ZX7-400逆变电源系统研究-开题报告.doc

本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。毕业设计(论文)开题报告题 目： ZX7-400逆变电源系统研究 学生姓名： 学 号： 专 业： 材料成型及控制工程 指导教师： 20 年 3 月 30 日1 结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：ZX7400焊接电源为直流下降特性逆变焊接电源。逆变焊接电源由于其频率的提高，具有高效节能、省材轻巧、动态响应快，电气性能、焊接工艺性能优良等优点1，是电焊机发展方向之一。逆变焊接电源的结构可以分为两部分，从电网将电能传递给负载的电路称为主电路，其余部分为控制电路2。1.1 主电路逆变焊机主电路由输入整流滤波电路、逆变电路、输出整流滤波电路组成，其中逆变电路为关键电路。1.1.1 逆变电路基本形式目前逆变电路的基本形式主要有推挽式、全桥式、半桥式和单端式等3，分别具有以下特点1,4：（1） 推挽式 两功率开关管轮流通断，经降压整流后输出直流电，开关管承受两倍以上输入电压，对耐压要求较高，一般只用于晶闸管式逆变器。（2） 全桥式 可选用四只IGBT，构成的2个桥臂都有产生直通的可能，因此控制电路复杂。变压器原边绕组的电压为E，适合大功率输出，但极易产生偏磁。（3） 半桥式 抗偏磁能力强，但有出现直通的可能。因变压器原边绕组电压是E/2，适合中等功率的逆变焊机。（4） 单端式 不会出现高频变压器偏磁，但磁芯利用率低，不易实现大功率输出。为解决该问题就需要多组并联，进而会出现多路输出同步、均流、抗干扰等问题。应用IGBT时，其主电路主要为后三种，其电路拓扑简图如图1所示。(a) 单端 （b）半桥 （c）全桥 图1 逆变焊机主电路1.1.2 功率开关的选取目前用于逆变式手弧焊电源的功率电子器件主要分为三大类3：（1） 双极型器件，以晶闸管（SCR）为最典型，属半控器件，无自关功能，且开关频率低（0.55kHz），有噪声，主要用于工作频率较低的弧焊逆变器。（2） 单极性器件，以场效应管(MOSFET)为最典型，属电压控制器件，控制方便，热稳定性好，抗干扰能力强，开关频率达500kHz。但其缺点是导通压降大，单只器件容量大，即使较小容量的弧焊电源仍需多只场效应管，多只器件并联会引起动态均流问题。（3） 混合型器件绝缘栅双极晶体管(IGBT)，它是MOSFET管与双极性晶体管构成的复合器件，是一种高频率和大功率结合的器件，既保留了MOSFET管的高开关频率、高输入阻抗、电压驱动、无二次击穿和安全工作区域较宽等优点，又解决了MOSFET管高耐压与低导通电阻之间的矛盾，开关频率大(1040kHz),目前在容量较大的弧焊电源中已成为主流器件。1.1.3 逆变技术逆变技术对IGBT的参数要求并不是一成不变的，逆变技术已从硬开关技术、移相软开关技术发展到双零软开关技术，各技术之间存在相辅相成的纽带关系，同时具有各自的应用电路要求特点，因而，对开关器件的IGBT的要求各不相同。以下为典型的逆变电路拓扑及IGBT的选择5：（1） 硬开关电路拓扑 此种工作方式，IGBT对角同时开通和关断，产生开关损耗，在损耗的组成中，关断损耗所占比例更大，因此选择快速型IGBT，尤其关断时间较短者为佳。其电路拓扑如图2所示。图2 硬开关电路拓扑（2） 移相软开关电路拓扑 此种工作方式，同组IGBT的开通和关断存在一定的相位，IGBT的开关损耗较小，但导通损耗大，且IGBT续流二极管的工作时间长，选择低通态的IGBT而且要求续流二极管的通流能力强。其电路拓扑如图3所示。图3 移相软开关电路拓扑（3） 双零软开关电路拓扑 此种工作方式，同组的IGBT同时开通，但不同时关断，IGBT的开关损耗非常小，在其损耗组成中，通态损耗所占比例较大，选择低通态的IGBT为佳。其电路拓扑如图4所示。图4 双零软开关电路拓扑1.2 控制电路 控制电路包括脉宽生成电路、驱动电路、反馈电路、软启动电路及各种过流、过压、欠压、过热保护电路。其工作过程为工频交流电经整流滤波后的直流电压为逆变主电路供电，PWM的输出信号驱动逆变电路，再通过高频变压器得到高频电压，由高频整流滤波后，从而输出直流电压。而输出反馈信号经光电耦合器隔离反馈给脉冲调制器，通过与脉冲调制器中误差放大器的基准电压比较，可控制脉冲调制器的输出占空比，以调节输出电压。与脉宽生成电路相配套的集成芯片主要有SG3525、TL494、UC3842等，这些芯片是组成控制电路的核心，当主电路出现过流、过压或温升异常时，通过反馈电路可直接封锁脉冲输出端4,6。1.2.1 脉宽生成电路 SG3525是电流控制型PWM控制器,不仅具有可调整的死区时间控制控制功能，而且还具有可编式软启动，脉冲控制封锁保护等功能。通过调节SG3525第5脚上的CT的电容和第6脚RT上的电阻就可以改变输出控制信号PWM的频率，调节第9脚COMP的电压可以改变输出脉宽，这些功能可以改善开关电源的动态性能和简化控制电路的设计。SG3525由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路和输出电路构成，其内部结构如图5所示7,8。其中基准电压调整器提供一个供输出电压进行比较的稳定电压和一个内部IC电路的电源；振荡器为PWM比较器提供一个锯齿波和与该锯齿波同步的驱动脉冲控制电路输出的同步信号；误差放大器使电源输出电压与基准电压进行比较；其余的电路以正确的时序使输出晶体管导通9。1.2.2 驱动电路及保护电路 驱动和保护IGBT有不同的方式和电路。按驱动电路元件的组成可分为分立元件组成的驱动电路和集成化驱动电路。而集成驱动电路由于具有更好的驱动性能、更高的整体可靠性和体积小、效率高的优点而得到广泛应用10。IGBT是电压控制型器件，因此只要控制IGBT的栅极电压就可以使其开通或关断，并且开通时维持比较低的通态压降。栅极正电压的变化对IGBT开通特性、负载短路能力和du/dt电流有较大的影响，而栅极负偏压则对关断特性的影响较大。一般来说驱动方式有直接驱动、隔离驱动、集成模块驱动等方式11,12,13。图5 SG3525内部结构（1） 直接驱动 其电路拓扑如图6所示，这个电路的特点是能很好地对栅极电容充电。图6 直接驱动电路（2） 隔离驱动 在驱动电路中，主电路和控制电路之间一般采用光电耦合或脉冲变压器来提供电气隔离。如图7所示是采用变压器隔离的栅极驱动电路，其特点是驱动级不需要专门的直流电源,简化了电源的结构,且工作频率较高,可达100kHz,但由于漏感和集肤效应的存在,使绕组的绕制工艺复杂,并易于出现振荡。图7 变压器隔离的驱动电路如图8所示是一种采用光电耦合隔离的栅极驱动电路，其特点是体积小巧，但由于光耦合响应速度较慢,因而具有较长的延迟时间,且光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。图8 光耦合隔离的驱动电路（3） 集成模块驱动 如图9为M57962L型IGBT专用驱动模块原理图，具有抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功能完善，可实现IGBT的最优控制。图9 集成驱动原理图为保证IGBT的安全运行，需要采取合适的过电流保护、过电压保护以及过热保护等。IGBT的过电流保护可分为过载保护和短路保护两类，通常采取的过流保护措施有软关断和降低栅极电压两种；IGBT的过电压的产生主要有两种情况，一种是施加到IGBT集电极发射极上的直流电压过高，另一种是集电极发射极上的浪涌电压过高，针对前者可在选取IGBT时进行降额设计或在检测出这一过压时分断IGBT的输入，针对后者可采用缓冲吸收电路抑制关断时的过电压；针对过热，可在IGBT处加装一温度传感器，检测IGBT的壳温，超过允许温度时切断IGBT的输入以实现保护10,12。1.3 逆变焊机的发展方向目前逆变焊机仍然没有发挥出最大潜能，还具有巨大的发展空间。逆变焊机的发展方向主要为高频逆变、数字化控制、谐波抑制等14。例如可以改进逆变焊机的主电路，去掉了软启动电路，使逆变开关频率不再受电解电容的限制，从而实现了高频化15；单片机、DSP和嵌入式系统等数字技术和网络技术的引入将带来控制方式的飞跃14；通过采用有源功率校正技术可有效抑制高次谐波电流，提高功率因数，而且对电网无污染，达到高效节能的效果16。参考文献1 黄石生.弧焊电源及数字化控制M.北京:机械工业出版社,20102 徐宏彤,晏丽琴,岳桂杰等.CO2逆变焊机主电路设计J.广西轻工业，2010(2):30-313 赵文宏,汪小洪,卢小慧.ZX7系列逆变式直流弧焊电源的研制J.浙江工业大学学报，2002,30(4):336-3394 牛俊邦.优先选用IGBT逆变焊机J.石油工程建设,2003,29(2):10-125 于明.IGBT在逆变焊机中的正确选择和使用J.电焊机,2011,41(5):15-166 李毅，吴学伍基于SG3525半桥型开关电源的研制J.电源技术应用，2010（10):13-157 王晓锋,王京梅,孙俊等.基于SG3525的开关电源设计J.电子科技，2011（6):118-1218 黄晓林.脉宽调节器SG3525及其在变频电源中的应用研究J.电气传动,2005,35（10):31-349 李繁荣.集成PWM控制器及在实际中的应用J.西部皮革,2002(10):29-3110 杨柏松,罗如山.IGBT及其驱动和保护电路的研究J茂名学院学报，2006，16（1）:40-4311 申翔.IGBT集成驱动模块的研究J.电源技术应用,2006,9(6):49-5312 曾繁玲.IGBT驱动及保护电路的研究J.仪表技术,2007(7):61-6313 Hefner，AR，JrAn investigation of the drive circuit requirements for the power insulated gate bipolar transistor (IGBT)JIEEE Transactions on Power Electronics，1991，6(2):208-21914 李朋.逆变焊机波形控制技术J.电焊机,2009,39(2):30-3415 王春芳,王兆安,王开艳.弧焊逆变器主电路的改进和实验验证J.电力电子技术,2010,44(7):51-5216 杨希炯,陈要玲,石文波.逆变焊接电源节能高效的绿色设计J.电焊机,2009,39(2):18-23本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径：2.1 本课题的研究任务 逆变焊机具有轻便、节能、控制性能好等优点，是电焊机发展的主要方向之一，而IGBT逆变焊机已成为弧焊电源发展的主流产品。因此，本文的研究内容如下：（1） 设计并检测调试基于IGBT的输入整流滤波电路、逆变电路、输出整流滤波电路；（2） 设计并检测调试基于SG3525的PWM控制系统；（3） 设计并检测调试IGBT的驱动及保护电路，包括过压保护、欠压保护、过流保护、过热保护等；2.2 本课题拟采用的研究手段及途径2.2.1 整体设计思路如图10所示为弧焊逆变电源主要组成及基本原理框图，根据任务书及参考文献等按图10的主要组成部分逐步进行设计（包括保护电路），最终进行检测调试，优化方案，确定最终设计方案。负载输入整流滤波输出整流滤波变压器逆变主电路50Hz ACIGBT驱动电路控制电路 电压反馈电流反馈PWM控制电路图10 IGBT逆变焊机主要组成及基本原理框图2.2.2 技术