（材料加工工程专业论文）全桥igbt逆变焊接电源的驱动保护及抗偏磁研究.pdf

摘要 摘要 为提高全桥逆变焊接电源的可靠性，本文对全桥电路的抗直流偏磁、驱动电路、过 流保护系统进行了研究。 由于不同的i g b t 其集电极电流与集射间的饱和压降也不同，并且驱动电路驱动特 性还与主电路的漏感，i g b t 本身的m i l l e r 电容，负载的特性也相关，因此不存在一种 适合各种i g b t 、各种主电路以及负载的特性的驱动模块。 本文在分析i g b t 主要专用驱动模块的优缺点基础上，设计了基于降栅压及软关断 原理1 g b t 过流保护方案。给出具体的驱动过流保护电路，并对电路功能和原理进行详 尽的分析。i g b t 出现过流时立即降低栅压，以增加i g b t 短路承受时间，检测真假过 流。若为瞬时过流，则可恢复至正常状态：若为真过流，则软关断i g b t ，并封锁p w m ， 同时输出报警信号至p w m 芯片，强制关断p w m 信号一定时间。电路的过流保护动作 参数可以根据特定i g b t 进行设置。 集栅寄生电容是i g b t 管的一个重要参数，在全桥逆变电路中工作时易造成栅射集 电压尖蜂，造成桥臂直通，导致器件永久失效。从理论推导栅极驱动波形形成电压干扰 的原因，给出栅极尖峰电压干扰值的计算公式及影响因素。采取慢开快关的驱动方式、 橱极增加阻尼吸收回路、栅极并联无电感电容以减小栅射极电压尖峰。 设计并制作了具有判断真假过流、慢关断功能的驱动电路，同时考虑了i g b t 本身 的m i l l e r 电容和负载的特性对驱动电路的要求。采用m a t l a b 仿真，得出i g b t 死区 不均压原因为驱动信号延迟不同造成的i g b t 开通及关断不同步、吸收电路参数不等及 开关管特性不等，经过试验验证。 变压器伏秒周期不等会使得变压器出现直流偏磁现象，引起交压器磁通饱和，造成 i g b t 过流，损坏i g b t ，同时也使变压器发热严重。引起全桥逆交电路变压器伏秒周 期不平衡的原因主要有各路信号的延时不同、开关管特性不一致及吸收电路参数不对 称。本文通过检测变压器峰值电流，与设定的偏磁过流值进行比较，得到变压器的偏磁 信号，对发生偏磁的那一路i g b t 的驱动脉宽进行修正，使得变压器两端的伏秒周期重 新平衡，消除直流分量。 关键词：逆交、驱动、过流保护、密勒效应、抗偏磁 a b s t r a c t t oi m p r o v er e l i a b i l i t yo ff u l l b r i d g ew e l d i n gi n v e r t e r , s u p p r e s s i n gd cb i a s i n g , d r i v ec i r c u i ta n do v e r - c u l t e n tp r o t e c t i n gs y s t e mo nf i d l - b r i d g ec i r c u i ta r es t u d i e di n t h i sp a p e r d i f f e r e n tl g b tm o d u l e sh a v ed i f f e r e n t c o l l e c t o rc u r r e n t sa n dg a t es a t u r a t i o n v o l t a g e s ，a n dd r i v ec i r c u i t sc h a r a c t e r i s t i c sr e l a t e dt om a i nc i r c u i t si n d u c t a n c e ， i g b t sm i l l e rc a p a c i t a n c e ，l o a dc h a r a e t e r i s t i e s s ot h e r ei sn o tad r i v em o d u l e s u i t a b l ef o re v e r yi g b t m a i nc i r c u i ta n dl o a dc h a r a c t e r i s t i c w o r k i n gp r i n c i p l e sa n da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc t t r r e n tm a i nm o d u l e d r i v ec i r c u i t sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d , a n do v e r - c u l t e n tp r o t e c t i o ns c h e m ew a s d e s i g n e db a s e do nt h ep r i n c i p l e so fs l o wd c x 2 r e a s eo ft h eg a t ev o l t a g ea n ds o f t s w i t c h i n go v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n s p e c i f i cd r i v ea n do v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t w a sg i v e n , a n di t sf u n c t i o n sa n dp r i n c i p l e sw e r ea n a l y s i sa n de x p l a i n e di nd e t a i l e d w h e no v e rc u r r e n to c c u r s ，t h eg a t ev o l t a g ei sd e c r e a s e x ls l o w l yi m m e d i a t e l y , t h e r 【， t r u ea n df a l s eo v e r - c u r r e n tc o u l db ed i s t i n g u i s h e d ：i f i tw a st r a n s i e n to v e r - c u r r e n t ，t h e g a t ev o l t a g ee a r lb er e c o v e r e d ；a n di fi tw a st r u eo v e r - c u l t e n t ，i g b tc o u l db et u r n e d o f fs l o w l ya n dp w ma l s oc o u l db eb l o e k e d , m e a n w h i l e ，a l a r ms i g n a l sw a so u t p u tt o p 、mc h i pt ot u r no f fp ms i g n a l sc o m p u l s o r i l yac e r t a i nt i m e o v e r - c u r r e m p r o t e c f i o np a r a m e t e r sc o u l db es e ts i m p l ya c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t t h eb o d vc o l l e c t i o n g a t ec a p a c i t o ro fi g b ti sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c hc a n m a k eu n e x p e c t e do v e r - v o l t a g eb e t w e e ng a t ea n ds o u r c ea n ds h o r t - c i r c u i to ft h es a m e l e g d u et oi t , t h es i l i c o no x i d eo fg a t e - e m i t t e ri sd e s t r o y e d , a n dt h e1 0 b ti sf a i l u r e n l ei n f l u e n c eo fm i l l e rc a p a c i t o ro nt h es w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e d a n d t h ec a t l s eo fg a t ed r i v ep u l s o sv o l t a g ed i s t u r b a n c e sw a se x p l a i n e d , t h ei n t e r f e r e n e e v a l u eb ym a t h e m a t i c a lf o r m u l aa n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r e 西v e mn 地f o l l o w i n g m e t h o d sw g l ep r o p o s e dt or e d u c eg a t ei n t e r f e r e n c e ：o p t i m i z i n gd r i v i n gc i r c u i t ，s u c ha s ： s l o w - o p e n i n ga n dq u i c k - c l o s i n gd r i v i n gw a y , a d d i n gd a m p i n g - l o o pb c l w e e ng a t ea n d e l i “既p a r a l l e l i n gi i t t i c i n d u c t a n c ec a p a c i t o rb e t w e e ng a t ea n de m i t t e rt or e d u c e d r i v ec i r c u i t si n d u c t a n c e ；o p t i m i m ga b s o r p t i o nc i r c u i tp a r a m e t e r s c o n s i d e r i n gi g b t sm i l l e rc a p a c i t o ra n dl o a dc h a m e t e r i s t i c s d e s i g n e da n dm a d e d r i v i n gc i r c u i t , w h i c h 啪j u d g c t r u eo rf a l s eo v e r - c u r r f f k t r a n s f o r m e r s v o l t a g e s e c o n dp r o d u c ti m b a l a n c ew i l lc a u s ef l u xi m b a l a n c e f l u xs a t u r a t i o n , a n da l s o c a u s ci g b to v e r - c u r r e n t , d a m a g ei g bt t h em a i nf a c t o r sr e s u l t i n gi nf l u xi m b a l a n c e o ff u l l - b r i d g ee i r c u i t su a n s f o 肋e fw e r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h ed i f f e r e n c e si n t i m e - d e l a y so f e a c hs i g n a l s ，i n c o n s i s t e n tc h a r a c t e r i s t i co f i r a n s i s t o r s ，t h ed i f f e r e n c e si n t h e 曲s o r p t i o nc i r c u i tp a r a m e t e r s ，a n ds oo n b yd e t e c t i n gt r a n s f o r m e r sp e a kc u r r e n t a n dc o m p a r i n gt h es e tf l u xi m b a l a n o eo v e r - c u r r e n t v a l u e s ，t h es i g n a lo ff l u x i m b a l a n c ec a nb eg e lt h e nr e g u l a t i n gd r i v ep u l s ew i d t ho fi g b tw h i c ho v e r - c u r r e n t h a p p e n e d ，a n dt h et r a n s f o r m e r sv o l t - s e c o n d sw i l lb a l a n c e ，f l u xi m b a l a n c ew i l la l s o d i s a p p e a r e d k e yw o r d , ：i n v e r s i o n ；d r i v e ；o v e r - e 删p r o t e c t i o n ；m i l l e re f f e a ；f l u xi m b a l a n c e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) j 啦五 一 扩争年乡月务日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) 出l 丘卜 l r 年乡月歹p 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 逆变焊接电源基本特性 与弧焊变压器、直流弧焊发电机、弧焊整流器等几种弧焊电源比较，逆变式弧焊机 具有以下几个突出优点i 卜3 】： 1 重量轻、体积小 根据变压器的基本公式： u = 4 4 4 f n s b , ( 1 1 ) 式中：u 一电压； f 一频率； n 叫 组匝数； s 铁心截面积； b m 铁芯中磁感应强度的最大值。 逆变式弧焊电源频率一般达到几千至几十千赫兹，比工频提高了几百到上千倍，而 电压u 为常数，那么n s 降低到工频时几百到上千分之一，因而逆变弧焊电源的主交压 器重量很轻。逆变式弧焊电源的总重量就可以做到同等电流容量的其他类型的弧焊电源 的十分之一左右。由于重量轻，体积也大大减少。 2 高效、节能 逆变式弧焊机空载时只有冷却风扇工作，其空载损耗仅为几十瓦，远小于一般弧 焊电源空载消耗的几百瓦至上千瓦功率；由于逆变式弧焊机的控制功率较小，大功率开 关元件处于开一关状态，其上的功率损耗很小。同时，由于主变压器很小，绕组匝数少， 铜铁总量减少后，铜损铁损也相应下降，所以逆变式弧焊机的效率可达8 0 8 5 。 表1 1 逆变式弧焊机与弧焊发电机和弧焊整流器性能的比较 弧焊电源类型 电源电 输出电负载续效率功率重量 r , - j - ( m m 3 ) 压( 伏)流( 安)率( )( ) 因数 ( k g ) 弧焊发电机a ) ( 一 3 x 3 8 03 2 05 05 30 8 75 3 01 1 9 5 6 0 0 3 2 09 9 2 弧焊整流器3 x 3 8 0 3 0 0 6 0 6 8 o 6 52 0 0 4 1 0 x 6 0 0 7 9 0 z x g 7 - 3 0 0 _ 一1 逆变式弧焊机 3 x 3 8 03 0 06 08 3o 9 63 75 7 0 x 2 6 5 x 4 1 0 c a r r y w e l d 3 5 0 逆变式弧焊机3 3 8 03 0 0 6 0 8 2 5 3 1 8 4 3 0 x 2 6 0 4 9 0 p o w c o n 3 0 0 s s 第一章绪论 3 动特性好，外特性调节方便 逆变器由予工作频率较高，焊机能够很快做出响应，调节输出参数。逆变器高的工 作频率还使得交流焊机输出电流过零的时间变短，提高了电弧的稳定性。逆变器优秀的 稳弧性和动特性使得手弧焊时用碱性焊条施焊也具有良好的工艺性能。只需对控制电路 作简单的改变，逆变电源就能够按照工艺要求输出下降型、 平直型或阶梯型等外特性形状。与常规焊接电源相比，逆变器属于新的电子弧焊电源， 可实现无级调节。 1 2 逆变焊接电源的现状 1 2 1 国外逆变焊接电源的现状 现代焊接设备的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关【4 5 】。上世纪5 0 年代 末，功率半导体二极管开始用于焊接电源，所构成的弧焊整流器明显优于弧焊发电机。 上世纪7 0 年代初，由晶闸管( s c r ) 构成的可控整流式弧焊机的出现标志着现代电力电 子技术开始进入焊接电源设备领域。晶闸管弧焊机的电气特性和工艺特性优于二极管整 流弧焊机，是当时广泛应用的一种重要焊接电源设备。上世纪7 0 年代中期到8 0 年代 中期，可关断晶闸管( g t o ) 、功率晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅晶体 管( i g b t ) 等相继出现。上世纪7 0 年代末开始出现晶闸管式逆变弧焊机并主要应用于 1 1 g 和手工电弧焊，后来又推广到c 0 2 、m a g 等焊接方法和切割。上世纪8 0 年代末又 出现i g b t 式逆变焊机，主要应用于各种电弧焊和切割。以功率晶闸管、晶体管、 m o s f e t 、i g b t 等为开关器件的新一代弧焊逆变器，采用高频p w m 开关技术和微电 子控制技术，淘汰了笨重的工频变压器和笨拙的电磁控制方式。它不仅具有高效、节能、 体积小、重量轻、多功能、多用途等优点，而且具有良好的动、静态特性和工艺特性。 因而，新一代弧焊逆变器自问世以来，受到广泛的重视，发展迅猛。1 9 8 9 年世界焊接 与切割博览会( 埃森博览会) 上有3 0 多家厂商展出了弧焊逆变器。1 9 9 3 年的埃森会上， 绝大多数的厂商都展出了弧焊逆变器及设备。据i i w xi i c1 9 9 3 年1 1 月所作的调查，逆 变式焊机在日、美、欧等地使用的焊机中占1 7 ，其中在气体保护焊和1 1 g 焊中占3 0 以上。到了1 9 9 6 年日本日立公司的i g b t 逆变焊机已占m i g m a g 焊机的7 0 ，占 1 3 0 焊机的9 5 以上，占切割机的1 0 0 ，日本松下、大阪变压器公司的逆变式焊机 都超过5 0 。以i g b t 、m o s f e t 等为开关器件的弧焊逆变器，有着广泛的应用前景， 是当前国际焊接电源设备发展的主流和方向【6 q 】。 1 2 2 国内逆变焊接电源的现状 在我国，逆变焊机电源起步于上世纪七十年代末，许多大专院校、研究所及一些企业 开始进行晶闸管逆变电源，以及后来的场效应管、晶体管、i g b t 逆_ 变焊接电源的研究。 上世纪8 0 年代末，我国政府行业部门、行业技术归口研究所就提出：“逆变焊机是我国电 焊机的发展方向之一”，并由原机械工业部将逆变焊机列为推广产品 9 1 。清华大学、哈 尔滨工业大学、时代集团公司等高校、企业相继推出采用各种开关元件的逆变焊机。 2 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代初期，由于对逆变焊机技术的复杂性、元器件质量的重要性、电焊机 使用条件的恶劣性认识不足，在设计技术、元器件质量、制造工艺、产品可靠性不过关 的情况下，许多企业匆促上马生产逆变焊机，短期内将大量技术尚不成熟、可靠性不高 的产品推向市场，形成了一股“逆变热”。结果造成产品质量下降、积压，也使得大量 企业倒闭，损失巨大。在一些企业倒闭的同时，一批优秀的企业和企业家坚信逆变焊机 是发展方向。在认真总结经验教训的基础上，从六个方面进行了很大的努力。一是认真 改进技术设计；二是努力解决制造设备和制造工艺问题；三是认真解决元器件的选购问 题；四是加强企业管理，开展产品认证和体系认证工作：五是全面分析产品品种方向， 积极调整产品结构；六是认真听取用户意见，不断提高产品的可靠性，做好用户推广工 作。 目前，我国逆变式焊接电源已经呈现出全面推广的态势。近几年的埃森国际焊接展览 会中，中国企业展示的焊机产品几乎全部都是i g b t 逆变焊机，2 0 0 2 年，我国逆变式焊机 占各种类焊机的7 9 t 1 0 1 。同时，我国电焊机产品结构不合理，手工弧焊机占焊机总量 的7 0 多，自动与半自动焊机仅占2 0 左右，而先进工业国恰好相反【”】。通过这一数据 对比，看到我国逆变式焊机生产的落后局面，但同时也预示中国市场对逆变式焊接电源 的巨大需求，未来的市场空间广阔，焊机生产企业在这一领域将大有作为。 1 3 逆变式焊接电源的发展趋势及需解决的科学问题 1 3 1 逆变式焊接电源的发展趋势 逆变式焊机总的发展趋向是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并 以提高可靠性、性能及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊方法、电阻焊、切 割等等工艺中。高效和高功率密度( 小型化) 是国际上弧焊逆交器追求的主要目标之一。 高频化和降低主要器件的功耗是实现这一目标的主要技术途径。当前，在日、美、欧等 国和地区，2 0k h z 左右的弧焊逆变器技术已经成熟，产品的质量较高且产品已系列化。 弧焊逆变技术正朝以下方向发展： ( 1 ) 沿2 0 k h z 的技术路线开发研制5 0 k h z 、1 0 0 k h z 级的弧焊逆变器。1 9 9 3 年埃森博览 会上首次展出了1 台1 0 0k h z ，额定电流1 3 0 a ，重量仅4 k g 的弧焊逆变器样机，它标 志着国际上1 0 0 k h z 级的弧焊逆变器开始从实验室走向生产车间1 1 “。 ( 2 ) 探讨旨在降低电力电子器件开关功耗，提高开关频率的零电压、零电流开关( 软开关) 技术，其中包括电路拓扑结构和工程实现。高频( 1 1 0 m h z ) 谐振开关技术，包括准谐 振式和多谐振式零电压、零电流技术，是近1 0 年来国际电力电子领域研究的热点。i e e e t r a n p o w e re l e c t r o n i c 和i e ep r o c e e d e l e c o l r i cp o w e r a p p l i c a t i o i l s 约1 5 的论文是研究 高频谐振开关变换器的理论分析、建模、拓扑结构、计算机仿真和工程实现技术。目前 在i 1 0 m h z ，实验室已达数百瓦水平；在1 0 0k h z 级达几千瓦水平。对高频谐振软开 关技术在数百k h z 以上才能充分显示其巨大的优越性，由于器件、材料和技术上的原 因，在今后较长的一段时间内，弧焊逆变器依然以硬开关技术为主，但软开关技术也将 第一章绪论 愈来愈多地得到开发和应用【1 。 ( 3 ) 研制和生产大容量的逆变式焊机。为适应市场的需求，厚大工件焊接需要10 0 0 2 0 0 0 a 的逆变式埋弧焊机( 单、双丝，带状电极等) 、大功率等离子喷涂逆变器和电阻焊机 等等。国内外正在研制和生产大容量的逆变焊机。在国内， 1 0 0 0 a 、1 2 5 0 a 、1 5 0 0 a 的双 丝埋弧焊逆变器和6 0 k v a 以上的等离子喷涂逆变器已有样机，而且容量还在不断增大l l 。 ( 4 ) 研制和生产智能控制的逆变式焊机。为适应高质量、高性能和焊接工作环境的市场 需求，愈来愈多地研究开发和生产智能控制的逆变式焊机，其中包括为了大幅度减少 c 0 2 焊飞溅的波形控制和模糊控制技术、人工神经网络技术、自动跟踪技术等等。采用 波形控制和模糊控制技术的逆变式焊机，在日本、美国、法国等国已有批量产品，我国 已有研究开发成果和样机。为了减少人为因素对焊接操作和质量的影响，人们还正在研 制象傻瓜相机那样操作的逆变式焊机【”j 。 ( 5 ) 研究功率因数校正和减少电网谐振干扰。目前逆变式焊机的输入整流滤波单元均采 用不可控二极管整流和大容量滤波电容，它会产生交变的严重非正弦化和窄脉冲电流， 导致有的逆变器功率因数很低，如半桥式焊机只有0 6 5 左右，随着逆变式焊机的日益 推广应用，电网谐振问题变得愈来愈严重，因而改善输入电流波形和提高功率因数已成 为重要的课题，特别是对三相和中大功率的逆变式焊机需要进一步开展功率因数校正和 减少电网谐振波干扰的研究。 1 3 2 发展逆变弧焊电源需解决的问题及可采取的措施 1 存在的问题 逆变弧焊电源所具有的独特优点，使得它在国内外得到全面推广使用。实际调查和测 试表明：国内外逆变焊机的焊接工艺性能相差不大，主要差别在于可靠性，尤其是大容 量焊机。焊机作为种耐用品，用户购买焊机是在注重焊机的使用性能、稳定性和可靠 性的前提下，才注重焊机技术先进性的。一些研发单位和企业对产品的可靠性、稳定性 和质量尚未很好把握，生产出来大量不成熟的产品，使得中国用户对逆变焊机的可靠性 存有很大的疑虑，致使欲更新焊机的用户更加谨慎。可靠性问题将是制约我国逆变焊接 电源的推广及应用的瓶颈。 随着输出功率的增大、对焊接性能要求的提高，逆变焊接电源的高频化都给逆变 焊机的可靠性提出更高的要求，使得研究者需要对焊机的可靠性问题进行进一步的思 考。 弧焊逆变器可靠性固然与工作负载变化大、工作条件恶劣、要求较高的适应性有关， 同时也与功率开关器件在开通和关断过程中存在开关损耗，开关损耗随频率提高而线性 增加有关【i6 】。过高的逆变开关频率使开关损耗增大，开关损耗大导致开关器件的结温升 高，使得开关器件不能在额定电流、电压容量条件下运行。同时，在过高的开关频率情 况下，电路中的分布电感和分布电容对电路的影响加大，使开关器件的开关过程恶化。 在高频状态下，开关器件本身的极问电容也成为重要的影响因素，尤其对m o s f e t 、 i g b t 这类采用门极绝缘栅结构的器件来说，其极间电容较大，引起的损耗和密勒效应 第一章绪论 较为严重。在高压开通时，i 2 c u 2 的电容能量被开关器件本身吸收和损耗，使开关器 件温升增加。集射极间电容在电压转换时，d u d t 会耦合到驱动信号中，从而产生干扰， 在开关器件关断时产生小尖峰，严重时会使开关器件误导通。此外，高的开关频率使变 压器、电抗器等磁性元件的铜损和铁损大为增加，如果开关频率接近分布电容和分布电 感的谐振频率时，形成振荡会干扰弧焊逆变器的正常工作。而且电路中的电感、电容和 电阻随频率的增加，其特性也会变化，导致电路工作状况恶化。 2 提高可靠性的途径 大量文献【” 2 1 1 对影响逆变焊机可靠性的因素进行了分析和研究。总结起来，主要原 因有：( 1 ) 技术不成熟；( 2 ) 主电路及其参数选择不合理；( 3 ) 电源结构和布线设计不合理； ( 4 ) 保护环节措施不当；( 5 ) 元器件质量把关不严格；( 6 ) 检测手段落后；( 7 ) 各个设计、 生产等环节缺乏有效的管理等。 ( 1 ) 主电路的设计及器件的选择 目前i g b t 逆交焊机主电路主要有全桥、半桥、单端正激等形式。 对于小容量的焊机，主电路可以采用软过渡的双管单端正激逆变电路结构。这种电路 从理论讲工作稳定、可靠，但逆变主变压器的利用率低，通常用m o s f e t 作为开关元件， 但其实也不可靠，比如三宇早期产品，就是采用这种结构，开机就担心损坏。对于中等 容量的焊机，主电路通常采用半桥或全桥逆变式主电路来实现功率转换。为了降低成本， 可不采用大功率的i g b l 模块，而是采用小功率i g b t ( 如i r g 4 p c 5 0 w 、( 3 3 0 n 6 0 a 、 k 3 0 n 6 0 h s 等) 多管并联，时代公司早期产品就是这种结构，但最终以失败而告终。对于 大容量的焊机，主电路可采用电流等级为5 0 a 、7 5 a 、1 0 0 a 、1 5 0a ， 电压等级为1 2 0 0 v 的i g b t 模块组成的全桥式逆变主电路，这样的结构问题更多。 总之，逆变焊机属于电子控制类的产品，由于元器件的多样性，因而不同类型的焊 机其电路的组成是不同的。即使是同一类型的焊机，不同厂家、不同设计人员开发的产 品，其电路的组成也不相同。元器件选择不好、结构设计不合理、生产工艺不精细，都 降低焊机工作的可靠性。 ( 2 ) 合理设计电子功率开关管的保护环节 大功率开关器件是比较敏感和脆弱的电子器件，对工作条件的要求比较严格，对可 能出现的状态、偶然要素等应该充分进行考虑并设计完善的保护措施。如设计过电压、 欠电压、过电流、过熟等各种检测保护功能。 i g b t 开关管关断时，由于变压器漏感和线路电感造成很陡的尖峰电压，从而使c 、 e 极产生过电压。因此需要对i g b t 设计缓冲吸收电路，阻容参数的匹配直接关系着吸 收电路性能的优劣；i g b t 承受过流能力一般较差，一般地，过流超过1 0 1 a s 就会损坏， 过流保护电路需实时对i g b t 电流进行检测及保护。本设计采用降栅压及软关断相结合 的过流保护方法。 ( 3 ) 驱动电路的优化设计 驱动电路是影响功率开关器件工作的一个重要因素。驱动电路就是将控制电路输出 s 第一章绪论 的p w m 信号进行功率放大，来驱动功率开关器件。驱动电路的优劣直接影响逆变器的 性能。功率开关器件的开关特性与驱动电路的性能密切相关，同样的功率开关器件，采 用不同的驱动电路将得到不同的开关特性。高频化及i g b t 过电压都可能会造成栅极干 扰，而设计合理、抗干扰能力强的驱动电路可有效提高整机的效率及可靠性。 常采用的驱动电路形式有光电耦合型驱动电路和变压器耦合驱动电路。采用光电耦 合型驱动的优点是：占空比任意可调，隔离耐压高，抗干扰能力强，不过光耦的开关速 度会对驱动脉冲的前后沿产生影响；变压器耦合驱动以脉冲变压器作为磁隔离元件，将 传递的脉冲信号进行电流或电压变换，并达到隔离目的。但需考虑脉冲较宽时铁芯饱和。 因此，本设计采用高速光电耦合型驱动电路， ( 4 ) 控制电路的抗干扰措施 逆变弧焊机的高频变压器对控制电路是一个强大的干扰源，在控制电路的设计中要 注意采取相关的抗干扰措施。 a 控制电路与主电路采取隔离； b 合理布置电源线和地线，尽可能降低电源线和地线的阻抗，电源线和地线要粗、短、 直。避免走长线，尽可能拉开线间距，信号线之间不要走平行线。 c 增加强弱信号线之间距离，印刷电路板与i g b t 之间引线尽可能短并互相绞合。 d 一个i g b t 的触发元件应集中在一个狭窄的区域，避免互相交叉，同一相位的触发 电路应相邻，而两组之间的距离应相对较远。 1 4 本课题的研究任务 本设计针对全桥硬开关逆变电路，就影响其工作的可靠性因素进行研究，具体任务 如下： 1 设计合理的i g b t 过流保护电路，要求： o i g b t 出现过流时，立即缓降栅压： 在短路承受时间延长的这段时间内，判别是否真故障电流； 如果是瞬时过流，在过流结束后电路恢复正常的栅压。如果是真过流，则在延长 时间的末端内将栅极电压软关断； 在故障阶段，过流保护电路具有自锁功能并报警；经过一定时间后，回复正常工 作。 2 设计性能良好的驱动电路，并研究由于密勒效应造成的驱动栅极干扰，要求： 分析密勒效应的机理。 分析密勒效应的影响因素。 优化驱动电路与缓冲电路参数，以减小密勒效应。 3 对逆变变压器磁通不平衡进行研究，要求： 解释磁通不平衡的现象。 分析磁通不平衡的影响因素。 6 第一章绪论 提出抗磁通不平衡的解决措施。 第二章全桥l g b t 驱动与过压保护 第二章i g b t 驱动与过压保护 全桥电路输出功率大，而i g b t 作为全桥逆交器开关器件，承受着较大的电源电压 与输入电流。因此只有可靠的驱动和保护i g b t ，才能使全桥逆变器展现出它的优点并 获得较高的可靠性。 2 1i g b t 的驱动电路 在焊接过程中，i g b t 一直处于快速的开关状态，驱动电路性能直接关系到i g b t 的安全。驱动电路是i g b t 逆变焊接电源安全可靠工作的关键技术之- - 1 翊。 2 1 1 i g b t 栅极驱动要求 1 电隔离：由于功率i g b t 逆变焊接电源用于高压场合，驱动电路应与控制电路在电 位上严格隔离。实现电隔离可采用脉冲变压器及光电耦合器。本文所采用的为光耦隔离， 型号为6 n 1 3 7 。 2 栅极电压：驱动电路应当为i g b t 提供合适驱动电压幅度，栅极驱动为双电压供电， 正偏压为1 5 v l o ，负偏压一般取为一1 0 v 。 3 栅极串联电阻：选择合适的栅极串联电阻r g 对i g b t 的驱动相当重要。r g 太小会 使门极电压产生振荡，同时会使i g b t 的d u d t 耐量减小。具体选择i 沁时，要参考器 件手册。 4 驱动功率的要求：i g b t 的开关过程要损耗定的来自驱动电源的功率，栅极正反向 偏置电压之差u g e ，工作频率为f ，栅极电容c g e ，则电源的最小峰值电流为： u 锄= 1 ( 2 1 ) g 驱动电源的平均功耗为： p 。p = c 班f ( 2 2 ) 2 1 2 驱动电路基本形式 功率i g b t 驱动电路有分立元件构成的驱动电路，以及专用混合集成驱动电路。现 分别对两种驱动电路分别介绍如下： 1 分立元件构成的驱动电路 图2 1 为采用分立元件构成的光电耦合隔离的i g b t 驱动电路图，其驱动正电源为 v c c ，负电源为v e e 。这种驱动电路适用于任意脉宽情况，尤其适用于大功率器件的驱 动。 其工作原理为：正向驱动信号使光耦6 n 1 3 7 导通，t 1 、t 3 截止，t 2 导通，正向电 压v c c 经t 2 与r g 加到i g b t 栅极g 、e 之间，使i g b t 导通。v c e 为1 5 v ，使i g b t 处于导通状态。无驱动信号输入光耦时，t 1 、t 3 导通，t 2 截止，这样负电源电压经 第二章全桥i g b t 驱动与过压保护 t 1 与g g 加到i g b t 栅极，使i g b t 截止鲫。 i ，硒哪咿产 n f 嚼。 。a 刨， 广、一 r 4 旨恻k * b 肛牛* 。一 c l = t 3 j寸 m意 扫 25 v 。1 u d 4 。 jc 。w 哐r ，h d 5 c g w 望 d 3 jc 5 坠f j( 5 v jc 器 图2 1 栅极驱动电路原理图 2 专用混合集成驱动电路 目前，各i g b t 生产厂家均生产与其配套的混合集成驱动电路，如日本三菱公司的 m 5 7 9 系列，富士公司的e x b 系列，美国m o t o r a l a 的m p d 系列等，这些专用驱动电路 抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，在标准状态下能够起到较好的驱动与保护作用。 表2 1 几种集成驱动电路性能对比p o 】 比较内容 h l 4 0 2 bm 5 7 9 6 2 le x b 8 4 1 可工作电源电压正电源u o c ，、， + 1 5 计1 8+ 1 5 - 1 8+ 1 5 - - + 2 0 负电源u ，v 6 一1 26 一1 55 频率特性 开通时间最大值t 。us l21 5 上升时间最大值。1 1s o 1l 下降时间最大值t 缸。，l as o 11 关断时间最大值t 血。，ps 12 31 5 温度特性工作温度范围 c一4 0 卜8 5- - 2 0 - - + $ 51 0 鸣5 存储温度范围2 5 斗1 2 51 2 - + 1 0 0- - 2 5 - - + 1 2 5 驱动能力 正向驱动能力a + 5+ 5 + 4 脉冲宽度- 2 us 负向驱动能力a - - 55 4 脉冲频率2 0 k h z 可驱动i g b t6 0 0 v1 g b t 4 0 0 5 0 0 4 0 0 最大容量1 2 0 0 vl g b t 3 0 04 0 03 0 0 3 两种驱动方式的比较 在某些场合，需要调节驱动参数，例如驱动脉宽修正；i g b t 的过流保护时，有时 也需要调节过流参数。相对于分立驱动元件来说，混合集成驱动电路能够完成基本的驱 动保护功能，但是能够调节的参数比较少，参数调节困难，成本也比较高，并且没有考 虑到各种i g b t 开关瞬间的性能差异。因此，本文采用图2 1 所示的分立元件构成的驱 动电路。模块驱动附有过流保护功能，本文采用的过流保护电路将在第三章介绍。 9 巾j；jl 第二章全桥i g b t 驱动与过压保护 2 1 3 栅极驱动布线 i g b t 是电压驱动型器件，且具有一个2 5 v 0 5 0 v 的阈值电压，有一个容性输入阻 抗。因此，i g b t 对栅极电荷集聚很敏感，故此驱动电路必须非常可靠，要保证有一条 低阻抗值的放电回路，这就对驱动电路与i g b t 的布线提出了比较苛刻的要求。栅极驱 动布线对防止潜在的振荡、减慢栅极电压的上升、减小噪声、降低电源驱动功耗有很大 的影响，因此必须注意以下几点： 1 必须尽量减小输出线的寄生电感，减小驱动脉冲输出回路环路面积。 2 正确放置驱动板或屏蔽栅极驱动电路，防止功率电路的干扰。 3 若驱动p c b 板不能与i g b t 控制端子直接连线时，要采用双绞线，约2 转c m ，连线应尽量短，或用带状线。 4 驱动p c b 板上各驱动线不宜太近，且尽量避免平行。 5 光隔离信号时，其原、副边与电路其它器件之间的连线尽量短。 6 为了提高栅极抗干扰能力，应在栅源之间并联电阻( 1 0 - 2 0 k q ) 或双向箝位稳压管， 或者两者并联。 2 2i g b t 过压保护 2 2 1 过冲电压产生机理 l a + q 1 、j = = 亡 i 上 vd一 毗 p j q 2 、。 id2kj 图2 2 全桥逆变电路 普通桥式逆变电路如图2 2 示。图中d 卜d 2 、d 3 、d 4 分别为开关管q 1 、q 2 、q 3 、 q 4 的等效反并联二极管，l 。是线路的布线电感，r l 为感性负载。 当q 1 、q 4 导通时，电流由v d + 经l a 、q 】、i k 、q 4 到v d 一。当q 1 、q 4 关断时， 感性负载电流不能突变，势必经过d 3 、d 2 回送到v d 。这一阶段分布电感l 。的电流i a 从q - i l 到- - i l 变化很快，所以将在l 。上产生一个负的电压：v 。= 一2 l a i 饥，尽管l a 不是 很大，但时间t 很短，i t 又比较大，故v 。也很大，所以在q l ，q 4 两端电压v 出= v d v 。将比v d 高得多，即产生了电压尖峰。在极端情况下，该尖峰电压将会超过i g b t 的 耐压值，并能使i g b t 损坏【2 3 1 。 2 2 2 缓冲吸收电路形式 为了使i g b t 关断时的过电压能得到更有效的抑制并减小i g b t 的关断损耗，通常都 1 0 第二章全桥l g b t 驱动与过压保护 l 畏l 母 已毋l 母 第二章全桥i g b t 驱动与过压保护 从吸收过电压的能力来说，放电阻止型吸收效果稍差，但能量损耗小。因n p t 型 i g b t 具有方形的安全工作区，能适应高效的放电阻止型缓冲吸收电路，这就使得i g b t 采用n p t 型的变换装置的效率提高。 本设计采用图2 3 b 所示的i 汇d 吸收电路。 缓冲吸收电路的要点是：( 1 ) 尽量减小主电路的布线电感l 。；( 2 ) 吸收电容应采用低 感吸收电容器，为了减小吸收电容的l 。，它的引线应尽量短，最好直接接在i g b t 的端 子上；( 3 ) 吸收二极管应选用快开通与快软恢复二极管，以免产生开通过电压和反向恢 复引起较大的振荡过电压。 2 2 3 全轿硬开关工作过程吸收电路工作过程分析 全桥式逆变主电路由功率开关管i g b t ( q i 、q 2 、q 3 、q 4 ) 和高频变压器等主要器件 组成，如图2 5 a 所示，快速恢复二极管d 1 d 4 与q l q 4 反向并联，承受负载产生的 反向电流以保护i g b t 。四个r 、c 缓冲环节是为了避免四个i g b t 关断时过高的电压 上升速度和减少管子的关断损耗f 2 5 1 。 | 门 r l a ) 全桥逆变主电路结构图 b ) 1 g b t i 的u c e 波形 图2 5 全桥逆变主电路及其波形 t 0 t l 时段：q l 、q 4 从导通转到关断状态，变压器原边经两条回路续流，一是经t 原边b 端一c 3 一r 3 一v d l c l t 原边a 端对c 卜c 3 充电，二是经t 原边b 端一c 4 一v d 4 一r 2 一c 2 一t 原边a 端对c 2 、c 4 充电。c 3 电压下降，c 4 电压上升，由输出电流 i 变成很小的电流，此时变压器两端形成很高的电动势。当d 3 两端的电