大功率高頻軟開關逆變器的設計

引言

　　逆變器技術經歷了近十年的發展，逐步替代了落后的工頻晶閘管整流技術而進入了高頻變換時代。在高頻變換技術進程中又走過了它的初級階段即硬開關PWM階段，于近年進入了它的第二階段，即軟開關PWM階段。

　　硬開關PWM變換器的拓撲結構簡單。技術成熟，適合批量生產。其主要芯片如TL494、UC3525等都比較穩定可靠，這都是目前逆變焊機硬開關PWM功率變換器仍得以廣泛應用的主要原因。

　　所謂硬開關PWM(脈沖寬度調制)，是指在功率變換過程中電子開關在開通和關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、電磁干擾極為嚴重。

　　所謂軟開關技術，是指在功率變換技術中，就是在主開關器件關斷和導通的瞬間，實現其兩端電壓或電流為零的技術。也就是術語中常說的ZVS(零壓開關)和ZCS(零流開關)開關技術。軟開關PWM功率變換器技術足相對于硬開關PWM技術的一次革命性發展，它確實在相當程度上改善了電源產品的可靠性、效率、電磁干擾(EMI)三大基本性能。現在國內同行開發的大功率開關電源中大部分采用的是硬開關PWM控制方式，只有少量采用軟開關PWM，其軟開關PWM大都采用的是移相控制方式，采用控制芯片如UC3875、UC3879、UCC3895等，采用移相控制技術使功率器件的開關應力減少、開關損耗降低、從而提高了整機效率。然而、這種軟開關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現軟開關并不是全范圍的；
(2)由于存在環流，開關管的導通損耗大，輕載時效率較低，特別是在占空比較小時，損耗更嚴重；
(3)輸出整流二極管存在寄生振蕩；
(4)為了實現滯后橋臂的ZVS，必須在電路中串聯電感，這就導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，即死區時間不好調整。當負載較重時，由于環流大，超前橋臂管上并聯的電容放電較快，因此實現零電壓導通比較容易，但當負載較輕時，超前橋臂開關管上并聯的電容放電很慢，超前橋臂的開關管必須延時較長時間后導通才能實現ZVS導通。

有缺陷就有發展，為此我們吸收傳統硬開關PWM功率變換器的拓撲結構簡單，可凋整點少、穩定可靠等優點；同時吸收移相控制軟開關PWM功率變換器重載易實現ZVS、ZCS的優點；推出新型大功率全橋軟開關(FB—ZVZCS)技術，使超前臂為恒頻調寬控制實現ZVS，滯后臂為恒頻恒寬控制實現ZCS。從而實現超前臂和滯后臂傘范圍的軟開關(FB—ZVZCS)，大大提高了大功牢開關電源產品的可靠性、效率、電磁干擾(EMI)三大指標。實現證明了這種控制方法非常優秀，可以說是對傳統硬開關大功率開關電源的一次革命。

l 全橋軟開關(FB—ZVZCS)逆變器

　　該大功率逆變焊機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，線路板內是自主研制的模擬和數字電路組合，此電路能夠形成軟開關所需的驅動脈沖。

1.1 逆變器控制板
　　全橋軟開關(FB—ZVZCS)控制板內部簡圖如圖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。兩電阻的值應相等，改變電阻大小可以調整超前臂的死區和滯后臂的死區大小；
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組輸出都關掉；
腳15、腳16為調寬脈沖的輸出端，控制全橋軟開關(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(FB—ZVZCS)滯后橋臂。

1.2 逆變器主電路
　　全橋軟開關逆變焊機主電路簡圖如圖3所示。該焊機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，其上下兩支開關管的激勵信號為恒頻調寬的脈沖，右臂為滯后橋臂，其上下兩支開關管的激勵信號為恒頻恒寬的脈沖。下面我們把實現軟開關的過程作簡要分析。

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

2.2 狀態2(t2，t3)
　　S1關斷，S4維持導通，由于S1和S3上都

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