工作原理和波形 - 大功率高頻軟開關(guān)逆變器的設(shè)計(jì)

2 逆變器的工作原理和波形
　　波形簡圖如圖4所示，左臂為超前橋臂，其上下兩支開關(guān)管的激勵信號為恒頻調(diào)寬的脈沖，右臂為滯后橋臂，其上下兩支開關(guān)管的激勵信號為恒頻恒寬的脈沖。下面我們把實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的過程作簡要分析。

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2．1 初級狀態(tài)(t1，t2)
　　S1和S4導(dǎo)通，此時變換器向次級負(fù)載輸出能量，這時的工作狀態(tài)與我們通常的硬開關(guān)PWM的工作方式一樣。

2.2 狀態(tài)2(t2，t3)
　　S1關(guān)斷，S4維持導(dǎo)通，由于S1和S3上都并有電容(C1和C3)，因此S1關(guān)斷時，回路的電流并未同時截止，而是通過S4、L和T給C1充電，給C3放電，此時變換器繼續(xù)向次級負(fù)載輸出能量。A點(diǎn)電流經(jīng)諧振電感L及變壓器T到達(dá)B點(diǎn)，如電感L的能量還未釋放完，則電流通過S3的體二級管續(xù)流，即S3的兩端電壓為零，為S3提供了零電壓開通的條件，S4關(guān)斷時，S4上的電流已近似為零，因此S4此時為零電流關(guān)斷。

2.3 狀態(tài)3(t3,t4)
　　此時S1、S2、S4均處于截止?fàn)顟B(tài)，由于變壓器的漏感Ls(漏感非常小)使電路內(nèi)還有一定能量，引起阻尼振蕩，其頻率與負(fù)載無關(guān)，只與L及S2和S4的分布電容(C1和C3)有關(guān)，由于C1和C3比S2和S4的分布電容大得多，因此這種振蕩只有在S2和S4的漏一源兩端上觀察到，在S1和S3的漏一源兩端上無振蕩。這種振蕩會增加S2和S4的損耗，對S1和S3無影響。為了降低在S2和S4上的損耗，滿足S2和S4在準(zhǔn)零電壓狀態(tài)開通，只需滿足以下條件：T3=t4-t3=T／2，T為振蕩周期。如果T太小可以增大電感L，為使S2和S4安全工作不誤導(dǎo)通，應(yīng)適當(dāng)增大T3，這時可根據(jù)不同情況增大L，而C1和C3在滿足T2≥RC的情況下，應(yīng)取得小一些，功率管采用MOSFET時，C1和C3一般取得1000～4700pF，功率管采用IGBT時C1和C3一般取大一些(10～20nF)。
　　經(jīng)過上述3個狀態(tài)后變換器就完成了半個周期，后半周期與此相同。

2.4 狀態(tài)2和狀態(tài)3的時間設(shè)定
　　設(shè)計(jì)是否合理是實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)和滿足最大占空比的關(guān)鍵。從前面的工作過程分析看出狀態(tài)2設(shè)得太大占空比就會減小，功率管的峰值電流會增大，次級整流二極管的反向耐壓就會提高，這樣就會增大功率管和二極管的損耗，高頻燥聲也會增大。因此，應(yīng)盡量增大占空比，但如果狀態(tài)2設(shè)計(jì)小了，C1和C3不能充分充放電，S1和S3就不能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，其損耗會增加，這是不允許的。狀態(tài)3時間的最佳值比較臨界，狀態(tài)3時間長了由于高頻振蕩會增大S2和S4的損耗，狀態(tài)3時間短了容易造成S2和S4瞬時短路，功率管采用MOSFET時，狀態(tài)3時間一般在300ns左右，功率器件采用IGBT時一般取大一些(300～600ns)。

3 逆變器驅(qū)動波形死區(qū)及前后沿設(shè)置
　　S1和S3及S2和S4驅(qū)動波形的死區(qū)設(shè)置，S1和S4或S3和S2波形的前后沿的相對位置的設(shè)置如圖5所示。

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4 結(jié)語
??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)出的大功率軟開關(guān)弧焊逆變器不僅體積小、重量輕、生產(chǎn)成本低，而且具有高效率和高可靠性，ICBT的開關(guān)損耗大大減小。該焊機(jī)的工藝性、可制造性、可維護(hù)性都達(dá)到了一個很高的水平。
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