专利名称：一种谐振软开关逆变电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种逆变电源设备，特别是谐振软开关逆变电源。
技术背景
逆变电源系统，特别是大功率逆变电源系统是广泛应用于桥梁工程、造船、 航空、金属加工制造、金属冶炼等领域的基础设备，例如应用于电焊机焊接行 业。目前，采用IGBT大功率开关元件的逆变电源系统得到广泛应用，例如现
有IGBT逆变焊机大量采用脉冲宽度调制(PWM)技术，主电路开关元件工作
模式以硬开关方式居多，其中准谐振软开关、移相式软开关等方式是近年来 为降低开关过程损耗而提出的基于脉冲宽度调制技术的软开关方式。上述背景 技术存在如下问题
采用脉冲宽度调制(PWM)硬开关的模式的逆变电源系统，其功率开关元
件IGBT在电流和电压较高的状态下执行开关动作，因电应力很容易损坏，在开 关过程中，IGBT的功率损耗也较大，并且其主回路为脉冲波，会产生极强的高 次谐波污染，电源效率仅能达到85%左右。
采用准谐振软开关的逆变电源，在大动态负载下，不能很好的创造"ZVS" "ZCS"零开关环境，仍然无法保证开关管实现零关断，所以仍然存在功率开关 损耗和开关元件在大电应力损坏的问题。
移相式准谐振软开关技术，是移相脉冲宽度调制和准谐振软开关技术相结
合的产物，它不能实现所有开关元件均工作于过零软开关状态，是一种不完全 的软开关技术，尤其是在大动态变化的负载下开关元件有可能无法实现软开关
实用新型内容
本实用新型目的是提供一种谐振软开关逆变电源，执行开关动作时工作于 零电流(或零电压)条件，使开关损耗降到最低，提高主回路工作频率，体积 小、经济可靠、节能环保，解决背景技术中存在的上述问题。
本实用新型的技术方案是谐振软开关逆变电源组成包括主回路、功率开 关元件、主回路变压器初级绕组、变压器输出绕组，功率开关元件、主回路变 压器初级绕组设置在主回路中，变压器输出绕组与主回路变压器初级绕组相匹 配，其特别之处是组成中还包括辅助绕组，辅助绕组与主回路变压器初级绕组 相匹配。
所说的辅助绕组是主回路变压器次级上单独绕制的一个独立绕组，并且该 绕组并联一个辅助电感形成一个闭合的回路。
所说的主回路变压器采用纳米晶铁芯，采用纳米晶铁芯提高了主回路的功 率传输效率。所说的功率开关元件是IGBT功率开关管。
本实用新型的组成中还有谐振电感、谐振电容，主回路中的功率开关元件、 谐振电感、主变压器初级绕组、谐振电容构成串联谐振半桥逆变拓扑结构。
电路中还设有主回路电流采样霍尔元件，串接在主回路变压器初级绕组上；
所说的功率开关管由公知公用的控制电路提供的控制脉冲以PFM形式控制，该
脉冲与输出谐振电流严格同频同相，同步信号由主回路电流采样霍尔元件取得
主电流信号并通过过零检测电路取得。 本实用新型用辅助绕组并联辅助电感的方式降低了变压器的初级电感量降
低了回路Q值，使得主振荡回路在高频工作得更稳定，频率的升高，使主变压 器的体积变得更小。本实用新型控制回路采用PFM调制，主回路采用L、 C、 R
串联谐振方式，主回路和控制回路的振荡同频同相。由于采用同频同相的电路 结构，使得功率传输的效率最大。串联谐振的振荡模式使回路中具备电压和电 流的同时过零点，功率开关管在此过零点时执行开关动作，所以，开关动作时，功率开关管上没有电应力，开关管的可靠性大大提高，发热减少，实现了过零
软开关，开关过程中的功率损耗接近零。同时，L、 C、 R回路形成的振荡波形
为正弦波，通过输出电缆辐射的高次谐波功率得到抑制，减少了环境的污染。
本实用新型的有益效果是
由于工作频率在大功率下提高到最高可达40KHZ，使得整机的成本和重量大 大降低。绝对的软开关环境，使IGBT开关元件避免了开关过程承受的大的电应 力。对电焊机来说，提高了焊机的可靠性。开关过程损耗的降低、谐振的功率 传递特征，使电源利用效率提高到95%以上，节省了焊机用电成本。正弦波谐 振电路的特征，使得用户避免了高次谐波的污染和伤害。
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附图是本实用新型实施例结构示意图。
图中1为工频电经整流滤波后的直流电；2、 3为主回路中的IGBT功率开 关管；4、 5为无源缓冲电容；6为谐振电感；7为辅助电感；8为辅助绕组；9 为主变压器初级绕组；IO为变压器输出绕组；11、 12为谐振电容；13为主回 路电流采样霍尔元件；14为输出整流滤波电路；15为负载等效电阻。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步说明。
在实施例中，谐振软开关逆变电源组成包括主回路、功率开关管2和3、主 回路变压器初级绕组9、变压器输出绕组10，功率开关管、主回路变压器初级 绕组设置在主回路中，变压器输出绕组与主回路变压器初级绕组相匹配，组成 中还包括辅助绕组8，辅助绕组与主回路变压器初级绕组9相匹配，辅助绕组8
是主回路变压器次级上单独绕制的一个独立绕组，并且该绕组并联一个辅助电 感7形成一个闭合的回路，主回路变压器采用纳米晶铁芯。实施例中IGBT功率开关管2和3、谐振电感6、主变压器初级绕组9、谐振电容11和12构成串联 谐振半桥逆变拓扑结构。电路中还设有主回路电流采样霍尔元件13，串接在主 回路变压器初级绕组9上，功率开关管由公知公用的控制电路提供的控制脉冲 以PFM形式控制，该脉冲与输出谐振电流严格同频同相，同步信号由主回路电 流采样霍尔元件取得主电流信号并通过过零检测电路取得。
变压器输出绕组IO、输出整流滤波电路14、负载等效电阻15组成输出回路。
工作过程
设电路已处于稳态工作，此时功率开关管2闭合，功率开关管3截止，电流 通过功率开关管2、经谐振电感6、主变压器初级绕组9对谐振电容12充电， 使其两端电压升高，同时谐振电容ll放电两端电压下降，由于主回路为串联谐
振电路，电流以正弦规律上升，并达到最大值，电路完成第一个l/4周期过程；
由于谐振电容12电压的升高，电流将以正弦规律减小，直至为为零，电路完成
第二个1/4周期过程；当霍耳元件13检测到此信号时，控制激励信号使功率开
关管2截止、功率开关管3闭合，主电路电流反向，谐振电容12电压通过变压 器初级绕组9、谐振电感6、功率开关管3放电，同时谐振电容ll被反向充电， 主回路电流以正弦规律逐渐达到反向最大值，完成第三个l/4周期过程；由于电 容ll反向电压的升高，主回路电流将反向以正弦规律减小直至为零，完成最后 1/4周期过程。霍耳元件13检测到该电流过零信号时控制激励信号使功率开关 管2闭合、功率开关管3截止，重复上述过程。在此过程中主变压器由于有较
大的阻性负载，呈现阻感性性质并通过负载输出功率能量。
在串联谐振半桥逆变拓扑结构中，由于纳米晶铁心变压器激磁电感过大，尽 管功率传输效率高，在实际使用中将不能得到较高的槽路谐振频率，即使采用
较小的谐振电容提高了谐振频率也将会由于电感量过大造成槽路Q值过高，使 谐振槽路元件承受过高的工作电压，这是在串联谐振半桥逆变拓扑结构不能使 用于高频大功率逆变功率变换电路的根本原因。
本实施例用辅助绕组8并联辅助电感7的方式降低了变压器的初级电感量降 低了回路Q值，使得主振荡回路在高频工作得更稳定，频率的升高，使主变压 器的体积变得更小，从而使电路工作频率达到了 40KHz，元件的安全性得到了 保障。
权利要求1、一种谐振软开关逆变电源，组成包括主回路、功率开关元件、主回路变压器初级绕组(9)、变压器输出绕组(10)，功率开关元件、主回路变压器初级绕组设置在主回路中，变压器输出绕组(10)与主回路变压器初级绕组(9)相匹配，其特征在于组成中还包括辅助绕组(8)，辅助绕组(8)与主回路变压器初级绕组(8)相匹配。
2、 根据权利要求1所述之谐振软开关逆变电源，其特征在于所说的辅助绕 组(8)是主回路变压器次级上单独绕制的一个独立绕组，并且该绕组并联一个 辅助电感(7)形成一个闭合的回路。
3、 根据权利要求1或2所述之谐振软开关逆变电源，其特征在于主回路变压器采用纳米晶铁芯。
4、 根据权利要求1或2所述之谐振软开关逆变电源，其特征在于所说的功 率开关元件是IGBT功率开关管(2、 3)。
5、 根据权利要求4所述之谐振软开关逆变电源，其特征在于组成中还有谐 振电感(6)、谐振电容(11、 12)，主回路中的功率开关管(2、 3)、谐振电感(6)、主变压器初级绕组(9)、谐振电容(11、 12)构成串联谐振半桥逆变拓 扑结构。
6、 根据权利要求4所述之谐振软开关逆变电源，其特征在于电路中还设有 主回路电流采样霍尔元件(13)，串接在主回路变压器初级绕组(9)上。
专利摘要本实用新型涉及一种逆变电源设备，特别是谐振软开关逆变电源。技术方案是组成包括主回路、功率开关管(2、3)、主回路变压器初级绕组(9)、变压器输出绕组(10)，功率开关管、主回路变压器初级绕组设置在主回路中，主回路变压器初级绕组(9)与变压器输出绕组(10)相匹配，其别之处是组成中还包括辅助绕组(8)，辅助绕组(8)与主回路变压器初级绕组(8)相匹配。本实用新型的有益效果是工作频率可达40KHz，使得整机的成本和重量大大降低。绝对的软开关环境，使IGBT开关元件避免了开关过程承受的大的电应力。对电焊机来说，提高了焊机的可靠性，使电源利用效率提高到95％以上，节省了焊机用电成本，使得用户避免了高次谐波的污染和伤害。
文档编号H02M3/24GK201075830SQ20072015509
公开日2008年6月18日 申请日期2007年7月23日 优先权日2007年7月23日
发明者林 李 申请人:唐山嘉德电气制造有限公司