半桥主开关电路和有源辅助开关电路构成的特殊软开关电路。主开关负责传递逆变能量,辅助开关负责创造主开关和自身的软开通和软关断条件。电路拓扑结构简洁明了:只需在主回路一次侧串接饱和电感,通过辅助开关并接缓冲电容,就能在包括空载在内的全负载范围内实现主开关的零电流开通、零电压关断;辅助开关的零电流/零电压开通、零电流/零电压关断。使得开关损耗小、开关器件电力应力小、节能节材。
关键词:半桥主开关;有源辅助开关;零电流开通、零电压关断;零电流/零电压开通;零电流/零电压关断
Abstract: This paper proposes a novel active soft switching circuit of half-bridge topology technique, which is a special soft switching circuit consisting of half-bridge switching circuit and auxiliary active switching circuit .The main switching circuit is responsible for transferring the inverter power , the auxiliary circuit is responsible for creating soft switching conditions of the main switching circuit and itself. The half-bridge circuit topology is clear and concise: there is only one saturable inductor connected to the main circuit . Through the connection of the auxiliary switch in parallel with the buffer capacitors, the main switch can achieve ZCS in the turn-on process and ZVS in the turn-off process while the auxiliary switch can achieve ZCS and ZVS both in the turn-on process and in the turn-off process in the range of full load including no-load. Consequently the switching-loss is lower, the current stress and the voltage stress is less, so the energy and material can be saved. The patent of the circuit topology is granted by the state intellectual property office of the P.R.C with the patent No. :ZL 201010532734.6.
Key words: half-bridge switch; auxiliary active switch; ZCS; ZVS; ZCZVS
引言
近年来, 电力电子技术发展迅猛, 逆变式开关技术广泛应用于焊割电源, 笨重型、低效的传统焊割电源装置已被小型、高效的逆变式焊割电源所取代。为了实现逆变式焊割电源装置的高性能、高效率、高可靠性、减小体积和重量, 必须实现逆变式焊割电源的高频化。软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化,当电流自然过零时使器件开通/关断(或电压为零时使器件开通/关断) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断等问题, 还能解决由硬开关引起的电磁骚扰问题。目前,使用在焊割电源上的软开关逆变电源技术有移相式全桥软开关技术和有限双极性全桥软开关技术。本文从另一角度提出一种新型的软开关逆变电源技术,将之运用于焊割电源,设计出新型的逆变式焊割电源。
一,主回路电气器原理图:见图一
电网交流电能经过开关S1接入焊割电源,由整流桥BR1整流为直流电能存储于电容Cd上。由IGBT开关管Q1、Q2、Q1′、Q2′和半桥电容Cd1、Cd2缓冲电容C1、C2以及主变压器T1的一次侧绕组(存在漏感LK)、饱和电抗器LS等组成的半桥有源广义软开关逆变电路负责将储于电容Cd上的直流电能逆变成中频交流电能,再由主变压器隔离变压后通过次级中频整流即可变成满足焊割需要的直流电能。
在主回路电气原理图中可以看出,一组IGBT开关管Q1、Q2顺向串接组成半桥拓扑结构,Q1、Q2称为主开关;而另一组IGBT开关管Q1′、Q2′背靠背串接组成一组合开关,Q1′、Q2′称为辅助开关。从主控制电路输出的主开关驱动信号为UQ1(输出端口为G1 S1 )和UQ2(输出端口为G2 S2 ),他们是相位相差180o 的PWM脉冲驱动信号;从主控制电路输出的辅助开关驱动信号为UQ1′(输出端口为G1′ S1′ )和UQ2′(输出端口为G2′ S2′ )他们是相位相差180o 的定宽并留有足够死区时间的脉冲驱动信号。
在主开关驱动信号UQ1和UQ2辅助开关驱动信号UQ1′和UQ2′的驱动下,IGBT开关管Q1和Q1′将同时开通,Q1按PWM关断,Q1′滞后Q1一段时间后固定脉宽关断; Q2和Q2′同时开通,Q2按PWM关断,Q2′滞后Q2一段时间固后定脉宽关断。
具体的驱动脉冲时序图见图二。
二,主回路的工作原理如下述:
在t1时刻前,电容C1已经被放完电荷,其端电压为Uc1=0;电容C2已经被充满电荷,其端电压为Uc2=Uin,“1”点电位为Uin。波形图见图十
1,t1时刻:见图三,主开关Q1和辅助开关Q1′同时开通,由于饱和电抗器LS此时还未进入饱和区,回路中总的电感LK + LS很大,故回路电流将从零开始缓慢上升的,因此Q1为零电流软开通;而此时“1”和“2”两点等电位,Q1′被Q1导通箝位,Q1′处于零偏状态,因此没有电流流过,Q1′属于零电流/零电压软开通。
此时电流流向为:Uin + → Q1 → LS → T1 → LK → Cd1;Cd2。
由于一次侧回路串联的饱和电感的作用,电流先以很小斜率上升,直到LK达到饱和安匝数饱和后才快速升到负载额定值再按副边电抗器决定的斜率上升,这个时间需设置稍大于tq(IGBT开通延迟的总时间)。原边能量在此过程中通过变压器T1传给副边,副边二极管D3导通,D4反偏截止。一段时间后,Q1 将PWM关断,进入时刻t2
2,t2 至t6时刻:见图四和图五,t2时刻Q1 PWM截止(Q1′仍保持导通),由于输出电抗器的作用,原边电流不能突变,原边电流在t2时刻切换通路。
此时电流流向改为:C1;C2 → D2′→ Q1′→ LS → T1 → LK →Cd1;Cd2。
此后C1被充电;C2被放电,C1端电压从零开始缓慢上升,C2端电压从Uin开始缓慢下降,“1”点电位从Uin缓慢下降,所以IGBT Q1端电压是按一定斜率从其饱和压降(3V左右)开始缓慢上升的,Q1属于零电压软关断。
C1和C2充放电,实际上是“1”点电压与Cd1和Cd2的中点电压(半桥电容足够大,中点电压始终保持于Uin/2)之差加在LS和LK上,随着时间的推移,这个电压会从开始的Uin/2逐渐降到零(此时“1”点电压降至Uin/2),这个过程中变压器一次侧电流也在减少,见图十中变压器一次侧电流t2 – t3段。此时原边能量仍通过变压器T1传给副边,副边二极管D3导通,D4反偏截止。当“1”点电压低于Uin/2时,C1和C2继续充放电,但此时漏感和饱和电感被加上反压,变压器一次侧电压为零,副边二极管D3、D4同时导通为输出电感续流。一次侧电流路径仍然为: C1;C2 → D2′→ Q1′→ LS → T1 → LK →Cd1;Cd2,该电流将急剧减小,见图十t3 – t4段。当C1和C2充放电,使得C1电压充至Uin、C2电压放至零时,漏感和饱和电感仍被加上反压,变压器一次侧电压为零,副边二极管D3、D4仍然同时导通并为输出电感续流。一次侧电流改变路径为:Uin - → D2 → LS → T1 → LK → Cd1;Cd2。见图五,该电流仍将急剧减小,见图十t4 – t5段。
当一次侧电流急剧减小到饱和电感的阀值时,饱和电感LS电感量剧增,一次侧电流迅速减小到一个很小值然后以较小的斜率进一步缓慢下降到零并开始向相反方向缓慢发展,见图十t5 – t6段,此时辅助开关Q1′关断。可见辅助开关Q1′的关断属于零电流/零电压软关断,关断应力很小。此后,一次侧的电流完全截止,“2”点电位回到中点电位Uin/2, 变压器一次侧及饱和电感上的电压都为零,副边二极管D3、D4仍然同时导通并继续为输出电感续流,见图六。
当辅助开关Q1′驱动脉冲UQ1′死区时间过去后(死区时间由主控板辅助开关驱动电路设定产生)进入t7时刻。
3, t7时刻:见图七
图七:主开关Q2和辅助开关Q2′同时开通时电流路径
主开关Q2和辅助开关Q2′同时开通,由于饱和电抗器Ls此时还未进入饱和区,回路中总的电感LK+LS很大,故回路电流将从零开始,缓慢上升,因此Q2为零电流软开通;而此时“1”和“2”两点等电位,Q2′被Q2箝位,Q2′处于零偏状态,因此没有电流流过,Q2′属于零电流/零电压软开通。
此时电流流向为: Cd1;Cd2 → LK → T1 → LS → Q2 → Uin - 。
电流先以很小斜率上升,直到LK达到饱和安匝数饱和后才快速升到负载额定值再按副边电抗器决定的斜率上升,这个时间设置同样稍大于tq(IGBT开通延迟的总时间)。原边能量在此过程中通过变压器T1传给副边,副边二极管D4导通,D3反偏截止。一段时间后,Q2 将PWM关断,进入时刻t8
4,t8至t12时刻:见图八和图九
图八:主开关Q2关断时电流路径
t8时刻Q2 PWM截止(Q2′仍保持开通),由于输出电抗器的作用,原边电流不能突变,原边电流在t8时刻切换通路。
此时电流流向改为:Cd1;Cd2 → LK → T1 → LS →D1′→ Q2′→ C1;C2 。
此后C2被充电;C1被放电,C2端电压从零开始缓慢上升,C1端电压从Uin开始缓慢下降,“1”点电位从零缓慢上升降,所以Q2端电压是按一定斜率从其饱和压降(3V左右)开始缓慢上升的,Q2属于零电压软关断。
C2和C1充放电,实际上是Cd1和Cd2的中点电压与“1”点电压之差加在LS和LK上,随着时间的推移,这个电压会从开始的Uin/2逐渐降到零(此时“1”点电压升至Uin/2),这个过程中变压器一次侧电流也在减少,见图十中变压器一次侧电流t8–t9段。此时原边能量仍通过变压器T1传给副边,副边二极管D4导通,D3反偏截止。当“1”点电压高于Uin/2时,C2和C1继续充放电,但此时漏感和饱和电感被加上反压,变压器一次侧电压为零,副边二极管D3、D4同时导通为输出电感续流。一次侧电流路径仍然为: Cd1;Cd2 → LK → T1 → LS →D1′→ Q2′→ C1;C2。该电流将急剧减小,见图十t9 –t10段。当C2和C1充放电,使得C2电压充至Uin、C1电压放至零时,漏感和饱和电感仍被加上反压,变压器一次侧电压仍为零,副边二极管D3、D4仍同时导通并为输出电感续流。一次侧电流改变路径为:Cd1;Cd2 → LK → T1 → LS →D1→ Uin + 。见图九,该电流仍将急剧减小,见图十t10–t11段。
图九:主开关Q2关断后期电流路径
当一次侧电流急剧减小到饱和电感的阀值时,饱和电感LS电感量剧增,一次侧电流迅速减小到一个很小值然后以较小的斜率进一步缓慢下降到零并开始向相反方向缓慢发展,见图十t11 – t12段,此时辅助开关Q2′关断。可见辅助开关Q2′的关断属于零电流/零电压软关断,关断应力很小。此后,一次侧的电流完全截止,“2”点电位回到中点电位Uin/2, 变压器一次侧及饱和电感上的电压都为零,副边二极管D3、D4仍然同时导通并继续为输出电感续流,见图六。
当辅助开关Q2′驱动脉冲UQ2′死区时间过去,一个完整的PWM周期结束,将开始完全相同的下一个周期。如此周而复始,完成半桥有源广义软开关PWM逆变的整个过程。
图十是该半桥有源广义软开关逆变波形图。
图十:半桥有源广义软开关逆变波形图
三,关键器件选择和有关参数设置:
要保证焊割电源在包括空载在内全负载范围内都能能满足软开关条件,需要选择缓冲电容C1和C2的容量,饱和电感LS的电感量和饱和伏秒数值等。保证电源能可靠运行还需要确定合适的主开关IGBT器件和辅助开关IGBT器件的电流、电压和功率等级。
1,主开关零电流软开通条件的满足:
要满足主开关零电流软开通的条件,必须:
a,饱和电感必须有足够的饱和伏秒数,可保证从主开关驱动脉冲UQ1或UQ2变高开始,主开关经过开通延时(Turn-on Delay Time)td(on)和上升时间(Rise Time)tr后才完全饱和,即饱和伏秒数中一重要要素饱和电感控制时间tq(IGBT开通延迟的总时间)必须大于等于td(on)+tr 。
b,饱和电感在饱和时刻的最大电流必须小到可以忽略不计以满足零电流软开通条件。
c,选择矩形系数大的制作工艺简单的铁氧体磁环。
根据零电流软开通条件要求,要求饱和电感饱和时的电流为一很小值IS
可算出电感量为:LS = ( Uin * tq )/ 2IS-----------------(1)
再根据(2)和(3)式即可计算出需要的磁芯的截面积和需要的绕组匝数
Uin * tq = 2N * BS * S -----------------------(2)
LS = N2 * μ0 * μr * S / lC ------------------(3)
其中:Uin 为一次侧直流电压
tq 为饱和电感控制时间(大于等于td(on)+tr)
LS为饱和电感电感量
IS为饱和电感饱和电流
N为饱和电感绕组匝数
BS为饱和电感磁芯饱和磁密
S为饱和电感磁芯截面积
μ0为真空磁导率,μ0 = 4л*10-7
μr为磁芯相对磁导率
lC为磁芯平均磁路长度
2,主开关零电压软关断条件的满足:
要满足主开关零电压软关断的条件,必须在每一次主开关关断时,电容C1和C2保证充放电完毕。空载情况下一次侧电流最小,只要我们在空载情况下能保证电容C1和C2充放电完毕,就能保证全负载范围内主开关能零电压软关断的条件。
设一次侧空载励磁电流为Im 一次侧电感总和为LS+LK ,根据能量守恒定律可知:
(C1+C2) * Uin2 = (LS + LK) * Im 2 ------------------(4)
一般地:我们选择C1 = C2 = C ,通过上式即可算出电容C1和C2的值C
3,主开关器件和辅助开关器件的选取:
主开关IGBT器件的电压、电流容量和功率容量按电源需要满载输出电流、电压以及功率来选择,辅助开关IGBT器件因为工作在大电流期间的时间较短,其电流量及功率容量均可按主开关IGBT器件电流容量的1/3~1/4来选择。
四,结论:
通过对一个完整PWM周期的理论分析可看出本电路拓扑结构中:主开关均为零电流软开通,零电压软关断;而辅助开关均为零电流/零电压软开通,零电流/零电压软关断,开关管开关应力很小,开关损耗非常低。通过参数计算和设置,可使本电源在包括空载在内的全负载范围内达到软开关条件。根据本文制作的一台ZX7-250逆变式手工焊机逆变频率为40KHZ,负载持续率达100%(环境温度40oC条件下),电能变换效率达90%,该电路拓扑技术已获得国家知识产权局发明专利授权,专利号:ZL 2010 1 0532734.6。
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