便携式单开关逆变弧焊电源研究

张城

四川石油天然气建设工程有限责任公司  四川省成都市610000

摘要：小功率逆变弧焊电源广泛应用于焊接行业，现有小功率逆变弧焊电源存在许多不足之处。本论文比较了现有弧焊电源各种主电路拓扑特点，设计了一种单管单端正激式功率变换电路，这种单管单端正激功率变换电路结构简单。采用有源箝位技术实现主变压器磁芯复位，使磁芯工作在双向对称磁化状态；采用谐振技术使功率开关管工作在软开关状态，从而减小开关损耗，提高功率变换效率。采用PFM调制闭环控制系统，对输出功率和输出特性进行控制。

关键词：便携式；单开关；逆变；弧焊电源；PFM

0 绪论

根据统计，世界钢产量的一半以上都是用焊接工艺把它制成钢制品，而焊接工艺是依靠弧焊电源设备来实现的。随着科技的进步，电力电子技术、自动控制理论、材料加工技术以及计算机技术等的迅速发展，弧焊电源取得了长足的发展[1]。而小功率逆变弧焊电源由于体积小、重量轻、价格便宜，运用越来越广泛[2]，然而，现有小功率逆变弧焊电源存在诸多不足之处，在电路拓扑结构上采用全桥或半桥结构，功率器件多，可靠性不高；功率开关器件采用普通MOSFET，导通损耗大，且工作在硬开关状态，开关损耗大；控制方式大部分采用脉宽调制控制方式，实现软开关比较困难，限制了逆变弧焊电源的工作频率提高和体积减小。针对现有小功率逆变弧焊电源的不足之处，本文对单开关逆变弧焊电源进行了研究。

单开关逆变弧焊电源的功率系统，包括主电路和控制电路，其中虚框中为控制电路部分。交流电网电压经滤波后，输出到整流桥，经整流桥整流后输出直流电，整流桥输出的直流电经高频逆变后，再经过主变压器降压，经过输出快恢复二极管半波整流后得到脉动的直流电，经过输出电感滤波后给电弧负载供电。控制电路采用脉冲频率调制芯片UC3864为核心构成PFM闭环控制系统，主要由给定电路、反馈电路、脉频调制电路、驱动隔离电路等组成，其中驱动电路实现功率放大和主电路功率开关管的导通与关断的控制，实现弧焊电源的功率、输出特性控制。反馈信号采用分流器取自弧焊电源输出端，该采样信号经采样转换电路处理后与给定信号比较得出的误差信号送到脉频调制电路，误差信号的大小决定输出频率的大小，从而可以调节逆变器输出的占空比，实现输出电流的控制。

1 主电路

本文设计的单开关逆变弧焊电源主电路如图2所示，电网电压交流220V经空气开关S接入单开关逆变弧焊电源功率电路，经桥式整流桥BR整流后输出脉动的直流电，经滤波后得到平滑的直流电送到逆变电路。逆变电路的工作原理为：由于箝位电容Cc容量相对较大，因此相当于一个电压源。当功率开关管Q1开通时，高频变压器T1向负载提供能量，当功率开关管Q1关断后，首先由负载电流向谐振电容Cr充电，当谐振电容Cr电压达到输入电压时，高频变压器T1原边电压过零，励磁电感与谐振电容Cr谐振，当谐振电容Cr电压达到输入电压与箝位电容电压之和时，箝位开关管Qc的反并联二极管Dqc导通，箝位电容电压作为负电压加在高频变压器T1原边，高频变压器T1励磁电感电流线性下降，高频变压器T1磁芯复位，在反并联二极管Dqc导通的时候，零电压开通箝位开关Qc，高频变压器T1可以在箝位电容电压作用下反向励磁。箝位电容Cc在箝位开关管Qc的反并联二极管Dqc导通时处于充电状态，在箝位电容Qc导通后处于放电状态，因此箝位电容Cc的两端电压具有浮动性，可以实现双向对称磁化，同半桥变换器类似，具有抗不平衡能力。高频交流方波经整流电路后得到脉动的直流电，脉动的直流电经输出滤波电感滤波后，得到平滑的直流电送给电弧负载。

2控制电路设计

2.1 PFM控制电路

单开关逆变弧焊电源的PFM控制电路主要由UC3864及其外围电路组成。PI调节电路的输出送到UC3864的2脚，也即误差放大器的正相输入端。在实际应用中，UC3864的3脚和4脚相连，通过改变2脚的电位，也即改变了误差放大器的输出，误差放大器的输出控制压频振荡器的输出频率，因此，通过改变2脚的电位可以调节输出脉冲的频率，进而改变占空比，调节输出电流。当PI调节信号增大时，UC3864输出的PFM信号频率提高，输出脉冲信号占空比增大，输出电流增大；当PI调节信号减小时，UC3864的输出信号频率减小，输出脉冲信号占空比减小，输出电流减小；这表明，无论由于何种原因使得输出电流发生变化，通过PFM闭环控制系统总能够将输出电流调节到恒流状态，因此，设计的PFM控制系统可以实现单开关逆变弧焊电源的恒流控制[3]。

2.2驱动电路

根据两路驱动信号之间时序关系文采用常用的集成芯片加相应的外围电路设计了驱动电路。由UC3864输出驱动脉冲PFM，经过相应的延时和驱动隔离电路可以得到驱动信号Ug(Q1)、Ug(Qc)，可用于驱动主开关和辅助开关的导通和关断，实现对功率电路的控制。

3 单开关逆变弧焊电源测试

3.1 驱动波形

根据本文设计的驱动电路，测试了驱动电路的输出波形，其中通道1为UC3864输出脉冲，通道2为驱动脉冲Ug(Q1)、通道3为驱动脉冲Ug(Qc)，实际测得的延迟时间和分别500ns和600ns，可以满足单开关逆变弧焊电源驱动电路的要求。

3.2 外特性曲线

本文根据设计的外特性控制电路，测试了单开关逆变弧焊电源的外特性曲线。

采用静态负载测试的单开关逆变弧焊电源的外特性曲线，该外特性曲线为恒流加外拖外特性曲线，满足“电源—电弧”系统稳定性和焊条电弧焊对焊接工艺的要求，表明设计的控制电路是可行的。

4 结论

本文设计了单开关逆变弧焊电源。采用单管单端正激式逆变电路作为单开关逆变弧焊电源的主电路，简化了主电路结构，功率开关管数量少，无“直通”现象，开关损耗小，驱动电路设计简单，提高了弧焊电源的可靠性。采用PFM调制技术构成闭环控制系统对单开关逆变弧焊电源控制，与PWM调制技术相比，工作频率可以更高，且容易实现软开关。由于单开关逆变弧焊电源的工作频率高，主变压器和输出滤波电感的体积更小，开关噪声更小，整机具有更小的体积和更高的功率密度。

参考文献

[1] 方臣富，李晓泉，陶永宏．船舶焊接设备的应用现状及发展[J]．焊接技术，2006，35(6)：43-46．

[2] 段善旭，余新颜，康勇．便携式逆变弧焊电源的研究[J]．电焊机，2004，34(12)：28-31．

[3] 周志敏，周纪海．开关电源实用技术—设计与应用[M]．第一版．北京：人民邮电出版社，2003：29-30．