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电气电子毕业设计论文
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毕业设计18大功率弧焊电源设计论文,电气电子毕业设计论文
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大功率直流弧焊电源设计 I 编号 南京工程学院 毕业设计（论文） 题目： 大功率直流弧焊电源 控制电路部分 南京工程 学 院 （ 系 ） 电 气 工 程 及 其 自 动 化 专业 学 号： 0531150844 学生姓名： 刘链波 指导教师： 徐子闻 （职称：教授 ） nts南京工程学院论文 II 摘要 软开关技术是解决逆变弧焊电源可靠性的核心技术。本文提出了一种软开关逆变弧焊电源的设计方案，设计主要分为两个部分：主电路和控制回路。计算出了主电路各个部分元件的参数，以及几个主要谐振参数 的设计方法。本文分析了超前臂的关断功耗与并联电容之间的关系，串联电容及回路电感对环流期的电流变化的影响。在实践中采用本方案表明，降低了开关应力及损耗，提高了整机可靠性，降低了弧焊电镐的成本。 为减小开关器件的开关损耗，提高开关频率，减小开关电源的体积、重量，提高效率，介绍了新型移相控制零电压开关 PWM变换器 (PSZVS PWM)工作原理，实现零电压开关的条件，并给出了由控制芯片 UC3875构成的实用高频开关电源电路。 本文也对目前在电力电子技术中广泛使用的 IGBT驱动模块 EXB841的使用方法进行了改进，克 服了 EXB841本身的缺陷，提高了保护的可靠性和延长模块的使用寿命，对使用好新型电力模块有一定的借鉴作用。 关键词： 逆变电源；移相控制； UC3875;驱动电路 ;弧焊电源 nts大功率直流弧焊电源设计 III Abstract Soft switch is the key technology to solve the problem of invert welding power source.This article introduces a design plan of soft switch invert welding power source,there are two part:the main circuit and the control loop.It also analyzes the parameter of the main circuit,and the design methods about the main resonance parameter,and the cost of the leading arms and the parallel C, series C and loop L affect the loop current.It shows that can lower the switch stress， wastage, and cost and even improves the reliability. It also introduce the control loop .reducing the switching loss of transistors and increasing the switching frequency， So that the volume and weight of switching power supply can be reduced and the efficiency of the switching power supply can be improved， by introducing the operation principle of shifting phase， zero voltage switching， the condition for realizing the ZVS and a practical high frequency switching power supply with UC3875 were given the improvement of IGBT driving module EXB841 widely used to current electric power and electronic technologies It overcomes the limitation of EXB841 itself， enhances the reliability of protection and prolongs the service life of the module， which provides a reference at a certain extend to use new electric power modules. Key word:inverter;arc welding;soft switch;UC3875 nts南京工程学院论文 IV 目录 摘要 II ABSTRACT III 目录 IV 第 1 章 绪论 1 1.1 电源发展的历程 1 1.2 弧焊电源的分类、特点及运用 1 1.3 弧焊电源技术的现状与发展 2 1.3.1 弧焊电源技术的现状 2 1.3.2 弧焊电源技术的发展 4 第 2 章 大功率直流弧焊电源的设计 5 2.1 逆变式弧焊电源的基本组成 5 2.2 逆变式弧焊电源的结构及原理 6 第 3 章 控制回路的设计 8 3.1 移相控制电路的设 计 9 8 3.1.1 相移脉冲宽度调制谐振控制器 UC387512 8 3.1.2 UC3875 外围电路设计 11 3.2 驱动 电路的设计 10 11 3.2.1 EXB841 的构成及特点 12 12 3.2.2 EXB841 高速型驱动器它的典型应用电路 13 3.3 PI 调节器的设计 13 14 3.4 电流检测元件的设计 14 3.5 辅助电源的设计 15 3.5.1 UC3875 的 电源的设计 15 nts大功率直流弧焊电源设计 V 3.5.2 EXB841 的电源的设计 15 结束语 17 致谢 17 参考文献 18 附录 19 图 控制电路图 19 nts大功率直流弧焊电源设计 1 第 1 章 绪论 弧焊技术是现代焊接技术的重要组成部分，其应用范围几乎涵盖了 所有的焊接生产领域。电弧焊作为一种基本的金属处理方法 ,被广泛地运用于国民经济的各部门，为电弧焊提供能量的弧焊电源从诞生起已取得了很大的进展。 弧焊逆变电源是七十年代末发展起来的一种新型电源，它采用了 DC AC DC 变换技术，把低频交流电转换成数万赫兹的高频交流电，从而去除了笨重的工频变压器，大大的减轻了重量，并提高了效率。通过对电流及电压的闭环控制，能得到任意外特性输出，可以分别满足不同焊接方法的需求。 1.1 电源发展的历程 电弧作为一种气体导电的物理现象是在 19世纪初被发现的，但 1885年俄国人别那尔道斯发明碳极电弧可看作是电弧作为热源应用的创始，而电弧真正用于工业则是在 1892年发明金属极电弧后，特别是 1930年前后出现了薄皮和厚皮焊条以后才开始的。 上个世纪 40年代研究成功了埋弧焊，而随着航天与原子能工业的发展出现了氩弧焊。50年代又出现了 CO2与各种气体保护焊并研究出了等离子弧焊，到 60年代，由于大容量硅整流元件、晶闸管的问世，为发展硅整流器、晶闸管式的弧焊整流器等提供了条件。到 70、80年代，弧焊电源的发展更是出现飞跃：多种形式的弧焊整流器相继出现和完善，研制成功多种形式的脉冲弧焊电源，为进一步提 高焊接质量和适应。全位置焊接自动化提供了性能优良的弧焊电源。此外，还先后研制成功了高效节能，性能好的晶闸管式、晶体管式、场效应管式的 IGBT弧焊逆变器。随着新型弧焊技术的发展，弧焊电源也不断地得到发展。 1.2 弧焊电源的分类、特点及运用 无论是国内还是国外弧焊电源都有不同的分类方法，因此其结果也不尽相同，笔者采用了陈祝年的分类方法。 (1) 弧焊变压器 它把网络电压的交流电变成适用于弧焊的低压交流电，由主变压器及所需的调节部分和指示装置等组成。具有结构简单、易造易修、成本低、效率高等优点，但其电流波形 为正弦波，输出为交流下降外特性，电弧稳定性较差，功率因数低，但磁偏吹现象很少产生，空载损耗小，一般应用于焊条电弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊等方法。 (2) 矩形波交流弧焊电源 它采用半导体控制技术来获得矩行波，电弧稳定性好，可调参数多，功率因数高。除了用于交流钨极氩弧焊 (TIG)外，还可用于埋弧焊，甚至可代替直流弧焊电源用于碱性焊条电弧焊。 (3) 直流弧焊发电机 一般由特种直流发电机及已获得的所需外特性的调节装置等组成，优点是过载能力强、输出脉动小，可用于各种弧焊方法的电源，也可用柴油机驱动及用于没有电源 的野外施工。但空载损耗较大、磁偏吹现象较明显、效率低、噪声大、造价高、维修难。 (4) 弧焊整流器 它是把交流电经降压整流后获得直流电，外特性可以是平的或下降的，它由主变压器、半导体整流元件以及获得所需外特性的调节装置等组成。与直流弧焊发电机比较，它具有制造方便、价格低、空载损耗小、噪声小等优点，而且大多数可以远nts南京工程学院论文 2 距离调节，能自动补偿电网电压波动对输出电压、电流的影响，但有磁偏吹现象。可作为各种弧焊方法的电源。 (5) 弧焊逆变器 它把单相 (或三相 )交流电经整流后，由逆变器转变为几百至几万赫的中频交流电， 经降压后输出交流或直流电。整个过程由电子电路控制，使电源具有符合需要的外特性和动特性。具有高效节电、质量轻、体积小、功率因数高、控制性能好、动态响应快易于实现焊接过程的实时控制、焊接性能好等独特的优点，可用于各种弧焊方法，是一种最有发展前途的普及型弧焊电源。 (6) 脉冲弧焊电源 其焊接电流以低频调制脉冲方式馈送，一般是由普通的弧焊电源与脉冲发生电路组成，也有其他结构形式。具有效率高、热输入较小、可在较宽范围内控制热输入等优点。这种弧焊电源用于对热输入比较敏感的高合金材料薄板和全位置焊接，具有独特的优点。 1.3 弧焊电源技术的现状与发展 1.3.1 弧焊电源技术的现状 传统的弧焊电源，如在占焊机总产量 90的焊条电弧焊焊机的生产中，以技术落后的矩形动铁式和大量耗材的动圈式交流弧焊机为主。在我国直流弧焊电源生产中，经国家三令五申，虽已逐步减少了电力拖动的旋转式直流弧焊发电机的生产，但未能完全禁绝。对整流式弧焊电源的推广，也是较为困难，由于老式的硅整流弧焊电源的性能难以与旋转式直流弧焊电源相匹敌，而国家重点推广的晶闸管整流电源 ZX5 250， ZX5 400初期性能并不稳定，使用户无所适从，这一局面直到上世 纪 90年代中期才得到改变。 逆变式弧焊电源出现于上世纪 70年代。 1970年晶闸管逆变焊机问世，但受电子技术发展的限制，到上世纪 9O年代才兴旺起来。它的出现立即解决了几个重要问提，所以得到飞速的发展。 20世纪 90年代后期，一些富有远见的企业家，再次推出了逆变焊机。这是由于人们对可靠性有了科学的认识，同时电力电子技术、控制技术、半导体器件技术和磁性元件等都有了长足的进步，使得逆变焊机的可靠性问题基本上得到了解决，主要表现在以下几个方面： (1) 器件质量高是可靠性的保证。功率开关器件由晶闸管、 GTR和 MOS管 发展到 IGBT管， 由于 IGBT为电压型控制压降低而显示出极大的优越性。随后 IGBT器件的制造工艺又进一步完善，采用了 NPN制作工艺。从而使其具有更好的耐过流冲击能力，非常适合焊接电源应用。 另一重要部件是变压器，其磁芯材料由铁氧体发展到超微晶材料，它具有饱和磁感应强度高、温度稳定性好和居里点高等特点。 (2) 设计合理是提高可靠性的根本。从前逆变焊机的设计只重视焊机性能设计而忽略了焊机的可靠性设计。可靠性设计是考虑到逆变焊机的整个工作过程，为降低功率器件的开关损耗，可采用谐振技术、软开关技术和无损耗吸收网 络设计技术等。 (3) 焊机的通用设计和结构设计。为减少器件的温升，片面增大散热器的热容收效甚微，更重要的是应增加散热片的面积和保证风路通畅。结构设计上采用防尘防潮设计，要nts大功率直流弧焊电源设计 3 尽可能缩短电路的引线长度，降低寄生电感的影响。 (4)焊机的电磁兼容性设计逆变焊机的电磁兼容性主要反映在输入电流波形为尖角波。它使电网中会有大量高次谐波而污染网路，并将降低焊机的功率因数。另外，逆变焊机大多采用硬开关方式，则在功率元件开关过程中，将会对空间产生电磁干扰 (EMI)和射频干扰 (RFI)。它不但影响周围的用电设备，同时还对自身产 生干扰。 上述两个问题是焊机电磁兼容性的重要内容。为抑制谐波，常采用有源滤波和有源功率因数校正技术；为抑制高频骚扰，可以采用软开关逆变技术。 在美国逆变焊机的产量占弧焊机总产量的比例已超过 30 ，日本已超过 50 。我国2000年逆变焊机的产量仅为 14596台，占当年生产的弧焊机总产量 (173798台 )的 8.4。逆变焊机到目前共经历了 3代。第 1代是以晶闸管为主开关器件的弧焊逆变器 (1982年 )，其逆变频率为 2000 5000 Hz；第 2代是以 GTR或 MOSFET为主开关器件的弧焊逆变器（ 1982年），其逆变 频率为 20 50 kHz；第 3代为 IGBT弧焊逆变器 (1990年 )，逆变频率为 20 30kH。逆变式弧焊电源根据所用开关的不同有 SCR、 GTR、 MOSFET、及 IGBT等，逆变频率自 30kHZ左右到 20kHZ甚至更高 (达 l00 kHz)。晶闸管 (SCR)逆变工作频率低，焊接噪声大，但过载能力强、性能稳定、价格低。晶体管 (GTR)动态特性好、功率大、频率高、波形易于调制；MOSFET单管容量小，一般适用于小于 200A电流以下的弧焊电源。 IGBT兼有 MOSFET、与GTR的优点，自 1989年在德国埃森举办的世界 焊接与切割博览会展出 IGBT式弧焊电源以来，国内外对这种新型逆变电源的研制和生产愈来愈多。 我国弧焊逆变电源起步较国外晚， 1982年我国学在试验室首先初步研制成功了场效应管式弧焊逆变器。 1983年成都电焊机研究所又研制成功了晶闸管式弧焊逆变器。此后清华大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学、哈尔滨焊接研究所等大专院校和科研机构都致力于弧焊逆变电源的研究开发。从理论和实际应用等各方面对弧焊逆变电源进行研究并取得了很大的成绩。用晶闸管、晶体管、场效应管和 IGBT等电子功率开关元件制成的弧焊逆变电源已应用于焊条电弧焊 、 TIG焊、 MIG焊、 CO2焊、空气等离子弧切割、电阻焊等领域。 随着计算机技术的发展与广泛的应用，将计算机技术引入到弧焊电源，达到智能控制的目的。目前我国有许多大学与科研机构在进行这方面的研究并取得了巨大的成绩。如甘肃工业大学数字控制的埋弧焊机研制，甘肃工业大学微机控制多功能 IGBT逆变焊机的研制。 数字化弧焊技术是一种新兴的技术，数字化弧焊电源起源于 1994年， Fronius公司的Lahnsteiner Robert指出现代 GMAW焊接电源应满足多方面的不同需求，如：适合于短路过渡焊接、脉冲焊接、射流过 渡焊接和高熔敷率焊接等；大量焊接参数的设计必须实现Synergic控制 (一元化控制 )以使焊接电源便于操作；为满足新的质量控制要求，焊接电源必须实时记录焊接参数、识别偏差量。基于上述思想，伴随着新型的功能强大的数字信息处理器 DSP的出现， Fronius公司推出了全数字化焊接电源，随后 Panasonic等公司也推出了各自的数字化焊接电源产品，并相继进入中国市场。数字化焊接电源实现了柔性化控制和多功能集成，具有控制精度高、系统稳定性好、产品一致性好、功能升级方便等优点。如Fronius公司的 Transplus synergic 2700 4000 5000系列产品在 1台焊机上实现了 MIG MAG，TIG和焊条电弧焊等多种焊接方法，可存储近 80个焊接程序，实时显示焊接参数，通过单nts南京工程学院论文 4 旋钮给定焊接参数和电流波形参数，可实现熔滴过渡和弧长变化的精确控制，同时，此类焊接电源还可通过网络进行工艺管理和控制软件升级。 1.3.2 弧焊电源技术的发展 弧焊电源从诞生到目前已有 100多年的历史，它总是随着科技的进步而发展。电力电子学的发展史实际上是一部围绕提高效率，提高性能、小型轻量化、消除电力公害，减少电磁干扰和不懈研究电噪声的奋 斗史。这也是 21世纪电力电子产业或电源产业的发展趋势。其具体要求可归纳如下几点：进一步提高电能变换效率，降低待机损耗；避免电力公害，尽量减少网侧电流谐波，尽量使网侧功率因数接近 1；提高电源装置和系统的电磁兼容性（ EMC） ,降低电噪声；小型轻量化，通过高频化、元件小型化和先进工艺加以实施，高性能：随各种用电器而不同，如带非线形负载能力，无线均流， CHZ以上 CPU电源的快速电流响应，电流侧谐波抑制，智能化以及各种性能高指标等。预计未来的弧焊电源将朝着以下几方面发展： (1) 数字化弧焊电源 弧焊电源的发展与 电力电子技术、信号处理技术及计算机控制技术的发展密不可分。从硬件电路角度看，数字化电源借助 DSP技术实现了 PID控制器和PWM信号发生电路的数字化。焊接电源和功率模块的设计制造也可根据需要以数字化的方式完成。焊接电源的能量控制由电流、电压、时间的协同方式来完成，具体表现为输出波形的数字化。 (2) 绿色弧焊电源 早在 2O00年就有人提出绿色焊机的概念，是在全球资源与能源日渐紧缺，人民的环保意识逐渐增强的情况下提出的 .节能环保的绿色焊机必将是未来弧焊电源的研制发展方向 13。 从上，了解了目前国内国外弧 焊电源的历史、现在及其以后的发展趋势。基于此，毕业设计是对大功率直流弧焊电源的研究设计，所要达到的技术指标是输出功率 20KW，频率为 20KHZ，输出电压为 50V；并且要使功率因数接近 1，因此本次毕业设计的主要部分分为两个，主电路的设计和控制电路的设计。主电路的设计包括整流电路、逆变电路和输出整流电路，并需对元件参数进行计算；控制电路的设计包括检测电路、调节器、控制主电路和驱动电路的设计， 采用了比较先进的控制方式移相控制方式，也就是软开关技术，能够达到毕业设计的要求。 nts大功率直流弧焊电源设计 5 第 2章 大功率直流 弧焊电源的设计 逆变式弧焊电源因动特性好、可控性好、体积小、质量轻、高效节能和焊接工艺性能优良等突出优点而得到越来越广泛应用。但现有逆变式弧焊电源主电路功率器件工作于硬开关方式，会产生较大的开关应力和损耗。因此，以软开关技术取代硬开关技术是逆变式弧焊电源发展的必然。 本文主要介绍了直流弧焊电源的工作原理，以及其组成元件的参数设置，也对其控制回路进行了设计，采用了移相谐振软开关技术。并根据要求选择合适的器件。 2.1 逆变式弧焊电源的基本组成 图 2-1 逆变式弧焊电源原理框图 逆变式弧焊电源的基本原理框图如图 2-1 所示。由图 2-1 可知，逆变式弧焊电源是从电网吸收能量后，先整流（ AC-DC），再通过大功率电子开关将直流变成中频交流（ DC-AC） ,然后经中频变压器降压隔离，然后再整流滤波输出 (AC-DC).通过检测电路的检测反馈值进行比较，输入到电子控制电路，电子回路采用移相控制方式，通过驱动电路对大功率开关器件进行控制。从而获得比较理想的输出。 整流电路可以将三相电压转换为直流脉冲电压，但这里的要求不是很高，所以采用三相不控整流 电路。这个电路的特点是简单，快速，而且输出波形能够满足逆变电路的要求。滤波电路采用的 L、 C 滤波器，将经整流电路输出波中的高次谐波滤掉，这样可以保护好IGBT 管。 逆变器电路选用的桥式逆变电路，逆变电路将直流脉冲电压转换为交流电压，准备供给输出，现在由于大多数情况下都选用 IGBT 管，因为它具有了晶闸管和 MOSFET 的多种优点。现在技术的进步，使其所能承受的功率也越来越大，所以 IGBT 逐渐取代了晶闸管和 MOSFET 的应用场合。 输出采用的是中心抽头整流方式，再加以电感滤波使输出波形比较平直，这样就能进一步提高焊 接的质量。 整流电路 滤波器 逆变器电路 高 频 变压 输 出 整流器 检测电路 PI 调节器 电 子 控制电路 驱动电路 给定 比较 nts南京工程学院论文 6 控制回路的设计比较复杂，主要设计了控制电路，采用的是 UC3875，这种回路设计简单，输出电压高，而且是移相控制这样符合了设计要求。再加上驱动的作用的这样就能控制 IGBT 的工作了。 电路的其他部分例如检测电路，一般都有比较完善的器件，用时只需选择一下它的参数就可以了。 这样的直流弧焊电源具有很多的优点，比如功耗小，功率因数底等等一系列优点。所以现在国内已经开始用这种弧焊电源，根据上面元器件的选择和原理图，可以得到下面的结构图。 2.2 逆变式弧焊电源的结构及原理 通过上面的原理框图，选择相应的器 件可以得到以下的结构图： 图 2-2 逆变弧焊电源结构图 从图 2-2 可以看出直流弧焊电源的结构共分 9 个部分，每一部分的作用、功能都已经做了介绍。再设计中一定要抓住问题的关键，这里的逆变电路的设计是很重要的，如果不行，将导致整个系统的失败，下面介绍逆变弧焊电源各个部分的工作原理，进一步分析各部分所选器件的条件。 主要元件及其作用： （ 1）三相不控整流器 用于对电网三相工频交流电进行整流，使三相交流电变成脉动直流电。可用整流模块，也可用单个二级管组成桥式整流器。 （ 2） 输入滤波器 用电解电容对三相脉动直流进行滤波，使输出电压波形近似平直。 检测 PI 调节器 UC3875 EXB841 给定 IGBT nts大功率直流弧焊电源设计 7 （ 3）大功率开关管 开关管周期性开和关，通过或切断电流通路将工频提高到 20KHZ。其过程是通过一组开关管的协作来完成。可以完成这项任务的开关管有 晶闸管、晶体管、场效应管式的IGBT。 （ 4）高频变压器 将高压高频电压降至负载所需的电压，并将焊接回路与输入回路隔离。 （ 5）输出整流器 将高频变压器输出的交流电桥式整流成脉冲直流电。 （ 6）输出滤波器 对脉动直流电进行滤波，使输出电压波形比较平直。一般采用电抗器 L 滤波。电抗器除滤波外还有调整 回路动态特性的作用。 （ 7）控制电路 对开关管进行移相控制，使开关管在预定的情况下工作。一般有设计好的模块，可以直接应用，不用自己设计，只需对外围电路进行设计。 （ 8）驱动电路 由于电子控制回路输出比较小，不能驱动电子开关，因此要有专用的驱动电路对电子开关进行驱动 10。 nts南京工程学院论文 8 第 3 章 控制回路的设计 对于控制回路的设计一般有两种方式， PWM 控制方式和移相控制，这两种控制方式在原理和方法都不同各有优缺。 对于 PWM 控制方式就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列 脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需的波形。简单的一种方式是，改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此，脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。另一种方式是， PWM 脉冲的幅值是按正弦波规律变化的，而各脉冲的宽度是相等的，脉冲的占空比根据所需要的输入和输出电压来调节。这种方式比较复杂。 PWM 控制方式可以分为同步调制和异步调制。载波信号和调制信号不保持同步的调制方式叫做异步调制；保持同步，并且载波比保持常数不变叫做同步调制。 PWM 控制方式在逆 变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是 PWM 型逆变电路。可以说 PWM控制方式正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展的比较成熟，才确定了它在电力电子中的重要地位。 对于移相控制方式。因为现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出更高的要求。通常，滤波电感、电容和变压器在装置的质量和体积中占很大的比例。因此必须设法降低他们的体积和重量，才能达到小型化、轻量化。从“电路”的有关知识中可以知道，提高工作频率可以减小变压器各绕组的匝 数，并减小铁心的尺寸，从而使变压器小型化。但在提高开关频率的同时，开关损耗也会随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也增大了，所以简单的提高频率是不行的。针对这些问题出现了软开关技术，它利用谐振为主的辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度的提高。它通过在原来的开关电路中增加很小的电感 rL 、电容 rC 等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压先降为零， 或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压，电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除损耗和开关噪声，这就是移相控制，也就是软开关技术。它也主要有两种方式：零电压开关与零电流开关。其主要经历三个发展阶段：高频逆变器、缓冲电路和谐振开关。 综上所述，控制回路采用移相控制。 3.1 移相控制电路的设计 9 由于选择的是移相控制，所以就必须采用相应的控制芯片，对电路进行相应的控制，UC3875是一种使用比较频繁的集成块，这里采用这个芯片。 采用相移脉冲宽度调制谐振控制器 UC3875，对全桥变换器进行相移 零电压谐振控制，实现 1KW 功率变换，能大大提高开关电源效率，降低电源电磁干扰 (EMI)，提高电源工作频率。 3.1.1 相移脉冲宽度调制谐振控制器 UC387512 （ 1） UC3875的特点及管脚功能 nts大功率直流弧焊电源设计 9 相移脉冲宽度调制谐振控制器 UC3875内部电路及管脚如图 l所示。器件为 20脚双列直插 DIP封装，储存温度范围为 -65C +150C ，工作温度范围为 -25C +80C ；工作结温 150C ；引线温度 300C 。其电路参数额定值为：电源电压 20 v；输出电流，直流 0.5 A，脉冲 (0.5 S )3A；模拟 I 0端 (脚 l， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 15， 16， 17， l8， l9)电平为 -0.35.3V。其特点如下 ：输出 PWM 脉冲 0 100%占空比，可编程控制输出导通延迟，电压或电流型拓扑相兼容，开关工作频率为 lMHz ， 4个 2 A图腾柱输出， 10MHz误差放大器，欠压锁定 (UVLO)，低的软上升 电流 (150 A )，具有软启动控制， 管脚功能介绍： 图 3-1 UC3875 电路图 GND为信号地 Pin11。所有电压都是对 GND而言，定时电容接在 FREQ端子上，端子REFV 、 INV 与 GND之间接旁路电容，斜面电容接 RAMP端子与附近的信号地 。 PWRGND为功率地为 Pin17。从CV到地用瓷片电容旁路CV，功率地与信号地可以单点接地，使噪声抑制最佳，并使直流压降尽可能小。 nts南京工程学院论文 10 CV为输出级电源电压 Pin12。将供给输出驱动器及有关的偏置电路，CV接 3V 以上稳压源，最好是 12V CV应用 ESR和 ESL低的电容直接旁路到 PWRGND。 INV为芯片电源电压 Pin1。供电给集成电路上的逻辑和模拟电路，与输出驱动级不直接相连，INV大于 12V ，以保证得 到稳定的芯片功能，INV低于最高欠压锁定门限 (UVLO)时，封锁输出， VIN超过 UVLO时，电源电流将从 100 A上升到 20mA。 FREQ/SET振荡器频率设定端子 Pin18。选择 18脚到地电阻和电容，可调整振荡器输出频率 f。 CLOCK SYNC时钟 t同步端子 Pin9。作为输出，该端可提供时钟信号，作为输入可被外部信号同步；也可将多个器件的 CLOCK SYNC端连接在一起，按最高频率同步使用。 SL0PE为斜面斜度设定及补偿端 Pin2。从 SLOPE到OV连接电阻slopeR,可调整用于产生斜面的电流，产生适当的斜面，提供电压前馈。 RAMP为斜面产生端子 Pin8。接斜面电容 C，适当选择 C和尺 ，可实现占空比的错位。 E Aout(comp)、 E A(-)、 E A (+)分别 0为误差放大器输出和输入端子 Pin6、 Pin5、Pin4。误差放大器输出电压低于 1 V时为 0 移相 ， E A(-)通常接取样电压， E A(+)通常接基准电压，与 E f(-)端的取样电压相比较。 C S+为电流取样输入 Pin7。是电流故障比较器的同相输入端，反相输入端为内设固定基准 2.5 V，当 C S+超过 2.5 v时，设置电流故障锁定， 70 ns内输出强迫关断。 SOFT/START软启动 Pin10。 VIN低于 UVLO 门限时，封锁输出； v 正常时，开启输出。 OUTA OUTD(输出 A D)为 2A图腾柱输出驱动器 Pin13、 Pin14、 Pin15、 Pin16。输出 A、 B用时钟同步驱动外部功率级一个半桥支路，输出 C、 D用时钟同步驱动与 A、 B具有相移的另一个半桥支路。 DELAY/SET A B、 C D为 输出延迟控制端 Pin19、 Pin20。对两个半桥提供各自的延迟来适应谐振电容充电电流的差别。 VRFF为 5V电压基准 Pin3。有 60mA容量供外围电路，并具内部短路电流限制。 （ 2）振荡器频率的设定及同步 振荡器可工作在自激振荡或外同步状态。对于自激工作， FREQ端到地外接电阻、电容，振荡器输出频率 f的调整公式为： FREQFREQ CRf 4 当采用外同步时，可简单地将同步信号接人 CLOCK SYNC端子，若采用多个 UC3875时，可将每个 UC3875的 CLOCK SYNC端连接 在一起 .所有集成电路将被最高频率同步，但为了减小分布电容影响，须接入电阻 R1RN，以保持较窄的同步脉冲宽度。 （ 3）延迟电路和输出级 nts大功率直流弧焊电源设计 11 提供死区时间的延迟是用 1C 实现的。 1C 在输出置高电平之前必须放电到thV，时间由电流源 1I 确定 ,1I 由外部电阻 RTD控制，延迟端 电压初始稳压到 2 5 V，死区时间控制在 50200 ns， UC3875每个输出级由晶体管3V、6V组成高速图腾柱驱动器，具有总延迟约 30 ns，高于 1A的源或漏电流， UC3875的四个输出与全桥变换器电路接口。软开关逆变电源控制系统的关键是保证相位互补的两路驱动脉冲之间有一短暂稳定的并且可控的延迟时间，而且必须具有 CC 1800 的移相范围 11。 围绕集成移相控制芯 片 UC3875设计了控制电路图 4-1。 3.1.2 UC3875外围电路设计 UC3875是整个弧焊逆变器控制电路的核心。主要功能有： 1、产生移相 PWM控制信号， 以控制弧焊逆变器主电路各 IGBT管的开关； 2、接收和处理电压或电流反馈信号， 以调节电源外特性； 3、具有过流锁定及软启动功能，从而实现过流、过压、欠压等保护作用，具体电路如图 4所示。 芯片的 Pin2， 3外接的是给定和反馈信号，与芯片内部运放形成补偿网络； Pinl8外接的是频率设定电路，通过调节精密电位器 W 12可设定所需要的脉冲频率； Pin19， 20外接是两个桥臂上驱动脉冲死区时间设定电路； Pin13， 14， 15， 16输出 4路脉冲， D01 D08主要是为了防止负压的脉冲尖峰损伤芯片； C s+为保护电路的控制端，外接保护信号；C06为软启动电容。 3.2 驱动电路的设计 10 绝缘栅双极型晶体管 IGBT是一种由双极晶体管与 MOSFET组合的器件 ,它既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性 ,又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点，近年来在各种电力变换装置中得到广泛应用。 但是 IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、开 关损耗、承受短路电流能力及 dtduce 等参数，决定了 IGBT的静态与动态特性。因此，在使用 IGBT时，最重要的工作就是要设计好驱动与保护电路。 根据 IGBT特性，它的驱动电路应满足以下要求： (1)IGBT是电压驱动，具有一个 2.5 5V 的阈值电压，有一个容性输入阻抗。因此，IGBT对栅极电荷非常敏感，这就要求驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与 IGBT的连线要尽量短。 (2)用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压 。有 足够陡的前后沿，使 IGBT的开关损耗尽量小。另外， IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率使 IGBT处于饱和状态，否则 IGBT容易遭到损坏。 (3)驱动电路要能传递几十 kHz的脉冲信号。 (4)驱动电平 +geV。也必须综合考虑。 +geV增大时， IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的cI增大， IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利。因此在有短路nts南京工程学院论文 12 过程的设备中 +geV应选得小些，一般为 l2 l5V。 (5)在关断过程中，为尽快抽取 PNP管的储存电荷，需施加一负偏geV，但它收 IGBT的 G、 E间的最大反向耐压限制，一般取 -1 -10V. (6)在大电感负载下， IGBT的开关时间不能太短，以限制 di/dt形成的尖峰电压，确保IGBT的安全。 (7)由于 IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。 (8)IGBT的栅极驱动电路 应简单实用，最好自身带有对 IGBT的保护功能，有较强的抗干扰能力。 3.2.1 EXB841的构成及特点 12 大电流高电压的 IGBT已模块化，它的驱动电路也已集成化，如富士电机公司的 EXB系列驱动器即为集成化的 IGBT专用驱动电路。其中 EXB841为高速型 (最大 40kHz运行 )，内部电路框图如图 4-2所示 : 图 3-2 EXB841 的原理图 各引脚功能如表 1 所列。 引脚 功能 1 连接用于反向偏置电源的滤波电容器 2 电源 (+20V) 3 驱动输出 4 连接外部电容器，防止过流保护电路误动作 5 过流保护输出 6 集电极电压监视 7 8 10-13 不用 9 接地线 14、 15 驱动信号输入 (-， +) 表 1 各因脚功能 nts大功率直流弧焊电源设计 13 EXB841的原理图如图 4-2所示。主要特点如下： (1)IGBT通常只能承受 lOps的短路电流，所以在 EXB系列驱动器内设有过流保护电路，实现过流检测和延时保护功能。如果发生过电流，驱动器的低速切断电路就慢速关断IGBT(小于 lOps的过流不响应 )，从而保证 IGBT不被损坏。而如果以正常速度切断过电流，集电极产生的电压尖脉冲足以破坏 IGBT。 (2)IGBT在开 关过程中需要一个 +15V电压以获得低开启电压，还需要一个 -5V关栅电压以防止关断时的误动作。这两种电压均可由 20V供电的驱动器内部电路产生。 (3)由图 2可知光耦合器 IS01由 +5V稳压管供电，这似乎简化了电路，但由于 EXB841的脚 1接在 IGBT的 E极， IGBT的开通和截止会造成电位很大的跳动，可能会有浪涌尖峰，这无疑对 EXB841可靠运行不利。另外，从 PCB实际走线来看，光耦合器的脚 8到稳压管 V2的走线很长，而且很靠近输出级 (V4、 V5)，易受干扰。 (4)IGBT开通和关断时，稳压管 V2易受浪涌电压和 电流冲击，易损坏。另外，从 PCB实际走线看， V2的限流电阻 R10两端分别接在 EXB841的脚 1和脚 2上，在实际电路测试时易被示波器探头等短路，从而可能损坏 V2，使 EXB841不能继续使用。 3.2.2 EXB841高速型驱动器它的典型应用电路 如图 4-3所示，使用时注意： (1)输入与输出电路应分开，即输入电路 (光耦合器 )接线远离输出电路，以保证有适当的绝缘强度和高的噪音阻抗。 (2)使用时不应超过使用手册中给出的额定参数值。如果按照推荐的运行条件工作，IGBT工作情况最佳。如果使用过高的驱动电压会损坏 IGBT，而不足的驱动电压又会增 图 3-3 驱动电路图 加 IGBT 的通态压降。过大的输入电流会增加驱动电路的信号延迟，而不足的输入电流会增加 IGBT 和二极管的开关噪声。 (3)IGBT的栅、射极回路的接线长度一定要小于 lm，且应使用双绞线。 (4)增大 IGBT的栅极串联电阻 Rg，抑制 IGBT集电极产生大的电压尖脉冲。 nts南京工程学院论文 14 3.3 PI调节器的设计 13 图 3-4 PI调节器图 PI调节器的输出电压是由比例和积分两部分组成。当突加入偏差信号nU的动态过程中，在输出端ctU立即呈现nct UKU ，实现快速控制，发挥了比例控制的长处；在稳态是，又和积分调节器一样，又能发挥积分控制的作用， 0nU，ctU保持在一个恒定值上，实现稳态无误差。因此，比例积分控制综合了比例控制和积分控制的优点，又克服了各自的缺点。比例部分能够迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差。 3.4 电流检 测元件的设计 电流检测元件的设计，因为输出电流为直流，所以采用霍尔电流传感器。这种器件简单，有现成的器件可以使用；不用自己设计，只需选定好元器件的参数即可。闭环式霍尔电流传感器具有开环霍尔电流传感器许多没有的优点，选用闭环式霍尔电流传感器。 闭环式霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的。及原边电流产生的磁场通过一个副边线圈电流所产生的磁场进行补偿。使霍尔器件始终处于检测零磁通的状态，当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中平衡时。下式成立： nINI min 式 中，inI为原边电流， N为原边线圈的匝数，mI为副边电流， n为副边线圈匝数。 由 上 式看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流mI的大小，即可推算 原 边电流inI的值，从而实现原边电流的隔离测量。 根据输出电流的大小，选用 CHB-300S。 nts大功率直流弧焊电源设计 15 3.5 辅助电源的设计 4.5.1 UC3875 的电源的设计 图 3-5 UC3875 的电源电压 UC3875 的驱动需要有专用的电源，这种电源的设计有专用的芯片 7815，其电路的设计有固定的模式，所以不用过多的考虑，只做简单介绍。 集成稳压器的原理实际与分离元件的稳压器是相同的。同样包括了基准电压，比较取较，误差放大以及调整电路等部分。它是在制造工艺上将这些元器件集中放在一个小硅片上，封装起来，把本来很多的元件变成一个整体，以一个整体器件的形式参与电路工作。 常用的有三端稳压，五端稳压，以及多端稳压，其中又有固定式和可调式之分。他们大多采用串联调 整式稳压原理。 这里采用的是 CW78 系列，该系列是三端固定正输出电压集成稳压器应用最为广泛的一种。它可以输出 5V、 6V、 9V、 12V、 15V、 18V、 24V 的稳定电压，及 1.5A 内， 0.5A 内和小于 100mA 的电流。 Ci 为输入滤波电容，一般容量为 0.33 F，可以改善纹波和抑制输入的过电压，以及抑制高频干扰，防止可能产生的自激，但当稳压器附近有滤波电路时， Ci 常可忽略。 稳压器输出电容 C0 采用电解电容，一般容量为 0.1 F，他们是一个滤波电容，用于改善负载的瞬间响应。 3.5.2 EXB841 的电源的设 计 图 3-6 EXB841 的电源电压 nts南京工程学院论文 16 电路的工作原理： 由图 4-6 所示，这是由 CW7805 组成的高输入、高输出集成稳压电源电路。这种电路不受 CW7800 系列额定输入输出的要求，当前面整流滤波后电压较高时，经 BG1,DW 可降到稳压器输入要求。sR为 DW 的限流电阻， Ci,C0 分别为稳压器输入输出滤波电容，R1,R2 组成升压电路，通过他们，稳压器可以输出大大超过其标称值的电压。 由以下的公式可以得到所需的 +20V 电压： 021()XxdVV V I RR 这一电压源用于对 EXB841 的驱动。 nts大功率直流弧焊电源设计 17 结束语 本文在认真分析了大功率弧焊电源的工作原理，结构的基础上，设计了直流弧焊电源的主电路和控制电路。在设计控制电路时，为提高其工作效率，对 IGBT 采用了移相控制，对移相控制的原理、过程也做了讲解；并对几个芯片像 UC3875、 EXB841 等作了讲解，完成了控制电路、驱动电路的设计，并画出了相应的电路图。由于时间的关系，并没对所设计的系统进行仿真，不是十分完善，还请谅解。 在完成毕业设计同时，也对一些 软件的应用有了更进一步的了解，能够运用 Protel画出自己所需的电路图。 通过这次设计，使掌握了
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