论文总字数：22087字

摘 要

逆变弧焊电源体积小，方便，高效节能，动态响应快，可控性好，但在可靠性和降低成本上还有发展潜力。逆变弧焊电源中的关键器件是功率开关器件，将软开关技术融入其中，成功解决了开关设备损耗过大的问题，提高了系统的可靠性，成为了焊接电源技术发展的趋势。

本文基于逆变电源和软开关技术，自主设计了软开关逆变弧焊电源主电路，并利用MATLAB软件对其进行了仿真。通过替换不同形式的软开关逆变主电路、选择不同的占空比，检验主电路各参数是否符合计算和设计的预期要求。

研究结果表明：依托于MATLAB软件Simulink仿真工具搭建的移相PWM控制逆变主电路模型能够实现焊接所需的外特性的输出，电源最优占空比为0.7，软开关电路能较好地实现逆变电源零电压零电流下的通断，有效降低了开关损耗。

本文的特色：整个研究主要采用计算机数字仿真技术。相较于传统实物研究，软件数值计算快捷高效、图形模拟直观并可进行图形处理。同时，功能丰富的应用工具箱使专业化设计更加方便。

关键词：软开关；逆变弧焊电源；IGBT；MATLAB

Abstract

Inverter arc welding power supply is small in size, convenient, efficient and energy-saving, fast in dynamic response and good in controllability, but it still has development potential in reliability and cost reduction. The key device in the inverter arc welding power supply is the power switching device. The soft switching technology is integrated into it, which successfully solves the problem of excessive loss of switching equipment, improves the reliability of the system, and becomes the development trend of welding power supply technology.

In this paper, based on the inverter power supply and soft switching technology, the main circuit of the soft switching inverter arc welding power supply is designed independently, and it is simulated using MATLAB software. By replacing different forms of soft-switching inverter main circuit and selecting different duty ratios, it is verified whether the parameters of the main circuit meet the expected requirements of calculation and design.

The research results show that: the phase shift PWM control inverter main circuit model built on the Simulink simulation tool of MATLAB software can achieve the output of the external characteristics required for welding, the optimal duty cycle of the power supply is 0.7, and the soft switching circuit can be better achieved The on-off of the inverter power supply under zero voltage and current effectively reduces the switching loss.

The characteristics of this article: The whole study mainly uses computer digital simulation technology. Compared with traditional physical research, software numerical calculation is quick and efficient, graphical simulation is intuitive and graphics processing can be performed. At the same time, the feature-rich application toolbox makes professional design more convenient.

Key Words：Soft switch；Inverter arc welding power supply；IGBT；MATLAB

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 逆变弧焊电源的发展概况及发展趋势 1

1.2.1 国外发展现状 2

1.2.2 国内发展现状 2

1.2.3 发展趋势 2

1.3 软开关技术 3

1.4 课题研究的主要内容 3

第2章 逆变弧焊电源主电路的设计 5

2.1 逆变弧焊电源的基本原理 5

2.2 逆变焊接电源电路型式的确定 5

2.3 软开关逆变主电路的确定 6

2.3.1 软开关逆变主电路的基本形式 6

2.3.2 移相软开关逆变器 8

2.4 逆变电源主电路的设计 10

2.4.1 整流输入电路的选择 10

2.4.2 软开关逆变电路的选择 11

2.4.3 中频变压器的选择 12

2.4.4 输出电路的选择 12

2.5 电路参数的选择 13

2.5.1 确定中频变压器变比与占空比 13

2.5.2 输入整流电路的设计与计算 14

2.5.3 逆变电路的设计与计算 15

2.5.4 输出整流电路的设计与计算 17

2.6 小结 18

第3章 逆变电源主电路的MATLAB仿真 19

3.1 MATLAB简介 19

3.2 主电路的建模及仿真 19

3.2.1 移相PWM控制模型 19

3.2.2 主电路模型及仿真结果 22

3.2.3 开关器件通断状态分析 25

3.2.4 不同占空比的对比分析 26

3.2.5 不同软开关主电路形式的对比分析 31

3.3 小结 32

第4章 结 论 33

4.1 研究结论 33

4.2 课题展望 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

焊接是一种通过高温或高压方式使材料产生分子间结合的制造技术，在金属加工制造业中不可或缺，具有无与伦比的独特优势^[1]。逆变电源是我国更新换代的革命性电源，由于发展历史短，还要在提高可靠性、工艺适应性和降低成本下功夫。逆变电源被公认为世界上最先进的焊接电源。尽管发展历史不长，但速度很快，研究前景广阔^[2]。

1.1 课题的研究背景及意义

逆变弧焊电源变换器相较于传统电源，频率得到了巨大的提升，而体积与频率成反比，故体积小；同时，由于体积的减小，电源所用材料减小，损耗也相应减小，故高效节能；随着发展，数字化弧焊电源成为发展的趋势，有效地提高了可控性。但其在可靠性和降低成本上还有发展潜力。逆变弧焊电源中的关键器件是功率开关器件，将软开关技术融入其中，成功解决了开关设备损耗过大的问题，提高了系统的可靠性，成为了焊接电源技术发展的趋势。

本课题采用了基于MATLAB软件仿真模拟主电路的研究方法。以软开关逆变电源主电路为研究对象，首先确定逆变电源及功率开关器件类型、再具体设计软开关逆变电源主电路并计算相关参数、最后通过MATLAB软件进行模拟仿真。

整个研究的仪器和材料主要利用计算机数字模拟生成，避免了传统研究方法可能产生的废料及噪音。不仅降低了环境污染和科研成本，而且消除了巨大噪音对研究人员身体健康的危害。同时，数字模拟能快速高效地得出最优情况下的主电路占空比，较大程度上降低了逆变电源占空比的损失，缩短了试验周期，提高了研究效率。

1.2 逆变弧焊电源的发展概况及发展趋势

直流弧焊发电机是最早用于弧焊应用的焊接电源。自1920年以来，交流弧焊变压器，直流弧焊电源，晶闸管弧焊整流器，脉冲弧焊电源以及逆变式弧焊电源的成功开发，给弧焊电源带来了不可估量的变化。我们已经成功地开发了各种高效，高性能的逆变弧焊电源，从晶体管到场效应晶体管再到绝缘栅双极晶体管。逆变弧焊电源逐步完善，成为焊接行业生产中的有生力量。

1.2.1 国外发展现状

逆变电源的研究自上世纪70年代开始，一直兴欣到现在。在如今计算机高速发展的背景下，逆变电源数字化、智能化研究具有很大发展潜力。1972年，美国海洋研究与发展部开发了300A晶闸管逆变器弧焊电源，并推出了多功能晶闸管逆变器弧焊电源原型，但由于功率开关设备的性能和可靠性不成熟，并没有产品商业化。在1980年代初期，电子电源技术的迅速使得功率开关器件得到了长足的发展，从晶体管（GTR）到功率场效应管（MOSFET）再到绝缘栅双极晶体管（IGBT），逆变弧焊电源变得常见。关断电源开关设备陆续推出，大量相应的焊接逆变器电源也已大量涌入市场^[3]。自从1980年代商业化以来，逆变器电源一直在快速发展，并且关于节能和高效的逆变器电源的研究正在进行。新式性能良好的数字信号处理器的研制成功，开启了数字化焊接电源的发展，著名的成果有奥地利Fronius公司在1994年成功研制的TransPlus Synergic 系列全数字化弧焊逆变焊机^[4]。

1.2.2 国内发展现状

我国逆变器电源的研究与开发落后于国外，研究始于1980年代初，但进展很快，前景可观。1982年，在德国的华南理工学院的研究人员推出了世界上第一个ZX7-50场效应管手动电弧焊电源原型^[5]。之后，成都电焊科学研究所于1983年成功推出了晶闸管逆变弧焊电源样机^[6]。1989年IGBT弧焊逆变器推出，马上引起了中国对其的关注。90年代初，北京航空航天大学研制出了IGBT逆变弧焊电源。除此之外，在数字化发展中，1999年上海交通大学焊接研究所在提出了一种以微控制器（MCU）控制系统为核心的数字化焊接电源^[7]。华南理工学院提供了一种基于数字信号处理的弧焊逆变器电源数字控制系统，从系统软件和硬件两个方面入手，开发了数字熔融惰性气体保护焊（MIG）焊接电源^[8]。我国当年生产的逆变焊接电源以手弧焊电源为主，其次是TIG焊电源，但品种较少。逆变MIG、MAG焊接电源虽然关注颇多，投入生产的却很少。逆变焊接电源的容量与国外相当，一般在50~630A范围内。

1.2.3 发展趋势

逆变器电源具有比常规电弧焊电源更好的性能，但可靠性低、使用寿命短、成本偏高都是其存在的不足。原因是逆变弧焊电源的电源开关装置是在硬开关操作条件下打开/关闭电源开关装置。硬开关的主要问题是：

（1）在电源开关设备的操作过程中，导通和关断损耗较大，即高频下的开关损耗严重影响着逆变电源生产性能。由于逆变器的容量与频率成反比，因此由于开关损耗的问题，重量减轻和小型化的进展受到限制。

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