中心議題：

• 全橋移相諧振逆變弧焊電源結構組成及功能
• 全橋移相諧振逆變弧焊電源設計

解決方案：

• 全橋移相諧振逆變弧焊電源主電路設計
• 全橋移相諧振逆變弧焊電源控製電路設計
• 全橋移相諧振逆變弧焊電源驅動隔離設計

電焊機是工業牛產和加工領域不可或缺的設備
，其中逆變焊機由於具有體積小、重量輕、控製性能好、動態響應快、易於實現焊接過程的實時控製等優異性能，成為焊機產品的主流發展方向。

目的市場上大部分逆變焊機產品工作在硬開關狀態，開關損耗嚴重，開關頻率限製存幾kHz到幾十kHz上
，無法完全發揮出逆變焊機小型化和便攜性的特點。另外
，焊機類設備的耗電量占我國年發電總量的5‰，被列為十大高能耗產品之一。因此，將軟開關技術引入逆變焊機領域，對於減小開關損耗、提高開關頻率、減(jian)小(xiao)體(ti)積(ji)重(zhong)量(liang)以(yi)及(ji)節(jie)約(yue)能(neng)源(yuan)等(deng)具(ju)有(you)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)。全(quan)橋(qiao)變(bian)換(huan)器(qi)由(you)於(yu)自(zi)身(shen)結(jie)構(gou)的(de)特(te)點(dian)，可(ke)以(yi)方(fang)便(bian)地(di)工(gong)作(zuo)於(yu)多(duo)種(zhong)軟(ruan)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)下(xia)，並(bing)具(ju)有(you)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)電(dian)壓(ya)額(e)定(ding)值(zhi)小(xiao)、變壓器利用率高、濾波電感小等優點
，而且可以工作在電壓、電流兩種模式下。其中電流模式特別適合應用在高頻逆變焊機的控製上。

因此
，本文設計了一種基於峰值電流控製模式的全橋移相諧振逆變弧焊電源。采用專用移相芯片UC3879作為主控單元
，實現全橋變換器的移相控製和主開關器件的ZVS。配合一定的焊機外特性控製電路和峰值電流檢測技術
，成功試製了一台6kW/l00kHz的高頻逆變弧焊電源樣機，最後給出了相關電路圖和實驗波形。

1 結構組成及功能

基於峰值電流模式的全橋移相諧振逆變弧焊電源係統的結構框圖如圖1所示。

220V交jiao流liu市shi電dian經jing整zheng流liu濾lv波bo後hou做zuo為wei全quan橋qiao逆ni變bian器qi的de直zhi流liu輸shu入ru，其qi輸shu出chu為wei脈mai寬kuan可ke調tiao的de高gao頻pin交jiao流liu電dian壓ya方fang波bo
，通tong過guo高gao頻pin變bian壓ya器qi隔ge離li降jiang壓ya後hou，再zai經jing過guo輸shu出chu整zheng流liu濾lv波bo得de到dao滿man足zu焊han接jie要yao求qiu的de直zhi流liu電dian源yuan。

基ji於yu峰feng值zhi電dian流liu控kong製zhi的de移yi相xiang控kong製zhi電dian路lu是shi整zheng個ge係xi統tong設she計ji的de核he心xin部bu分fen。所suo謂wei峰feng值zhi電dian流liu控kong製zhi，即ji逐zhu個ge脈mai衝chong電dian流liu限xian製zhi，就jiu是shi通tong過guo實shi時shi檢jian測ce流liu過guo變bian壓ya器qi原yuan邊bian的de電dian流liu波bo形xing，由you其qi峰feng值zhi到dao達da給gei定ding的de時shi刻ke決jue定ding輸shu出chuPWM脈衝的寬度．使得主開關管的導通電流瞬態值具有相對獨立性。能夠快速地獲得焊機T作所需的理想電流特性曲線．tigaoqidongtaixiangyingsuduhekekaoxing。bingyouzhuyukefuquanqiaobianhuanqisuoguyoudepianciwenti。waitexingkongzhidianlugenjuyuanbiandianliufengzhihefubianshuchudianyadefankuiliangyugeidingliangdepianchapanduanxitongdegongkuang，bingtongguoyixiangkongzhidianlutiaojieshuchumaikuan
，shixianduishuchudianliudebihuankongzhi，shinibianhanjijuyoulixiangdegongzuotexingquxian。

圖2所示即為高頻逆變焊機所普遍采用的一種行之有效的恒流帶外拖的外特性曲線。其中Uk為空載電壓
，即焊機不工作時的輸出電壓。一個較高的空載電壓有助於起弧階段快速建立起穩定的工作狀態。一般空載電壓為90V左右


；ABduanweiqihujieduan，jihanjijianligongzuozhuangtaideguoduguocheng，jinsiyuhengyashuchu。zhegeguochengzhongbianhuanqiyizuidamaikuanshuchu，yizuikuaisududadaoshedinggongzuodianliushigaijieduanjieshu
；BC段為穩定工作階段
，近似為恒流過程，使焊機具有一個平穩、恒定的工作電流；CDduanweiwaituojieduan

，youyuhanjizaipinfandeqihuhegongzuoguochengzhonghanqianghenrongyihegongjianduanluzhanlian
，zaochenghanjieguochengbushunchang，ruguocishixitongjiancedaoyigejiaodideduanludianyahounenggouxiangyingdizengdashuchudianliuzhi，jiukeyijiangzhanlianbufenrongduan，congerhuodeyigelianxu、平穩的焊接過程。

此外

，本係統還包括一係列輸入過、欠壓保護、過流保護
、短路保護以及給定電流和實際工作電流切換顯示等功能。
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2 主電路設計

本係統所采用的全橋變換器拓撲結構如圖3所示。主電路中選用了MOSFET作為主功率開關器件，這是因為本係統的設計頻率為100 kHz
，而與IGBT一般最高工作在幾十kHz相比，MOSFET的工作頻率則要高的多。另外由於MOSFET自身帶有反並聯二級管和較大的輸出電容
，如圖3中D1～D4
、C1~C4所示
，為軟開關的實現提供了便利條件。變壓器副邊輸出整流結構有全波整流(變壓器副邊三抽頭+兩隻二級管)和全橋整流(變壓器副邊兩抽頭+四隻二級管)兩種結構可供選擇，前者適合於輸出低壓大電流的場合，後者適合於輸出高壓小電流場合。由於逆變焊機可看作是一個低壓大電流源．因此選用全波整流。 

本方案選用移相的控製方式，比較適合於選用MOSFET作為主開關的拓撲結構。其工作過程大致可分為功率傳輸階段、超前臂諧振階段、環流階段、滯後臂諧振階段以及電流反向階段等幾個過程。需要強調的是
，在滯後臂諧振階段，由於D5和D6同時換流將副邊短路，輸出濾波電感Lf無法協助變壓器原邊漏感Llk參與諧振過程
，因此滯後臂軟開關條件不容易滿足。

與常規全橋變換器相比

，本方案在電路結構上做了如下改進。
(1)在Llk的基礎上

，原邊串入一個輔助諧振電感Ls。這有助於克服滯後臂諧振過程中隻有Llk單獨與諧振，導致諧振能量不足、軟開關範圍受限的缺點。但是另一方而，原邊電流反向過程中又希望原邊電感值越小越好，以增大電流變化斜率、減小占空比損失。因此輔助諧振電感的大小要權衡各種因素後合理選取，最好使用飽和電感

，可以方便地動態調節。

(2)原邊串入無極性隔直電容C5。quanqiaobianhuanqigongzuoshibianyaqishuangxiangjici，cunzaiguyoudepianciwenti。zaochengdeyuanyinshizhengfumaichongbuduicheng，bianyaqidianyacunzaizhiliufenliang，shipiancixunsujileizhicixinbaohe，daozhidianliuwuxianzhishangsheng


，nibianshibai。jiaruyigewujixinggezhidianrong，keyouxiaofangzhizhiliupianci。lingwaibenxitongcaiyongfengzhidianliukongzhi
，zhugexianzhimeigedianliumaichongdefengzhi，poshizhengfumaichongboxingduicheng。liangzhepeiheshiyongkeconggenbenshangjiejuepianciwenti。

(3)在輸出整流部分引入一個反並聯的續流二級管D7。在環流階段，由濾波電感Lf提供的負載電流大部分可以通過D7構成回路進行續流，可以有效減小由變壓器副邊反射到原邊的續流電流，從而減小占空比損失和環流階段的導通損耗。

(4)加入吸收電路。由於輸出整流二級管反向恢複時產生一個較高的電壓過衝和高頻震蕩
，容易損壞二級管並發熱嚴重。加入由Rs和Cs構成的吸收電路後，可明顯改善整流電壓波形。另外如有需要，主開關器件兩端也可並聯RCD網絡。

3 控製電路設計

為了實現前述逆變焊機恒流帶外拖的特性曲線，本方案選用UNTRODE公司的專用集成移相芯片UC3879

，並配合外圍電路，通過多環分段控製方法來完成控製要求。

UC3879是一種能進行相位調製的PWM專用集成芯片。可獨立調節兩對互補輸出脈衝的死區時間

，為兩橋臂不同的諧振過程創造條件。其相位調製原理為：給定指令信號由芯片腳3(EA)端輸入，經內部誤差放大器後輸出誤差信號Ve，與由芯片腳19(RAMP)端輸入的鋸齒波進行比較，輸出脈寬可調的PWM波形，去改變兩橋臂的相位關係。

在本方案所采用的峰值電流控製模式下
，腳19(RAMP)端duan的de鋸ju齒chi波bo信xin號hao是shi從cong變bian壓ya器qi原yuan邊bian的de電dian流liu信xin號hao經jing采cai樣yang整zheng流liu得de到dao的de。但dan由you於yu實shi際ji上shang原yuan邊bian電dian流liu信xin號hao波bo形xing上shang升sheng斜xie率lv較jiao緩huan，與yu給gei定ding比bi較jiao時shi，容rong易yi因yin為wei幹gan擾rao或huo毛mao刺ci抖dou動dong產chan生sheng誤wu動dong作zuo。因yin此ci實shi際ji應ying用yong時shi

，先xian將jiang原yuan邊bian電dian流liu的de采cai樣yang整zheng流liu值zhi與yu芯xin片pian定ding時shi電dian容rongCT上的鋸齒波相疊加，經過斜坡補償後，再送入腳19(RAMP)端進行比較控製。峰值電流控製過程如圖4所示。

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外特性分段控製方法及芯片外圍邏輯電路接法如圖5所示。圖5(a)中，變壓器原邊電流通過一個自製的1：100電流互感器采樣並整流後得到is
，經過采樣電阻得到合適的電壓信號並與定時電容CT上的鋸齒波相疊加


，輸入到腳19(RAMP)端。腳4(CS)端用作過流保護，當此腳電壓高於2．5V時將封鎖輸出脈衝。A點接由圖5(b)產生的指定信號。圖5(b)即為焊機的外特性實現電路．包括以下三個部分。

(1)恒流特性實現 lilunshangyuanbiandianliufengzhiyufubianshuchuhanjiedianliudaxiaoshinenggouxianghufanyingde，yinci
，zhixugeidingbianyaqiyuanbianmaichongdianliudefengzhi，rangyuanbianmaichongdianliuyugeidingfengzhidejiaodianlaijuedingyixiangjiaodedaxiao
，jiunengshixianhengliukongzhi。tu5(b)中Iref即為電流峰值給定值。

(2)外拖特性實現 正常工作時，輸出電壓反饋值Vfb大於外拖給定值Vz，比較器U3的輸出為零
，對加法器U4沒有影響，焊接電流由恒流給定值Iref決定；當焊槍與工件粘連短路時，Vfb小於VZ，比較器U3的輸出為高，相當於給增大了Iref，UC3879內部誤差放大器的輸出Ve也增大
，焊接電流則隨之增大，從而實現外拖。

(3)空載電壓限製 如果僅儀對電流進行負反饋控製，那麼空載時UC3879將始終以最大脈寬輸出
，造成不必要的浪費且安全性降低。單獨設計一路由比較器U1構成的電壓調節器，對焊機的空載電壓進行負反饋控製
，當Vfb大於空載電壓給定值Vk時

，U1輸出一個較高電平封鎖C點輸出，並使UC3879輸出脈衝移相角為180°

，即有效脈寬為0°，使輸出電壓減小。這樣，UC3879輸出控製信號的移相角在0°和180°之間交替變化，不僅獲得恒定的空載電壓，而且減小了空載損耗。

4 驅動隔離設計

本方案設計頻率為100kHz
，主開關管處於高頻動作狀態，要求盡可能縮短M0SFETzhayuandianyadeshangshengshijianhexiajiangshijian，jianxiaokaiguansunhao。yinciqudongdianluyaoyoujiaodadequdongdianliu，tongshiqudongdianludaozhudianludeyinxianyaojinliangduan
，jianxiaozhajiqudongdianludezukang。benfangansuocaiyongdegaopinqudongdianlurutu6所示。 

其中IN接自來於UC3879的輸出脈衝信號，CND1接控製電路地信號
，GND2接被驅動MOS-FET的源極。6N137是一個高速光耦
，傳輸延遲時間僅有40 ns。從控製電路來的信號經過光耦隔離後送至驅動電路，使得控製電路和驅動電路有較好的電氣隔離
，消除對控製電路的十擾。MAX4426是一個專門用於M0SFET的高頻驅動芯片，其內部有兩個驅動電路

，可以很容易地並聯以提供較大的輸出功率。典型上升、下降時間僅為20ns，延遲時間小大於40ns

，可工作於1MHz
，提供1．5A的峰值輸出電流。
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5 實驗波形

為了驗證實際效果，試製了一台逆變弧焊電源樣機。設計容量為6kW
；開關頻率100kHz；輸入220V交流電網電壓
，輸入濾波電容采用4個470μF／450V的電解電容；MOSFET主開關管選用IXYS公司的IXFK48N50，其參數為48A／500V，輸出電容600pF，考慮到電流容量，采用雙管並聯方式；高頻變壓器設計容量10kW，選用EE85磁芯，變比為3
，原邊漏感2．5μH
；隔直電容選用一個2．2μF／500V的CBB電容；輸出整流部分選用的是外延型快恢複整流二極管DSEI一2x101一02A(IXYS公司)；濾波電感lOμH，濾波電容220μF。

圖7為電流斜坡補償波形。通道3為原始電流采樣波形
；通道1為用於補償的鋸齒波
；通道2為補償後波形。補償後斜率明矽增加。 圖8所不為原邊電壓(通道3)

、原邊電流(通道2)和輸出整流電壓(通道1)波形。從圖8中可清楚地看出占空比損失。

圖9為滯後臂管壓降和其驅動脈衝的波形。 

其中通道l和通道2分別為原邊電流、電壓波形；通道3為滯後臂管壓降，通道4為其驅動波形。圖10是圖9的局部展寬波形。從中可以明顯地看到當滯後臂管壓降已經諧振到零後，驅動脈衝才由低變到高，使其在零電壓下導通
，實現軟開關。

6 結語

本文設計了一種基於峰值電流控製模式的全橋移相諧振逆變弧焊電源。並成功試製了一台100kHz／6kW的高頻逆變弧焊電源樣機。實驗結果表明，用UC3879作(zuo)為(wei)主(zhu)控(kong)芯(xin)片(pian)並(bing)采(cai)用(yong)文(wen)中(zhong)設(she)計(ji)的(de)外(wai)特(te)性(xing)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)，可(ke)以(yi)較(jiao)好(hao)地(di)實(shi)現(xian)逆(ni)變(bian)焊(han)機(ji)的(de)工(gong)作(zuo)特(te)性(xing)，兩(liang)橋(qiao)臂(bi)都(dou)可(ke)以(yi)在(zai)較(jiao)寬(kuan)範(fan)圍(wei)內(nei)實(shi)現(xian)軟(ruan)開(kai)關(guan)，係(xi)統(tong)工(gong)作(zuo)穩(wen)定(ding)
，整(zheng)機(ji)效(xiao)率(lv)高(gao)。引(yin)入(ru)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)控(kong)製(zhi)
，係(xi)統(tong)的(de)控(kong)製(zhi)性(xing)能(neng)好(hao)、動態響應更快。