摘 要

软开关逆变电源是一种新型的逆变电源。本文主要是对软开关逆变电源主电路进行仿真研究。首先是对硬开关逆变主电路做了仿真研究。比较了几种逆变主电路的形式及特点，选出了合适全桥式逆变主电路作为电路的拓扑结构。先给定了逆变弧焊电源的基本参数，在此基础上设计电路，并对电路中各元器件进行了选择及参数计算；之后，研究了软开关的工作原理及电路的组成结构。比较了几种软开关的形式及特点，选出了合适的软开关形式，并对相应元件参数进行了计算。完成了电路设计后，首先对电路中各部分的工作情况及输出结果进行理论分析，然后使用MATLAB/Simulink软件，搭建对应的电路模型，并对其进行仿真。比较仿真与理论分析的结果，检验电路设计的合理性。同时，把仿真结果与硬开关型逆变主电路进行比较，分析软开关型逆变主电路的优点。

关键词:逆变主电路;全桥式;软开关; MATLAB; Simulink

Abstract

Soft-switching inverter power supply is a new type of inverter power supply. This paper mainly studies the main circuit of soft switching inverter power supply. The first is to simulate the hard switching inverter main circuit. The form and characteristics of several kinds of main circuit are compared, and the suitable full bridge inverter main circuit is selected as the circuit topology. The basic parameters of the inverter arc welding power supply are given, and the type of the circuit is designed, and the parameters of the components are selected and calculated. After that, the working principle of the soft switch and the composition structure of the circuit are studied. The forms and characteristics of several soft switches are compared, and the appropriate soft switching mode is selected, and the corresponding component parameters are calculated. After the circuit design is completed, we analyse each part of the circuit and the output results, and then we use the MATLAB/Simulink software to build the corresponding circuit model, and its simulation. By comparing the results of simulation and theoretical analysis, the rationality of the design of the circuit is tested. At the same time, the simulation results are compared with the hard switching type inverter main circuit, and the advantages of the soft switching inverter main circuit are analyzed.

Keywords: converter main circuit; full-bridge; soft-switch; MATLAB; Simulink

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内弧焊电源的研究现状 2

1.3 逆变电路的基本形式 4

1.4 论文的主要研究内容 5

1.4.1 逆变主电路的选择与计算 5

1.4.2 逆变主电路仿真 5

第2章 全桥式逆变焊接电源主电路的参数选择 7

2.1 全桥式逆变主电路电路图 7

2.2 全桥式逆变主电路相关元器件的参数计算 8

2.2.1 IGBT的设计及选择 8

2.2.2 中频变压器的设计 9

2.2.3 输入电路的设计 10

2.2.4 输出电路的设计 12

第3章 全桥式逆变主电路的仿真 13

3.1 输入整流电路的电压波形仿真 13

3.2 输入滤波电路的电压波形仿真 15

3.3 逆变电路的电压波形仿真 16

3.4 输出整流电路的电压波形仿真 18

第4章 软开关型逆变主电路设计及仿真 19

4.1 软开关型逆变主电路的设计 19

4.1.1 软开关型逆变主电路的基本形式 19

4.1.2 移相控制全桥零电压逆变主电路 20

4.2 移相控制全桥零电压逆变主电路的仿真 22

第5章 全文总结及展望 25

5.1 全文总结 25

5.2 展望 25

绪论

研究背景及意义

焊接是一种以高温或高压的方式使合金金属或其他热塑性材料结合的制造工艺及技术，因其性能突出，焊接有着其他连接方式无法比拟的优点。因而，在大型机械制造、电子制造等领域，焊接技术都有大范围的应用。如今，焊接技术已经成为一个国家制造业发达与否的重要评价标准之一，可见焊接技术在制造业中有着举足轻重的地位，其中，电弧焊技术的应用最为广泛。焊接电弧自然就需要电能，给电弧供给电能的设备叫做焊接电源。近半个世纪，电力电子技术得到了快速发展与进步，这给焊接电源的进步提供了基础，焊接技术随之发展迅速 ^[3]。

早在19世纪，世界上就已经有了弧焊电源发展的相关记载。20世纪初，手工电弧焊技术开始出现，与此同时，弧焊发电机随之面世。到了1920年左右，焊接技术的已经经历了一段时间的发展，焊接电源的家族里不光有弧焊发电机，又添加了新成员，也就是交流弧焊变压器。交流弧焊变压器相比于之前的弧焊电源，成本较低，结构更加简单。 年开始，弧焊整流器面世。 世纪60年代，弧焊电源的发展又向前跨了一大步。电子电力技术方面，大容量硅整流元件、可控硅整流元件(晶闸管)问世。研究人员把它们应用在弧焊电源上，后来经过了一段时间的发展和改进，研究人员研制出了对应的弧焊整流器。之后，出现了各式各类的新型开关管。把各类新型开关管应用在弧焊电源上，特别是绝缘栅极晶体管（IGBT）在弧焊电源上的应用，结合了其他开关的优点。这些技术进步逐渐应用在了弧焊电源上，弧焊电源的发展因此开启了新篇章，逆变弧焊电源也因此应运而生。反观传统的弧焊电源，因其各种缺点正在被一步步淘汰掉，而逆变弧焊电源有如下优点：

(1)重量轻、体积小

在电力电子变换器中，磁性元件的体积、重量通常占整体的三分之二以上，然而变换器的频率与其体积重量成反比。逆变弧焊电源相比于传统电源，频率高了很多，一般为，磁性元件占的体积重量因此大幅减小。整机重量方面，逆变弧焊电源通常仅为传统电源的，体积方面，也仅约为传统电源 左右。

(2)高效、省材

由于逆变弧焊电源的体积小，所以使用材料大大减少，可以节省约80%-90%的钢材。同时带来了铜耗铁耗的减少，降低了无功功率，因此效率得到了提高，可达到80%-90%。

(3)良好的动特性和弧焊性能

在控制方面，逆变弧焊电源使用的电子控制电路，外特性能随着不同的焊接规范进行人工调整。对于输出偏离设定值的情况，可以立即进行调整。

(4)设备成本较低

逆变弧焊电源的体积小，重量轻，耗材少，适合大批量生产，相比于传统焊接电源，因为其耗材少，成本也得到了大幅降低^[4]。

弧焊电源中，其功率器件的工作控制方法通常分为两类：模拟式、开关式。对于开关式的控制方法而言，又细分为硬开关型控制、软开关型控制两类。一般的弧焊电源，其功率器件的工作控制通常采用PWM控制技术。在工作过程中，经常会有功率器件在电流不为零的时候被强行关断，或是在电压不为零的时候被强行导通。由于电路中寄生电容及寄生电感的存在，功率开关器件导通和关断时处于工作电流、电压值不为零的条件下，使得开关损耗很大，并与频率的增加成正比^[1]。这一损耗会使电路效率变得很低，严重的更是会影响电路的正常工作。软开关使用的是谐振变流技术。这一技术的应用，使得功率器件可以在电流为零的情况或者电压为零的情况下进行自然的开通和关断，经过功率器件的得到了降低，频率得到了提高，前文提到过，频率的升高带来的是焊接电源体积、质量的减小。同时还极大减少了电路中的开关损耗，功率密度得到提高，根本上避免了硬开关型弧焊电源中的功率损失^[1]。

在电路结构和工作原理方面，软开关型和硬开关型逆变电路的区别不大。它们之间主要的不同在于电路结构细节上的区别以及控制电路的细节上的区别。

通常来说，软开关逆变电路的控制方式主要分为两种，一是恒频控制，二是变频控制。变频控制的缺点在于其电路分析、设计较为麻烦且控制复杂，并且它的输出范围小，易受干扰，磁性元件的利用率低。恒频控制是在PWM的基础上加以改进。改进主要体现在于加入了LC谐振元件，通过对电路中功率开关管驱动脉冲的控制，以及反并联二极管的续流作用，达到了逆变电路软开关的效果。对于全桥逆变主电路，通过控制系统中的驱动脉冲，使得桥臂对边上的一组功率开关管，其开通和关断都有着一小段时间间隔，而不是同步通断。这样就达到了零电流关断或者零电压开通的效果。同时，使用调节桥路占空比的方式，可以实现对输出参数的调节^[4]。这种控制方式的优点在于，参数设计方便，输出可调整范围更广，电路结构形式简单，更加适合实际应用。

因其独特的优点，逆变式弧焊电源正受到业界越来越广泛的重视，软开关技术的出现大大提升了逆变式弧焊电源的性能。因此，学习逆变式弧焊电源的工作原理，以及最新的软开关技术，对焊接电源的发展有很关键的作用。

国内弧焊电源的研究现状

在我国，弧焊电源的发展历史不算很长。上世纪70年代，我国研制出了逆变焊机。然而，由于国内当时的电子技术发展较为落后，我国弧焊电源从1990年开始才进入发展迅速的阶段。逆变式弧焊电源的优点在于性能好，节材、节电，效率高等，因此得到广泛的应用。如今，我国的逆变弧焊电源已经成为市面上最重要的焊机形式。目前，我国逆变电源产品经历了几代的发展：第一代逆变器的功率器件主要为可控硅；第二代是晶体管逆变器；第三代是场效应管逆变器；第四代是IGBT逆变器，其逆变频率高，饱和压降低，功耗小，效率高，无噪声，与前3代逆变器相比，优势更明显。

总的来说，按结构原理分类，弧焊电源包括：

(1)交流弧焊电源　其优点在于结构简单、易于制造、易于修理、价格低廉、噪声小、效率高，而且在焊接过程中，电弧稳定，易于操作。实际应用中安全性很高，耐久性也很好，品种丰富。但其功率因素较低，并且，在焊接的过程中会出现电流过零的情况，使得电弧必须多次点燃，以至于焊接时电弧比较不稳定。

(2)直流弧焊电源　直流弧焊发电机就是代表之一。除此之外，还有当下处于前沿技术的可控硅弧焊整流器。早期的直流弧焊缺点很多，包括发电机耗能大、噪声大、成本高、质量大、成本低，已经是国家规定的淘汰产品。现如今的硅弧焊整流器，使用了硅二极管进行整流，把交流电转换为直流电。跟直流弧焊发电机比较起来，硅弧焊整流器优势在于效率高，节约能源，节省材料。实际焊接中，其参数调节范围大，易于引弧，电弧的稳定性好，焊接飞溅小。适用的焊接种类多。因此，硅弧焊整流器受到了业界的广泛重视及大力的发展。

(3)脉冲式弧焊电源　晶闸管式弧焊脉冲电源是代表之一。脉冲是弧焊电源实现了直流电变为方波电流，实现的原理是加入了控制电路或晶闸管斩波器。这种弧焊电源有很多可调参数，有着良好的可调性，可以保持焊接时电弧的稳定性，以及在保证质量的情况下减少热输入，减小焊接变形。而缺点在于控制电路复杂，成本高，维护困难。

(4)逆变式弧焊电源　它的出现具有重要意义，开启了弧焊电源新的篇章。弧焊整流器输出的是直流脉冲电，对于焊接质量要求较高的情况不能很好的符合要求。逆变弧焊电源的结构简单来讲，主要是在弧焊整流器后面加了一个逆变电路，实现直流转交流的效果。再加上一个变压器，便得到中高频的交流电。然后经过输出电路，最终输出直流电或者交流电。相比于一般的弧焊电源，逆变式弧焊电源的优点在于体积小、质量小、焊接性能好、效率高^[4]。由于电路中存在整流和逆变环节，在电路中会产生大量的高次谐波，在一定程度上会影响电源的性能。

如今弧焊逆变电源已成为最重要的焊接电源之一，它以较高的电能转化率立足于弧焊电源的大家庭中，然而电路中整流和你变环节产生的谐波会产生很大的危害。为了顺应现代化的发展需要，我国从事焊接电源研究开发的广大技术人员，不断努力，改善产品质量，提高产品的可靠性，高效节能的新型弧焊电源尤其要着重发展。目前我国的弧焊电源的研究趋势具体体现在以下几个点：