谐振逆变器弧焊电源的性能改进外文翻译资料

 2022-09-27 11:37:31

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谐振逆变器弧焊电源的性能改进

摘要——本文介绍了谐振逆变器弧焊电源的改进措施。为了减少放电电容的尺寸，提出了一种基于滑动相位的备用操作序列。此备用方案，也释放了谐振电感的电压规范，并联阶段的交错操作和输出连接导线是用来最大限度地减少输出电容电流纹波，同时也延长了电源的寿命。此外，提出了同步整流，以提高效率，并且降低了输出端的工作温度。最后，该序列可被描述为引弧和熄弧，选择钨极惰性气体焊接试验操作。

索引词——电弧焊，谐振功率转换，开关电源，同步整流（SR）。

  1. 引言

钨极氩弧焊接采用直流、脉冲直流或交流电源。这些直流电源提供恒定极性电流，导致其具有较高的电弧稳定性。谐振转换器适用于对放电的控制，包括照明，感应加热，和电弧焊接等方面。使用该转换器的拓扑结构，可以得到小型，重量轻，高效的系统。关于高频技术，它有可能包含所有气体保护金属极弧焊所具有的特征，使得设备具有多功能。该系统是一个配置了电流模式操作的灵活电源供应装置，也可以适应其他连续电流模式操作。本文论述了此改进措施的发展过程。TIG焊的试验研究验证了本文中得到的结果。关于提高焊接操作的问题，本文提出了如下几点：

1）待机操作；

2）谐振电感规格；

3）在输出电容中电流的交错效应；

4）同步整流（SR）；

5）引弧和熄弧的顺序。

  1. 焊接电源的描述

该系统是一个灵活供电的电流源[1]，对应于图1所示的方框图，其中包括以下几个阶段：

  1. 输入级：功率因数校正（PFC）的目标是作为一个理想的电阻模拟器将主电路的交流电压转换成直流稳定电压，这使得配电系统能够更加高效地运行，降低能耗，消除无功电能；
  2. 谐振逆变器阶段：采用两相谐振逆变器将直流电压转换为高频交流电流，该逆变器被设计为一个电流源。在空载谐振频率下，谐振电路具有电感特性，在所有负载条件下开关零电压（ZVS）打开，导致开关损耗最小。谐振逆变器阶段的电流由输入级提供最高25 A的电流；
  3. 变压器：这个阶段增加了电流，为焊接提供指定的电流电平；
  4. 整流阶段：它是一个高频全波整流器，将交流电转换为直流电，并具有重叠的高频纹波。放电电容器是用来建立电弧的；
  5. 控制电路：它执行几个功能，如：
  6. 产生开关信号；
  7. 设置的脉冲模式；
  8. 能在最大电流条件下设置工作点，在相同稳定条件下或不同的电流水平下设置工作点；
  9. 把待机电压和过电压修复在40 V左右；
  10. 数字电路被设计成可控制高达24、25A的模块。目前，对12个模块（300安）的操作已经测试成功。

图1.焊接电源的方框图

  1. 改进措施

A.待机操作

图2显示了从两个D类LCsCp谐振逆变器[ 2 ]并联得到两相谐振逆变器，[ 3 ]。

图2.谐振逆变器的方框图

图3.同相

图4.移相

图5.谐振逆变器电压增益与频率的关系

在焊接操作中，该电路作为一个电流源开关，开关频率在125千赫，这是空载谐振频率。最大电流时获得的M1和M3的波形，同步切换交替得到M2和M4的波形。输出电流水平可以减少各逆变器的驱动信号之间的相移（Psi;），如图4所示。

气体保护金属极弧焊焊接过程中，输出电压为6到15V，在TIG焊的情况下，高达35V。该电路具有过电压保护，这种电压下给输出电容充电，使得输出电容可以提供必要的电源建立电弧放点。

对于电源关闭时，开关频率为固定的250千赫，在这个频率下，谐振逆变器的电压增长是非常低的，所以输出电压急剧下降，如图5所示。

对于待机操作时，由于谐振电路的工作，当开关在125千赫时输出电压迅速上升[ 4 ]，直到达到一个门槛。这一限制，设定在40V电源保护，通过光电隔离的方式实现，在达到最高临界值时，谐振开关频率为250千赫，电压下降到最低临界值，此时谐振阶段开关频率再次变为125千赫，然后焊接操作开始。

图6（a）为在开路条件下证明电弧焊电源的输出电压为Vo。

之后又提出了一种新的方法，在开路条件下最大限度地减少输出电压纹波，振幅和频率。该方法的实际优点是显著减少了输出电容的大小。

引入一个移相（软启动），降低输出电流的水平以及谐振逆变器的电压增益，即可得到一种改进模式。图6（b）显示了这种操作模式的输出电压。所观察到的输出纹波和振幅被减小，频率增加，这可以减小输出电容的尺寸，并提高输出电容的寿命。

图6.待机操作的输出电压：（a）在当前系统中的开路及（b）软启动

图7.待机操作中的谐振电感电压：（a）开路无移相和（b）开路移相阶段

B.谐振电感规格

谐振逆变器的阶段是由最高25A的模块组成，每个模块的最大功率都被设计为1千瓦。额定的条件下，在谐振电感的下降电压是约1千伏，但在待机操作时，此电压上升至1.3伏，如图7（1）。由于这个原因，谐振电感的规格应该是更高，并增加其尺寸和重量。

通过第三节A中描述的移相方法，较低的能量在谐振槽中循环，降低了最大谐振电感的电压（约800伏），如图7（b）中所示，这意味着该电压规格不超过额定工作所需的电压。

C. 输出电容电流的交错效应

该变压器提供一个高频电流。整流后，交流分量被逆变器输出端和焊枪之间的导线中的电感消除。

并联阶段的交错并联运行进一步减少了电容中的电流纹波。在这种模式下，一个阶段的MOSFET的驱动信号相对于其他有90°的滞后。理论输出电流波形的相位和交错情况如图8所示。

图8.输出电流的（a）相位和（b）交错操作

两个并联阶段之间的瞬时输出电压差通过连接导线后下降，这种情况在交错操作中发生。导线阻抗可以防止并联阶段电流之间的交叉传导。

交错操作的好处如图9所示，在该图中，该输出电容器的波纹在相位和交错操作的情况下进行了对比。图9还显示一个两个并联整流二极管电压波形。图9(b)中，可以观察到二极管电压之间90°的相位差。

图9。（CH1）在电容器的交流电流，（CH2）的输出电流，（CH3）vd1,1，和（CH4）vd2,1：（a）和（b）对相位交错操作。CH1：25个/分；CH2：20 /格；CH3和CH4：20伏/格；时间尺度：4mu;S /格

图10显示了导线阻抗和交错操作在输出电容电流中的作用。图10（a）显示电容电流和POS 1位置的电容电流输出（见图11）。图10（b）显示在POS 2位置的电容的波形（见图11）。图10（c）显示在POS 2位置的电容的波形（见图11）和交叉操作。

图10。（CH1）在电容器的交流电流（CH2）输出电流：（一）在POS 1电容，（b）在POS 2电容器和电容器（C）在POS 2和交错操作。CH1：25 /格；2：20 /格；时间尺度：4mu;S /格

图11.高频整流

图12.基于集成电路驱动的同步整流

D.同步整流

传统的整流器件有二极管，但由于MOSFET的[ 7 ]的演变，在一些应用中，它可以被用来减少传导损耗。

Pdiode = VfIo,dc rdIo, 2 rms (1)
PMOSFET = Rds(on)Io, 2 rms. (2)

同步整流用于在低电压，高电流，和快速的动态响应。通过使用这种技术可以改进热性能和减小尺寸。

根据MOSFET的驱动信号的生成，两种同步整流的区别在于：1）自我驱动和2）外部驱动。

  1. 自驱动：主要的优点是它的简单性，因为没有进一步的信号[ 8 ] - [ 10 ]。这一类型的SR用于拓扑快速切换的过渡导致短暂的死区时间，减少功率损耗，否则，电流在MOSFET的体二极管中产生。

作为限制，正确的MOSFET激励取决于的漏源电压；建立两同步整流器之间的死区时间、开关没有打开（由于低电压）。如果这导致死区时间长，则可能引起高的开关损耗。

  1. 外部驱动：在这种类型的整中，MOSFET的驱动信号是通过外部控制电路

产生[ 11 ]，[ 12 ]。

主要优点如下。

  1. 由于MOSFET的驱动信号取决于控制电路、死区时间可有效管理，减少寄生二极管上的功率损失。
  2. 源极电压的栅极与源极电压无关。

另一方面，缺点如下。

  1. 电源与控制阶段无自动同步，所以外部电路负责驱动装置。
  2. 驱动信号可能需要电隔离。在这种情况下，脉冲变压器或光耦应选择适当的带宽。
  3. 外部电源供应是必需的。

对于这个应用程序，外部驱动模式，是通过一个集成电路驱动程序选择的[ 13 ]，[ 14 ]。在[ 13 ]中提到，在两引脚之间的整流电流的检测是通过使功率MOSFET的RDS（ON）作为一个并联电阻。MOSFET的驱动信号，是通过对比检测到的三阈值电压产生的。

该装置的核心是两个感受漏源极电压开关差异的高速比较器，以确定开关的电流极性和水平。然后，一个专门的内部逻辑管理MOSFET在接近零电流过渡时开关，确保准确的性能，而无需一个锁相环或外部定时源。此外，内部消隐逻辑是用来防止寄生栅极过渡，并保证在固定和可变频率的操作模式。

通过实施此校正技术（见图12），所消耗的功率，以及整流设备的温度减少，可以得到了更好的性能。因此，散热片的大小也可以被减小，这一部分尺寸的减小使得整个系统的尺寸也可减小。

为该应用程序构建的原型是由十二个25A的模块组成，组成一个总系统，可以提供多达300A的电流。

已经做了不同的测试用来比较使用二极管和使用功率MOSFET作为一种高级的效率SR的差别，功率肖特基二极管是IXYS半导体DSS 2x101-015a（VRRM = 150 V，IFAV = 2times;100，VF = 0.77 V），功率MOSFET irls4030（VDSS = 100 V，ID = 190，RDS（on）max = 3.9mOmega;）。这些测试中使用的是2Omega;电阻。结果示于表一。

表1.二极管与MOSFET的比较

输入功率是在逆变器阶段测量的输入功率，输出电压是在负载计算测量的输出功率。

如图所示在表1中，获得的结果是使用功率MOSFET比那些使用二极管的要好。使用SR，功率损耗在每一整流级都有1.41%的减少。

图13. 14.显示没有散热片的不同输出级的图片，可以观察到整流部分的尺寸大幅减小。

图13.二极管整流级

图14。整流阶段使用外部驱动的MOSFET。

分析随着时间推移不同的电弧放电情况[15][16]，以确定引弧的标准。

以下三种方法都可以用来引弧：

  1. 联系[ 17 ]，[ 18 ]；
  2. 使用高压脉冲；
  3. 高压高频（hv-hf）交流脉冲[ 19 ]、[ 20 ]。

选择方法1，是因为没有额外的电路是必需的，它与建议整流阶段是兼容的（无论是肖特基二极管或SR）。在此基础上，提出了建立焊接电弧最小化金属部分损伤，和相比的hv-hf技术，减少电子设备位于附近的电路产生的电磁干扰。

当电弧开始或结束时，可能产生以下2种类型的损害：

  1. 由于可能出现焊接火花，会导致电极和工件的污染与恶化。
  2. 可以形成一个熔坑，这将是在焊接部分的裂缝的起源。

为了减少甚至消除这些负面影响，该系统可建立电弧焊接的接触电极在低电流水平，从而增加了所需的电流通过滑动阶段，如第三节A的解释（图4），在一个向上的计时周期中。由于一个基于现场可编程门阵列控制电路的使用（FPGA）装置，上坡的时期可以根据操作的需要轻易地改变。

类似地，一个向下倾斜周期被定义为熄灭电弧。为了得到缓慢降低电流外特性，执行滑动阶段。

图15显示的是两个不同的灭弧顺序的焊缝照片。测试在3-mm厚AISI 316不锈钢板上进行，当前设置的电源100 A图15（a），电弧是突然熄灭，图15（b），输出电流减小一个sim;14/s的向下的斜坡。差异在于产生的熔坑口大小。

图15.灭弧：（a）陡降的外特性和（b）向下倾斜的外特性

  1. 结论

本文提出了一种基于谐振逆变器的弧焊电源的改进措施。在开路条件下的输出电压纹波，振幅和频率已通过滑动阶段而被减少，从而增加了输出电容的寿命。以同样的方式，在待机操作的谐振电感的电压已被降低，以减少其尺寸和重量。交流输出电流的影响已被证明，并已通过交错的电流纹波的不同阶段进行了改进。整流器阶段，二极管被功率MOSFET替换，以提高性能和减少这些整流装置的温度，并实现了一个更小的布局。最后，提出了一种改进的方法，用于启动和熄灭的电弧，以减少损坏的焊接部件。<!--

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