逆变电焊机电路分析

逆变电焊机主要是逆变器产生的逆变式弧焊电源，又称弧焊逆变器，是一种新型的焊接电源。是将工频(50Hz)交流电，先经整流器整流和滤波变成直流，再通过大功率开关电子元件(晶闸管SCR、晶体管GTR、场效应管MOSFET或IGBT)，逆变成几kHz~几十kHz的中频交流电，同时经变压器降至适合于焊接的几十V电压，再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。

其变换顺序可简单地表示为：

工频交流(经整流滤波)→直流(经逆变)→中频交流(降压、整流、滤波)→直流。

即为：AC→DC→AC→DC

因为逆变降压后的交流电，由于其频率高，则感抗大，在焊接回路中有功功率就会大大降低。

所以需再次进行整流。

这就是目前所常用的逆变电焊机的机制。

逆变电源的特点：

弧焊逆变器的基本特点是工作频率高，由此而带来很多优点。

因为变压器无论是原绕组还是副绕组，其电势E与电流的频率f、磁通密度B、铁芯截面积S及绕组的匝数W有如下关系：

E=4.44fBSW

而绕组的端电压U近似地等于E，即：

U≈E=4.44fBSW

当U、B确定后，若提高f，则S减小，W减少，

因此，

变压器的重量和体积就可以大大减小。

就能使整机的重量和体积显著减小。

还有频率的提高及其他因素而带来了许多优点，

与传统弧焊电源比较，

其主要特点如下：

1.体积小、重量轻，节省材料，携带、移动方便。

2.高效节能，效率可达到80%~90%，比传统焊机节电1/3以上。

3.动特性好，引弧容易，电弧稳定，焊缝成形美观，飞溅小。

4.适合于与机器人结合，组成自动焊接生产系统。

5.可一机多用，完成多种焊接和切割过程。

电焊机之IGBT系列焊机工作原理

一、功率开关管的比较

常用的功率开关有晶闸管、IGBT、场效应管等。其中，晶闸管(可控硅)的开关频率最低约1000次/秒左右，一般不适用于高频工作的开关电路。

1、效应管的特点：

场效应管的突出优点在于其极高的开关频率，其每秒钟可开关50万次以上，耐压一般在500V以上，耐温150℃(管芯)，而且导通电阻，管子损耗低，是理想的开关器件，尤其适合在高频电路中作开关器件使用。

但是场效应管的工作电流较小，高的约20A低的一般在9A左右，限制了电路中的最大电流，而且由于场效应管的封装形式，使得其引脚的爬电距离(导电体到另一导电体间的表面距离)较小，在环境高压下容易被击穿，使得引脚间导电而损坏机器或危害人身安全。

2、IGBT的特点：

IGBT即双极型绝缘效应管，符号及等效电路图见图11.1，其开关频率在20KHZ~30KHZ之间。但它可以通过大电流(100A以上)，而且由于外封装引脚间距大，爬电距离大，能抵御环境高压的影响，安全可靠。

一、场效应管逆变焊机的特点

由于场效应管的突出优点，用场效应管作逆变器的开关器件时，可以把开关频率设计得很高，以提高转换效率和节省成本(使用高频率变压器以减小焊机的体积，使焊机向小型化，微型化方便使用。

但无论弧焊机还是切割机，它们的工作电流都很大。使用一个场效应管满足不了焊机对电流的需求，一般采用多只并联的形式来提高焊机电源的输出电流。这样既增加了成本，又降低了电路的稳定性和可靠性。

二、IGBT焊机的特点

IGBT焊机指的是使用IGBT作为逆变器开关器件的弧焊机。由于IGBT的开关频率较低，电流大，焊机使用的主变压器、滤波、储能电容、电抗器等电子器件都较场效应管焊机有很大不同，不但体积增大，各类技术参数也改变了。

三、IGBT焊机工作原理：

半桥逆变电路工作原理如图11.2

工作原理：

①tl时间：开关K1导通，K2截止，电流方向如图中①，电源给主变T供电，并给电容C2充电。

②t2时间：开关K1、K2都截止，负截无电流通过(死区)。

③t3时间：开关K1截止，K2导通，电容C2向负载放电。

④t4时间：开关K1、K2均截止，又形成死区。如此反复在负载上就得到了如图11.3的电流，实现了逆变的目的。

2、IGBT焊机的工作原理

①电源供给：

和场效应管作逆变开关的焊机一样，焊机电源由市电供给，经整流、滤波后供给逆变器。

②逆变：

由于IGBT的工作电流大，可采用半桥逆变的形式，以IGBT作为开关，其开通与关闭由驱动信号控制。

③驱动信号的产生：

驱动信号仍然采用处理脉宽调制器输出信号的形式。使得两路驱动信号的相位错开(有死区)，以防止两个开关管同时导通而产生过大电流损坏开关管。驱动信号的中点同样下沉一定幅度，以防干扰使开关管误导通。

IGBT(绝缘栅双极晶体管)是整个电路中最关键的元件,它具有MOSFET的输入阻抗高、驱动容易、开关速度快、无二次击穿和GTR的通态压降低、高压大电流化容易等特点,其等效电路图见图2。IGBT由四层PNP组成,形成了一个寄生晶闸管,此寄生晶闸管一旦导通,IGBT的栅极便失去控制作用,而产生所谓“擎住现象”,从而损坏IGBT。“擎住现象”有静态擎住和动态擎住两种。流过IG2BT的稳态电流过大或开关速度过快均会产生擎住现象,应尽可能避免焊机工作时过热、过流,并抑制开关时的浪涌电压等,从而减少擎住现象。

图2 IGBT等效电路

2. IGBT对驱动电路的要求

IGBT由于具有开关速度快，饱和压降低和方形的安全工作区等特点，使得对它的驱动要求和保护有如下注意点：

(1)提供适当的正、反向驱动输出电压;

(2)有足够的瞬时功率或瞬时电流输出能力;

(3)尽可能短的输入输出信号传输延时;

(4)很强的输入输出隔离能力;

(5)具有可靠的过流或保护能力;

(6)IGBT因饱和压降较低导致短路电流较大，在发生短路故障时，最好采用具有降栅压及软关断功能的保护电路;

(7)IGBT开通时能承受较大的电流上升率和瞬时短路电流，因此不必采用开通电流的抑制电感;

(8)具有方形的安全工作区的NPT型IGBT，能适应高效的放电阻止型关断缓冲吸收电路，使得它的工作效率得到提高;

(9)在工作电流较大的情况下，为了减小关断过电压，应尽量减小主电路的布线电感，吸收电容器应采用低感型。

为满足不同电路的要求,目前市场上推出了各种系列的驱动模块,如日本富士公司的EXB841系列。从综合的观点看还没有一种是十全十美的。由于在逆变焊机电路中,IGBT直接对地短路的可能性很小,只要能保证不发生桥臂直通、且采用电流互感器进行过流保护,IGBT就不会受到过流威胁。逆变焊机采用了较为简单的驱动电路(见图3),该电路用变压器隔离,正负驱动电压为±15V,工作时驱动波形见图4。

图3 变压器耦合驱动器

图4 驱动波形

通过改变电容的充放电时间,调整波形的上升沿和下降沿的陡度,保证正在工作的IGBT完全关断后,再开通另一个IGBT。同时,为改善驱动脉冲的前后沿陡度和防止振荡,在IGBT的栅极串入一个电阻Rg,以减小IGBT关断时集射间di/dt的上升率。实践证明,Rg为10～100Ω为宜,且引线愈短愈好。

3. 逆变焊机中的IGBT保护电路

(1)di/dt的限制。

为限制感性关断时产生的浪涌电压,有必要采取缓冲电路来消除这种开关浪涌,见图5。

图5 逆变桥臂缓冲电路

图中各元件参数按(1)～(4)式选取。

Cs=[Io/(KUcep-Ud)]2LS (1)

式中：Ls——引线电感,以1μH/m计;

Io——IGBT最大脉冲电流值;

Ucep——集射间的峰值电压;

K——额定减小系数,非重复时K=1,重复时K=0.8。

Ucep=Ud+UFM+Lodi/dt (2)

式中：Ud——直流高压;

UFM——二极管暂态正向压降,1200V级取40～60V。

2Ls/Cs≤Rs≤1/(2.3fCs) (3)

式中：f——IGBT开关频率;

IDM=(Ucep-Ud)/Rs (4)

常选2～3倍IDM快速软恢复二极管。

实测电压尖峰ΔU=Ucep<100V时,缓冲效果较明显。

(2)过流保护。

利用IGBT的通态压降与集电极电流成正比的特性,通过监测通态压降VCE(ON)来判断是否过流,并采取相应的措施来实现所谓的“软关断”,但此电路实现较复杂。利用电流电压互感器LEM模块作为焊机的电流检测元件,当电流超过设定的最大值时,保护电路动作,关断IGBT。另外,在主电路设置大的电抗器,以减小电路开通时电流的冲击。

(3)过热保护。

IGBT的擎住电流与温度有关,其温度升高后,NPN管开通的偏置电压不再是0.7V,而是随温度的升高而下降,P+区的横向电阻RP随温度的升高而增大,二者的影响均使擎住电流下降,导致擎住现象的产生而损坏IGBT。一般在温度上升较快的部位装热敏电阻来监测焊机发热情况,当温度达到设定值时,保护电路动作,使IGBT关断,焊机停止工作。

4. 结束语

为了保证IGBT逆变弧焊机的可靠运行,完善驱动、保护电路至关重要,同时,在实际工作中,还应注意其外围电路的设计及装配工艺的改进。如焊机内布线时,应考虑如何减小线路的干扰,降低电路的引线电感,散热器和风道的设计应达到最佳的散热效果等。