大功率弧焊逆变器峰值电流控制电路.doc

大功率弧焊逆变器峰值电流控制电路

移相全桥零电压软开关电路拓扑结构简单、紧凑，软开关控制的实现较容易，比较适合大功率应用场合，在此基础上提出一种在功率变压器二次侧串联饱和电感、充分利用变压器励磁能量拓宽软开关范围的新型移相全桥零电压软开关电路拓扑，这种新型软开关逆变器由于取消了高频功率变压器的漏感条件对绕组散热的制约，可以进一步增大高频功率变压器的输出功率。峰值电流控制模式是20世纪80年代出现的新型控制模式，优点十分突出，将电流峰值移相控制技术和上述大功率软开关技术相融合应用于大功率弧焊逆变器，可以有效地解决偏磁和功率器件的保护等问题，使大功率弧焊逆变器实现全范围软开关运行。1峰值电流模式逆变器工作原理新型大功率软开关弧焊逆变器工作原理如图1所示。三相工频交流电经过整流滤波、全桥零电压电焊机大功率弧焊逆变器峰值电流控制电路设计逆变、高频降压、二次侧整流后得到所需要的输出信号，控制电路则由峰值电流反馈和输出反馈组成双闭环控制，并通过移相控制实现零电压软开关换流。移相PWM单片集成控制器能够提供全桥软开关变换器所需的反馈控制、解码和保护等全部功能，应用这些专用集成电路可以极大地简化移相控制电路的设计和调试工作，并能显著地提高大功率逆变器的可靠性。本研究采用美国Umitrode公司最近推出的改进型移相软开关控制器UC3879，该芯片从总体结构上可划分为3个部分：脉宽调制信号发生器；移相驱动指令形成电路；工作电源及保护等辅助电路。该芯片具有众多优点，能够满足采用峰值电流控制的脉宽调制的需求。从峰值电流模式工作原理图可知在峰值控制电路的设计上，主要涉及到2个关键问题：一是峰值信号及原边瞬态电流信号的检测和处理；二是峰值信号的斜率补偿问题。2峰值信号的检测与处理在本研究的大功率软开关弧焊逆变器中，功率变压器一次绕组的电流高达100A以上，在信号检测器件方面，采用霍尔传感器是一个比较理想的选择。霍尔传感器利用霍尔效应来对信息进行传感与处理，测量的线性度好(<1%)、电流跟踪速度高(50A/μs)绝缘性能好(>2500V)可以直接检测载有直流分量的高频交流信号，而不存在磁通复位等问题，具有较高的性价比。至于霍尔传感器的接入位置，从安装方便程度以及传感信号处理的简化等角度出发，一般将其接在功率变压器的一次侧。霍尔传感器采样到的一次电流信号是高频交流信号。采用UC3879作为控制芯片时，其内部的时钟振荡器的频率为逆变频率的2倍，而斜率补偿信号与内部的时钟信号是同步、同频率的。因此，必须要对霍尔传感器检测信号先进行高速精密整流，才能与斜率补偿信号叠加，也就是说霍尔传感器检测信号必须经过精密的绝对值电路处理之后，才可以作为有效的瞬态电流信号参与脉宽调制器的移相控制过程。这是电流峰值控制系统成功与否的一个关键因素。对检测的高频交流信号进行精密整流，主要有2种方法。一种就是采用通用的检波绝对值电路，由同相检波器和反相检波器构成。这种方法输出失真很小，但是存在死区电压问题，信号工作频率受到集成电路的带宽和上升速率的限制，电路相对复杂。根据霍尔传感器的工作原理，霍尔传感器本质上可以看成一个压控电流源，可以采用4只高频二极管组成的全桥整流电路在霍尔传感器信号输出端直接进行整流，这就得到了瞬态信息整流的第二种方法，本研究采用的就是这种方法。将整流好的信号加到检测电阻上，便可以得到规则完整的直流电压信号。电路简单、实用、无干扰噪声，也不存在采用集成电路时的死区电压问题。实验结果表明，采用这种方法获得的信号完全可以满足要求。需要特别注意的地方是，对霍尔传感器电源及其信号处理电路最好采取单独供电的方式，供电电源需要良好路最好采取单独供电的方式，供电电源需要良好的屏蔽和隔离。3峰值信号的斜率补偿电路设计峰值信号的斜率补偿主要作用是克服系统在导通比大于50%时的不稳定现象。当斜率补偿电压信号的上升率大于或等于输出电感中电流对应检测信号的下降率的一半时，则可以保证在导通比0~1的全部范围内系统总是稳定的。斜率补偿电路的另一个作用是改善系统的抗噪性能。斜率补偿电压信号的上升率愈大，则峰值电流控制电路对噪声的敏感性愈小，系统的抗噪能力愈强。另一方面，如果增大斜率补偿电压信号的上升率，则电流注入控制系统的开环穿越频率会减小，系统的动态响应速度将降低。综合考虑上述因素，在控制工程实践中，斜率补偿电压的上升率一般设计为输出电感电流检测信号下降率折算值的70~80%。在UC3879中误差放大器的输出端输出误差控制信号，然后与PWM比较器反相端的峰值信号进行比较，因此，斜率补偿可以有2种实现方式，一是直接在误差信号上叠加补偿信号，二是对峰值电流信号叠加补偿信号。就实现方式来说，后者更为方便，UC3879自身提供了良好的斜率补偿实现平台:因为在定时电容CT上恰好有一个正的与振荡器同步、