有限双极性软开关工作原理.docx

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1、有限双极性软开关工作原理有限双极性全桥软开关工作原理 一,有限双极性全桥软开关主电路拓扑结构说明: 图一,有限双极性全桥软开关主电路拓扑结构 图一中,由两个桥臂构成一个全桥逆变电路,Q1和Q3组成超前桥臂;Q2和Q4组成滞后桥臂,其中C1C3为超前桥臂并联电容和寄生并联电容,C2C4为滞后桥臂寄生并联电容,我们设定C1=C3C2=C4,其中D1D2D3D4分别为四只开关管IGBTQ1Q2Q3Q4的并联二极管,T1CB和Ls分别为主变压器隔直电容和可饱和电感,Lx主变漏感和分布电感等的等效电感,L0为输出电感,D5和D6为二次侧整流二极管。 为达到有限双极性的全桥软开关的目的,四只开关管的开关时

2、序如图二: 图二:开关管时序 超前臂开关管Q1Q3 PWM控制开通关断;滞后臂开关管Q2Q4固定脉冲宽度相位差180o开通关断,Q1和Q4同时开通,Q1 PWM控制关断,Q4固定脉冲宽度关断;Q3和Q2同时开通,Q3 PWM控制关断,Q2固定脉冲宽度关断,Q1和Q4的驱动波形的相位相反;Q3和Q2的驱动波形的相位相反。 二,有限双极性全桥软开关PWM逆变电路工作原理分析 为了分析方便,突出重点略去无关紧要的细节,假定: a,输出电感的电感量无穷大,流过该电感的电流是恒定的直流。 b,主变压器是理想变压器,其漏感等分布参数用专门的漏感Lk等效。 c,饱和电感Ls是理想的磁性开关,未饱和时电感非常

3、大,饱和后电感几乎为零。 下面按时序逐一分析该电路的行为 1, t0时刻: Q1和Q4已经导通多时,原边电流路径为:U+ Q1 Ls Lk CB T1 Q4 U-。原边电流Ip为副边输出电感的电流Io的1/n(n为变压器变比,n=Np/Ns)。此时饱和电感是饱和的,对电路没任何影响,隔直电容已充上左正右负的直流电压。这是原边向副边传送能量的过程,副边二极管D5导通,D6反偏截止。 图三:t0时刻 2, t1时刻: Q1关断,原边电流Ip因为副边输出电感的作用不能突变,大小仍为Ip=Io/n,原边电流路径切换为为:C1;C3 Ls Lk CB T1 Q4 U-。 图四:t1时刻 原边电流Ip为电

4、容C1充电,为C3放电,电容C1和C3连接点“1”点的电压从电源电压U开始缓慢下降,最终会下降到0;Q1的端电压从其导通时的饱和压降开始缓慢上升,最终会上升到电源电压U。设电容C1和C3的容量为:C1=C3=C, 则电压上升到U的时间为:t=2nCU/Io 可以看出,Q1的关断是零电压状况下的零关断,电压上升率和输出电流有关,输出电流越大,上升率就越大,Q1关断就越硬。 t1时刻后,实际上是电容器C1和C3的电压为一次侧 Ls -Lk - CB - T1 - Q4 回路提供电压,隔直电容继续被充电,电压仍为左正右负。原边继续向副边传送能量,副边二极管D5保持导通,D6仍然反偏截止。 3,t2时

5、刻: 图五:t2时刻 t2时刻,电容C1被充满电,其端电压变成U,C2被放完电,其端电压为零0,由于电感中电流不能突变,电流则通过D3继续流动,使得D3导通,原边电流流动路线改为U- D3 Ls Lk CB T1 Q4 U-,可见,电流的流动形性成了一个闭环,环的起点和环的终点是同一个点U-,这时的电流称为环流,此时,根据基尔霍夫电压环定律,可得ULK+UCB=0,可以认为:是隔直电容的电压加到漏感上,环路电流急剧减少。 此时Ip=Io/n(UCB/LK)ta 。副边二极管D5,D6同时导通为输出电感续流,主变压器被短路,环路电流不仅不传递能量到副边,而且在回路各元件上产生焦耳损耗。尤其是在D

6、3和Q4上的损耗,会增加开关器件的通态损耗。故希望环流时间越短越好,环流衰减的越快越好。 在Ip=Io/n(UCB/LK)ta 中可以看出,在其他条件不变的情况下,隔直电容越小,其端电压UCB会越较高,环流时间就越短,环流衰减就越快。 式Ip=Io/n(UCB/LK)ta 中ta 为环流衰减时间,当一段时间ta后,原边电流减少到非常小,设为Ipmin。这时饱和电感退饱和,电感恢复到非常大。原边电流会保持为Ipmin的值不变。此时,将Q4关断。 3, t3时刻 t3时刻,Q4关断,此时Ip为Ipmin几乎等于0,Q4关断后,由于C2,C4的作用,Q4的端电压从其饱和电压开始缓慢上升,故Q4的关断

7、为零电流/零电压关断。 图六:t3时刻 Q4关断后,原边的Ipmin小电流,由于漏电感LK 饱和电感LK的作用不能突变,将继续流动,流动路线为:U- D3 Ls Lk CB T1 C2;C4。 为C4充电,为C2放电。此时将有电压UCB+U加在漏感和饱和电感上,电流进一步减少。 4,t4时刻 t4时刻,原边的Ipmin小电流为C4充电,为C2放电完毕,电容C4上电压为U,电容C2上电 图七:t4时刻 压为零,随后D2导通。同样:有电压UCB+U加在漏感和饱和电感上,电流进一步减少。一段时间 后,电流将衰减为零,并往负的方向发展。此时,Q2和Q3同时导通。 5,t5时刻 Q2和Q3同时导通,电流

8、将沿以下路径流动:U+ Q2 T1 CB Lk Ls Q4 U-。由于饱和电抗器LS还没达到饱和,原边电流从零开始缓慢上升,故Q2和Q3为零电流开通。一段时间后饱和电抗器LS饱和,失去电流抑制作用,副边电流Io转移到二极管D6上,二极管D5反偏截止,原边电流为Io/n,先对隔直电容放电后又反向充电。 图八:t5时刻 6,t6时刻 原边电流为Io/n,先对隔直电容放电后又反向充电,电压为右正左负。二极管D6继续导通,二极管D5继续反偏截止,原边向副边传递能量。一段时间后 Q3 PWM关断,原边电流Ip因为副边输出电感的作用 图九:t6时刻 不能突变,大小仍为Ip=Io/n,原边电流路径切换为为:

9、U+ Q2 T1 CB Lk Ls C1;C3,原边电流Ip为电容C3充电,为C1放电,电容C1和C3连接点“1”点的电压从零开始缓慢上升,最终会上升到U;Q3的端电压从其导通时的饱和压降开始缓慢上升,最终会上升到电源电压U。电压上升到U的时间为:t=2nCU/Io 可以看出,Q3的关断是零电压状况下的零关断,电压上升率和输出电流有关,输出电流越大,上升率就越大,Q3关断就越硬。 t6时刻后,实际上是电源U和电容器C1和C3的电压为一次侧Q2 - T1 - CB -Lk - Ls 回路提供电压,隔直电容继续被充电,电压仍为右正左负。原边继续向副边传送能量,副边二极管D5保持导通,D6仍然反偏截

10、止。当电容C3充电完毕,C1放电完毕,使得“1”点的电压上升到U时,进入t7时刻。 7,t7时刻 图十:t7时刻 t7时刻电流改变路径为:U+ Q2 T1 CB Lk Ls D1 U+,可见,电流的流动形性成了一个闭环,环的起点和环的终点是同一个点U+,此时ULK+UCB=0,可以认为:是隔直电容的电压加到漏感上,环路电流急剧减少。 此时Ip=Io/n(UCB/LK)ta 。副边二极管D5,D6同时导通为输出电感续流,主变压器被短路,环路电流不仅不传递能量到副边,而且在回路各元件上产生焦耳损耗。尤其是在D1和Q2上的损耗,会增加开关器件的通态损耗。因此环流时间越短越好,环流衰减的越快越好。 在

11、Ip=Io/n(UCB/LK)ta 中可以看出,在其他条件不变的情况下,隔直电容越小,其端电压UCB会越较高,环流时间就越短,环流衰减就越快。 式Ip=Io/n(UCB/LK)ta 中当环流衰减一段时间ta后,原边电流减少到非常小,设为Ipmin。这时饱和电感退饱和,电感恢复到非常大。原边电流会保持为Ipmin的值不变。此时,将Q2关断。 8, t8时刻 图十一:t8时刻 t8时刻,Q2关断,此时Ip为Ipmin几乎等于0,故Q2的关断为零电流/零电压关断。 Q2关断后,原边的Ipmin小电流,由于漏电感LK 饱和电感LK的作用不能突变,将继续流动,流动路线为:C2;C4 T1 CB Lk L

12、s D1 U+。 为C2充电,为C4放电。此时将有电压UCB+U加在漏感和饱和电感上,电流进一步减少。 4,t9时刻 t9时刻,原边的Ipmin小电流为C2充电,为C4放电完毕,电容C2上电压为U,电容C4上电压为零,随后D4导通。同样:有电压UCB+U加在漏感和饱和电感上,电流进一步减少。一段时间 图十二:t4时刻 后,电流将衰减为零,并往负的方向发展。此时,Q1和Q4同时导通。重复上一个周期。 三,一次侧电流波形和逆变电路行为的对应点: 图十三 G1点对应超前臂关断点,X对应超前臂开关管并联的二极管续流点,T对应饱和电感退饱和点,G2点对应滞后桥关断点。 四,关键元件的设计计算 1,超前桥

13、臂的零电流开通,饱和电感的计算: 饱和电抗器的主要作用就是用来保证超前桥臂的零电流开通,当超前桥臂开关管开通时,饱和电感尚未饱和,电感非常大,电流从零开始缓慢的增加,直到开关管完全开通后,饱和电感才饱和,电流升至正常的副边反射电流。所以要求选用矩形系数大,导磁率高的涡流损耗小的闭合磁芯,首选环形铁氧体磁环,根据高斯磁路定律和电磁感应定律可知: NS=Ton*U/Bs (1) L=N2S0r/lc(2) 其中:N为饱和电感匝数;S为饱和电感磁芯导磁截面积;Ton为开关管导通总时间;U为直流母线电压;Bs为磁芯饱和磁密;L为电感量;0为真空导磁率0410-7 ;r为相对导磁率;lc为环形磁芯平均磁

14、路长度。由和式即可得出包和电感的磁芯导磁截面积和绕组匝数,再根据原边最大电流选择线径,保证磁环窗口能绕下绕组的条件下选择合适大小的磁环,这就确定了饱和电感的参数。 2,最小负载下超前桥臂的零电压关断,超前桥臂缓冲电容的计算: 我们起码得保证焊机在最小焊接负载情况下,超前桥臂的零电压关断条件,为此我们设定最小焊接电流为Io1,那么原边电流就为Io1/n 设超前臂开关的固故有关断时间为toff 要求在固有关短时间内保证充放掉桥臂电容C1和C3的电荷,故有:* toff = Qc =2CU 所以:C = Io1* toff /2nU 由此可求得电容C1和C3的值。 3,空载下超前桥臂的零电压关断,无

15、功功率电感的计算: 空载时,输出电流为零,PWM脉冲宽度最宽,ts 是最大宽度下的环流死区时间,一次侧的电流只有一个很小的励磁电流,在超前桥臂开关管关断时不能充分充放掉桥臂电容C1和C3的电荷,使得C1和C3有一定的残余电压,下一次导通的开关管会直接短路该电容,造成非常危险的微分焦耳热,很容易损坏开关管,因此必须引入无功功率电感,流过无功功率电感的无功电流必须满足:IR 2C*U/ts (3) 无功功率电感并接在主变压器原边,那么有:U = LR *di/dt 所以在一个导通周期内有:IR = U*Ton/2* LR (4) 那么:LR = U*Ton/2* IR U*Ton/2*(2C*U/

16、ts) = Ton*ts/4C 选择无功功率电感为:LR Ton*ts/4C (5). 图十四:无功功率电感加在原边 图十五:无功功率电感加在副原边 若无功功率电感并接在主变压器副原边 则其电感量为:LR Ton*ts/4Cn 4,适当缩短环流时间,加大环流衰减速度,隔直电容的计算: 环流发生在超前桥开关管关断后,滞后桥开关管关断前的时间段里,我们略去超前桥关断时桥臂电容充放电时间不计,可以得出超前桥关断时刻隔直电容上的电压的变化规律为: UCX =Io*t/CX Io*Ton/2*CX (6) 超前桥关断后,其续流二极管导通,此时隔直电容上的电压变化规律为: UCX =LK * di/dt (7) 联解两式构成的微分方程可得环路电流谐振降为零的时间t的表达式,文献上有计算隔直电容的具体方法,可以直接使用,再根据经验,用实验的方法酌情选取。若隔直电容越小,环流时间就越短,环流衰减速度就越大,环流通态损耗就越小,占空比损失也越小,但原边变压器电压损失会变大,要求变压器变比要增加;若隔直电容越大小,环流时间就越长短,环流衰减速度就越小大,环流通态损耗就越大小,原边变压器电压损失会变小,但占空比损失也越大,要求变压器变比也要增加。所以,只有根据具体情况,适当的选取其数值。 2

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