點(diǎn)焊逆變電源焊接電流控制方式優(yōu)化設(shè)計(jì)

段 瑞，羅 震

(天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

0 前言

電阻點(diǎn)焊因其操作簡單、焊接成本低、勞動(dòng)條件較好、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、汽車、家用電器等行業(yè)，點(diǎn)焊技術(shù)的應(yīng)用直接影響著整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)線的效率及自動(dòng)化水平。目前廣泛使用的點(diǎn)焊電源為中頻逆變電源，電路原理框圖如圖1所示，由輸入的三相交流電經(jīng)過三相整流電路濾波后變成直流電，經(jīng)全橋逆變器后產(chǎn)生交流電，再加到焊接變壓器上對(duì)其進(jìn)行降壓、次級(jí)二極管整流則變成點(diǎn)焊所需的直流電。中頻逆變電源的頻率一般為1000 Hz，焊接電流的最小控制精度為一周波，即1 ms。而在微電子、MEMS和醫(yī)療器械制造領(lǐng)域廣泛使用的微型電阻焊技術(shù)中，焊接時(shí)間通常只有幾十毫秒甚至幾毫秒[1]，因此在微型電阻焊中對(duì)焊接時(shí)間的控制精度顯得尤為重要。如果使用傳統(tǒng)的逆變電源提高焊接時(shí)間，控制精度則需要使用頻率更高的變壓器。頻率太高會(huì)對(duì)變壓器的材質(zhì)要求更嚴(yán)格，而且偏高的頻率并不能有效減小變壓器的體積，從而提高了成本。同時(shí)變壓器的頻率過高也會(huì)產(chǎn)生對(duì)電磁信號(hào)的干擾，影響電源電路正常工作。焊接電源作為焊接過程的能源供給，其性能和功能將會(huì)直接影響焊接質(zhì)量。為了使電阻點(diǎn)焊工藝能夠達(dá)到更高的要求，電源的控制精度和控制方式就成為點(diǎn)焊電源重要的發(fā)展方向。

圖1 點(diǎn)焊逆變電源原理框圖

IGBT是新型電力電子器件的主流器件之一，具有功率MOSFET和大功率晶體管（GTR）的雙重優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是電力電子最具代表性的器件。IGBT響應(yīng)速度非常快，如IGBT模塊CM1000HA-24H的響應(yīng)速度不超過2 μs。以前的研究主要是將IGBT模塊引入到點(diǎn)焊電源的變壓器一次側(cè)逆變電路中，從而減小變壓器體積，降低能量損耗[2-3]。而本研究是將IGBT模塊應(yīng)用到點(diǎn)焊電源變壓器二次側(cè)的次級(jí)整流部分，提高對(duì)焊接電流時(shí)間的控制精度，從而改善焊接質(zhì)量，同時(shí)避免了因提高變壓器頻率產(chǎn)生的材料成本、信號(hào)干擾的問題[4-5]。

1 變壓器二次側(cè)焊接主電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)逆變電源的原理框圖如圖2所示。逆變電源的焊接主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中左右兩個(gè)虛線框表示的是兩組IGBT模塊，每個(gè)模塊由四只大功率IGBT單管組成?？紤]到焊接時(shí)間較短的微型電阻焊的焊接電流相對(duì)普通電阻焊較小，故將每個(gè)IGBT單管的額定工作電流設(shè)為1000 A，并聯(lián)使用可使焊接工作電流達(dá)到4000 A[6]。

2 設(shè)計(jì)電路的仿真

2.1 電路仿真參數(shù)設(shè)置

圖2 次級(jí)可控整流逆變電源原理框圖

圖3 焊接主電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行參數(shù)仿真[7]，仿真電路如圖4所示。點(diǎn)焊焊接工件負(fù)載視為0.001 Ω純電阻和 0.01 μH 電感的組合；V1、V2 為兩個(gè)脈沖電源配合產(chǎn)生變壓器二次輸出電壓；V3、V4分別作為兩組IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。變壓器二次輸出電壓（V1上端與V2下端之間電壓值）及V3、V4驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形如圖5～圖7所示。

2.2 電路仿真結(jié)果和分析

由于點(diǎn)焊過程中熱源主要是來自于電阻熱，即與電阻上的電流值有關(guān)，所以觀察等效電阻R1的電流波形，如圖8所示。IGBT1集電極電流波形如圖9所示，IGBT5集電極電流波形如圖10所示，各IGBT發(fā)射極電壓波形如圖11所示。

圖4 仿真電路

圖5 變壓器二次側(cè)輸出電壓

圖6 V3驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

圖7 V4驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

圖8 等效電阻R1的電流波形

圖9 IGBT1的集電極電流波形

圖10 IGBT5的集電極電流波形

圖11 各IGBT發(fā)射極電壓波形

仿真結(jié)果表明，當(dāng)IGBT的柵極電壓達(dá)到導(dǎo)通要求時(shí)，變壓器二次側(cè)與R1形成閉合回路，IGBT功率開關(guān)上產(chǎn)生電流。當(dāng)變壓器二次電壓處在正半波時(shí)，控制IGBT1～I(xiàn)GBT4導(dǎo)通，當(dāng)電壓處在負(fù)半波時(shí)，控制IGBT5～I(xiàn)GBT8導(dǎo)通，該電路能夠完成整流過程，使工件始終處在直流的焊接過程；仿真中又將IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬以0.1 ms為單位時(shí)長進(jìn)行改變調(diào)整，結(jié)果顯示焊接電流的時(shí)間與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的導(dǎo)通時(shí)間完全相符，即使焊接時(shí)間的控制精度提高至0.1 ms，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)焊過程控制精度的提高；由于電感的作用，電流達(dá)到峰值的時(shí)間有所延遲，這與電感的大小有直接關(guān)系，多次試驗(yàn)仿真表明，在一定范圍內(nèi)，若電阻值不變，電感值越大，電流達(dá)到峰值的時(shí)間越長。由于IGBT關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電感內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生反向的自感電壓，即圖11中所示在IGBT關(guān)斷之后電壓波動(dòng)產(chǎn)生約50 V的正向尖脈沖，這一反向電壓會(huì)對(duì)IGBT產(chǎn)生有害沖擊，造成損害，因此需要采用一定的措施避免產(chǎn)生反向電壓。

為了避免反向電壓對(duì)IGBT造成損害，對(duì)仿真電路進(jìn)行了改進(jìn)，即在IGBT旁并聯(lián)續(xù)流二極管。改進(jìn)后等效電阻R1的電流波形、IGBT1集電極電流波形、IGBT5集電極電流波形與之前所得波形沒有變化，而各IGBT發(fā)射極電壓波形如圖12所示。

圖12 改進(jìn)后各IGBT發(fā)射極電壓波形

改進(jìn)后電路的仿真結(jié)果表明，通過增加續(xù)流二極管改進(jìn)初始設(shè)計(jì)電路，使得IGBT功率器件關(guān)斷后，負(fù)載電感產(chǎn)生的反向電壓可以被續(xù)流二極管消耗掉，而不對(duì)IGBT功率開關(guān)器件產(chǎn)生反向電壓沖擊，減少對(duì)IGBT功率器件的損害，延長其使用壽命。

3 結(jié)論

結(jié)合當(dāng)前中頻點(diǎn)焊電源的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)電阻點(diǎn)焊焊接時(shí)間控制精度問題提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了詳細(xì)研究，通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）應(yīng)用Pspice軟件對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，證明在焊接主電路采用IGBT整流方式可以將點(diǎn)焊過程中焊接電流導(dǎo)通時(shí)間的控制精度提高至0.1 ms。

（2）采用并聯(lián)同型號(hào)IGBT功率開關(guān)能夠有效解決工作電流大于IGBT功率開關(guān)單管額定電流限制的問題。在仿真條件下，使用額定電流為1 kA的IGBT單管進(jìn)行并聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)焊接電流達(dá)到4 kA的要求。

（3）點(diǎn)焊負(fù)載若為阻性加感性，則會(huì)在IGBT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生反向電壓，影響其IGBT的使用壽命。在IGBT功率開關(guān)旁并聯(lián)續(xù)流二極管可以有效避免反向電壓對(duì)IGBT功率開關(guān)產(chǎn)生的損害。

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