串聯預穩壓全橋移相逆變電路系統模型仿真

劉 嘉，李云嶧，岳長路，白立來

（北京工業大學機械電子與應用電子技術學院，北京100124）

串聯預穩壓全橋移相逆變電路系統模型仿真

劉 嘉，李云嶧，岳長路，白立來

（北京工業大學機械電子與應用電子技術學院，北京100124）

弧焊逆變電源具有低電壓、大電流的特點，為了提高其在大功率、高頻化場合中電源系統的動態性能，提出一種Boost串聯預穩壓輸入，全橋移相并聯輸出的弧焊逆變電源拓撲結構。通過小信號模型分析，研究電源系統的穩定性和響應速度；利用Matlab/Simulink建立電源系統的動態特性仿真模型，進一步研究了電源系統在輸入電壓、負載突變和給定信號變化情況下系統的動態響應過程，優化了電源系統的閉環控制參數，有效地預測了弧焊逆變電源系統的穩定性和響應速度。

焊接電源；輸入串聯輸出并聯；預穩壓；移相全橋；Simulink仿真

0 前言

焊接是現代金屬加工中最重要的方法之一，而焊接電源是實現焊接的最重要的設備。焊接電源是焊接生產過程中的能源供給裝置，其性能的優劣直接影響到焊接質量的好壞，隨著焊接工藝、金屬材料不斷發展，在高質量、高效率的焊接生產中，對焊接電源的要求也在不斷提高。因此，對焊接電源的研究一直以來都受到人們的高度重視[1]。

目前應用的弧焊逆變電源主要由三相交流電供電，經過全橋整流、電容濾波為540 V的直流電，然后直接串聯全橋逆變電路，經中頻變壓器、二次整流濾波為低電壓、大電流的直流輸出。但是電網輸入電壓紋波脈動大，會直接影響后級全橋逆變電路的穩定性，從而影響電源系統的動態特性和穩定性。利用兩個串聯Boost結構作為全橋逆變電路的穩定電壓輸入。

對于傳統的弧焊逆變電源系統結構，多模塊串并聯組合模式日益成為研究的焦點。主要包括輸入并聯輸出并聯模式（IPOP）、輸入并聯輸出串聯模式（IPOS）、輸入串聯輸出并聯模式（ISOP）、輸入串聯輸出串聯模式（ISOS），其中ISOP模式適用于輸入電壓較高、輸出電流較大的應用場合，這種結構可以保證在低電壓輸出時使用高頻開關，提高電源系統的功率密度、轉換效率和響應速度[2-3]。

針對弧焊逆變電源提出一種Boost串聯預穩壓全橋移相逆變電路拓撲結構。由三相電經過全橋整流、兩個相同電容的分壓，經恒電壓閉環控制的Boost電路進行預穩壓調節輸出DC，由全橋移相逆變電路并聯輸出AC，再經過整流濾波輸出至負載。

1 全橋移相逆變電路結構及控制方式

1.1 電路結構

串聯預穩壓全橋移相逆變電路的主拓撲結構如圖1所示，包括兩個帶預穩壓調節的全橋移相模塊（#1、#2）。它由兩個相同的電容C1、C2串聯分壓，作為Boost預穩壓結構的輸入，經全橋移相逆變電路并聯輸出。

圖1 串聯預穩壓全橋移相逆變主電路結構

與傳統的DC-DC變換器不同，本研究采用一種新的移相并聯控制方法，該逆變器一次側由兩個相同的全橋結構并聯組成，二次側采取新的整流方法，即變壓器二次側輸出分別接在整流橋的三個橋臂上，其中一個橋臂由兩路變壓器共有[4]。

1.2 控制方式

兩路全橋分別采用移相PWM控制，一方面可以提高逆變器輸出頻率及電源系統的響應速度，另一方面可以減小電磁元件的質量和體積。因此，圖1中兩個模式在驅動波形上存在一定的延遲時間，使整流器輸出直流方波電壓在相位上互為180°，且輸出頻率是開關頻率的4倍，如圖2所示。

圖2 全橋移相逆變電路控制方式

由圖2可知，US1、US2、US3、US4表示#1中開關管的PWM驅動波形，US1'、US2'、US3'、US4'表示#2中開關管的PWM驅動波形，UAB表示整流器輸出的直流方波（虛線是#2的輸出直流方波）。以#1為例，S1、S3是超前橋臂，S2、S4是滯后橋臂，位于同一橋臂上的S1（S2）和S3（S4）在相位上互補導通并且帶有死區；位于對角線上的S1（S2）和S4（S3）不能同時導通，并且相差一個相位，稱為移相角α[5]。

2 小信號模型分析及仿真模型的建立

2.1 小信號模型分析

在研究弧焊逆變電源動態特性之前先要解決好電源系統的模型建立問題。由于弧焊逆變電源作為開關電源中的一種，是一個線性與非線性相結合的綜合系統，研究起來并不容易，所以一直吸引著人們的關注。現有的分析方法大致有兩類：一是數字仿真法；二是解析建模法。前者的優點是準確度高，不足之處是物理意義不明確；后者的優、缺點剛好與前者相反，可以調整參數[6]。因此，采用解析法中的狀態空間平均法來建立弧焊逆變電源的小信號模型，為簡單起見，使開關理想化。關于Boost預穩壓電路的建模分析見文獻[7]，在此不再贅述。

弧焊逆變電源中的全橋電路由最基本的Buck電路演變而來[8]。因此，全橋移相逆變電路的建模就簡化為Buck電路的建模問題，本研究全橋逆變電路工作在電感電流連續模式（CCM）。全橋電路簡化為Buck電路的電流回路示意如圖3所示。

圖3 Buck電路電流回路

圖3中，R為系統負載，C為輸出端電壓濾波電容，Si為并聯全橋電路開關管，L為輸出端電流濾波電感。在每個工作周期內，開關管Si依次工作在導通和關斷兩個狀態，其中i=1、2。

根據狀態空間平均法，建立交流小信號的狀態方程和輸出方程

對式（1）作拉氏變換得

將設計參數：輸入電壓Ud1=310 V、變壓器變比N=8、輸出濾波電感L=40 μH、輸出濾波電容C= 100 pF、負載電阻R=0.19 Ω代入式（4）中可得

根據PI恒電流閉環控制的全橋移相逆變電路系統開環傳遞函數，得到系統的伯德圖，如圖4所示。

圖4 全橋移相逆變電路開環Bode圖

圖4中，虛線為沒有PI調節的系統響應曲線，實線為PI調節后的系統響應曲線，PI調節后的系統穿越頻率為12.1 kHz，相角裕量60°。一般來說，穿越頻率決定了系統過渡過程的快慢。穿越頻率越大，則系統的頻帶越寬，慣性越小，過渡過程越快；相角裕量則是系統相對穩定的重要指標，相角裕量越大則系統的阻尼系數越大，系統的輸出相應的超調量越小，大體上相角裕量30°～70°，相當于阻尼系數ξ=0.3～0.8，此時的動態性能較好。

因此，對于Boost串聯預穩壓輸入、全橋移相逆變電路并聯輸出電源系統，采用模塊解耦的閉環控制策略時，電路系統都具有較高的穩定性和響應速度。

2.2 電源系統模型建立

在小信號模型建立過程中，忽略了開關管的導通和通斷，假設逆變器輸出負載恒定，對相關參數施加擾動量。并且在實際應用中，電弧焊的送絲速度變化、電網電壓波動及頻繁的短路過渡等都影響電源系統的整體性能。因此，小信號模型對于弧焊逆變電源的分析存在弊端。

Simulink是基于Matlab環境基礎上的高性能系統仿真設計平臺，提供友好的圖形用戶界面（GUI）[9]。Simulink作為弧焊逆變電源的仿真工具，電源系統模塊集豐富，如電力電子子模塊（Power Electronics）中的IGBT、二極管等，還在控制系統的研究領域里優于其他仿真軟件。所以選擇Simulink進行主電路的仿真研究。建模時，只需鼠標點擊或者拖拽電源系統模塊中所需器件的圖標即可。串聯預穩壓全橋移相逆變電路仿真模型見圖5。仿真模型中的元件參數為：開關頻率f=20 kHz，輸入分壓電容C1= C2=100 μF，Boost電路電感L1=L2=60 μH，Boost電路輸出穩壓電容C3=C4=100 μF，變壓器匝比N=8∶1，輸出濾波電感Lf=40 μH，電容Cf=100 pF。

圖5 Simulink仿真模型總體設計

Boost預穩壓電路的恒電壓PI閉環控制器參數設置采用Simulink中PI Tuner的推薦值[7]

全橋移相逆變電路采用恒電流PI閉環控制，其PI閉環控制器的參數設置采用Simulink中PI Tuner的推薦值，表示為

控制器結構如圖6所示。

圖6 全橋移相逆變器PI控制器模型

Simulink中沒有相關芯片的模型，為了設置PWM驅動波形的移相和死區時間，需利用Simulink中的數字或模擬器件建立移相和死區電路模型，如圖7所示。兩個模塊的移相生成電路結構相同，經PI調節的輸出誤差信號與鋸齒波信號比較得到所需的移相角，然后輸入移相脈沖電路，經過模塊中的邏輯運算和死區時間的設置得到8路移相的PWM信號，模塊2的驅動信號相比于模塊1有一定的延遲。

3 仿真設計結果分析

在弧焊工藝過程中，頻繁的短路過渡以及負載的強烈變化嚴重影響弧焊電源的電壓、電流信號的穩定性，使焊接過程不穩定，并且在實際應用中，輸入電壓的變化、負載突變及電流跳變情況下的電壓、電流響應能夠全面、真實地反映焊機的動特性[8]。因此，對弧焊逆變電源的動態性能進行仿真研究，包括：（1）輸入電壓突變時電壓、電流的響應（2）電流給定條件下，負載突變時電流、電壓的響應；（3）負載不變情況下，給定信號跳變時的電流、電壓的響應。

動特性仿真的具體方案為：

（1）由于電網電壓脈動紋波大，嚴重影響弧焊逆變電源系統的穩定性和動態性能。為了驗證Boost串聯結構的預穩壓調節性能，在仿真實驗中人為地加入擾動信號使輸入三相電壓產生10％的波動。在20 ms時，階躍信號源跳變為1，理想開關閉合，三相輸入電壓突變，觀察串聯預穩壓電路及全橋移相逆變電路的輸出電流、電壓響應曲線，如圖8所示。

圖7 全橋移相脈沖生成電路

圖8 輸入電壓突變時電壓、電流響應曲線

由圖8可知，仿真電網電壓突變時電壓、電流波形，從上至下依次為：模塊1 Boost電路輸出電壓UC3、模塊2 Boost電路輸出電壓UC4、移相全橋逆變器輸出電流和電壓波形。在20ms時，輸入電壓以10％跳變（380～418 V），觀察Boost串聯電路輸出電壓UC3和UC4近似相等，且紋波電壓為±3 V。基于Boost串聯電路的預穩壓調節，使電網電壓的脈動紋波變化對后級全橋移相逆變電路的輸出影響較小。由圖8c、8d可知，移相全橋逆變器的輸出電流、電壓波形平穩。所以，當電網電壓在一定的電壓范圍內波動時，經過串聯預穩壓電路的調節，實現功率輸出平衡，減小對后級逆變器輸出波形的影響。

（2）在電流給定100 A的條件下，初始狀態時負載R為0.19 Ω，20 ms時，階躍信號源step發出階躍響應，輸出跳變信號1。這時理想開關Switch閉合，負載R1=0.04 Ω并聯到輸出回路，使等效負載跳變為0.033 Ω，觀察預穩壓電路和全橋移相逆變電路的輸出電壓、電流波形，如圖9所示。

由圖9可知，圖9a、圖9b為Boost串聯電路的電壓輸出波形，圖9c是移相全橋逆變電路的電流輸出波形。當電流在電阻切換瞬間，產生約6 V的尖峰，電流波動小于±2 A，經過0.3 ms調整后達到穩定狀態，并且電壓紋波減小一半，由于采用的是純阻性負載，因此電壓和電流的過渡過程相似，但在電壓的波形中沒有產生類似的尖峰。

當負載突變時，Boost串聯預穩壓電路輸出電壓經過100 μs的調整后趨于穩定。因此，當負載突變時，經過Boost串聯電路的預穩壓調節及全橋移相逆變電路的恒電流閉環控制，使輸出電流快速趨于穩定，改善了電源系統的動態性能。

（3）在負載0.19 Ω、20 ms時，電流給定由100 A跳變到200 A，串聯預穩壓電路及全橋移相逆變電路的輸出電壓、電流響應曲線如圖10所示。圖10a、10b為Boost串聯電路的電壓輸出波形，圖10c、10d是移相全橋逆變電路的電流、電壓輸出波形。當負載恒定時，輸出電流跳變，大約經過500 μs到達穩態電流200 A，由圖10c可知，輸出電流上升時間較快，波形平穩。同時，Boost串聯電路輸出電壓在電流突變時產生波動，經過預穩壓調節達到穩態，雖然電壓紋波加大，但電壓紋波小于±2 V，滿足要求。

圖9 100A恒電流條件下負載由0.19 Ω→0.033 Ω時電壓、電流響應曲線

圖10 負載0.19 Ω，電流100～200 A跳變時電壓、電流響應曲線

4 結論

（1）提出一種新的移相全橋并聯控制方法——Boost串聯預穩壓輸入、移相全橋并聯輸出電源系統。通過對電源系統模型的優化及整體仿真，預測了弧焊逆變電源的數字化控制效果。

（2）利用Matlab/Simulink建立動態特性仿真模型，通過分析弧焊工藝過程中電流、電壓參數的變化，以及電網電壓的波動，證明串聯預穩壓全橋移相逆變器改善了電源系統的動態性能，提高了弧焊逆變電源系統的響應速度。

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Model simulation of series voltage regulator phase-shift full-bridge inverter circuit system based on Matlab/Simulink

LIU Jia，LI Yunyi，YUE Changlu，BAI Lilai
（College of Mechanical Engineeringand Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Arc welding inverter has the characteristics of low voltage and high current,in order to improve the dynamic performance of its power supply system in the high-power and high-frequency occasions，an arc welding inverter topology of Boost pre-regulator series input and phase-shift full-bridge parallel output is put forward.Based on the small-signal model，the stability and response speed of the power system are studied，and the simulation model of the dynamic characteristics of power system is established by taking advantage of Matlab/Simulink，and the dynamic response process of the power system under the circumstance of input voltage jump，load mutation and given signal change is further studied，and the closed-loop control parameters of the power supply system are optimized，the stability and response speed of the arc welding inverter power system are effectively predicted.

welding power supply；ISOP；voltage regulator；phase-shift full-bridge；Simulink simulation

TG434.1

A

1001－2303（2016）06－0008-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.02

2016-01-16

修回日期：國家自然科學基金資助項目（51375022）

劉嘉(1969—)，男，吉林省吉林市人，博士，副教授，主要從事數字化控制弧焊逆變電源研究工作。