软开关型逆变弧焊电源的研究现状 软开关型逆变弧焊电源的研究现状*
岳 慧，吴志生
（太原科技大学材料科学与工程学院焊接教研室，山西 太原 030024）
摘要：阐述了软开关技术及软开关逆变弧焊电源的发展概况，主要介绍了软开关弧焊逆变器的6种基本形式以及移相控制全桥逆变器的3种形式，并指出了软开关逆变弧焊电源的发展方向。
关键词：弧焊电源；软开关；移相控制
0 引言
弧焊电源是对焊接电弧提供电能的一种装置，软开关技术的出现对弧焊电源产生了技术性变革，使得功率器件能够在电压为零时导通或电流为零时关断，极大地降低了开关损耗。软开关凭借着硬开关不可比拟的优势被广泛应用于焊接电源中，成为近年来研究的焦点［1］。
1 软开关技术
软开关技术就是指通过辅助的谐振电路使功率开关器件在开通前电压为零或者关断前电流为零［2］，其实质就是将电感和电容串联或并联到主电路中，使电路两端的电压与电流相位相同，产生谐振，迫使功率器件在开通前电压为零或者关断前电流为零［3］。
软开关替代硬开关作为弧焊电源的功率器件，大大降低了开关损耗，提高了开关频率，减少了电磁干扰和射频干扰，同时减轻了电源的重量，在较大程度上解决了开关可靠性低的问题［4］。
2 软开关型逆变弧焊电源的发展概况
直流弧焊发电机是最开始应用于电弧焊的弧焊电源，自20世纪20年代开始，交流弧焊变压器、弧焊整流器、硅弧焊整流器、晶闸管式弧焊整流器及脉冲弧焊电源的相继研制成功，为弧焊电源带来跃变式发展。1972年美国成功研制了采用晶闸管（SCR）作为开关器件的逆变弧焊电源，随后晶体管（GTR）、场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）相继成功应用于逆变弧焊电源中，尤其是到了20世纪末，功率半导体器件取得的突破进展加快了逆变弧焊电源的工业化进程［5］。
针对逆变弧焊电源中硬开关存在的问题，软开关技术应运而生。1984年美国VEPC的李泽元教授等人提出了准谐振开关电路（QRC），1986年美国威康星大学的D.M.Divan教授提出了谐振直流环逆变器，1988年美国VPEC的W.A.Tabiz等人提出了多谐振电力开关变换器（MRC）［6］，多种谐振变换器的出现，极大地推动了软开关技术在逆变器中的应用，使软开关逆变电路成为近年来学者们研究的热点之一。
虽然谐振、准谐振和多谐振开关变换器能够实现功率器件的零电压零电流的通断，但其功率器件的电流和电压应力都比传统的脉宽调制（PWM）变换器大，且高频谐振增加了器件的导通损耗。为解决以上问题，20世纪80年代末提出了移相控制的全桥零电压变换器（phase-shifted full-bridge zero-voltage-switching PWM converter）［7］，其综合了零电压准谐振开关和脉宽调制技术的优势，代表着大功率软开关逆变电路的研究方向，应用前景十分广阔［8］。
3 软开关弧焊逆变器电路拓扑的研究现状
3.1 软开关弧焊逆变器电路拓扑概述
目前常见的谐振式软开关型逆变主电路的基本形式有6种。
3.1.1 零电流（ZCS）开关谐振逆变主电路
图1为零电流开关谐振逆变主电路。零电流开关是将电感串联到电路中，而将电容并联到二极管上，迫使电路产生谐振以实现对功率器件上电流波形的整形，从而使功率器件在关断前电流为零，减小开关损失，实现理想开关条件。
3.1.2 零电压（ZVS）开关谐振逆变主电路
图2为零电压开关谐振逆变主电路。零电压开关是将电感串联在电路中，而将电容并联在功率器件两端，迫使电路产生谐振以实现对功率器件上电压波形的整形，从而使功率器件在零电压条件下导通，改善了器件的运行环境。
图1 ZCS主电路
图2 ZVS主电路
3.1.3 多谐振（MRC）逆变主电路
图3为多谐振逆变主电路。多谐振逆变主电路将谐振电容分别并联在开关器件和二极管两端，实现开关器件和二极管都为零电压开关。多谐振是指在一个开关结构中既有零电压开关的特性，也有零电流开关的特性。
图3 MRC主电路
3.1.4 串联谐振逆变主电路
图4为半桥和全桥串联谐振逆变主电路。串联谐振逆变主电路中都串联了RCL和功率器件，使电路中的负载阻抗大于传输线的特性阻抗，导致电路产生振荡，实现了器件的自然换流［9］。
图4 半桥和全桥串联谐振逆变主电路
3.1.5 移相控制谐振逆变主电路
图5为移相控制谐振逆变主电路。二极管VD并联在功率器件VT两端，当主电路中的二极管VD开通时，导通功率器件VT，即功率器件与其并联的二极管同时导通，实现功率器件在开通时电压为零，获得了零电压开关。
3.2 移相控制的软开关逆变器
移相控制的软开关逆变器可分为半桥逆变器和全桥逆变器，而全桥变换器能够实现零电压、零电流和零电压零电流3种软开关方式。
3.2.1 移相控制ZVS PWM全桥变换器
图6为移相控制ZVS PWM全桥变换器电路结构。VT1～VT4为功率开关器件，VD1～VD4为反并联二极管，C1～C4是相应功率器件的寄生电容，Llk是变压器的漏感，此电路就是利用变压器的漏感及功率器件的分布电容来完成功率器件在开通前电压为零。VT1、VT4和VT3、VT2导通时相差一个相位，将超前导通的VT1和VT3称为超前臂，滞后导通的VT2和VT4称为滞后臂。
图5 移相控制谐振逆变主电路
图6 移相控制ZVS PWM全桥变换器
此变换器有以下4个特点：①功率开关器件在导通时电压为零，改善了开关损耗过大的问题；②变压器初次级的电流和电压波动符合变化规律，与变压器输出端的整流方式无直接关联；③超前臂能够很好地在功率器件导通时使电压降为零，而滞后臂则不然；④变压器输出端串联的谐振电感使其输出端产生了占空比的丢失。
3.2.2 移相控制ZCS PWM变换器
图7为移相控制ZCS PWM变换器电路结构。电路中，VT1～VT4为功率开关器件，Llk是变压器的漏感，Cr是谐振电容，Lb是升压电感。将二极管VD1～VD4分别串联在VT1～VT4来实现开关管的单方向导通，同时承受反向电压。两个功率器件VT1和VT3（或VT2和VT4）导通后存在一个相同的时间，能够实现器件的自然换流。
图7 移相控制ZCS PWM全桥变换器
此变换器有以下4个特点：①功率开关器件在关断时电流为零，改善了开关损耗过大的问题，防止了电流拖尾现象的产生；②超前臂能够很好地在功率器件关断时使电流降为零，而滞后臂则不然；③变压器输出端并联的谐振电容使其输出端的电流产生了占空比的丢失；④输出整流二极管在导通时电压为零，使得二极管不发生反向恢复，不会造成开通损耗过大。
3.2.3 移相控制ZVZCS PWM全桥变换器
图8为移相控制ZVZCS PWM全桥变换器电路结构。该变换器实现了超前臂为零电压开关，滞后臂为零电流开关。其中VT1和VT3为超前臂，VT2和VT4为滞后臂，VD1、C1及VD3、C3分别是VT1、VT3的反并联二极管和并联电容，Llk是变压器的漏感。此电路与移相控制ZCS PWM变换器的不同之处是，将VD2、VD4串联在滞后臂的开关管中，同时增加了隔直电容Cb和饱和电感Lf［10］。
图8 移相控制ZVZCS PWM全桥变换器
此变换器有以下4个特点：①超前臂的功率开关器件在导通时电压为零，而滞后臂的则在关断时电流为零，实现了理想开关条件；②电路中反并联二极管使电路产生续流，而零电压零电流开关减小了续流期间的环路电流，降低了占空比的丢失，使变换器的工作效率和变压器的能量传输性能得以提高；③将一个隔直电容串联到电路中，使软开关能够在较大负载范围内自由切换；④具有拖尾电流特性的IGBT有较大的开关损耗，而此变换器能够有效地减小开关损耗，在一定程度上方便了IGBT的使用，降低了生产成本。
4 结束语
谐振技术是软开关技术的核心，它可以使开关器件中的电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化，从而实现功率开关器件在零电压条件下导通或零电流条件下关断。采用谐振技术与PWM技术相结合的恒频移相控制方式，同时针对软开关逆变电源的特点，采用适合的控制方式，结合多种技术，尽可能地解决可靠性低的问题，是软开关逆变弧焊电源的主要发展趋势。
参考文献：
［1］ 殷树言，陈树君.软开关变换技术在弧焊逆变电源中的应用［J］.电力电子技术，1999（1）：18-21.
［2］ 姜媛媛，李振璧.软开关技术的发展及其现状［J］.煤矿机械，2005（11）：1-2.
［3］ 赵家瑞.弧焊逆变电源主电路拓扑的发展现状［J］.电焊机，2000，30（8）：13-16.
［4］ 王禹华.数字化弧焊逆变电源的现状与分析［J］.热加工工艺，2012，41（5）：131-133.
［5］ 胡绳荪，杨立军.弧焊电源及控制［M］.北京：化学工业出版社，2010.
［6］ 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京：电子工业出版社，1998.
［7］ Patterson O D，Divan D M.Pseudo-resonant full bridge DC/DC converter［R］.IEEE PESC Record，1987：424-430.
［8］ Sable D M，Lee F C.The operation of a full-bridge zerovoltage-switched PWM converter［C］//Proceedings of Virginia Power Electronics Center Seminar.Virgnia：Virgnia Power Electronics Center，1989：92-97.
［9］ 汪殿龙.软开关技术在弧焊逆变器中的应用［J］.沈阳工业大学学报，2002，24（5）：396-398.
［10］白宏伟，姚秋凤.基于DSP的数字化软开关弧焊电源［J］.电焊机，2014，44（1）：54-56.
Research Status of Soft-switching Inverter Arc Welding Power Source
YUE Hui，WU Zhi-sheng
（School of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）
Abstract：This paper described the soft-switching technique and the development situation of soft-switching arc welding inverter power source，mainly introduced seven basic forms of soft-switching arc welding inverters and three forms of phase-shifted control full-bridge inverters，and pointed out the development direction of soft-switching arc welding power source.
Key words：arc welding power source；soft-switching；phase-shiftedcontrol
中图分类号：TG434.1
文献标识码：A
文章编号：1672-6413（2016）01-0224-03
*山西省科技攻关项目（2010322005-03）；山西省留学基金（2012-075）；太原市人才专项基金（09121013）
收稿日期：2015-03-30；
修订日期：2015-10-28
作者简介：岳慧 （1991-），女，山西介休人，在读硕士研究生，主要研究方向为重型装备焊接工艺及其自动控制。
软开关型逆变弧焊电源的研究现状 软开关型逆变弧焊电源的研究现状*
岳 慧，吴志生
（太原科技大学材料科学与工程学院焊接教研室，山西 太原 030024）
摘要：阐述了软开关技术及软开关逆变弧焊电源的发展概况，主要介绍了软开关弧焊逆变器的6种基本形式以及移相控制全桥逆变器的3种形式，并指出了软开关逆变弧焊电源的发展方向。
关键词：弧焊电源；软开关；移相控制
0 引言
弧焊电源是对焊接电弧提供电能的一种装置，软开关技术的出现对弧焊电源产生了技术性变革，使得功率器件能够在电压为零时导通或电流为零时关断，极大地降低了开关损耗。软开关凭借着硬开关不可比拟的优势被广泛应用于焊接电源中，成为近年来研究的焦点［1］。
1 软开关技术
软开关技术就是指通过辅助的谐振电路使功率开关器件在开通前电压为零或者关断前电流为零［2］，其实质就是将电感和电容串联或并联到主电路中，使电路两端的电压与电流相位相同，产生谐振，迫使功率器件在开通前电压为零或者关断前电流为零［3］。
软开关替代硬开关作为弧焊电源的功率器件，大大降低了开关损耗，提高了开关频率，减少了电磁干扰和射频干扰，同时减轻了电源的重量，在较大程度上解决了开关可靠性低的问题［4］。
2 软开关型逆变弧焊电源的发展概况
直流弧焊发电机是最开始应用于电弧焊的弧焊电源，自20世纪20年代开始，交流弧焊变压器、弧焊整流器、硅弧焊整流器、晶闸管式弧焊整流器及脉冲弧焊电源的相继研制成功，为弧焊电源带来跃变式发展。1972年美国成功研制了采用晶闸管（SCR）作为开关器件的逆变弧焊电源，随后晶体管（GTR）、场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）相继成功应用于逆变弧焊电源中，尤其是到了20世纪末，功率半导体器件取得的突破进展加快了逆变弧焊电源的工业化进程［5］。
针对逆变弧焊电源中硬开关存在的问题，软开关技术应运而生。1984年美国VEPC的李泽元教授等人提出了准谐振开关电路（QRC），1986年美国威康星大学的D.M.Divan教授提出了谐振直流环逆变器，1988年美国VPEC的W.A.Tabiz等人提出了多谐振电力开关变换器（MRC）［6］，多种谐振变换器的出现，极大地推动了软开关技术在逆变器中的应用，使软开关逆变电路成为近年来学者们研究的热点之一。
虽然谐振、准谐振和多谐振开关变换器能够实现功率器件的零电压零电流的通断，但其功率器件的电流和电压应力都比传统的脉宽调制（PWM）变换器大，且高频谐振增加了器件的导通损耗。为解决以上问题，20世纪80年代末提出了移相控制的全桥零电压变换器（phase-shifted full-bridge zero-voltage-switching PWM converter）［7］，其综合了零电压准谐振开关和脉宽调制技术的优势，代表着大功率软开关逆变电路的研究方向，应用前景十分广阔［8］。
3 软开关弧焊逆变器电路拓扑的研究现状
3.1 软开关弧焊逆变器电路拓扑概述
目前常见的谐振式软开关型逆变主电路的基本形式有6种。
3.1.1 零电流（ZCS）开关谐振逆变主电路
图1为零电流开关谐振逆变主电路。零电流开关是将电感串联到电路中，而将电容并联到二极管上，迫使电路产生谐振以实现对功率器件上电流波形的整形，从而使功率器件在关断前电流为零，减小开关损失，实现理想开关条件。
3.1.2 零电压（ZVS）开关谐振逆变主电路
图2为零电压开关谐振逆变主电路。零电压开关是将电感串联在电路中，而将电容并联在功率器件两端，迫使电路产生谐振以实现对功率器件上电压波形的整形，从而使功率器件在零电压条件下导通，改善了器件的运行环境。
图1 ZCS主电路
图2 ZVS主电路
3.1.3 多谐振（MRC）逆变主电路
图3为多谐振逆变主电路。多谐振逆变主电路将谐振电容分别并联在开关器件和二极管两端，实现开关器件和二极管都为零电压开关。多谐振是指在一个开关结构中既有零电压开关的特性，也有零电流开关的特性。
图3 MRC主电路
3.1.4 串联谐振逆变主电路
图4为半桥和全桥串联谐振逆变主电路。串联谐振逆变主电路中都串联了RCL和功率器件，使电路中的负载阻抗大于传输线的特性阻抗，导致电路产生振荡，实现了器件的自然换流［9］。
图4 半桥和全桥串联谐振逆变主电路
3.1.5 移相控制谐振逆变主电路
图5为移相控制谐振逆变主电路。二极管VD并联在功率器件VT两端，当主电路中的二极管VD开通时，导通功率器件VT，即功率器件与其并联的二极管同时导通，实现功率器件在开通时电压为零，获得了零电压开关。
3.2 移相控制的软开关逆变器
移相控制的软开关逆变器可分为半桥逆变器和全桥逆变器，而全桥变换器能够实现零电压、零电流和零电压零电流3种软开关方式。
3.2.1 移相控制ZVS PWM全桥变换器
图6为移相控制ZVS PWM全桥变换器电路结构。VT1～VT4为功率开关器件，VD1～VD4为反并联二极管，C1～C4是相应功率器件的寄生电容，Llk是变压器的漏感，此电路就是利用变压器的漏感及功率器件的分布电容来完成功率器件在开通前电压为零。VT1、VT4和VT3、VT2导通时相差一个相位，将超前导通的VT1和VT3称为超前臂，滞后导通的VT2和VT4称为滞后臂。
图5 移相控制谐振逆变主电路
图6 移相控制ZVS PWM全桥变换器
此变换器有以下4个特点：①功率开关器件在导通时电压为零，改善了开关损耗过大的问题；②变压器初次级的电流和电压波动符合变化规律，与变压器输出端的整流方式无直接关联；③超前臂能够很好地在功率器件导通时使电压降为零，而滞后臂则不然；④变压器输出端串联的谐振电感使其输出端产生了占空比的丢失。
3.2.2 移相控制ZCS PWM变换器
图7为移相控制ZCS PWM变换器电路结构。电路中，VT1～VT4为功率开关器件，Llk是变压器的漏感，Cr是谐振电容，Lb是升压电感。将二极管VD1～VD4分别串联在VT1～VT4来实现开关管的单方向导通，同时承受反向电压。两个功率器件VT1和VT3（或VT2和VT4）导通后存在一个相同的时间，能够实现器件的自然换流。
图7 移相控制ZCS PWM全桥变换器
此变换器有以下4个特点：①功率开关器件在关断时电流为零，改善了开关损耗过大的问题，防止了电流拖尾现象的产生；②超前臂能够很好地在功率器件关断时使电流降为零，而滞后臂则不然；③变压器输出端并联的谐振电容使其输出端的电流产生了占空比的丢失；④输出整流二极管在导通时电压为零，使得二极管不发生反向恢复，不会造成开通损耗过大。
3.2.3 移相控制ZVZCS PWM全桥变换器
图8为移相控制ZVZCS PWM全桥变换器电路结构。该变换器实现了超前臂为零电压开关，滞后臂为零电流开关。其中VT1和VT3为超前臂，VT2和VT4为滞后臂，VD1、C1及VD3、C3分别是VT1、VT3的反并联二极管和并联电容，Llk是变压器的漏感。此电路与移相控制ZCS PWM变换器的不同之处是，将VD2、VD4串联在滞后臂的开关管中，同时增加了隔直电容Cb和饱和电感Lf［10］。
图8 移相控制ZVZCS PWM全桥变换器
此变换器有以下4个特点：①超前臂的功率开关器件在导通时电压为零，而滞后臂的则在关断时电流为零，实现了理想开关条件；②电路中反并联二极管使电路产生续流，而零电压零电流开关减小了续流期间的环路电流，降低了占空比的丢失，使变换器的工作效率和变压器的能量传输性能得以提高；③将一个隔直电容串联到电路中，使软开关能够在较大负载范围内自由切换；④具有拖尾电流特性的IGBT有较大的开关损耗，而此变换器能够有效地减小开关损耗，在一定程度上方便了IGBT的使用，降低了生产成本。
4 结束语
谐振技术是软开关技术的核心，它可以使开关器件中的电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化，从而实现功率开关器件在零电压条件下导通或零电流条件下关断。采用谐振技术与PWM技术相结合的恒频移相控制方式，同时针对软开关逆变电源的特点，采用适合的控制方式，结合多种技术，尽可能地解决可靠性低的问题，是软开关逆变弧焊电源的主要发展趋势。
参考文献：
［1］ 殷树言，陈树君.软开关变换技术在弧焊逆变电源中的应用［J］.电力电子技术，1999（1）：18-21.
［2］ 姜媛媛，李振璧.软开关技术的发展及其现状［J］.煤矿机械，2005（11）：1-2.
［3］ 赵家瑞.弧焊逆变电源主电路拓扑的发展现状［J］.电焊机，2000，30（8）：13-16.
［4］ 王禹华.数字化弧焊逆变电源的现状与分析［J］.热加工工艺，2012，41（5）：131-133.
［5］ 胡绳荪，杨立军.弧焊电源及控制［M］.北京：化学工业出版社，2010.
［6］ 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京：电子工业出版社，1998.
［7］ Patterson O D，Divan D M.Pseudo-resonant full bridge DC/DC converter［R］.IEEE PESC Record，1987：424-430.
［8］ Sable D M，Lee F C.The operation of a full-bridge zerovoltage-switched PWM converter［C］//Proceedings of Virginia Power Electronics Center Seminar.Virgnia：Virgnia Power Electronics Center，1989：92-97.
［9］ 汪殿龙.软开关技术在弧焊逆变器中的应用［J］.沈阳工业大学学报，2002，24（5）：396-398.
［10］白宏伟，姚秋凤.基于DSP的数字化软开关弧焊电源［J］.电焊机，2014，44（1）：54-56.
Research Status of Soft-switching Inverter Arc Welding Power Source
YUE Hui，WU Zhi-sheng
（School of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）
Abstract：This paper described the soft-switching technique and the development situation of soft-switching arc welding inverter power source，mainly introduced seven basic forms of soft-switching arc welding inverters and three forms of phase-shifted control full-bridge inverters，and pointed out the development direction of soft-switching arc welding power source.
Key words：arc welding power source；soft-switching；phase-shiftedcontrol
中图分类号：TG434.1
文献标识码：A
文章编号：1672-6413（2016）01-0224-03
*山西省科技攻关项目（2010322005-03）；山西省留学基金（2012-075）；太原市人才专项基金（09121013）
收稿日期：2015-03-30；
修订日期：2015-10-28
作者简介：岳慧 （1991-），女，山西介休人，在读硕士研究生，主要研究方向为重型装备焊接工艺及其自动控制。