[摘 要] 本文对数字化焊接电源的特点进行阐述，给出了数字化零电压零电流开关逆变弧焊电源设计思想。主电路由IGBT作为逆变电路主开关元件，采用能够输出较大功率的全桥式逆变结构，并配以高频变压器和高频整流电路构成。通过谐振技术和移相控制技术的结合使领先桥臂实现了零电压开关，滞后桥臂实现了零电流开关。控制系统采用2407 DSP为核心控制器件，脉冲发生电路以UC3879为基础设计。采用闭环反馈和参数自调整模糊PID方法实现对输出电弧的恒流控制。
[关键词] 逆变弧焊电源 软开关 数字信号处理器（DSP）
1．逆变弧焊电源基本原理
逆变弧焊电源即是实现从直流电变换到交流电，并且为焊接电弧提供具有弧焊工艺要求的电能的一种逆变器。其基本组成如图1所示。基本工作原理如下：单相或者三相交流电经输入整流器ZL1整流，滤波器LC1滤波后形成纹波较小的直流电，再通过开关器件构成的逆变器NB的高频交替开关作用，变成几十甚至几百kHz的交流电，再经过高频变压器T降至适合于焊接的几十伏电压，并借助于控制驱动电路和反馈电路，以及焊接回路的阻抗获得焊接所需要的外特性和动特性。如需采用直流焊接，则还须经过输出整流器ZL2的整流、滤波后再输出。
图1 逆变弧焊电源基本原理图
逆变弧焊电源主要有逆变主电路和控制系统（包括控制、驱动和反馈、给定电路），主电路的功能是将能量传递给负载，控制电路的功能是向主电路功率开关元件提供足够大的脉冲触发信号。
2．软开关技术
在常规的PWM逆变器中，电力电子开关器件是在大电压或大电流的条件下，在门极的控制下开通或关断的，处于强迫关断过程，这就是硬开关电路。为了解决硬开关电路存在的问题，国内外学者专家提出了改变器件开关轨迹的思想，使开关管开通或关断时电压或电流提前降为零或有所减小，这就是我们现在熟悉的软开关技术，它的提出使开关器件的频率可以大大地提高，但是损耗却大大减小，这就使逆变器的重量和体积减少了许多，可以实现逆变器的小型化和轻量化。
3．数字化逆变弧焊电源的设计
主电路采用恒定电流输出，采用“AC-DC-AC-DC”电路结构，其中用于逆变的功率开关器件采用IGBT，拓扑结构采用能够输出大功率的全桥式电路，采用移相PWM控制方式实现开关器件的零电压零电流开关。[3]
3.1主电路输入整流电路的设计
输入整流电路采用不控整流实现，首先将工频380V交流电经过整流模块进行整流，然后由LC滤波电路滤波得到纹波较小的直流电送给逆变器。整流模块选用6RI75E-80，额定电流75A，电压800V。
3.2主电路移相全桥逆变主电路的设计
移相全桥逆变电路是焊接电源主电路设计的重点。整个主电路原理图如图2所示，其中方框内就是移相全桥逆变电路。
3.3主电路高频变压器的设计
在功率变压器传递功率一定的条件下，绕组匝数N和铁心截面积S的乘积NS与逆变频率f成反比，而变压器的质量、体积又决定于NS。在其他条件不变时，若使逆变频率从20KHz进一步提高到30KHz，则NS就减小为原来的2/3，故变压器的质量、体积大幅度减小。因此，逆变频率的高频化使功率变压器向小型化发展[4]。设计中高频变压器铁芯采用高频特性好、损耗小的非晶材料。
3.4主电路输出整流电路的设计
输出电路如图2中方框外的电路所示，它采用双半波整流加直流电感滤波。与输入整流滤波不同的是，次级传递的是25KHz的高频方波信号，且电流较大，因此输出整流二极管必须采用快恢复二极管，并要求快恢复二极管的正向恢复特性良好，即正向导通压降小，恢复时间短；反向恢复时间短，反向恢复电荷少，并有软回复特性。二极管两端需并联阻容吸收回路，使二极管快速放电。输出滤波电感，除滤波作用外，还可以限制电流上升速度，改善电源动特性。
经计算，快恢复二极管上承受的最大反电压为120V，额定电流为100A，因此选用IXYS公司的超快恢复二极管DSEI2×121-02A，延迟时间为35ns。
4、软开关逆变电路的仿真分析
4.1功率器件开关状态仿真
根据仿真分析，给出功率器件软、硬开关情况对比：
（1）硬开关的开关状态
图6 硬开关时驱动脉冲Vge和管压降Vce波形
从图中可以看出，当驱动脉冲（放大到200V）变为高电平时，IGBT导通，但是此时管压降VCE不为零，IGBT电压和电流存在重叠现象，导致了开关损耗的产生。可见，硬开关状态下，开关损耗较大。
（2）软开关的开关状态
图7 软开关时驱动脉冲Vge和管压降Vge波形
从图中（脉冲被放大到200V）可以看出，当IGBT（超前桥臂）的驱动脉冲转为正脉冲时，IGBT两端的电压已近似为零，IGBT实现了零电压开通，开关管的损耗大大降低。
5．结论
本文结合当今国内外焊接电源的发展现状和未来的发展趋势，利用一些较为成熟理论和技术，结合现有电路拓扑结构，设计了软开关逆变主电路，并分析其运行状态，采用参数自调整模糊PID控制器作为控制系统的控制策略。以UC3879专用移相控制芯片来实现开关管的移相控制，大大减小功率器件的开关损耗；并以DSP为控制核心，设计了电源的控制系统硬件电路，实现了焊接电源的数字化。■
参 考 文 献
[1]蒋志林，黄石生，弧焊逆变电源的研究与展望，电焊机，1999，6：6～10
[2]贾贵玺，刘金涛，张方，模糊控制逆变弧焊电源，焊接学报，2004年 第25卷 第6期
[3]A Novel Zero-Voltage and Zero-Current-Switching PWM Full-Bridge Converter Using Two Diodes in Series With the Lagging Leg.In:Xinbo Ruan,Yangguang Yan.2001.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,VOL.48,NO.4,AUGUST 2001.777~785
[4]王增福，李昶，魏永明，软开关电源原理与应用，北京：电子工业出版社，2006，192～260