IGBT模塊應用在逆變弧焊機的實證分析

【摘要】通過逆變式焊機設(shè)計、生產(chǎn)過程，從IGBT模塊應用于逆變焊接電源的實例，進行分析，ZX7、NBC、MZ、LGK四種類型逆變焊機設(shè)計上的關(guān)鍵問題。

【關(guān)鍵詞】逆變式焊接電源；IGBT模塊的應用

一、概述

逆變式弧焊電源由上世紀80年代進入我國弧焊電源市場和弧焊電源設(shè)計領(lǐng)域，經(jīng)歷了大功率可關(guān)斷晶閘管（GTO）式、雙極晶體管式（GTR）、場效應管（MOSFET）式、功率絕緣柵雙極型晶體管Insulated Gate Bipolar Transistor （IGBT）式。目前，國外、國內(nèi)發(fā)展是普及使用IGBT模塊，取代了IGBT單管。逆變弧焊電源符合節(jié)能、高效、綠色環(huán)保的工業(yè)設(shè)計潮流和我國的焊接行業(yè)發(fā)展方向。與普通弧焊電源相比，逆變式弧焊電源最顯著特點是工作頻率高，節(jié)省大量的鋼材、銅材，具體特點：

1.體積小、重量輕

2.高效節(jié)能

3.動特性好、控制靈活

逆變式弧焊電源的外特性、動特性等性能主要有電子控制電路進行調(diào)節(jié)。電子控制電路的變化和調(diào)整靈活、方便，易于在一臺電源上實現(xiàn)多種特性的輸出，甚至在焊接過程中也可以根據(jù)要求切換不同特性。所以逆變弧焊電源產(chǎn)品的研制，可以在ZX7、NBC、MZ、LGK四個系列中同步進行。

4.元器件特性要求高，電路復雜

逆變式弧焊電源是典型的電力電子裝置，因此電路復雜。

普通弧焊電源工作頻率低，一般工作波形為正弦波，du/dt、di/dt較小。而逆變電源由于工作頻率高，內(nèi)部電流換向快，變化劇烈，對du/dt、di/dt等動態(tài)參數(shù)的影響十分明顯。在這樣的工作條件下，逆變電源的電子功率開關(guān)等元器件被擊穿、燒穿的可能性大大增加。為了保證逆變式弧焊電源的可靠性、穩(wěn)定性，不僅需要高質(zhì)量、高性能的元器件，而且需要設(shè)計、應用許多保護電路。這也是逆變式弧焊電源控制電路復雜的主要原因之一。

二、設(shè)計任務和要求

IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復合器件，綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的特性，IGBT單管在使用時，需要四只電子功率開關(guān)，驅(qū)動電路較為復雜，抗不平衡能力較差，所以還要附帶包括三方面的電路：過電流保護、過電壓保護、熱保護。制造成本高和穩(wěn)定性差。上世紀90年代開始，IGBT模塊開始取代了單管，它的電路結(jié)構(gòu)分為一個單元、兩個單元和六個單元。每個單元都包括了IGBT的管芯和高速恢復二極管芯片及加速二極管芯片（或者二極管只有一只高速恢復，即反向并聯(lián)的芯片），封裝在一起以利于進一步減少體積和提高工作的可靠性，絕緣性能好，模塊的散熱片上通過靠近芯片的熱敏電阻來測量溫度。

設(shè)計的四種的逆變式弧焊電源，采用的電子功率開關(guān)器件均為兩個單元的IGBT模塊，內(nèi)部已經(jīng)包含了2組IGBT，其逆變電路是三相全橋式，分別要用在ZX7系列手工直流焊機、NBC系列氣體保護焊機、MZ系列埋弧自動焊機、LGK系列等離子切割機。

下圖：逆變弧焊電源的基本電路方框圖。

基本電路方框表示：三相380V交流電經(jīng)全橋直流濾波后，送到一對全橋式逆變開關(guān)IGBT模塊（每個模塊含2個IGBT開關(guān)管），逆變產(chǎn)生高頻（20kHz）交流電壓經(jīng)次級帶有中間抽頭的功率高頻變壓器降壓，以及直流濾波后送到電弧負載。焊接電壓、電流的調(diào)節(jié)和外特性形狀控制，采用脈寬調(diào)制（PWM），給定電路，電流反饋信號由分流器（FL）獲得。

三、設(shè)計方案

㈠IBGT模塊選用

目前市場上有西門康、三菱、英飛凌、富士等多個品牌，性能和價格相差不大。按照IGBT模塊額定電流>焊機負載電流的原則選擇，然后具體看模塊的⑴靜態(tài)電氣參數(shù)；⑵開關(guān)時間；⑶開關(guān)損耗；⑷熱阻。也就是極限參數(shù)和主要特性參數(shù)兩大類。因此，從生產(chǎn)的標準化的因素考慮，這四個系列焊機都是選用英飛凌的IGBT模塊。

㈡全橋式逆變電路

兩個IGBT模塊分別有相位差180°的驅(qū)動脈沖激勵而交替導通，產(chǎn)生交流矩形波作用于變壓器T上，矩形波幅值為直流電壓Ud。兩個IGBT模塊最大正向電壓為Ud。交流矩形波經(jīng)變壓器T降低，快速二極管VD全波導通，生產(chǎn)電抗器濾波，得到比較穩(wěn)定的直流輸出。ZX7、NBC、LGK三個系列的逆變電路都是同類型的。

MZ系列是埋弧焊機，所需要的輸出電流在800A以上，按照目前IBGT模塊的價格和整機成本、工藝，選用并聯(lián)的全橋逆變電路，就可以實現(xiàn)。

㈢變壓器

設(shè)計的四個系列的逆變式弧焊電源的高頻變壓器都采用非晶態(tài)磁性材料的環(huán)形磁心，它們的磁損僅為硅鋼片疊片鐵心的1/3，而且體積很小。

常用的變壓器計算公式U1=4.44fNBS是在正弦波交流電得到的。逆變式高頻變壓器變換的是矩形波，所以公式不再適用。

必須根據(jù)電磁定律重新推導。

在矩形波中，磁通變化范圍為ΔΦ=2Φ=2BS，而且是線性變化。根據(jù)電磁定律，則

U=NdΦ/dt=NΔΦ/Δt=2N BS/tON（tON—導通時間） （1）

所以N=U·tON/2BS （2）

若tON=T/2（T為逆變工作周期），即為無死區(qū)的交流方波，則

U=4fNBS （3）

根據(jù)該公式，設(shè)計時根據(jù)每個系列不同輸出電流、電壓選擇鐵心的截面積和線圈匝數(shù)。

另外，必須考慮集膚效應問題。由于變壓器是在高頻狀態(tài)下工作，隨著電流頻率的提高，集膚效應使穿過導線的穿透深度不同，導致電阻增大，電感減小，所以不能像普通焊接變壓器那樣使用截面積大的導線，必須選定多股漆包線、帶狀或絞合導線繞制線圈。設(shè)計四個系列的高頻變壓器的方案是：根據(jù)具體的焊接電流大小、允許溫升的條件下選擇相應的環(huán)形磁心和多股漆包線，使焊機總的結(jié)構(gòu)緊湊合理牢靠。

㈣輸入輸出電路

⑴輸入整流濾波電路

采用三相式直流模塊，由于輸入電壓較高，選用直流模塊耐壓1200V，如IR70MT120K、6R175G-120等。

⑵輸入濾波器

將直流電路所得的脈動直流電進行濾波，以提供給逆變電路。采用2只電解電容，要求其耐壓和需用脈動電流足夠、瞬時沖擊電流機承受時間足夠、損耗小、漏電流小，如2200μF～2700μF/450V。

⑶輸出整流濾波電路

采用快恢復二極管完成輸出整流；采用電感L作為濾波器，以保證最小電流連續(xù)，滿足直流電弧焊接的要求。由于逆變式弧焊電源輸出整流得到的電流脈動頻率高，濾波電感值較小，體積也不大，考慮安裝工藝，ZX7、NBC、MZ三個系列的磁性材料都是采用硅鋼片矩形鐵心，鋁扁線立繞。而LGK系列的電感值較大，考慮安裝工藝，磁性材料采用2個C型硅鋼片鐵心，雙玻璃絲包鋁扁線筒繞，分置兩邊。

㈤PWM控制

逆變電源中采用PWM（pulse width modify）控制，即脈沖寬度控制方式-定頻率調(diào)脈寬，其控制方式是：在頻率不變的條件下，調(diào)節(jié)脈沖寬度來調(diào)節(jié)逆變器的輸出能量。

采用PWM集成芯片代替分立元件，減少了元器件數(shù)個聯(lián)結(jié)點，提高了電路的可靠性。四個系列都采用SG3525集成芯片作PWM控制。

㈥驅(qū)動電路

驅(qū)動電路處于控制電路（弱電電路）和主電路（強電電路）之間，設(shè)計驅(qū)動電路是重要環(huán)節(jié)。理想的IGBT驅(qū)動電路應具有八個基本要求：（1）能提供適當?shù)恼?、反向門極電壓；（2）信號應有足夠的功率；（3）信號具有一定的前沿陡度和寬度；（4）驅(qū)動電路必須與主電路隔離；（5）輸出與輸入必須有很好的跟隨性輸入、輸出信號傳輸無延時，一方面減小系統(tǒng)的響應滯后，另一方面能提高系統(tǒng)保護的快速性；（6）驅(qū)動電路簡單、成本低；（7）驅(qū)動電路自身應有一定的保護功能；（8）防止同一橋臂上的IGBT誤導通。

教科書在理論上介紹了IGBT驅(qū)動電路采用了EXB841集成電路模塊，內(nèi)部具備放大部分、基準電壓部分、過電流保護部分。但全橋逆變電路必須給每個IGBT模塊配備2個驅(qū)動電路和獨立電源，就是說要配置4個EXB841集成電路模塊及4套獨立電源，工藝復雜，制造成本高，且整機布局復雜，所以實際生產(chǎn)中，采用了脈沖變壓器的方案，同樣具備以上八個要求。在成本方面， EXB841的單價是￥65.00，每臺焊機需要4片，還要加上4套獨立供給電源的成本；而采用脈沖變壓器就大大降低了成本和提高可靠性。采用2個脈沖變壓器的總成本僅是采用EXB841集成電路模塊方案的1/20，批量生產(chǎn)極易控制質(zhì)量。

㈦特性控制電路

ZX7、MZ 、LGK系列均為恒流特性；NBC系列恒壓特性。

四個系列的電路結(jié)構(gòu)前面部分一致，但輸出部分和焊接電流給定有所不同。

不同輸出特性：

ZX7系列：控制電路以SG3525脈寬調(diào)制為核心，通過電流、電壓檢測電路、反饋控制電路與脈沖觸發(fā)電路對電源的特性進行控制，形成下降特性的手工焊接電流。

NBC系列：控制電路包括引弧控制和平特性控制電路、峰值控制電路。連接送絲機構(gòu)，弧焊電源進入恒流工作狀態(tài)。

MZ系列：基本與ZX7系列一致，形成下降特性的手工焊接電流和碳刨電流，還具備送絲調(diào)速系統(tǒng)電路，連接自動焊接小車，可進行埋弧焊。

LGK系列：輸出整流部分連接隔離變壓器→高壓變壓器→起弧裝置→焊炬。而焊炬與送氣管相連接，利用壓縮空氣作為工作氣體，產(chǎn)生高溫高速的等離子弧，進行各種金屬材料的切割。

相同部分的電路結(jié)構(gòu)圖如下圖。

㈧整機設(shè)計和生產(chǎn)流程

四、樣機試驗結(jié)果

ZX7-400、NBC-500、 MZ-1250：焊接容易起弧，焊弧穩(wěn)定，焊接過程飛濺少、焊接特性好，焊縫質(zhì)量符合工藝要求，電流調(diào)節(jié)范圍達到設(shè)計要求。

LGK-100：切割時電流連續(xù)可調(diào)；內(nèi)部過熱、過流、過壓、欠壓及壓縮空氣不足等保護電路可靠性達到設(shè)計要求；切割的質(zhì)量達到工藝要求。

五、設(shè)計小結(jié)

產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)標準化、模塊化方向發(fā)展，降低開發(fā)成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)周期。

通過使用計算機輔助設(shè)計軟件，直接將內(nèi)部電路設(shè)計、整機工藝布局設(shè)計、外殼鈑金加工各種數(shù)據(jù)、圖紙分別傳輸?shù)搅悴考庸CB制版、鈑金加工等環(huán)節(jié)，保證了設(shè)計的準確性和效率，便于今后技術(shù)管理和工藝改進。

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作者簡介

作者：凌小莎；性別：女；出生年月：1955年10月；籍貫：廣東番禺；學歷：大專；職稱：電氣工程師（中級）；研究領(lǐng)域：電焊機設(shè)計；已發(fā)表論文數(shù)目：3；工作單位：廣州電焊機廠