IGBT串聯(lián)諧振逆變電阻點焊機的研究與改進

劉曉東 楊 艷 李方元 王景兵

（青島大學(xué)自動化工程學(xué)院，山東 青島 266071）

科技發(fā)展是推動行業(yè)發(fā)展的動力，為了適應(yīng)新材料、新工藝不斷提出的應(yīng)用要求，點焊電源也在不斷的發(fā)展與完善之中。隨著逆變電源應(yīng)用到自動、半自動點焊機的進一步研究，功率逆變組件可靠性的不斷提高，逆變點焊機已經(jīng)得到了非?？斓陌l(fā)展。相對于傳統(tǒng)的點焊電源，逆變點焊機因其自身所具有的體積小、重量輕、高效節(jié)能、焊接過程穩(wěn)定、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于汽車、工程機械、航天等領(lǐng)域,在現(xiàn)代社會建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。

相對于全橋串聯(lián)諧振逆變電路而言，半橋串聯(lián)諧振逆變電路無需再考慮匹配變壓器的問題，整個焊機的體積將會大大縮小，從而節(jié)省空間，并且半橋串聯(lián)諧振逆變電路采用更少的開關(guān)管，電路的控制更容易。本文提出的新型IGBT 串聯(lián)諧振逆變電阻點焊機具有將無功能量轉(zhuǎn)化成為有功能量的特點，可降低品質(zhì)因數(shù)Q，減少電路累積電壓，電路安全性能更好、電路效率更高，采用TMS320F2812型DSP 進行閉環(huán)控制，提高了逆變點焊機整體工作的可靠性。

1 主回路結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

逆變點焊機主要是一種將50Hz 的工頻交流電先經(jīng)過三相不可控整流電路濾波變成直流，再通過控制大功率開關(guān)電子元件（SCR、GTR、MOSFET或IGBT）的開通或關(guān)斷，逆變成幾kHz～幾十kHz的中頻交流電，最后經(jīng)過阻焊變壓器降至適合于焊接電壓的感應(yīng)加熱電源。電阻點焊是在電極的壓力下，通過電流加熱使電極間的金屬部分熔化形成熔核。目前應(yīng)用最廣泛的焊接過程包括加壓、焊接、維持、冷卻。點焊具有大電流、短時間、壓力狀態(tài)下進行焊接的工藝特點。如圖1所示，改進后的串聯(lián)諧振逆變電路由三部分構(gòu)成：三相不可控整流濾波電路，串聯(lián)諧振逆變電路，輸出整流濾波電路。三相不可控整流電路由六個整流二極管組成[2]，把380V 市電經(jīng)過整流濾波后可得到直流電壓約為UCd=1.41*380V=537V，作為逆變電路的輸入電壓。在逆變電路中，Ld1和Ld2為平波電抗器，L是諧振電感。Ld1=Ld2>>L，Ld1和Ld2可以等效為恒流源。C3和C4是諧振電容，（C1=C2）>>（C3=C4），因此，C1和C2可以等效為恒壓源。逆變電路發(fā)生串聯(lián)諧振時，串聯(lián)電路的電壓與電流同相位[3]，即負(fù)載此時呈純電阻性；電容上的電壓與電感上的電壓大小相等，方向相反。電流iL最大。感應(yīng)線圈中產(chǎn)生交變的中頻電流，再經(jīng)變壓器變壓輸出后，利用感應(yīng)加熱原理進行焊接。

圖1 逆變電阻點焊機主電路拓?fù)?

串聯(lián)諧振逆變電路的震蕩過程是：開始工作之前，S1和S2均未獲得觸發(fā)信號，而C1與C2均充有上正下負(fù)的電壓，UC1=UC2=1/2UCd。此時，C1、Ld1、C3形成電流回路，C2、Ld2、C4形成電流回路，C3、C4即被充上上正下負(fù)的電壓。隨后導(dǎo)通S1，并且S2保持關(guān)斷狀態(tài)，那么C3、S1、L形成諧振回路，同時C1通過Ld1、S1、L放電，兩個回路均對負(fù)載線圈L做功。諧振過程中，UC3逐漸減小，而iL逐漸增大，電流方向為左負(fù)右正[4]。當(dāng)UC3=0 時，iL達到最大值。隨后L向C3反向充電，當(dāng)iL=0 時，C3被充上下正上負(fù)的電壓UC3m，由于諧振放電，根據(jù)能量守恒原則，有UC3m>L，所以流過電流近似為直流，那么虛功能量的釋放將促使該回路直流電流的增加，從而使得實功能量增加），這樣就完成了前1/2 個周期震蕩。

之后觸發(fā)S2導(dǎo)通，并且S1保持關(guān)斷狀態(tài)，則C4、L、S2形成諧振回路，同時C2通過L、S2、Ld2放電，兩個回路均對負(fù)載線圈L做功，UC4逐漸減小，而iL逐漸增大，電流方向為左正右負(fù)。當(dāng)UC4=0時，iL達到最大值。隨后L向C4反向充電，當(dāng)iL=0時，C4被充上下正上負(fù)的電壓UC4m。在關(guān)斷S2，且S1尚未開通時，C4、Ld2、C2存在小環(huán)流回路，即C4將下半個周期結(jié)束后存儲下來的能量1/2C3UC24m釋放出去，與C2共同作用使iLd2變大。這樣就完成了下半個周期的震蕩。此后，再觸發(fā)S1開通，形成諧振回路，如此循環(huán)往復(fù)[5]。

逆變電路輸出有功功率P=UC1×iLd1，由于iLd1變大，輸出有功功率P也隨之增大。串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)

表示發(fā)生諧振時電路中的感抗值（或容抗值）與電路電阻的比值，Q值反映了諧振電路的固有性質(zhì)，其大小直接影響功率因數(shù)角φ，從而影響負(fù)載阻抗和負(fù)載輸出功率的大小[6]。

另一方面，可由公式推導(dǎo)得：電路諧振時，諧振電容C3電壓有效值

電感電壓有效值

分析可知，在串聯(lián)諧振電路發(fā)生諧振時，電容電感串聯(lián)部分相當(dāng)于短路，電源電壓全部加在電阻R上面，而UC3=UL=QU。串聯(lián)諧振逆變電路開始工作后，諧振電容上的電壓存在一個逐漸累積的過程，最大值約為電源電壓的Q倍。電路的Q值一般在10～20 之間，Q值越高，感應(yīng)線圈L上的電壓越高。因此，即使外加電源電壓不高，在諧振時，電路元件上的電壓仍然可能很高，這樣電路的工作狀態(tài)很不安全，為此需要特別注意元件的耐壓問題和過電壓問題。

當(dāng)?shù)蚎值諧振逆變電路進入穩(wěn)態(tài)工作后，其Q值為Q=(2πWem/WR)<(wL/R)=1/wCR。該電路與傳統(tǒng)半橋逆變電路相比，創(chuàng)新之處在于電路中存在虛功能量向?qū)嵐δ芰哭D(zhuǎn)化的小環(huán)流回路，可以有效降低Q值，并進一步提高電路的效率。

2 逆變電阻點焊機控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

本文所設(shè)計的低Q值串聯(lián)諧振逆變點焊機以TI公司新推出的TMS320F2812 型DSP 為控制電路的核心，與傳統(tǒng)的模擬控制或模擬與數(shù)字相結(jié)合的控制方式相比，它具有更高的集成度、更快的CPU 以及更大容量的存儲單元，只需要搭建簡單的外圍電路即可實現(xiàn)精確的控制功能。DSP 要實現(xiàn)的主要功能包括數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計、功率調(diào)節(jié)控制和過壓過流保護。通過控制IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷，使電源能夠恒定功率輸出。

如圖2所示，將輸出電壓采樣值與給定的電壓基準(zhǔn)值Vref比較生成電壓誤差，并經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器得到電流基準(zhǔn)Iref，在與輸出電流采樣值進行比較，經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器輸出，此時得到的輸出信號為移相角β，通過移相角可以調(diào)節(jié)輸出電壓，而輸出電壓又可以影響輸出電流的變化，從而實現(xiàn)了功率調(diào)節(jié)。Zo為輸出負(fù)載的等效阻抗，Kβ為移相角到輸出電壓的轉(zhuǎn)換比例。

圖2 功率調(diào)節(jié)流程圖

為了使逆變焊機一直工作在準(zhǔn)諧振或諧振狀態(tài)下，本課題采用了頻率跟蹤技術(shù)，可進一步提高逆變點焊機的工作穩(wěn)定性。通過電流互感器將負(fù)載電流檢測出來，一路接到DSP 的A/D 口作為功率閉環(huán)調(diào)節(jié)時的反饋電流，另一路接到過零檢測電路的DSP 的CAP 口，用來實現(xiàn)頻率跟蹤和測量。

DSP 內(nèi)置的帶死區(qū)的電壓比較電路可將輸入的正弦信號變成0～5V 的相同頻率的方波信號，然后將方波信號送入捕獲模塊CAP，當(dāng)CAP 連續(xù)兩次捕獲到方波的下降沿時，可將定時器的計數(shù)值分別記為X1和X2，通過邏輯運算就能得到負(fù)載電流的周期T和頻率f，如果得到的頻率與給定的諧振頻率不同，則需要調(diào)整采樣頻率，通過引入負(fù)反饋使輸出信號與輸入信號之間的頻率之差不斷減小，直到這個差值為零而被鎖定，從而實現(xiàn)了頻率和相位的跟蹤[7]。

在焊接過程中，由于負(fù)載溫度升高，焊接物體物理性質(zhì)變化等因素，逆變電路的等效諧振電感L的大小也在不斷變動，為了保證逆變焊機一直在準(zhǔn)諧振或諧振狀態(tài)下工作，需要不斷的根據(jù)鎖相環(huán)的頻率調(diào)節(jié)來改變IGBT 的開關(guān)頻率。

圖3 逆變電阻點焊機系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖4 IGBT 觸發(fā)脈沖波形圖

該設(shè)計采用脈寬調(diào)制型控制方法，通過焊接電流的負(fù)反饋，并采取一定的控制算法，實時控制輸出PWM 脈寬的大小。IGBT 的導(dǎo)通脈沖如圖4所示， 上下兩橋臂的兩路脈沖在每個周期輪流導(dǎo)通，相位差180°，兩路脈沖導(dǎo)通時間并非各占半個周期，而是略小于半個周期，即兩路脈沖之間留有一定的死區(qū)，以保證IGBT 可靠關(guān)斷[8]，防止發(fā)生橋臂直通短路而擊穿開關(guān)管，觸發(fā)脈沖仿真波形如圖4所示。

3 實驗結(jié)果與分析

在實驗之前先通過Matlab 中的Simulink 對串聯(lián)諧振逆變電路的主電路拓?fù)溥M行仿真，具體的給定參數(shù)如下：直流電源電壓E為500V，Cd=4mF，諧振電感L=40μH，諧振電容C=113μF，R=0.5W，Ld=1000μH，仿真時間0.06s，占空比49%。

仿真波形如圖5、圖6所示，當(dāng)負(fù)載工作于感性狀態(tài)時，負(fù)載電壓超前負(fù)載電流φ電角度電流換向時，電壓已換為正，感性狀態(tài)下實現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開通[9]。當(dāng)負(fù)載工作頻率等于負(fù)載諧振頻率時，電流和電壓等相位，相位角φ=0，即發(fā)生串聯(lián)諧振。由此，從仿真波形分析可知，低Q值串聯(lián)諧振逆變電路點焊機的設(shè)計方案是可行的。

圖5 IGBT 兩端電壓與負(fù)載電流Simulink 仿真波形圖

圖6 負(fù)載電壓與負(fù)載電流Simulink 仿真波形圖

在此基礎(chǔ)上對電路進行實驗，通過對功率為200W 左右的試驗樣機進行電氣特性的測量，測量的數(shù)據(jù)主要有流過諧振電感的電流，該參數(shù)可以通過串聯(lián)電阻R上的電壓Ur波形來反映；開關(guān)管IGBT兩段的電壓Uce，該值可以驗證電路的低Q值特性。電路中諧振電容C1=C2=32μF，諧振電感L=337μF，則整個電路的諧振頻率約為1550Hz。在實際控制時將控制信號的頻率設(shè)定為770Hz，控制信號的頻率小于電路的諧振頻率，可以保證開關(guān)管IGBT 能夠過零關(guān)斷，降低開關(guān)損耗。

測得電阻R上的電壓Ur波形和開關(guān)管IGBT 兩端的電壓波形如圖7和圖8所示。

由圖7、圖8可知，搭建的實驗樣機所得波形與SIMULINK 仿真所得波形基本一致。IGBT 關(guān)斷時兩端的電壓為33.8V，其值約為逆變電路輸入電壓的Q倍，逆變電路的外加電壓為12V，兩者比值為2.8 左右，即整個電路的品質(zhì)因數(shù)為2.8 左右。傳統(tǒng)的半橋串聯(lián)諧振逆變電路的品質(zhì)因數(shù)約為10～20，低Q值串聯(lián)諧振逆變電路的品質(zhì)因數(shù)僅為2.8，顯然電路實現(xiàn)了降低Q值的目的。

圖7 樣機實驗負(fù)載電壓Ur 波形圖

圖8 樣機實驗IGBT 兩端電壓波形圖

4 結(jié)論

現(xiàn)如今被廣泛應(yīng)用的逆變焊機大都采用全橋串聯(lián)、半橋串聯(lián)逆變電路，但是這幾類逆變電路的品質(zhì)因數(shù)都比較高，而且在諧振過程中存在高壓積累，不利于開關(guān)管的正常工作。本文提出的新型串聯(lián)諧振逆變電路拓?fù)?，它可以將系統(tǒng)內(nèi)部的一部分無功能量轉(zhuǎn)變成有功能量，從而降低了電路的Q值，提高了電源的輸出功率?？梢钥闯鲭娐饭ぷ髟谥C振頻率下，功率因數(shù)近似為1，試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的IGBT 半橋串聯(lián)諧振逆變焊機開關(guān)損耗小，效率高，整機工作穩(wěn)定性好，具有較高的應(yīng)用和研究價值。

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