在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源的元器件在各种恶劣环境下能够安全可靠地工作，必须设计保护电路。设计保护电路的过程中，如何选择元件的参数是设计的关键。若参数选择不合理，保护电路将影响电源的性能，甚至损坏器件控制工程网版权所有，因此对保护电路选择合理的参数对电源的可靠性起到至关重要的作用。

       针对影响开关电源可靠性的环节，本文详细介绍了防浪涌软启动电路、瞬时过压抑制电路以及消除变压器直流偏磁电路的设计方案CONTROL ENGINEERING China版权所有，并且对保护电路中元件的选型给出了计算方法。本文所介绍的保护电路专门针对输出空载电压70V,输出电流160A,频率20kHz，额定功率6kW的弧焊电源。

弧焊电源的电路结构

       数字弧焊电源由主电路、控制电路两部分组成。其中CONTROL ENGINEERING China版权所有，主电路由整流环节、滤波环节、逆变环节、变压整流滤波环节等部分组成。主回路的结构如图1所示。

图1 电源主回路结构图

  

     整流部分采用三相全波整流模块，滤波部分采用两组并联和两组串联结构的工频滤波电容，滤波后的直流电送入逆变模块的输入端。逆变模块采用智能IPM模块。从电路形式上看，IPM与全桥逆变器结构相同，驱动器驱动两个对角元件同时导通，将输入电压交错叠加到高频变压器的初级，并且可以使用改变占空比的方法调整输出电压。高频变压器的输出经二极管和电抗器进行整流、滤波，输出稳定的直流。

       工频整流后的直流输出电压Ud为537V。输出最大电流I0=160A。由于采用两个变压器串联的结构，每个变压器次级输出电流Id=Io/2，则变压器原边的输入电流I=N2/N1×Id≈1/5×80=16(A)，变压器原边的输入电压V=Ud/2≈270V，整流桥交流侧电流为：

      （1）

 

弧焊电源保护电路的设计

1 防浪涌软启动电路的设计

       电源的输入为电容器输入型，即采用电容器对直流输入进行滤波，因此一旦附加有交流脉动时，电容中就有电流流过。电源的三相输入电流在合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器在充电瞬间会形成很大的浪涌电流。特别是大功率开关电源，采用容量较大的滤波电容器，浪涌电流会达100A以上。在电源接通瞬间产生如此大的浪涌电流控制工程网版权所有，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏；轻者也会使空气开关产生打火现象，合不上闸。为此，要设置防止浪涌电流的软启动电路，以保证电源正常而可靠运行。

       浪涌电流的值随着输入电压的增大而增大，当交流侧的输入电压相位达到90o时为最大值。采用电容进行滤波通常导致输入电流的峰值Iacp约为Iac的3～4倍。如果能对浪涌电流进行有效的抑制www.cechina.cn，那么浪涌电流可以抑制到交流输入Iac的5倍以下。但是，如果过度抑制浪涌电流，则电容器充分充电的时间增长，充电尚未结束前就产生振荡，有2次性的冲击电流流通，因此浪涌抑制电路中电阻的选择非常重要。软启动电路如图2所示。

图2 输入冲击抑制电路

       根据（1）式的计算得出交流输入电流Iac=14A，则浪涌电流可以按交流输入的4倍来抑制I’=1/4×Iac=3.5A，输入相电压为220V，则输入相电压的峰值Eip为311V。
需要的电阻值为

R=Eip/Iac=89Ω           （2）

电阻的瞬间功率为

PR=(Eip)2/R=1087W        （3）

       电阻的瞬间过功率较大，为了保证电阻对浪涌电流能够起到有效的抑制作用，应选择绕线式水泥电阻，其耐瞬间过功率可高达额定功率的100～400倍。这里，可选择阻值为100Ω的限流电阻，功率为10W的水泥电阻。

2 直流偏磁消除电路

       全桥逆变器的原理如图3所示。

图3 直流偏磁抑制电路

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