az25kW逆变焊接电源主电路设计.doc

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要随着科学技术的日益发展，人们对电路的要求也越来越高，由于在生产实际中需要大小可调的直流电源，逆变器的电路拓扑结构有推挽式、全桥式、半桥式、单端正激式、单端反激式等多种形式，对于大功率你变电源，适宜采用全桥式逆变器。对于大功率你变电源，适宜采用全桥式逆变器。变焊接电源因具有体积小、质量轻、节材、高效节能等突出优点得到广泛应用。在进行主电路设计时可根据主电路的输入、输出参数来确定各个期间的参数。在对器件进行合理的选择以便达到设计要求，符合相应的功能。本课设的研究对象是通过对一台350A全桥式IGBT逆变焊接电路主电路的设计，详细介绍了逆变焊接电源主电路的设计及计算方法。关键字：IGBT，晶闸管，晶体管目录第1章 绪论1第2章 25kW逆变焊接电源主电路设计22.1确定主电路拓扑结构22.2串联谐振式逆变电源稳压调节方式22.3 25kW逆变电源主电路的设计42.4整流部分4第3章 器件的选择与保护63.1 整流二极管63.1.1整流二极管模块的选择63.1.2 整流二极管的保护设计63.2滤波电容Cd选择93.3 斩波电路参数的选择93.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的选择103.5 IGBT 的保护设计11第4章 高频变压器的设计134.1 高频变压器主要参数134.2变压器磁芯的选择134.3高频变压器一次侧、二次侧绕组匝数计算15第5章 课程设计总结16参考文献17附录一 总电路图18第1章 绪论逆变焊接电源因具有体积小、质量轻、节材、高效节能等突出优点得到广泛应用，它由主电路、保护电路、控制电路3部分组成。主电路的核心是逆变器。逆变器主要由功率电子开关和中频变压器组成。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是现在常用的功率电子开关，它是MOSFET管和GTR管集成在一块芯片上的符合器件，集合了2种管子的优点，具有容量大、开关频率高等优点，已经逐步成为大、中容量逆变器的功率电子开关管的主流。逆变器的电路拓扑结构有推挽式、全桥式、半桥式、单端正激式、单端反激式等多种形式，对于大功率你变电源，适宜采用全桥式逆变器。对于大功率你变电源，适宜采用全桥式逆变器。该设计的逆变电源输出电流是350A，空载电压50V，频率20kHz，功率较大，故选用IGBT全桥式结构逆变主电路。由于全桥式逆变主电路，功率开关器件耐电压要求可以稍低，所以为了使开关器承受同样的耐电压和电流情况下逆变器与更大的功率输出，采用全桥式逆变主电路。而且全桥式逆变电流通过串联合适的隔直电容以及严格控制电路正负半波的对称性和严格的挑选功率开关管，可达到半桥式逆变电流同样的抗不平衡能力。25kW逆变焊接整流电路主电路设计内容：1、 方案的经济技术论证。2、 主电路设计。3、 通过计算选择整流器件的具体型号。4、 若采用整流变压器，确定变压器变比及容量。5、 触发电路设计或选择。6、 绘制相关电路图。 第2章 25kW逆变焊接电源主电路设计2.1确定主电路拓扑结构 根据负载谐振形式的不同，可以将电源逆变器分为串联谐振式逆变器和并联谐振式逆变器两种逆变结构。图2-1和图2-2分别给出了两种逆变器的拓扑结构。 图1-1串联谐振逆变器结构 图1-2并联谐振逆变器结构串联谐振式逆变器的输入端并接有大电容，逆变器将直流电压变换为交流电压，因此也称为电压源型逆变器；电流型逆变器的输入端串接有大电感，形成平稳的直流电流，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出，因此也称为电流型逆变器。从电路原理的角度来看，两种电路是完全对偶的。综合比较串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的优缺点，从适合高频小功率应用的角度，本设计选用串联谐振逆变器电路拓扑。2.2串联谐振式逆变电源稳压调节方式因为电网电压波动10%，所以要通过稳压调节稳定高频变压器原流I10，从而稳定高频变压器输出电压使负载正常工作。串联谐振式逆变电源的调压主要方法是直流侧调压。直流调压通常采用相控整流或直流斩波来改变逆变器的输入直流电压的大小。（1）相控整流调压由六只晶闸管组成三相全桥可控整流电路如图1-3所示。 图1-3相控整流电路三相全桥可控整流电路是通过控制由6只晶闸管实现的全控整流桥的开通和关断来调节直流输出电压，采用晶闸管整流电路虽原理易懂，并且可以通过调节控制角，从而稳定电网电压的波动。（2）直流斩波调压 逆变电源中的直流斩波调功方式的调功原理如图1-4所示： 图1-4斩波调功方式原理框图前端是由六只二极管组成的三相不可控整流器，输出的直流电压Ud，经过电容Cl滤波后送入由开关管T、续流二极管D、滤波电感L1组成的斩波器，调节T的占空比，逆变器得到的电压就在0Ud之间任意的电压值。本设计选用不控整流加PWM软斩波器的调压方式。2.3 25kW逆变电源主电路的设计 图1-5 25kW逆变电源主电路图 采用二极管整流，得到脉动的直流电；再用电解电容进行滤波，输出稳定的电压；考虑电网电压波动，通过检测高频变压器原边线圈电流I10并与额定值相比较，调节PWM信号从而通过斩波电路稳定高频变压器原边线圈电流；用IGBT器件逆变，并用SPWM控制方式对逆变开关器件进行控制。从而使输出端得到一系列幅值相等而脉冲宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者需要的波形。此电路特点：（1）可以得到相当接近正弦波的输出电压； （2）整流电路采用二极管，可以获得接近1的功功率因数； （3）通过对输出脉冲宽度的控制就可改变输出电压，大大加快了变频器的动态响应。2.4整流部分 三相 380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。假定没有电压变化，其输入电压为 U=380V,则通过三相桥式不可控整流输出电压直流平均值： （2.1） 整流滤波后电压为： （2.2） 考虑电网电压波动(10%波动)则整流滤波最高电压为： （2.3） 整流滤波最低电压为： （2.4）电源输出功率为Pd=2kW,考虑设整流器、斩波器、逆变器的效率的都为%98，以及高频变压器的效率都为90，并假设电源的功率因数为0.95，设计最大整流输出功率为： （2.5） 则最大整流输出电流 : Idm= =4.5A第3章 器件的选择与保护3.1 整流二极管3.1.1整流二极管模块的选择 二极管的平均通态电流为1/3Idm(1/3应是三相整流中，每组二极管通过电流的总电流的1/3)，则二极管电流有效值 ID=。 ID=2.6A 二极管电流定额： IDN=2=2=3.3A (考虑2倍安全余量) 二极管电压定额： UNRM=21.1537=1082V 选择额定电流为4A ，额定电压为1200V的快速恢复整流二极管 型号：MUR4120。3.1.2 整流二极管的保护设计（1）过压保护正常工作时，二极管能承受的最大峰值UM有一定的限度。超过此峰值电压的就算过电压。在这个流装置中，任何偶然出现的过电压均不应该超过元件的不重复峰值电压UDSM ，而任何周期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压URSM。这两种电压都是经常发生和不可避免的。因此，在变流电路中，必须采用各种有效保护措施，以抑制各种暂态过电压，保护二极管元件不收损坏。交流侧过电压保护计算： 式中 U压敏电阻两段正常工作电压的有效值。U1mA上限的确定应是在吸收过电压时，其残压低于被保护的整流二极管所允许的电压值。侧交流侧压敏电阻U1的选择考虑电网电压波动(10%波动)则： 因为通常用于中小功率整流器操作过电压保护时，可选择35kA，故压敏电阻RV1RV3选择VJY型额定电压为1000V，5kA。二极管的过电压保护： 整流二极管的过电压保护，通常是在二极管元件两端并联RC电路，如图所示。整流二极管过电压保护电路RC的选择：电容 电容耐压 ，电阻R一般取R=1030,对于整流管取下限值。其功率满足： 二极管额定电流（A）整流输出额定电压(V) 二极管两端电压峰值。表3-1 二极管RC保护电路参数经验值10205010020050010000.10.150.20.250.5121008040201052 整流二极管的过电压保护，通常是在二极管元件两端并联RC电路，如图3-2所示。 图3-2 RC保护 则保护电路参数计算： C=(2.55)0.010.02，取0.02； ，取1500V； R=10，取2W。直流侧过电压保护 在直流情况下： （1.82.2）Ud0V式中 Ud0整流滤波后的直流输出电压。则，U1MA(1.82.2)537V=（9671181）V，所以压敏电阻RV4取1200v，5kA。（2）过电流保护快速熔断器选用原则：额定电压：额定电压不小于正常工作电压的方均根值。额定电流：额定电流应按它保护的元件实际流过的电流（方均根值）来选择，一般可用下列各式计算。交流侧过电流保护采用快速熔断器额定电压：额定电压不小于正常工作电压的方均根值。 额定电流：额定电流应按它保护的元件实际流过的电流（方均根值）来选择，一般可用下列各式计算。 交流侧： 熔体额定电流 最大整流电流 三相桥式取0.816 所以： 故交流侧快速熔断器F0F3选择RS3额定电压750V,考虑熔体额定电流应选4A的快速 熔器。为限制短路电流上升率和瞬时短路电流峰值，在交流输入端串三只进线电抗（L1L3）,数值180，进线电抗还能阻隔中频谐波影响交流电网。二极管的过电流保护： ， 故交流侧快速熔断器FU1FU6选择RS3额定电压750V,熔体额定电流4A的快速熔断器。直流侧过电流保护采用快速熔断器 =4.4A，故直流侧快速熔断器FU7FU8选择RS3额定电压750V,熔体额定电流10A的快速熔断器。3.2滤波电容Cd选择（1）电解电容Cd的作用：三相全波整流输出的直流脉动频率300Hz，为了供给逆变平滑的直流电压，必须输入整流电路和逆变器之间加入滤波电容，以减小整流输出后直流电的交流成分。滤波电容一用电解电容器。电容不仅增加了变器的效率，而且保证了逆变器的可靠运行。（2）滤波电容Cd的计算如果把6次谐波脉动电压Ud(6)限制在的范围内则：（式中 Id(6) 6次脉动电流有效值，市电网频率，当f =50Hz时，=314rad/s)确定电解电容时，应首先考虑电网波动10%，当输出整流输出电压为最低值为90%U0= ；且要保证输出功率则 Id(6)； 这里；，电容两端电压 考虑较大的电解电容可以得到更平缓的输入电压并综合考虑成本实际选用两只标称为3300F/600V直流的电解电容串联使用。3.3 斩波电路参数的选择（1） 开关管的选择： 斩波器的频率fr选定为20kHz，整流桥的输出电流即斩波器的最大输入电流IdM=4.5A，输入电压为U1=537V，斩波器承受的最大电压与整流桥一致，为537V， 输入电网电压380V整流滤波后，直流输出最大值Ud=U1.1，其中，U为 380V电网电压有效值；1.1为电压波动系数；为1.1裕量(或安全)系数。则， Ud=3801.11.1=650V。 该值为IGBT所承受的稳态最大电压值。但在实际工作中，IGBT所承受的最大峰值电压往往在关断时，其关断峰值电压Uceps=(Ud1.15+150)。其中，Ud为直流输出电压大值；1.15为过电压系数；150为感抗电流上升率di/dt引起的尖峰电压(V)；为1.1裕量(或安全)系数。 则Uceps=(Ud1.15+150)=(6501.15+150)1.1=987.25 V，考虑IGBT电压格则选1200V为实际电压值。 流过斩波器的最大电流为I=（1.52）4.5=（6.759）A ，所以选择10A ，1200V IGBT选取FUJI公司的IGBT，型号1MBH05D_120，故即使在该开关管发热情况较严重的情况下仍可保证其通流能力在可靠范围内。（2）开关管反并联二极管Ds的选择： 开关管反并联二极管Ds其电流值为IdM=4.5A，其参数与第四章中的整流二极管参数基本一致，所以考虑安全余量选择额定电流10A ，额定电压1200V的快速恢复二极管，型号：MUR10120 （3）续流二极管Df 的选择：续流二极管Df 的参数也与第四章中的整流二极管参数基本一致，所以考虑安全余量选择额定电流10A ，额定电压1200V的快速恢复二极管，型号：MUR10120 （4）软开关谐振电感和谐振电容的选择： Lr和Cr的设计取决于它的谐振频率fr和最大输出电流Iomax。可以按照以下式子进行确定。 式中： Kc=0.8。 取Lr=160,=0.08，电容耐压值1500。3.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的选择(1)确定电压额定值Ucesp Ud=380=650V式中，为波动系数，值取1.1。关断时的峰值电压 表22 IGBT电压选择 交流电压（输入）/V直流母线电压/V选择器件耐压/V单相交流230350600三相交流3806001200 则Ucesp =（6501.15+150）=987.25V式中1.15为过电压保护系数；为安全系数，一般取1.1；150为电感引起的尖峰电压。考虑表41 IGBT的电压规格，本设计中选用的IGBT额定电压为1200V(2)IGBT模块额定电流确定： 主变压器一次侧电流：I1.=，其中，NP高频为变压器原边绕组的匝数；Ns为高频变压器副边绕组的匝数；U10为变压器一次侧电压，因为经整流逆变后输出电压为方波电压，其有效值不变所以U10=U1=537V;U20为变压器二次侧电压，由设计基本条件得出U20=110V； I2为变压器二次侧电流, 则，。IGBT模块每只管上的平均电流额定值(全桥式整流)I=0.5I10=0.53.7=1.86A，如选用 IGBT模块给定电流额定值是在结温TC=25条件下，则模块电流值ICS应按下列条件给予确定。 ICS=I1.51.4=1.4141.861.51.4=5.5A，式中：为峰值系数；I为IGBT管上平均电流；1.5为单位时间(1min)过载容量系数；1.4为IGBT的IC减小系数。根据Ucesp=987V， ICS=5.5，考虑充足的安全余量选择型号为FUJI公司的IGBT，型号1MBH05D_120。 通过上述两种对IGBT模块选择和理论计算，IGBT模块选基本吻合的，这说明实际工作中所选用的IGBT是可行的。3.5 IGBT 的保护设计（1）过电压保护功率主回路的吸收电路如图6所示,是用来吸收IGBT关断浪涌电压和续流二极管反向恢复浪涌电压。IGBT的过压保护如图22所示图2-2 IGBT过压保护电路 电容C的选取： 根据 C=； 其中 IC-IGBT最大集电极电流（A） tfv-IGBT最大集电极电压上升时间（s）, tfi-IGBT最大集电极电流下降时间（s）, UCE-IGBT最大集电极与发射极电压（V）； 一般电容不要选择过大，以0.1F0.2F为宜，否则电阻发热严重。（取C=0.2F）电阻的选择： R= 其中ton-IGBT最小导通时间； C-吸收缓冲电路中电容值。在逆变频率为20kHz则 D(占空比)=tonf ton=5 s电源最小占空比为0.1，由R=确定阻值大小。所以，R=8.3，取10。二极管D的选择： 快恢复二极管（FRD）：有0.8-1.1V的正向导通压降，35-85ns的反向恢复时间，在导通和截止之间迅速转换，提高了器件的使用频率并改善了波形。 整流输出的最大电流为I=（1.52）4.4=（6.759）A ，所以选择10A，1200V故即使在该开关管发热情况较严重的情况下仍可保证其通流能力在可靠范围内。所以器件选取型号：MUR10120。（2） 过电流保护过电流保护的熔断器的额定电流，取值取IGBT额定电流的1.52倍裕量，即： IRN=5.5（1.52）=8.25A11A， URN=1000V。所以FU9FU12选择RS3型额定电压1000V,熔体额定电流10A的快速熔断器。第4章 高频变压器的设计4.1 高频变压器主要参数 高频变压器输出功率PT=Pd=2000W; 原边绕组电压幅值U1=537V； 次级输出电压U20=I10V： 开关频率=20kHz； 额定输出电流I20=18.2A； 变压器效率4.2变压器磁芯的选择适用于高频的磁芯材料有铁氧体磁芯，铁粉磁芯以及非晶合金。设计时，要查找三类磁芯的基本特性以选择合适的磁芯材料，在一般情况下都可选用铁氧体材料满足设计要求。然后在根据厂家提供的磁芯材料手册(一般可在磁芯厂家网站获得)选取具体的磁芯材料编号并获得其具体特性参数。磁芯规格的选取通常可先估算变压器的效率，然后由输出功率和估算效率计算出变压器的输人功率，再根据生产厂家给出的磁芯规格和传送功率的关系数据来选择。如果手头缺少上述资料，可利用常用Ap法进行估算选取。 （4.1）式中： Ae为磁芯截面积(cm2）； AQ为磁芯窗口面积（cm2）； PT为变压器的标称输出功率（W）； Bm是磁芯工作的磁感应强度（G）； 是线圈导线的电流密度，通常取=23(A/mm2)； Km是窗口填充系数，一般取0.20.4；为开关频率； KC是磁芯的填充系数，对于铁氧体KC=1.0。 要选取磁芯的AeAW接近且大于式(1)中的AP值。 取=2A/mm2 并将； Km=04： KC=1.0；=2Ox103(Hz)：为了多留些余地，可在减小主功率变压器的最大磁通密度Bm=1000GS，等参数一起代人式(3.1)，得 拟选择EE型磁芯，其外形如图4-1所示。 图4-1 EE型磁芯外形图其中Ae和Aw可按下面的式子进行估算。 根据图31中提供的磁芯尺寸，我们选择EE110/110，其磁芯尺寸参数如表4-2所示 表4-2 EE型磁芯尺寸 则，cm2，因此EE118/170磁芯的功率容量为： 而2000W、20kHz的开关电源的设计功率容量为： AP=69.4可见它明显小于功率容量乘积值175.7，符合要求。4.3高频变压器一次侧、二次侧绕组匝数计算 计算高频变压器原边绕组的匝数值： 取原边匝数50砸。计算高频变压器副边绕组的匝数值： 取整数时副边匝数为10砸。 第5章 课程设计总结本设计中，是以温度采集及检测为总目标，以AT89C51电力电子最小应用系统为总控制中心，辅助设计有温度采样电路、A/D转换单元、LED数码管静态串行显示器等。在设计过程中，遇到了许多问题，如设计初始阶段目的不明，思绪混乱，经过认真思