淺析軟開關型逆變弧焊電源的研究現(xiàn)狀
作者：張毅
軟開關憑借著硬開關不可比擬的優(yōu)勢被廣泛應用于焊接電源中，成為近年來研究的焦點。
1軟開關技術
軟開關技術就是指通過輔助的諧振電路使功率開關器件在開通前電壓為零或者關斷前電流為零，其實質就是將電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)到主電路中，使電路兩端的電壓與電流相位相同，產生諧振，迫使功率器件在開通前電壓為零或者關斷前電流為零。
軟開關替代硬開關作為弧焊電源的功率器件，大大降低了開關損耗，提高了開關頻率，減少了電磁干擾和射頻干擾，同時減輕了電源的重量，在較大程度上解決了開關可靠性低的問題。
2軟開關型逆變弧焊電源的發(fā)展概況
直流弧焊發(fā)電機是最開始應用于電弧焊的弧焊電源，自20世紀20年代開始，交流弧焊變壓器、弧焊整流器、硅弧焊整流器、晶閘管式弧焊整流器及脈沖弧焊電源的相繼研制成功，為弧焊電源帶來躍變式發(fā)展。1972年美國成功研制了采用晶閘管( SCR)作為開關器件的逆變弧焊電源，隨后晶體管( GTR)、場效應管( MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)相繼成功應用于逆變弧焊電源中，尤其是到了20世紀末，功率半導體器件取得的突破進展加快了逆變弧焊電源的工業(yè)化進程。
針對逆變弧焊電源中硬開關存在的問題，軟開關技術應運而生。1984年美國VEPC的李澤元教授等人提出了準諧振開關電路( QRC)，1986年美國威康星大學的D. M. Divan教授提出了諧振直流環(huán)逆變器，1988年美國VPEC的W. A. Tabiz等人提出了多諧振電力開關變換器( MRC)，多種諧振變換器的出現(xiàn)，極大地推動了軟開關技術在逆變器中的應用，使軟開關逆變電路成為近年來學者們研究的熱點之一。
雖然諧振、準諧振和多諧振開關變換器能夠實現(xiàn)功率器件的零電壓零電流的通斷，但其功率器件的電流和電壓應力都比傳統(tǒng)的脈寬調制(PWM)變換器大，且高頻諧振增加了器件的導通損耗。為解決以上問題，20世紀80年代末提出了移相控制的全橋零電壓變換器( phase-shifted full-bridge zero-voltage-switc-hing PWM converter)，其綜合了零電壓準諧振開關和脈寬調制技術的優(yōu)勢，代表著大功率軟開關逆變電路的研究方向，應用前景十分廣闊。
3 軟開關弧焊逆變器電路拓撲的研究現(xiàn)狀
3.1軟開關弧焊逆變器電路拓撲概述
目前常見的諧振式軟開關型逆變主電路的基本形式有6種。
3.1.1 零電流(ZCS)開關諧振逆變主電路
圖1為零電流開關諧振逆變主電路。零電流開關是將電感串聯(lián)到電路中，而將電容并聯(lián)到二極管上，迫使電路產生諧振以實現(xiàn)對功率器件上電流波形的整形，從而使功率器件在關斷前電流為零，減小開關損失，實現(xiàn)理想開關條件。
3.1.2零電壓( ZVS)開關諧振逆變主電路
圖2為零電壓開關諧振逆變主電路。零電壓開關是將電感串聯(lián)在電路中，而將電容并聯(lián)在功率器件兩端，迫使電路產生諧振以實現(xiàn)對功率器件上電壓波形的整形，從而使功率器件在零電壓條件下導通，改善了器件的運行環(huán)境。
3.1.3 多諧振(MRC)逆變主電路
圖3為多諧振逆變主電路。多諧振逆變主電路將諧振電容分別并聯(lián)在開關器件和二極管兩端，實現(xiàn)開關器件和二極管都為零電壓開關。多諧振是指在一個開關結構中既有零電壓開關的特性，也有零電流開關的特性。
3.1.4 串聯(lián)諧振逆變主電路
圖4為半橋和全橋串聯(lián)諧振逆變主電路。串聯(lián)諧振逆變主電路中都串聯(lián)了RCL和功率器件，使電路中的負載阻抗大于傳輸線的特性阻抗，導致電路產生振蕩，實現(xiàn)了器件的自然換流。
3.1.5移相控制諧振逆變主電路
圖5為移相控制諧振逆變主電路。二極管VD并聯(lián)在功率器件VT兩端，當主電路中的二極管VD開通時，導通功率器件VT，即功率器件與其并聯(lián)的二極管同時導通，實現(xiàn)功率器件在開通時電壓為零，獲得了零電壓開關。
3.2 移相控制的軟開關逆變器
移相控制的軟開關逆變器可分為半橋逆變器和全橋逆變器，而全橋變換器能夠實現(xiàn)零電壓、零電流和零電壓零電流3種軟開關方式。
3.2.1 移相控制ZVS PWM全橋變換器
圖6為移相控制ZVS PWM全橋變換器電路結構。VT1～VT4為功率開關器件，VDi～VD4為反并聯(lián)二極管，C1～C4是相應功率器件的寄生電容，L。是變壓器的漏感，此電路就是利用變壓器的漏感及功率器件的分布電容來完成功率器件在開通前電壓為零。VTi、VT4和VT3、VT2導通時相差一個相位，將超前導通的VT,和VT3稱為超前臂，滯后導通的VT2和VT4稱為滯后臂。
此變換器有以下4個特點：①功率開關器件在導通時電壓為零，改善了開關損耗過大的問題；②變壓器初次級的電流和電壓波動符合變化規(guī)律，與變壓器輸出端的整流方式無直接關聯(lián)；③超前臂能夠很好地在功率器件導通時使電壓降為零，而滯后臂則不然；④變壓器輸出端串聯(lián)的諧振電感使其輸出端產生了占空比的丟失。
3.2.2 移相控制ZCS PWM變換器
圖7為移相控制ZCS PWM變換器電路結構。電路中，VT,～VT4為功率開關器件，L。是變壓器的漏感，C，是諧振電容，L,是升壓電感。將二極管VD,～VD4分別串聯(lián)在VTi～VT4來實現(xiàn)開關管的單方向導通，同時承受反向電壓。兩個功率器件VTi和VT3（或VT2和VT4）導通后存在一個相同的時間，能夠實現(xiàn)器件的自然換流。
此變換器有以下4個特點：①功率開關器件在關斷時電流為零，改善了開關損耗過大的問題，防止了電流拖尾現(xiàn)象的產生；②超前臂能夠很好地在功率器件關斷時使電流降為零，而滯后臂則不然；③變壓器輸出端并聯(lián)的諧振電容使其輸出端的電流產生了占空比的丟失；④輸出整流二極管在導通時電壓為零，使得二極管不發(fā)生反向恢復，不會造成開通損耗過大。
3.2.3 移相控制ZVZCS PWM全橋變換器
圖8為移相控制ZVZCS PWM全橋變換器電路結構。該變換器實現(xiàn)了超前臂為零電壓開關，滯后臂為零電流開關。其中VT1和VT4為超前臂，VT2和VT4為滯后臂，VD1、C1及VD3、C3分別是VT1、VT3的反并聯(lián)二極管和并聯(lián)電容，Llk是變壓器的漏感。此電路與移相控制ZCS PWM變換器的不同之處是，將VD2、VD4串聯(lián)在滯后臂的開關管中，同時增加了隔直電容Cb和飽和電感Lr。
此變換器有以下4個特點：①超前臂的功率開關器件在導通時電壓為零，而滯后臂的則在關斷時電流為零，實現(xiàn)了理想開關條件；②電路中反并聯(lián)二極管使電路產生續(xù)流，而零電壓零電流開關減小了續(xù)流期間的環(huán)路電流，降低了占空比的丟失，使變換器的工作效率和變壓器的能量傳輸性能得以提高；③將一個隔直電容串聯(lián)到電路中，使軟開關能夠在較大負載范圍內自由切換；④具有拖尾電流特性的IGBT有較大的開關損耗，而此變換器能夠有效地減小開關損耗，在一定程度上方便了IGBT的使用，降低了生產成本。
4結束語
諧振技術是軟開關技術的核心，它可以使開關器件中的電流（或電壓）按正弦或準正弦規(guī)律變化，從而實現(xiàn)功率開關器件在零電壓條件下導通或零電流條件下關斷。采用諧振技術與PWM技術相結合的恒頻移相控制方式，同時針對軟開關逆變電源的特點，采用適合的控制方式，結合多種技術，盡可能地解決可靠性低的問題，是軟開關逆變弧焊電源的主要發(fā)展趨勢。
5摘要：闡述了軟開關技術及軟開關逆變弧焊電源的發(fā)展概況，主要介紹了軟開關弧焊逆變器的6種基本形式以及移相控制全橋逆變器的3種形式，并指出了軟開關逆變弧焊電源的發(fā)展方向。
