全橋逆變電路在焊接電源中的應用

(2)原邊串入無極性隔直電容C5。全橋變換器工作時變壓器雙向激磁，存在固有的偏磁問題。造成的原因是正負脈沖不對稱，變壓器電壓存在直流分量，使偏磁迅速積累至磁芯飽和，導致電流無限制上升，逆變失敗。加入一個無極性隔直電容，可有效防止直流偏磁。另外本系統(tǒng)采用峰值電流控制，逐個限制每個電流脈沖的峰值，迫使正負脈沖波形對稱。兩者配合使用可從根本上解決偏磁問題。

(3)在輸出整流部分引入一個反并聯(lián)的續(xù)流二級管D7。在環(huán)流階段，由濾波電感Lf提供的負載電流大部分可以通過D7構成回路進行續(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)流階段的導通損耗。

(4)加入吸收電路。由于輸出整流二級管反向恢復時產(chǎn)生一個較高的電壓過沖和高頻震蕩，容易損壞二級管并發(fā)熱嚴重。加入由Rs和Cs構成的吸收電路后，可明顯改善整流電壓波形。另外如有需要，主開關器件兩端也可并聯(lián)RCD網(wǎng)絡。

3 控制電路設計

為了實現(xiàn)前述逆變焊機恒流帶外拖的特性曲線，本方案選用UNTRODE公司的專用集成移相芯片UC3879，并配合外圍電路，通過多環(huán)分段控制方法來完成控制要求。

UC3879是一種能進行相位調制的PWM專用集成芯片?？瑟毩⒄{節(jié)兩對互補輸出脈沖的死區(qū)時間，為兩橋臂不同的諧振過程創(chuàng)造條件。其相位調制原理為：給定指令信號由芯片腳3(EA)端輸入，經(jīng)內部誤差放大器后輸出誤差信號Ve，與由芯片腳19(RAMP)端輸入的鋸齒波進行比較，輸出脈寬可調的PWM波形，去改變兩橋臂的相位關系。

在本方案所采用的峰值電流控制模式下，腳19(RAMP)端的鋸齒波信號是從變壓器原邊的電流信號經(jīng)采樣整流得到的。但由于實際上原邊電流信號波形上升斜率較緩，與給定比較時，容易因為干擾或毛刺抖動產(chǎn)生誤動作。因此實際應用時，先將原邊電流的采樣整流值與芯片定時電容CT上的鋸齒波相疊加，經(jīng)過斜坡補償后，再送入腳19(RAMP)端進行比較控制。峰值電流控制過程如圖4所示。

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一個自制的1：100電流互感器采樣并整流后得到is，經(jīng)過采樣電阻得到合適的電壓信號并與定時電容CT上的鋸齒波相疊加，輸入到腳19(RAMP)端。腳4(CS)端用作過流保護，當此腳電壓高于2．5V時將封鎖輸出脈沖。A點接由圖5(b)產(chǎn)生的指定信號。圖5(b)即為焊機的外特性實現(xiàn)電路．包括以下三個部分。

(1)恒流特性實現(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來決定移相角的大小，就能實現(xiàn)恒流控制。圖5(b)中Iref即為電流峰值給定值。

(2)外拖特性實現(xiàn) 正常工作時，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，對加法器U4沒有影響，焊接電流由恒流給定值Iref決定；當焊槍與工件粘連短路時，Vfb小于VZ，比較器U3的輸出為高，相當于給增大了Iref，UC3879內部誤差放大器的輸出Ve也增大，焊接電流則隨之增大，從而實現(xiàn)外拖。

(3)空載電壓限制 如果僅儀對電流進行負反饋控制，那么空載時UC3879將始終以最大脈寬輸出，造成不必要的浪費且安全性降低。單獨設計一路由比較器U1構成的電壓調節(jié)器，對焊機的空載電壓進行負反饋控制，當Vfb大于空載電壓給定值Vk時，U1輸出一個較高電平封鎖C點輸出，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 驅動隔離設計

本方案設計頻率為100kHz，主開關管處于高頻動作狀態(tài)，要求盡可能縮短M0SFET柵源電壓的上升時間和下降時間，減小開關損耗。因此驅動電路要有較大的驅動電流，同時驅動電路到主電路的引線要盡量短，減小柵極驅動電路的阻抗。本方案所采用的高頻驅動電路如圖6所示。

其中IN接自來于UC3879的輸出脈沖信號，CND1接控制電路地信號，GND2接被驅動MOS-FET的源極。6N137是一個高速光耦，傳輸延遲時間僅有40 ns。從控制電路來的信號經(jīng)過光耦隔離后送至驅動電路，使得控制電路和驅動電路有較好的電氣隔離，消除對控制電路的十擾。MAX4426是一個專門用于M0SFET的高頻驅動芯片，其內部有兩個驅動電路，可以很容易地并聯(lián)以提供較大的輸出功率。典型上升、下降時間僅為20ns，延遲時間小大于40ns，可工作于1MHz，提供1．5A的峰值輸出電流。

5 實驗波形

為了驗證實際效果，試制了一臺逆變弧焊電源樣機。設計容量為6kW；開關頻率100kHz；輸入220V交流電網(wǎng)電壓，輸入濾波電容采用4個470μF／450V的