（机械电子工程专业论文）波形控制COlt2gt逆变焊接电源的研制.pdf

摘要 为了研制高效节能、性能优越的c o 。焊接电源，本文引入逆变技术针对电源 的主电路、控制电路、驱动电路和送丝电路进行了研究和设计。在主电路设计中， 选用输出功率大的全桥式拓扑结构，对以i g b t 和中频变压器为核心的功率器件 进行了详尽的参数计算，并分析、论述了i g b t 的保护措施。控制电路基于s g 3 5 2 6 的p w m 控制技术，采用电压闭环负反馈产生平硬的电源外特性，采用电流闭环负 反馈对短路过渡过程进行波形控制。提出采用电压、电流双环切换的办法实现波 形控制的设想。在建立控制系统结构框图和数学模型基础上，借助m a t l a b 对系 统进行仿真，设计了电子电抗器系统，用以控制电源动特性。文中还对采用微机 系统参与焊接过程自动控制进行了软硬件设计。为了克服脉冲变压器式门极驱动 电路制作、调试困难的缺点，设计了线路简单易调的光耦式驱动电路。在详细分 析了i g b t 上电流、电压波形和主电路输出波形的基础上，对实验结果进行了评 估，解释了实验中出现的特殊现象。试验表明，主电路设计结构合理，器件工作 可靠，输出波形良好。最后，设计了p w m 调速电路配合印刷直流电机的送丝调速 系统，试验表明，送丝速度误差在5 以内，符合标准j b t 9 5 3 3 1 9 9 9 。 关键词：c 0 。焊接、逆变电源、波形控带4 、i g b t 、p w m 技术 a b s t r a c t t ob u i l da n e f f i c i e n tc a r b o nd i o x i d ef c 0 2 ) w e l d i n gp o w e rr e s o u r c ew i t h e x c e l l e n tp r o p e r t y , t h ei n v e r s i o nt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt od e s i g nt h em a i nc i r c u i t ，t h e c o n t r o lc i r c u i ta n dt h ed r i v e rc i r c u i t t h ef u l lb r i d g es t r u c t u r ei su s e di nm a i nc i r c u i ti n o r d e rt or e i n f o r c et h ep o w e r p r o v i d e db y t h ec 0 2w e l d e r t h ep a r a m e t e r so f 也e p o w e r c o m p o n e n t si n c l u d i n gi g b ta n dt r a n s f 0 1 t n e ra r ec a r e f u l l yc a l c u l a t e d a n dt h em e a n s o f p r o t e c t i o no fi g b t ( i n s u l t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) i ss p e c i a l l ya n a l y z e d b o t h t h ec o u t r o lo fp w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) g e n e r a t e db yc h i ps 0 3 5 2 6a n dt h e c l o s e d l o o pc i r c u i tw i t ht h en e g a t i v ef e e d b a c kb yv o l t a g ei sa p p l i e dt oc r e a t es t r o n g s t a t i cf e a t u r eo ft h ec 0 2w e l d e r , w h i c hm a k ei t s v o l t a g es t a b l ew h e n t sl o a di s c h a n g i n g t h eb l o c kd i a g r a ma n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h es y s t e ma r eb u i l tf o rt 1 1 e s i m u l a t i o nb yt h es o f t w a r em a t l a b a n dt h er e s u l to ft h es i m u l a t i o na i d st h e d e s i g n i n go fa ne l e c t r i c a li n d u c t o r , w h i c hc a l lc o n t r o l 也ed y n a m i cf e a t u r eo f t h ec o ， w e l d e r t h ei d e ao fc o n t r o l l i n gt h ec u r r e n tw a v e f o r r nb ym e a n so fs w i t c h i n gt h e c u r r e n tc l o s e d l o o po rt h ev o l t a g ec l o s e l o o pi nd i f i e r e n tc i r c n i ts t a t ei sb r o u g h to u t t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h em i c r o c o m p u t e rs y s t e ma r ed e s i g n e di no r d e rt o c o n t r o lt h ew e l d i n gp r o c e s sa u t o m a t i c a l l y t h e 出i v e rc i r c u i tw i t hp u l s et r a r l s f o r m e r h a st r o u b l et ob em a d eo ra d j u s t e d ，s ot h ed r i v e rc i r c u i tu s e do fp h o t o e l e c t r i cc o u p l e t i sd e s i g n e da n dm a d e ，b ya n a l y z i n gt h ec u i t e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r m sf r o mt h e i g b ta n dt h eo u t p u to ft h ec 0 2 w e l d e ri nt h et e s t s ，t h ec o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w n t h a tt h es t r u c t u r eo ft h em a i nc i r c u i ti sv a l i da n dt h ec o m p o n e n t su s e di nt h em a i n c i r c u i ta r ec r e d i b l e i nt h ee n d ，t h ec i r c u i to f f e e d i n g w i r eo fc o n s i s t e n tv e l o c i t yb a s e d o nt h et e c h n o l o g yo f p w mi sd e s i g n e da n dt e s t e di nt h ee x p e r i m e n t t h er e s u l t so f t h e e x p a r i m e r i t l n e e tt h es l a n d a r do fj b 仃9 5 3 3 1 9 9 9 k e yw o r d s ：c 0 2w e l d i n g ；i n v e r s i o np o w e r ；t h ec o n t r o lo f w a v e f o r m ；i g b t ；p w m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 t 焊接技术的发展概况 c 0 2 焊接技术从上世纪5 0 年代初问世以来。以高效、节能和低成本等优点受到人们 的极大关注。到上世纪8 0 年代末，先进工业国家的c 0 2 焊接工作量占焊接总量的一半。 其中，日本达到7 0 以上c 0 2 焊成为其主要的焊接方法。我国虽然自5 0 年代就开始研 究、应用c 0 2 焊接技术，但由于生产水平不高，发展一直缓慢。9 0 年代后，由于国外焊 接设备的引入，推动了我国c 0 2 焊接水平的发展。目前，已达到国外8 0 年代末水平。 c o ，焊接主要用于低碳钢及低合金钢等黑色金属的焊接。在我国，c 0 2 焊已经在造船、 机车和汽车制造、石油化工、工程机械等工业部门获得日益广泛的应用。 1 2c o z 焊接的原理和特点 c 0 2 焊接是利用c 0 2 气体作为保护气体的一种电弧焊接方法。 1 2 1 基本原理 为了防止熔化的高温金属与空气接触而产生大量气孔和氧化物、氮化物夹渣，影响焊 缝金属性能，通过专用焊枪把c 0 2 气体送入焊接区，排开焊接区空气并覆盖在液态金属熔 池上，对焊缝进行保护。 1 2 , 2特点 c 0 2 焊接与其他电弧焊相比，具有如下的优点口j ： 1 ) 生产率高。c 0 2 电弧的穿透力强，熔深大而且焊丝的熔化率高。 2 ) 焊接成本低。c 0 2 气体是化工厂的副产品来源广、价格低。 3 ) 能耗低。 4 ) 适用范围广。无论何种位置都可以焊接，薄板可焊l m m ，最厚几乎不受限制。 5 ) 抗锈能力强焊缝含氢量低，抗裂性好。 6 ) 焊后无需清理焊渣，减少工作量。 7 ) 明弧焊接便于控制和实现自动化。 但是，c 0 2 焊也存在两个突出的缺陷：金属飞溅大，焊缝成形差。金属飞溅不仅污染 工件，增加劳动强度，降低熔敷率，也会堵塞喷嘴，使送丝不畅。 减少、消除飞溅是c 0 2 焊接研究的一个热点和难点。 1 3c o t 焊接飞溅的成困和抑制方法 1 3 1 c 0 2 焊接过程 根据c 0 2 焊接过程中熔滴过渡的不同形式，可分为潜弧射滴过渡、短路过渡和含有瞬 时短路的排斥滴状过渡。其中，短路过渡是焊接过渡中熔滴过渡的主要形式。图1 1 是短 路过渡的示意图n l234 5l 丛丛卫生卫丛 图1 1短路过渡示意图 河海大学工学硕士学位论文波形控制c o ：逆变焊接电源的研制 这是短路过渡的一个周期。电弧引燃后，首先将熔池压低，出现凹坑，如图状态l 。 焊丝被电弧加热开始熔化，在焊丝端头，积聚成熔滴，如状态2 。随后，熔池表面回升 焊丝推进，弧长变短熔滴变大，同时伴随熔滴浮动，产生随机短路( 短路时间小于2m s ) 即瞬时短路，如状态3 。短路后熔滴与熔池接触，在电磁力和表面张力作用下，熔滴向 熔池浸润，形成熔滴小桥，如状态4 ，这种短路称为正常短路。随后小桥在电磁力作用 下，迅速变细。形成缩颈如状态5 。在强大的短路电流作用f ，缩颈处气化爆断，焊丝 与熔滴之间重新燃弧，新一轮短路过程开始。 1 3 2 飞溅的成因 大量研究表明c 0 2 焊接过程中的飞溅主要有下列形式i l 】： 1 正常短路后期，由于液相小桥在大电流作用下，发生电爆炸，引起飞溅。这种飞溅发 生在焊丝与熔池之间，颗粒小、数量多。 2 瞬时短路时，在接触处由于电磁力排斥引发的飞溅。瞬时飞溅颗粒大，与工件结合 力强，难于清理。 3 悬挂在焊丝端头的熔滴和熔池内部发生剧烈的化学反应： a6 2 c 0 2 = 2 c 0 个+ d 2 个；n 0 + c = 屁+ c o 个；c d 2 + 凡= f e o + c o 个 由此产生的c o 和0 2 气体向外溢出，产生飞溅。 1 3 3抑制飞溅的方法 通过对飞溅成因的分析，可以看出，电爆炸和气体溢出是产生飞溅的根本原因，因此， 抑制飞溅也从这两点出发。对于气体溢出产生的飞溅，可以通过冶金手段( 如清洁、干燥 焊件表面，研制低飞溅焊丝等办法) 进行抑制。而对于电爆炸和电磁力引发的飞溅，就要 依靠设计合理的控制电路和选择规范的参数进行抑制。为此，学者们提出许多电控措施。 如改善电源外特性控制法、对焊接过程电流波形控制法、一元化控制法、智能控制法以及 根据声、光、电等信号控制法等l j l 。 在波形控制中又有脉冲波形控制、表面张力控制( s t t 法) 、能量控制等。 1 3 4s t t 法原理1 4 】与发展状况 s t t ( s u r f a c e - t e n s i o n t r a n s f e r ) 法基本思想最早由前苏联学者定匠克在上世纪8 0 年代 初提出，美国林肯公司侄1 9 9 3 年率先推出s t 下弧焊电源”1 。由于这种控制法简便、有效， 受到普遍关注。其基本原理是：在短路过渡后期，降低电流，使液桥在低的能量下爆断 减小短路过渡过程的飞溅；另方面，在燃弧后期熔滴一旦与熔池接触，立即迫降电流 减小电磁排斥力，抑制瞬时短路b 溅。 目前，波形控制法呈现出耩细化、微机化、智能化发展趋势”l 。通过对熔滴过渡过程 深入研究，借助微机控制技术、现代控制技术、人工智能技术对整个过渡过程分阶段加以 控制。天津大学的杨立军、山东大学的张光先、甘肃：c 业大学的马跃洲等都在这方面开展 了较为深入的研究。 1 4 c 吼弧焊电源的发展与现状 随着电力电子技术的发展，c 0 2 弧焊电源发生巨大演变。上世纪5 0 年代，主要是旋 转直流焊机。6 0 年代，出现了变压器抽头式二极管整流焊机和磁放人式整流焊机。6 0 年 代末，又出现了晶闸管整流焊机。这种半控式焊机实现外特性控制、网压补偿和过载保护 等，从而改善了工艺性能，有力推动了焊接技术的发展。到了8 0 年代，出现了逆变焊机。 由于逆变技术的引入，特别是使用了m o s 、g t r 、i g b t 等高频、全控式功率开关器件- 2 第一章绪论 使得c 0 2 焊接电源产生根本性的变化。c 0 2 逆变焊接电源比传统工频焊接电源节省材料 8 0 9 0 节能2 0 3 0 动态反映速度提高2 3 个数量级 6 1 。 逆变焊机已经形成四代产品，见表1 1 。其中，i g b t 逆变焊杌以其引弧成功率高、焊 接性能好、噪声低、飞溅小等优点受到普遍重视。在国外，i g b t 逆变焊机技术比较成熟， 产品性能优越。但在我国由于其在可靠性、焊接工艺和维护等方面还不够成熟，在经历 1 9 9 2 1 9 9 5 年逆变热之后，现在又进入深入研究、探索阶段”】。 表1 1四代逆变焊机功率开关器件与逆变频率比较 代别第一代第二代第三代第四代 项目 功率开关器件晶闸管s c r品体管g t o场效应管m o s f e t i g b t 逆变频率k h z o 5 - 51 6 2 52 5 2 0 02 3 0 注：i g b t i n s u l t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r , 绝缘栅双极型晶体管 目前，国内不少高校开展c 0 2 弧焊逆变电源研究，比较著名的有哈尔滨工业大学、清 华大学、北京工业大学、华南理工大学等。在主电路拓扑结构上，功率开关器件连接的 拓扑结构有推挽式、全桥式、半桥式、单端正澈式、单端反激式等多种类型。对于大功率 逆变电源，大多采用全桥式逆变器。但是，全桥式结构存在偏磁问题，这是其不足之处。 在门极驱动方式上，除了常用的硬开关，现在发展或者已经提出的还有串联谐振型、零 电压零电流型等软开关【4 ”技术。软开关驱动的功率开关管开关功耗小，器件承受的电压、 电流冲击小，电磁污染小，对于大功率逆变电路，软开关技术的优点更明显。但是线路复 杂，设计难度大，也是现在研究的热点。北京j ：业大学、清华大学、华南理：l - 大学、山东 大学等都开展了这方面研究”“j 。软开关技术是发展方向。在电源外特性设计上，根 据不同焊接条件和工艺要求，提出多种方案，如恒压平特性或缓降特性、阶梯特性等【】”j 。 在系统保护和可靠- 眭研究上，对功率器件的微观特性研究越来越深入，保护措施越来越 完备【1 1 “，l ”。对于高频干扰与电磁辐射的隔离等较为复杂的技术问题，也提出有效的方法 。对丁较为困难的偏磁现象，也有文献提出了防护方案7 ”i 。在控制手段上，由原来 的模拟控制向数字控制发展，微机控制技术已经成熟地运用于逆变焊机上，d s p 控制技术 逆变焊机已经进入实质研究与试制阶段i 1 。数字化焊机是未来之星p 】。在防飞溅控制上， 波形控制是目前研究的热点”j 。 随着对i g b t 和i g b t 逆变焊机的深入研究，技术的不断成熟，i g b t 逆变c 0 2 焊机 必将有光明的应用前景。 1 5 本课题的研究任务 本课题是河海大学青年基金项目，任务是研制一台适用于细焊丝( 直径0 8m m i 2 m m ) 的波形控制的i g b t 逆变c 0 2 焊机，主要参数3 5 0 a ，5 0 v ，2 0 k h z 。 到目前为止，国内除了华南理工大学和时代公司等企业已经有c 0 2 逆变焊机产品闷世 外还没有获知其他单位自主研制出c 0 2 逆变焊机从现有的文献上也没发现关于波形 控制c 0 2 逆变焊机的完整的、具体的设计方案。期望通过本课题研究能够自主研制一台 i g b t 逆变c 0 2 焊机，在飞溅控制、系统可靠性等方面有所进展。 河海大学工学硕士学位论文波形控制c o ：逆变焊接电源的研制 第二章逆变焊接电源与i g b t is 1 s 4 u “h 8 1il ls 2 s 3 流向由a 到b ，输出电压u j 8 = u ，反之t 当s l 、s 3 同时关断并且s 2 、s 4 同时闭合时，电 流流向由b 到a ，u 。= 一u ，如此交替进行，在负载电阻r 上，直流电压转变为方波交 流电压，实现逆变。其中的主要器件是功率开关管s l 、s 2 、s 3 、s 4 。实际电路中，用作功率 开关管的器件有m o s f e t 、g t r 、g t o 以及i g b t ，其中i g b t 是现在普遍采用的新型功率 开关管。 2 1 2 逆变焊接电源的基本组成 逆变焊接电源的基本组成如图2 2 。 卜输入整流滤谀- + - 逆变器_ + 一输出整路滤波叫 图2 2 逆变焊接电源的基本组成 图中，输入整流滤波电路把市电转换为直流电，直流电经过功率开关逆变成高达几千 到数百千赫兹的方波电压，再经过中频变压器降压输出。输出整流滤波电路再进行直流变 换，输出直流电。由功率开关组和中频变压器组成的逆变器是逆变焊接电源的核心。它对 电源的性能、品质和体积、重量起到主要决定作用。控制电路从传感电路获取输出反馈信 号对功率开关进行控制，决定电源输出。 2 1 3 逆变焊接电源的特点”1 1 体积小、重量轻、节省材料 第二章逆变电源与i g b t 焊接电源体积和重量的8 0 是由变压器录i 电抗器产生而变压器的体积和重量与其i ： 作频率有密切关系。变压器的设计公式 - u = 4 4 4 s b n f 1 0 。4 ( 2 - 1 ) 式中u 输入电压v s 变压器铁芯截面积c m 2 b 磁感应强度( 与铁磁材料有关) ，t n 线圈匝数 f 一工作频率，h z 当铁磁材料确定后，b 一定。在输入电压u 一定时，铁芯截面积与变压器匝数的乘积 与工作频率成反比。频率越高，乘积越小变压器体积越小，重量越轻，越节省材料。电抗 器也因工作在高频，体积、匝数明显减少。因此，逆变焊接电源( 2 0 k h z ) 比同样输出功率 的传统工频电源节省材料8 0 9 0 ，体积只有l ，5 。 2 高效节能 由于采用高频逆变技术，随着变压器、电抗器的体积缩小，在能量变换过程中，铜损和 铁损随之减小电源效率和功率因数随之提高，比传统焊机：诲能2 0 3 0 。这对于用电量 巨大的弧焊电源来说，其经济意义明显。 3 动态响应迅速 使用i g b t 的弧焊逆变电源，工作频率高、主圊路时间常数小，因此响应速度远高于普 通焊机。这对于解决c 0 2 焊接中的飞溅和焊缝成形问题，无疑是最理想的。 2 2i g b t 2 2 1 概述 i g b t 是上世纪8 0 年代研制成功的一种高性能功率晶体管，9 0 年代已经生产出 1 2 0 0 v 1 0 0 0 a 的i g b t 。由于它把m o s f e t ( m e t a l o x i d e - s e m i c o n d u c t o rf i e l de r i e c t t r a n s i s t o r ) 管和g t r ( g r a n dt r a n s i s t o r ) 管的优点榘于一体，既具有输入阻抗离、速度快、热稳定性蚶车l 】 驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、反向耐压高、承受电流大等优点，因此，得到越 来越多的推广应用。图2 3 是东芝公司i g b t 模块m g l 5 0 q 2 y s 5 0 的内部结构与外形图。 e le 2 c 1 g 1e 1 ，c 2g 2 e 2 e l i c 2e 2c 1 g 2 e 2 e l g 1 图2 3m g l 5 0 q 2 y s s 0 的内部结构与外形图 现在，i g b t 已经向智能模块化，即i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 方向发展把驱动、 保护电路、快速二极管和管芯集成在一个模块上。 2 ，2 2i g b t 的等效电路与图形符号州 i g b t 的简化等效电路如图2 4 中a ) 。i g b t 相当于一个由m o s f e t 管驱动的厚基区 g t r ，图中艮，是厚基区内的调制电阻。i g b t 是以g t r 为主导元件m o s f e t 为驱动元 件的达林顿电路结构器件。当i g b t 导通时工作电流人饱和压降低。可以通过栅极电压 控制集电极电流大小，或者关断、开通i g b t 。栅极具有极高的输入电阻。i g b t 的另一个 河海大学工学硕士学位论文 波形控制c o ：逆变焊接电源的研制 特点是导通压降随温度升高而增大，这在器件并联时，可以具有很好的均流特性。 q a ) i g b t 的简化等效电路 b ) i g b t 图形符号 图2 4 g b t 的等效电路与图形符号 2 2 _ 3 i g b t 的静特性1 4 i g b t 的静特性包括v c e - c 伏安特性和v g e i c 转移特性。图2 , 5 是m g l 5 0 q 2 y s 5 0 的静 特性曲线。从a ) 伏安特性可以看出，在放大区( v c e 5 v 8 v ) ，集电极电流i c 受控于栅极电压 v g e ，随v g e 增加丽增加。从b ) 转移特性可以看出，门极开启电压约4 v 6 v ，高于8 v 可以 视为脱离截止区。1 g b t 最大栅极电压区间为2 0 v 。当i g b t 工作在开关状态，推荐使用 的栅极驱动电压为1 5 f 。 c 0 删o ne m n t 腿 t c 一站c 神矽 - 。 ，j | f l | ! ，一i l | l ， 厮 v ce 。t v 莎下 c o u 王c t o 艮e m r r r e rv o l t a g e v c em a ) v c e i c 伏安特性 护 i i ， 研 臻c o m m o ne 硼m r 彳 矿 v c e - 6 v o a t ee m t e rv o l t a g e v g b ( v j b ) v g i c 转移特性 图2 ，5i g b t 的静特性 与i g b t 的静特性对应的主要参数有最大耐压v c e s 和iv c e s 、最大导通电流i c 、最大功 耗p c 、最高结温等。 2 2 4i g b t 的动特性1 i g b t 的动特性包括开通和关断过程中电流、电压的变化过程。圈2 6 为m g l 5 0 q 2 y s 5 0 在门极电压v g e 控制下的开通和关断过程中集电极电流i c 、集电极发射极电压v c e 的波形。 图中t o f 广关断时间：t d ( 。f n _ 存储时间：t r 一下降时间；k 一开通时间；t a 。厂电流延迟时 间：上升时间。从动特性可以看出，i g b t 开通、关断过程需要一定的延时，这就限制 了i g b t 的开关频率，进而决定了 g b t 逆变器工作频率。在此期间，i g b t 上的电压、电 流不为0 ，因此必然产生功率损耗。i g b t 的动态过程时间极短，不足1 微秒。动态过程 越短表明逆变频率可以越高。但是，正是由于动态过程时间极短使得i g b t 内寄生电容 上的电压、电流发生突变。动态过程变得复杂，波形发生一定程度的畸变，给动态过程的分 析和控制带来了困难。 6 ivv茸e_s，一8 e 2 0 1 3 0 u v口hz重：o eohj8 第二章逆变电源与i g b t o o a ) 关断过程b ) 开通过程 图2 6i g b t 的动特性 2 2 5i g b t 的安全工作区1 4 j 1 正向偏置安全区( f b s o a ) i g b t 的栅极加入正电压时，称为正向偏置。i g b t 正向开通时，v c e 和l c 的安全取值 范围所构成的区域称为正向偏置安全区( f b s o a ) 。m g l 5 0 q 2 y s s o 的f b s o a 如图2 7 所 示。f b s o a 的区域与i g b t 导通时间有关。时间越长，区域越小。 穹 v 譬 = s 奎 3 o 出 己 驾 o o 1 u ，汛l l i | l ：ii il i | i i ll i cm a x , ( c o n t i n u o 删l 杖 趟隰 l tl l 7 乃7 ，7 _ ；9 i f i 1 善 5 0x ： t i 。 il = d c 茸 丰i 二e k 、 l i x一o p e r a t i o nj 卜 ：ill i l 、l i ：， 一_ 二 i 、ik |j j 蘸8 1 n q l e fi !； i n o n r b p 鳓t 【v e f 】n p u i 佻= 2 5 c c u r v e sm u s tb e 嬲i 黼蹬搿i嘛 j ll c o l l e c t o i e b z q t t e rv o l t a g e v c e 、r ) 圈2 7正向偏置安全区( f b s o a ) 2 擎住效应 i g b t 集电极连续导通电流必须在最大可控电流i c m 以妇一旦超过这个值，即便极短 时间，器件将进入不受栅极控制状态，集电极电流随之增大，造成过高功耗，最后导致器件 损坏。这种现象称为擎住效应。 在i g b t 关断过程中，会产生动态擎住效应。这是由丁关断过程中，i g b t 内部寄生的 1 ，p 。 结电容上，由于e g f f , _ v c e 的变化，产生电流f ，= c ：半，当该电流大到一定程度可以导 。 珊 致i g b t 内部寄生晶闸管进入擎住状态，使得集电极电流增大，从而发生擎住效应。动态擎 住效应所允许的集电极电流比静态擎住效应所允许的集屯极电流小，因此，制造商规定的 i c m 值是按动态擎住效应所允许的最大电流而确定。 3 1 g b t 的反偏安全上作区( r b s o a ) 在栅极加入反向电压后，i g b t 处于反偏状态，考虑到擎住效应，必须对反偏动态擎住 电流限制在安全区域内，这样，即使器件发生擎住效应后，仍然能恢复。图2 8 为 m g15 0 q 2 y s 5 0 反偏安全区。 河海大学工学硕士学位论文波形控制c o ：逆变焊接电源的研制 童 p h 自 篁 ： g 8 _ ： iii _ll ll f 1 1 i ； l i l l i t ；矗1 2 5 屯 l v g e = 1 5 v i r o - 5 6 0 u 2 0 0柏06 0 08 0 0 1 0 d o1 2 0 01 4 0 0 c o l l e c t o r - i m i t t e rv o l t a g e v c e ( v ) 图2 8 反偏安全区( r b s o a ) 2 2 61 g b t 的优点 l ，输入阻抗高，驱动功率小。 2 开关速度快，可达3 5 k h z 3 电流密度高，载流量大。 4 饱和压降低，标准饱和压降3 v 比同规格m o s f e t 管减小l o 倍。开关损耗小约 为g t r 管的l 3 。 5 ，安全工作区宽，没有二次击穿现象。 第三章主电路及i g b t 保护电路的设计 第三章主电路及i g b t 保护电路的设计 3 1 主电路的功能与设计目标 c 0 2 逆变焊接电源由主电路、驱动电路、控制电路等三部分组成。主电路承担着转换、 传递能量的任务，是整个电源的基础。主电路必须安全、可靠器件参数的选择应该以极限 工作条件为依据，并留有一定裕量，保证所选器件工作在安全区域。 本文设计的逆变焊接电源输出电流3 5 0 a ，输出电压5 0 v ，逆变器工作频率2 0 k h z 。要 求系统具有平硬的外特性与良好的动特性。电流、电压调节响应迅速。 3 ，2 逆变器的拓扑结构、驱动方式与频率的选择 逆变器是主电路的核心由功率开关器件和中频变压器组成。功率开关器件连接的拓扑 结构有推挽式、全桥式、半桥式、单端正激式、单端反擞式等多种类型。对于大功率逆变电 源，适宜采用全桥式逆变器。这是因为全桥式逆变器开关器件在稳态时其上施加的晟高电压 和暂态过程中的尖峰电压都不会超过输入电压，功率开关器件耐压要求低，开关器件在承受 同样的耐压和电流情况下，逆变器有更大的功率输出。而且，通过严格地控制电路止、负半 波的对称性和严格挑选功率开关管可达到半桥式逆变电路同样的抗不平衡能力。故本文选用 全桥式结构逆变主电路。 主电路门极驱动方式有硬开关与软开关之分。硬开关脉宽调制提出最早，技术比较成熟， 线路简单，外特性控制电路构成方便。从设计难度、线路可靠性上考虑，选用硬开关脉宽调 制方式。因为焊接电源的稳定性、可靠性车焊接质量将会是检测各种控制应j _ f ；| 效果的最终标 准。当然，硬开关有不少缺点，如开关功率损耗、电流上升率d i d t 、电压上升率d v d t 等 随着逆变频率升高丽增加，电磁干扰随之增强。从当前发展上看，大、中型逆变器最终采用 软开关技术吼 一般认为，逆变频率越高，逆变器的经济指标越高。实际上，逆变频率的选扦要受到多 种因索制约，侧如功率开关器件、快速整流二极管本身的开关速度等。另外，频率越高对 控制线路的设计要求越高，电路的电磁干扰越严重功率器件开关功耗越大，整机效率不一 定更高j ，因此，频率的选择应该综合考虑。这里选用的功率器件是i g b t ，其：i ：作频率范 围在3 5 k h z 以内逆变频率选用2 0 k h z 。 3 ，3主电路设计与元件参数的i 十算 设计的主电路如图3 1 。主电路分为三部分 i 。i l 习【 j 扣性 卜 # 廊拦 u ljlj j - 1 ” l j _ h： i 髓 _ _ 卜，旷 i2 c d o o _ = = 叫r d 9 ：= a t 1 2 。i d c 汀 圭c i if1 li cj【 h【 图3 1 逆变焊接电源主电路 第一部分，输入整流滤波电路。二极管d l - d 6 组成输入整流电路( 实际电路选用整流模 块替代) ；c l 为赢频滤波电容，隔离电网与逆变电路之间的谐波干扰：电阻r 2 、r ，录i 电容 器组c 2 、c ，组成滤波电路：r l 为限流电阻，限制启动时的台闸浪涌电流；继电器k 控制限 9 河海大学工学硕士学位论文波形控制c o ：逆变焊接电源的研制 流电阻切换，启动后刚合，把r i 从主电路去除：电阻r mr 、稳压管d 9 与电容c 1 i 组成 延时电路，控制r 切换时间。 第二部分，逆变器。v t i - v 1 4 为功率开关管i g b t ( 实际用两组半桥模块组成) ，与中 频变压器t f t 组成逆变器；电阻凡- r 7 、电容c 4 一c 7 与二极管d d 1 3 共同组成v t i v t 4 的 r c d 吸收回路减小i g b t 开关过程电流、电压冲击。 第三部分，输出整流滤波电路。快速整流二极管模块d ，、d b 和直流电抗器l i 组成单相 全波整流滤波输出电路；r 9 、c 9 与r l o 、c t o 组成d 7 、d 8 的吸收回路。 3 3 ，1中频变压器设计 中频变压器主要作用是电压变换( 降压) 、功率传递平u 实现输入、输出之间的隔离。殴 计原则是保证在通过允许的励磁电流和温升条件下，尽可能减小磁芯体积和匝数，以便提高 性价比。由于中频变压器的工作频率高达2 0 k h z ，它要求磁芯材料高频损耗尽可能小，饱 和磁通密度高，随工作温度升高，饱和磁密度的降低尽量小等。对于上述要求，采用“性价 比”较高的铁氧体材料做变压器磁芯，功率损耗明显减少。铁氧体材料的b h 特性曲线如 图3 2 。 芦 甚 世 髓 暇 强 亿 修 臻 町 l i 2 5 5 0 i 1 0 0 i 磁场强度i 1 ( a r a ) 圈3 2 铁氧体材料的b - h 特性曲线 扶图中。可以看出，在2 5 0 c 1 0 0 c 时，饱和磁通密度b ；的值o4 - 0 s t 之间。对予逆变 焊接电源用中频变压器，选择磁通密度更为重要的考虑因素是避免磁芯饱和。按实际使用的 最恶劣条件来选择工作磁通密度。设计的中频变压器磁芯工作温度要小于1 0 0 0 c ，如果温度 过高，有接近居里点的危险。因此，饱和磁通密度b s 取0 4 t 。为了防止合闸瞬间的中频变 压器饱和，工作磁通密度b 的取值小于b 。的1 ，3 。这里按b = 0 1 t 设计。由于全桥结构的逆 变器工作时，磁芯中的磁通是交变的，b 也是交变的，因此磁通密度变化量 曲= 2 x b = 0 - 2 r 为了绕制的方便，选用e e 型铁氧体磁芯( 几何形状“e ”形) 。中频变压器原边为绕 组n 。，副边采用中心抽头式结构，由两付绕组n 2 n 3 串联组成，弛圈3 1 。 1 确定磁芯尺寸 磁芯尺寸的两个指标是磁芯窗口面积a 。和磁芯截面积a 。计算方法多种。这里用一种 简便算法面积乘积法“。 爿| 4 ： ! ! ! ! ： ! ! ：! ：! 等! ! ! ：2 6 5 1 s ( 硎) ( 3 - 1 ) 月r以vo5。fxab。j丽五丙丽i西丽2 d 硎， ”。 式中，a 。磁芯窗口面积，c m 2 1 0 第三章主电路及i g b t 保护电路的设计 a 。磁芯截面积，e m 2 p 变压器输出功率，w p = 3 5 0 a 5 0 v = 1 7 5 0 0 w 0 5 经验系数 厂逆变工作频率，h z j 铜导体( 铜皮绕组) 电流密度在风冷条件下。取3 3 a r a m 2 8 磁通密度变化量，t 考虑到通风和绕线留出的空间。窗口利用系数取1 3 b ”。实际选用的磁芯爿。4 。乘积应 取上述计算值得3 倍以上，即 a 。a 。3 2 6 5 1 5 = 7 9 5 。4 5 ( c m 4 ) 查产品目录，选用e e l 6 0 型磁芯2 剐合并，参数为：a 。= 1 6 c m 2 ，a 。= 1 0 2 4 c m 2 ， a 。a 。= 1 6 x 1 0 2 4 = 1 6 3 8 4 c m 4 ，符合设计要求。 2 确定匝数 原边电压为方波电压，其幅值为电网输入电压u 经整流滤波后输出的电压，按电网峰值 电压计算。 u = 4 e u = 1 4 1 4 3 8 0 v = 5 3 7 4 v z5 4 0 v( 3 - 2 ) 式中，u ，中频变压器输入电压幅值，v u 。电网线电压有效值，v 副边电压u 2 ，参考焊机输出电压( 5 0 v ) ，并适量取大，留有一定调节空间，其幅值试取 7 0 v 。所以，变比n = n l n 2 = u l u 2 = 5 4 0 h 0 = 7 7 因为i g b t 开关频率选用2 0 k h z ，周期t = 5 0 峭，半个周期t 2 = 2 5 u s ，应考虑留有一定 的“死区负载”，防止i g b t 直导通( 同侧桥臂i g b t 直通短路) ，因此要求一个周期内 导通时间t 。 v 。) ，将a 处电位v 。钳位在 稳压管v z l 击穿电压以下，v z l 截止，三极管v i 、v 2 截止，p w m 脉冲通过门极电阻r o 驱 动i g b t 。一旦发生短路或者过流，电压v 。上升，v 。随之上升，当升至v z t 阀值，v z i 开 通，三极管v 导通v l 集电极电位下降，通过光耦u l ，电容c l 开始充电，d 处电位v df 降直至v d 2 导通，v 2 随之开通，栅极电压经过k 、凡分压，随之降低t i g b t 电流减小。 当电容c 。充电使得d 点电位v d 下降到稳压管v z 2 阀值，栅极电压被钳位，慢降栅压结束a 同时驱动光耦进入饱和区，向p w m 信号发生芯片s g 3 5 2 6 的关断端8 脚输山低电平，封锁 p w m 脉冲。要求从识别过流信号到切断门极信号的时间必须小于i g b t 允许过流时间( 数 微秒) 。电容c 2j j j 于i g b t 开通延时。 3 4 3i g b t 过热保护 过热保护通常安装合适的散热片完成。散热片面积要与焊机功率匹配，表面粗糙度 第三章主电路及i g b t 保护电路的设计 6 3 9 m 以下，散热片与管子接触处应涂热脂( 一般为硅膏) ，而且散热片的压紧扭矩要适当， 另外还需加装散热风扇辅助散热。 3 4 4 变压器偏磁防护设计 全桥式逆变器的缺路是存在中频变压器偏磁问题。正常工作情况下，功率开关器件在工 作前半周与后半周导通脉宽相同饱和压降相等前后半周交替通断，变压器磁芯中没有剩 磁。但是，如果功率开关器件驱动电路输出脉宽不对称，或者器件本身存在差异，就会产生 正负半周不平衡问题。此时，变压器内的磁芯会在某半周积累剩磁，出现“单向偏磁”现象 经过几个脉冲，就可以使变压器单向磁通达到饱和，变压器失去作用，等效成短路状态。这 对于i g b t 来说，极其危险，可能引发爆炸。针对产生偏磁的原因，采取下面措臆： 1 选择i g b t 时，务必选用同种型号模块，确保实际参数尽可能一致。 2 i g b t 的4 路驱动电路在工作前必须反复调试、检测，直至波形完全对称。 3 t 选择中频变压器磁芯时磁通密度的安全裕量必须充足( 见3 3 1 ) 。 4 作为补救措施在开关器件上安装电流检测电路，当此电流连续几个脉冲超过设定值，切 断驱动脉冲，使变压器有足够时间去磁。 3 4 5 直通防护设计”1 直通现象是指同桥臂功率开关管在前后半周导通区间出现重叠，主电路短路，巨大的短 路电流瞬时通过开关管，烧坏开关管，继而发生爆炸。为了防止直通必须设定“死区负载” 在开关管交替开通过程中，留有一段“死区时间”t d ，两组开关管同时关断，避免由于 分布电感和i g b t 关断延时造成的重叠导通。般推荐t d 3 p s 。可以通过选择适当的“死区 电阻”接入控制芯片死区控制端即可实现( 详细内容见5 1 ) 。 3 4 6电磁兼容与抗干扰设计 以i g b t 为功率开关器件的逆变焊接电源工作频率高达2 0 k h z 咀上，在开关过程中 产生大量电磁波，通过电路或以辐射方式对控制电路和周围电器产生很大的干扰。另外，电 弧也会产生强烈的电磁干扰。电磁兼容就是使不同的电器在工作过程中产生的电磁波互不干 扰，能保证系统可靠运行。提高电容兼容和抗干扰能力的措施： t 消除干扰源和干扰传播途径。如在i g b t 、快速整流模块上接入r c 吸收电路；对控制电 路等重要部件用金属外壳屏蔽，荐对整个逆变电源进行屏蔽隔离干扰源。 2 导线、器件合理布局。强电、弱电分开布线；信号线采用双绞线，走线尽可能短；模拟线 路与数字线路的接地要分开：大功率器什如变压器、屯抗器、i g b t 、快速整流模块等摆 放位置应合理，使其产生的磁力线尽量垂直；大功率器件与控制线路保持一定距离。 3 合理使用隔离、去耦合技术。控制电路、主电路和驱动电路之间通过光电耦合器件或脉冲 变压器实现电路隔离；设计印刷线路板时，合理使用“铺地”，芯片的电源与地线之间用 电容去耦，消除脉冲干扰。 河海大学二 学硕士学位论文波形控制c 逆变焊接电源的研制 第四章 对c 0 2 焊接设备的要求及控制电路设计目标 根据c 0 2 焊接丁艺的特点对c 0 2 焊接电源的性能、特性提出的具体要求是c 0 2 焊接设 备特别是控制电路设计的依据和目标。根据设计任务，这里只讨论适用于缅焊丝的c 0 2 焊接设备的设计要求与目标。 4 , i 对电源外特性要