文章来源：《SiC开关管频率对逆变弧焊电源控制系统影响的研究》
作者：谢世康（太原科技大学硕士）
摘要：SiC开关管逆变电源代表逆变弧焊电源的发展前沿，逆变弧焊电源的控制系统决定了其焊接性能的表现，为此本文进行了SiCMOSFET频率对逆变弧焊电源电气控制系统影响的研究。
本文阐述了逆变弧焊电源的发展趋势、SiCMOSFET功率开关管的物理静态特性与动态特性及其在逆变弧焊电源中应用现状；设计了ZVZCS移相全桥的SiCMOSFET逆变弧焊电源主电路、控制系统硬件和软件，分析了其工作原理和软开关实现过程；采用MATLAB数值模拟研究了PID控制器与粒子群优化PID控制、20kHz与80kHz的SiCMOSFET逆变弧焊电源控制系统精度、响应速度和稳定性等性能，并比较分析了SiC开关管频率、PID控制器和粒子群优化PID控制方式对输出特性的影响。
研究结果表明：设计的SiCMOSFET逆变弧焊电源实现了工作频率高、响应速度快的特性。工作频率为80kHz的SiCMOSFET逆变弧焊电源动态响应速度优于20kHz的逆变弧焊电源，开环控制的输出电压电流波形进入稳态时间缩短了1.5ms，PID控制的输出电压电流波形进入稳态时间缩短了1.1ms，粒子群优化PID控制方式的输出电压电流波形进入稳态时间缩短了0.4ms。采用粒子群优化PID控制方式的高频SiCMOSFET逆变弧焊电源更能实现响应速度快、稳定性好、精度高的特性，完成了恒压外特性的控制输出。
2.3 SiCMOSFET在逆变弧焊电源中的高频化应用
逆变弧焊电源通过控制功率半导体器件的导通与关断来对焊接电弧功率输出进行调整，从而实现了能量的转换。逆变变流技术中，功率半导体器件的高频化和导通、关断过程中软开关技术的研究对逆变弧焊电源的重量、体积以及能量转化效率等各项参数都有着重要的影响。
2.3.1高频化的影响
逆变频率的高低对逆变弧焊电源的质量和体积具有决定性作用，变压器是逆变弧焊电源中功率转换的核心部分，其线圈的绕股受逆变频率的影响较大，逆变弧焊电源中变压器的输入电压与逆变频率的关系式为：
式中，V表示逆变弧焊电源中变压器的输入电压，S表示变压器铁芯的横截面积，Bm表示磁感应强度，N表示变压器绕股匝数，f表示工作中的逆变频率。在实际的焊接电源变压器中，铁芯的磁感应强度由磁芯的材料决定，当输入电压V一定时，逆变频率与铁芯的横截面积和绕股匝数的乘积成反比，可知，逆变频率的提高可以减小变压器铁芯的横截面积和绕股匝数，减小变压器体积和重量。
传统的弧焊整流器的输入频率为50Hz，较多的变压器线圈和额外的电力电子元器件导致其质量和体积都比较大，一般其重量为200~300kg，不易移动和运输，目前比较常见的商用的逆变弧焊电源的频率一般为20kHz，虽然其与弧焊整流器相比较有体积小、重量轻、效率高等的优点，但是依然不能满足对逆变弧焊电源高频化、轻量化的需求。
SiCMOSFET作为新第三代半导体器件，由于其适合高温高压的工作环境，特别是其开关频率可达80~200kHz，所以提高逆变频率对减小逆变弧焊变压器和电源的体积至关重要。
2.3.2软开关技术的应用
新的电力电子器件发展会推动不同领域的开关电源技术的进步，在弧焊电源领域，SiCMOSFET软开关技术的研发会对逆变弧焊电源趋于高频化、高效化发展。传统的逆变弧焊电源常常工作在硬开关电路的条件下，其开关过程如图2.9所示。
在硬开关的工作方式下，当开关管导通时，其两端的电压逐渐降低，电流逐渐增大，当开关管关断时，其电流逐渐减小，两端电压逐渐升高，根据功率计算公式可知开关管在导通和关断过程中会产生一定的能量损耗，在传统的硬开关方式下，对于高频逆变电源会产生以下问题：
（1）导致开关损耗过大。开关管在传统的硬开关方式的工作状态下，其一个周期内的开关损耗可达总损耗的30%~40%，随着开关频率的提高，其开关损耗将线性增加，导致逆变电路输出效率低下，同时由于功率损耗带来的发热，导致元器件长时间处于高温的工作环境中，极大地缩短了硬件设备的寿命。
（2）会产生严重的电磁干扰。随着逆变电路频率的提升，流过开关管的电流和其两端的电压变化较大，导致电路中didt/和dudt/的电流电压变化率较大，产生比较强烈的电磁干扰（EMI），会对周围电路中其他元器件的正常工作产生一定的影响。
（3）会产生过大的尖峰电压和电流。传统的硬开关方式下，电路中感性元件和容性元件受较高的开关频率影响较大，当开关管高频关断时，电路中的感性元件会感应出过高的电压尖峰，容易造成元器件的击穿，当开关管高频开通时，容性元件会释放电流尖峰，冲击电流过大会造成元器件的损坏，影响设备的稳定运行。
当SiCMOSFET应用于逆变弧焊电源时，为了应对其较高的开关频率，需要引入软开关技术减少其造成的功率损耗。软开关技术主要有开关管在开通与关断时的零电压开关（ZeroVoltageSwitching,ZVS）和零电流开关（ZeroCurrentSwitching,ZCS），由于电路中感性元件和容性元件会对电压电流造成相位差，利用谐振可使得开关管开关时电压或电流某一参数为零，软开关工作过程如图2.10所示。
当开关管导通时，在其流过电流开始前其两端的电压已经降低至为0，当开关管关断时，流过其电流降低至为0后其两端的电压才逐渐升高。高频下使用软开关的工作方式可以极大地减少开关管在工作过程中的能量损耗，这也是逆变弧焊电源的一个发展趋势。由于逆变弧焊电源工作频率的提高，硬开关工作方式下的弧焊逆变器的能量损耗不可忽视，软开关技术的应用能够为弧焊电源带来体积小、噪声低、效率高的优势，能够降低焊接设备中的能量损耗。
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