IGBT單管逆變焊機(jī)的研究

中山市鷹飛電器有限公司 楊毅博

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IGBT單管逆變焊機(jī)的研究

中山市鷹飛電器有限公司 楊毅博

【摘要】本文分析了有IGBT單管構(gòu)成的逆變焊機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，包括了主電路的結(jié)構(gòu)的構(gòu)成、逆變器中的高頻變壓器設(shè)計(jì)、IGBT單管的選型、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)等。詳細(xì)描述了高頻變壓器的算法和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】全橋逆變器；高頻變壓器；驅(qū)動(dòng)電路

1　引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的工頻焊機(jī)逐漸退出歷史舞臺(tái)，近幾年來逆變焊機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，其因控制性能優(yōu)異、動(dòng)特性好、體積小、重量輕、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)逐漸占領(lǐng)市場(chǎng)。逆變焊機(jī)是焊接設(shè)備的發(fā)展方向，國(guó)外逆變焊機(jī)的發(fā)展充分說明了這一點(diǎn)。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，手工焊條焊機(jī)、TIG焊機(jī)、MIG/MAG焊機(jī)已經(jīng)廣泛采用逆變焊機(jī)，隨著功率器件的不斷發(fā)展，逆變焊機(jī)經(jīng)歷了由MOS管到IGBT模塊，現(xiàn)在由于IGBT單管的成本優(yōu)勢(shì)使得其開始在逆變焊機(jī)上得以應(yīng)用。本文敘述了由相對(duì)低成本的IGBT單管逆變電焊機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，包括主電路的結(jié)構(gòu)、高頻變壓器的設(shè)計(jì)、IGBT的選型、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)等。

2　主電路的結(jié)構(gòu)

2.1主電路組成

主電路有一次整流、逆變、二次整流、組成輸出電流電壓傳感器、控制電路五部分組成。

（1）輸入交流電220V經(jīng)橋式整流后進(jìn)入電解電容進(jìn)行濾波，給全橋逆變提供直流電源310V。

（2）310V直流電經(jīng)過全橋逆變變?yōu)榻涣鞯姆讲ㄍㄟ^高頻變壓器傳遞給二次整流電路。

（3）經(jīng)二次整流和濾波后的直流電作為焊接輸出電源。

（4）焊機(jī)輸出的電壓和電流信號(hào)經(jīng)傳感器反饋給控制電路。

（5）PI控制電路處理后，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，形成穩(wěn)定的焊機(jī)輸出電流和電壓。

圖1　

2.2全橋逆變的構(gòu)成

全橋逆變器的主電路如圖2所示，由四個(gè)功率管Q1 Q4及其反向并聯(lián)二級(jí)管D1 D4和輸出變壓器Tr、吸收電路、隔直電容等組成。通過高頻變壓器輸出的信號(hào)經(jīng)過全波整流濾波后得到焊接需要的電壓和電流。

圖2　

3　高頻變壓器的設(shè)計(jì)

（1）磁芯的材料及其磁通密度計(jì)算

此款變壓器要求飽和磁通密度高、磁芯高頻損耗小、低矯頑力等，因此選擇超微晶的作為本方案的磁芯，可以大大減小變壓器的體積和提高變壓器的效率。超微晶的磁通密度選取經(jīng)驗(yàn)=1.2/3=0.4T（Bs為最大磁通密度，BM為工作磁通密度）。

（2）IGBT逆變頻率F=20KHZ，其中周期T=50uS保留一定的死區(qū)時(shí)間，以防IGBT直通，取TON=23uS，電網(wǎng)電壓按在±15%內(nèi)變化。即電網(wǎng)電壓最高為：，電網(wǎng)電壓最低為：。

（3）主變?cè)呍褦?shù)計(jì)算：主變鐵芯60*40*20超微晶材料，其鐵心截面積為繞組匝數(shù)確定：

V——施加在原邊繞組上的最大電壓：253V，Ton——最大導(dǎo)通時(shí)間：23uS，N1——原邊繞組匝數(shù)，N2——付邊繞組匝數(shù)，BM—最大工作磁通密度：0.4T，S—磁芯有效截面積。

為加大余量，實(shí)際取44匝，N1=44匝，因匝比為5:1，故取N1:N2 =44:8。

（4）主變初次級(jí)導(dǎo)線截面積計(jì)算：

次級(jí)中心抽頭變壓器一組導(dǎo)線導(dǎo)電時(shí)間為總時(shí)間的一半。故次級(jí)繞組一組導(dǎo)線的電流有效值為：I2= =0.707×140=99（A）。設(shè)定負(fù)載持續(xù)率為60%，折含成連續(xù)有效值，，取次級(jí)邊電流密度為j=7A/mm2。

二次側(cè)繞組導(dǎo)線截面積為：

原邊連續(xù)有效值電流：

取電流密度：j=7A/mm2原邊導(dǎo)線截面積：

4　IGBT單管的選型

在IGBT開關(guān)過程中，主要損耗來源于開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，因?yàn)镮GBT工作在高應(yīng)力的狀態(tài)下，其電壓和電流應(yīng)力很大。尤其在硬開關(guān)工作模式下，為了IGBT的功耗和安全工作，不僅需要有滿足其額定的電壓和電流，同時(shí)選擇的參數(shù)應(yīng)在其正向偏置安全區(qū)（FBSOA）中，并留有足夠的余量。

根據(jù)上述分析，整流以后直流母線電壓最高為：

Umax=253*1.414=358V

IGBT的電壓余量應(yīng)取2倍左右，即716V左右。選擇600V的IGBT，變壓器的變比為5:1.變壓器初級(jí)的電流為140/5=23A.根據(jù)以上參數(shù)選擇FGH40N60SFD這款I(lǐng)GBT。

5　驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

（1）PWM芯片選用電流型芯片UC3846，通過調(diào)節(jié)UC3846的5號(hào)腳的電壓，來調(diào)節(jié)PWM的占空比。高頻變壓器初級(jí)電流檢測(cè)值輸入到UC3846的4號(hào)腳，即電流檢測(cè)放大器正輸入端，進(jìn)行電流反饋，用以限定單次電流脈沖的峰值，使其安全的工作。因工作在電流型芯片的控制下，其工作的占空比不能超過50%，否則會(huì)產(chǎn)生諧波振蕩。為此采用8號(hào)腳即振蕩輸出端，輸出的鋸齒波對(duì)4號(hào)腳進(jìn)行斜波補(bǔ)償，用以使系統(tǒng)穩(wěn)定。11、14號(hào)腳為兩路PWM信號(hào)的輸出腳。16號(hào)腳接保護(hù)信號(hào)，只要輸入高電平即保護(hù)，11、14號(hào)腳則停止PWM信號(hào)的輸出，從而起到保護(hù)IGBT的目的。

圖4　

（2）驅(qū)動(dòng)電路的作用及設(shè)計(jì)要求驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大，使其有足夠的驅(qū)動(dòng)能力使IGBT飽和導(dǎo)通。由于驅(qū)動(dòng)電路提供的脈沖將影響到功率管的飽和壓降、開關(guān)損耗及導(dǎo)通損耗和IGBT承受的過電流的大小，從而直接影響IGBT的可靠性。所以一個(gè)高性能的驅(qū)動(dòng)電路是逆變焊機(jī)成功的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，主要考慮以下因素：1）驅(qū)動(dòng)電路需提供足夠的電流，在所要求的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間內(nèi)對(duì)IGBT的輸入電容Ciss充電和放電。IGBT的開通和關(guān)斷實(shí)質(zhì)上是對(duì)輸入電容的充放電過程。2）IGBT在關(guān)斷時(shí)，可以加反向電壓，以防止受到干擾時(shí)誤開通。

（3）驅(qū)動(dòng)信號(hào)有時(shí)要求在電氣上進(jìn)行隔離。最終采用如圖4所示的變壓器驅(qū)動(dòng)方式，成本低、效果好。具體電路為輸入兩組PWM信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電阻R59-R63后經(jīng)全橋逆變進(jìn)行功率放大，到隔直電容C33和C32到驅(qū)動(dòng)變壓器后通過次級(jí)變?yōu)樗穆夫?qū)動(dòng)信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)全橋逆變的四個(gè)功率管。

6　結(jié)論

（1）選擇了主電路的結(jié)構(gòu)，并對(duì)全橋逆變的構(gòu)成進(jìn)行描述。

（2）高頻變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)，列出了變壓器的匝數(shù)的和截面積的具體算法。

（3）單管IGBT的選型方法的描述。根據(jù)電壓和電流和頻率特性來選擇IGBT。

（4）進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，包括PWM電路的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)變壓器的功率放大電路。

參考文獻(xiàn)

［1］趙家瑞.逆變焊接與切割電源［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［2］殷樹言.C02焊接設(shè)備原理與調(diào)試［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］黃石生.新型弧焊電源及智能控制［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004.

［4］馮慈璋.電磁場(chǎng)［M］.北京：高等教育出版社，1996.