逆变弧焊电源.doc

南华大学电气工程学院毕业设计（论文）引 言焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。焊接作为现代金属加工中最重要的方法之一，为世界所瞩目。据不完全统计，全世界年产45%左右的钢和大量的非铁金属（如Cu 、Al 、Ti等）以及部分非金属（如塑料等）都是通过焊接加工成为构件而付诸使用的。因此，国民经济的诸多行业都需要大量高性能、高品质的电焊机。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足一克的微电子芯片，在生产中都不同程度的依赖焊接设备。焊接设备已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命，以及生产成本、效率和市场反应速度。随着微电子技术、计算机技术、自动控制理论和电力电子技术的发展，焊接电源电路结构不断吸收相关科学成果，重早期的机械控制性发展到今天的电子控制型，逆变焊接电源已成为当今发展的主流。加快逆变焊机的开发，发挥逆变焊机顶峰优势，加快逆变电源在气体保护焊机，特别是熔化极气体保护焊机方面的研究，改善性能，扩大使用范围，提高可靠性。说明现阶段发展逆变焊接电源的任务刻不容缓，而发展各种逆变焊接电源的基础是发展逆变弧焊电源。便携式弧焊电源具有焊接性能好、动态反应速度快、动特性好、体积小、质量轻、效率高、焊接速度快等优点，可用于装潢，维修等行业，满足市场的需求，具有实际意义，同时弧焊电源的研究对以后，逆变式等离子切割机，多功能逆变弧焊电源等研究奠定了基础。本设计的弧焊电源设计输入电压为单相220V,输出空载电压为60V,焊接工作电压为10-30V,焊接电流调节范围直流为10-15A，最大功率输出为2KW，适用范围为手工弧焊，工作频率为100KHZ。逆变式弧焊电源能够还拥有一定的抗干扰能力，使其在恶劣的环境下能够工作，且有较好的输出外形。并且在负载时具有恒流特性，有一定的弧长特性。1 焊接电源技术现状1.1焊接电源的基本概念焊接电源是焊接设备的能量源，是焊接设备的核心。要使焊接设备成为多功能、高精度的柔性设备，实际上是使焊接电源的输出特性、输出形式、动态特性及焊接参数的可调性、可控性好，同时输出参数的控制精度高。1.1.1弧焊电源的分类弧焊电源可分为四大类型：交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源和逆变式弧焊电源。其中又细分为弧焊变压器、矩形波（或方波）交流弧焊电源、直流弧焊发电机、弧焊整流器、弧焊逆变器、脉冲弧焊电源等等。1.1.2焊接电源的优点传统的焊接电源对动特性、输出特性的控制采用机械控制和电磁控制，这种焊接电源的外特性和动特性取决于电源本身的结构，其缺点在于控制精度低且特性可调范围窄，不能够实现无级调节，很难将直流焊、直流脉冲焊、交流方波焊等功能于一身，因此，传统焊接电源一般作为单用途焊接电源。另外传统的焊接电源输出形式、输出特性的可调性差，输出特性也不理想，焊接参数控制精度低。另一方面，由于传统的焊接电源中变压器的输入频率为工频，造成电源变压器、输出直流电抗器（即平波电抗器）体积庞大、笨重，焊机能耗高，输出电流波动大，从而造成电源输出动态特性差，使得焊接效果不理想。由于传统的焊接电源存在许多的缺点，所以，传统的焊接电源正处于淘汰之中。随着电力电子技术的迅速发展，特别是控制技术及功率电子器件的发展，使得焊接电源的电子控制技术迅速成熟。焊接电源的电子控制技术就是将自动控制技术用于焊接电源中，通过对电弧电压、电流的反馈调节，从而使焊接电源呈现出所需的各种外特性。在焊接过程中，通过让给定信号满足一定的时间函数，使焊接电源的输出满足一定的动态轨迹，精确地控制焊接过渡过程特性，可以很好的适应焊接工艺的要求。随着近代晶闸管器件的推广，产生了晶闸管整流焊接电源，其优点在于改善了传统焊接电源的电源输出特性的可调性及控制精度，使其在焊接工艺方面获得了广泛的应用。但是，其缺点是电源变压器的输入频率仍为工频，使得焊机笨重、庞大，而且耗能高，特别是电源的输出动特性差，因此，其使用方便性及焊接质量方面还不太理想。随着可关断功率器件的发展，近年来出现的逆变焊接电源作为一种新型的焊接电源受到人们的广泛关注，此逆变焊接电源通过将工频交流电整流滤波为直流电，再将直流电逆变为中高频交流电，通过焊接变压器将中高频交流电耦合到输出整流电路，从而实现直流焊接功能。根据变压器基本公式： = （1-1）式中: 为变压器输入电压;输入电压的频率;变压器绕组匝数;变压器的铁芯截面积;磁感应强度。从公式上可以看出，当变压器输入电压及磁感应强度最大值一定时，提高输入电压的频率可以减少绕组匝数与铁芯截面积S的乘积，而变压器的体积主要由及决定。因此，提高逆变频率可以使逆变电源的体积和重量大幅度减少，从而节约大量金属。同时，由于逆变频率的提高使整流器输出的脉动电流频率提高，从而采用较小的直流电抗器（即平波电抗器）就可以达到纹波很小的直流输出，而直流电抗器的减小又可以大大减小逆变器输出回路的时间常数，配合电子线路就可以大大提高逆变器的动态响应速度，满足不同焊接工艺的要求。综上所述，紧随电力半导体技术和电子控制技术的发展，焊接电源输出控制也从晶体管控制到晶体管斩波控制再发展到逆变控制。逆变控制提高了输出控制的速度和精度，其结果是焊接电源的性能和功能得到大幅提高，从而可对焊接过程实现精细控制。现在国际上著名的焊接设备公司，如瑞典的ESAB公司、日本的大阪变压器厂、美国的MILLER、LINCON公司等等，都将逆变焊接电源作为主流产品。美、日、欧之间对逆变焊机市场的争夺十分激烈。1.2逆变式焊接电源的发展及现状逆变焊接电源重量轻、省材料、节能，而且控制性能好，动态响应快。对生产厂家来说，省材料，产品的技术附加值高，经济效益好。而对用户来说，重量轻，易于搬动，性能好，也是受益者。对于国家来说，逆变焊机产业，是一个以推动节能工程发展的新产业。因此，无论从哪个角度，都可以看出逆变焊接电源是未来焊接电源的发展方向。1.2.1逆变时焊接电源的发展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。焊接电源的制造从19世纪就开始了。在20世纪初，发明了弧焊发电机，20年代开始使用交流弧焊变压器。50年代末，功率半导体二极管开始用于焊接电源，所构成的整流器明显优于弧焊发电机。70年代初，由晶闸管(SCR)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。70年代中到80年代中期，性能优良的自关断电力电子开关器件(GTO)、大功率晶体管(GTR)、功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)等器件相继出现和集成电路技术的发展，为逆变焊接电源的提供了广阔的空间。（1）国外发展情况早在70年代初逆变器已应用于中频加热领域。1982年瑞典ESAB公司率先推出了晶闸管弧焊逆变器产品之后，美国的Lincoln，Miller，Powcon公司，芬兰的Kemppi，瑞士的ELTRON，日本的大阪变压器公司等国际著名的焊接设备公司都相继推出了各自的弧焊逆变器产品。1981年在德国埃森举办的世界焊接与切割博览会上，首次展出了4个厂家的晶闸管式和晶体管式弧焊逆变器，主要用于焊条电弧焊、低压引弧式钨极氩弧焊和CO气体保护焊，最大电流为350A。1989年世界焊接与切割博览会上有30多家厂商展出了弧焊逆变器。1993年的埃森博览会上，绝大多数的厂商都展出了弧焊逆变器及设备。逆变式焊机在日、美、欧等地使用中占17%，其中在气体保护焊和TIG焊中占30%以上。到了1996年，日本日立公司的IGBT逆变焊机已占MIG/MAG焊机的70%，占TIG焊机的95%以上，占切割机的100%，日本松下、大阪变压器公司的逆变式焊机都超过50%。以IGBT，MOSFET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。（2）我国逆变式弧焊电源的发展在我国，逆变式焊机的研究工作起步不算晚，始于80年代初，紧跟国际研究开发的进程，水平差距也不大，已形成3代产品。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20005000；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2050；第3代为IGBT弧焊逆变器(1990年)，逆变频率为2030。近10年来。我国焊接设备研发、生产的整体水平通过“走出去，引进来”已有了巨大进步，但与欧美发达国家的同类产品相比，无论是在产品的技术含量、设计水平，还是制造水平以及产品附加值上都存在着差距。在欧美发达国家的焊机已依靠“创新”取胜时，国产焊机的水平还停留在初级的“制造”阶段。1.2.2逆变电源的特点及发展方向众所周知，逆变焊接电源与传统焊接电源相比，具有高效节能（约20%35%）、省材（约80%90%）、轻巧（输出1A焊接电流，传统焊机需0.51kg制造材料，而逆变式只需要0.060.12kg），而且动态特性和控制调节特性好，制造过程占地少，且加工量少等特点。因而逆变焊接电源在国内得到迅速的推广应用。这种过去被称为“明天的电源（焊机）”的新一代焊机已经迅速成为“今天的电源（焊机）”。(1)逆变式焊接电源的特点 控制性能优异，容易实现焊机智能化。 动载好，焊接工艺性优良，有利于实现自动化。 体积小，重量轻。 效率高、功率因数高。 节能环保。 引弧性能好，可以实现少飞溅或无飞溅焊接。 焊接速度快。 功能多，且转换方便。由于逆变式焊接电源具有以上几大性能和优点，因此是目前国际上公认的最先进的电焊机，也是最具有发展潜力的一种焊机。以IGBT、MOSFET等为开关器件的逆变焊接电源，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。逆变式焊机总的发展趋势是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊、电阻焊、切割等等工艺中。高效和高功率密度（小型化）是国际上逆变式弧焊电源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。(2)逆变焊接电源发展方向由“硬开关”向“软开关”方向发展。降低电力电子器件开关功耗，提高逆变频率和开关频率。由“电磁污染”向“绿色化”方向发展。研究功率因数校正和减少电网谐振干扰。由“模拟控制”向“数字化控制”方向发展。由“经验”向“智能控制”方向发展。研制和生产智能控制的逆变焊接电源。由“调试”向“仿真”方向发展。由“小容量”向“大容量”方向发展。1.3逆变弧焊电源设计的意义及内容1.3.1设计的意义随着微电子技术、计算机技术、自动控制理论和电力电子技术的发展，焊接电源电路结构不断吸收相关学科的先进成果，从早期机械控制型，发展为电磁控制型，到今天发展为电子控制型，逆变焊接电源已成为当今发展的主流。而逆变弧焊电源也将义不容辞的取代它的前辈们成为弧焊电源的主流。虽然逆变弧焊电源性能好、轻巧、节能、省材，但目前在我国应用覆盖面还不是很大。根据国家电焊机行业“十五”规划：加强逆变焊机的开发，发挥逆变焊机的优势，加快逆变电源在气体保护焊机，特别是熔化极气体保护焊机方面的研究，改善性能，扩大其使用范围，提高可靠性。说明现阶段发展逆变焊接电源的任务已经刻不容缓，而发展各种逆变焊接电源的基础是发展逆变弧焊电源。根据8692厂家不完全统计，我国逆变式焊机生产情况，如表1.1。表1.1 20002002年我国逆变式焊机生产与发展情况统计表产量/台占焊机总量的比例/%与上年比较/%14 4562066723 9957.96.86.845.543.016.0注：为2000年的86个厂家；为2001年的92个厂家；为2002年的91个厂家。由表1-1可见，我国逆变式焊机技术的推广，连续2年以43%45%的速度增长，已经出现了全面推广的态势。与此同时，表1-1中的数据还表明逆变式焊机占各类焊机总数的7%9%，所占比例较小，因此拥有巨大的市场发展潜力。综合上述信息，大力发展逆变焊接电源，尤其是发展逆变焊接电源的基础逆变弧焊电源的重要性。就目前逆变焊机的生产能力而言，成都地区、华东（江苏、上海、浙江、山东）地区、北京地区、天津地区和广东地区实力很强，生产的产品品种、规格齐全，水平也较高，多数焊机市场已被其占领，而东北地区并没有规模较大的生产厂家和档次较高的产品。本文逆变弧焊电源的研制便是基于以上问题提出的，此类焊机具有焊接性能好、动态反应速度快、动特性好、体积小、质量轻、效率高、焊接速度快等优点，可用于装潢，维修等行业，满足市场的需求，具有实际的意义。同时，便携式逆变弧焊电源的研究为日后逆变式焊机、逆变式TIG/MIG/MAG焊机、逆变式等离子切割机、多功能逆变焊接电源等的研究奠定了基础。1.3.2设计的内容早期的逆变电源，大都是5以下的晶闸管SCR逆变，所以其体积、重量都比较大，随着全控型逆变电路的应用，控制方法大多采用PWM方式。该方式通过调节脉宽，即占空比来调节输出能量。同时也为输出电抗器设计带来方便。PWM调制以往大都通过分离元件来实现，现在已有诸如TL494，SG3525等专用芯片，以及用80C51单片机和微机实现。设计电源输入电压为单相220V ,空载电压为60V ,焊接工作电压为1030V ,焊接电流调节范围直流为1015A ,最大功率输出2,适用范围为手工弧焊,工作频率为20。主要包括：弧焊逆变主电路设计；开关器件选择；高频变压器初步设计；基于SG3525PWM控制与驱动电路设计；仿真实验结果分析。2 逆变弧焊电源主电路的设计2.1逆变焊接电源基本概念与结构2.1.1逆变的概念在交流技术中，交流电(AC)、直流电(DC)互相转换有四种基本形式：ACDC称为整流；DCAC称为逆变，是整流的逆过程；DCDC称为斩波；ACAC称为交交变频。实现逆变的电路称为逆变电路，原理如图2.1。图2.1逆变电路工作原理图2-1中，U是直流电源，当开关、同时闭合并且、同时关断时，电阻上电流流向由A到B，输出电压=；反之，当、同时关断并且、同时闭合时，电流流向由B到A， =-。如次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、。实际电路中，用作功率开关管的器件有可关断晶闸管GTO、晶体管GTR、场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT以及智能型绝缘栅双极晶体管IPM，其中MOSFET、IGBT是现在逆变电路普遍采用的新型功率开关管。一般有如下几种逆变体制来满足负载的不同需求：ACDCAC；ACDCACDC；ACDCACDCAC。逆变焊接电源一般都采用ACDCACDC的逆变体制来满足实际需要。本文研制的逆变弧焊电源也采用了ACDCACDC的逆变体制来达到设计的需要。2.1.2逆变电源系统结构现代焊接电源是以逆变焊接电源为代表的。逆变焊接电源具有高效节能、轻巧省料、控制性能好等特点，在消除网侧电流谐波、改善网侧功率因数、逆变输出波形控制、提高系统的动态控制性能方面有很大的发展，已成为现代焊接电源的发展主流之一。早期的逆变电源，大都是5以下的晶闸管SCR逆变，其控制方法采用定脉宽调频率(PFM)方式。PFM调制方式给变压器和输出电抗器的设计带来困难，由于不同输出电流是靠调节脉冲频率来实现，为保证小电流连续输出，电抗器时间常数要根据频率的下限值确定，所以其体积、重量都比较大随着全控型逆变电路的应用，控制方法大多采用定频率调脉宽(PWM)方式该方式通过调节脉宽，即占空比来调节输出能量。同时也为输出电抗器设计带来方便。PWM调制以往大都通过分离元件来实现，现在已有诸如SG3525等专用芯片，以及用8051单片机和微机实现。在实际应用中根据焊接特点有时采用PWM+PFM混合控制，如在正常焊接时采用PWM而在空载和短路时采用PFM方式，另外还可以采用移相调制。逆变焊接电源的控制系统是整个电源的核心部分，直接影响电源装置的可靠性和输出特性，因此必须具有完善、稳定的控制电路，其与主电路相互配合，使焊接电源稳定工作。控制电路主要由：PWM电路；网压波动补偿电路；外特性及动特性控制电路；驱动与保护电路。普通逆变焊接电源系统的结构如图2.2所示。图2.2逆变焊接电源控制系统框图逆变焊接电源的控制系统根据其控制方式的不同可以分为模拟控制和数字控制两种方式。（1） 模拟控制的逆变焊接电源模拟控制是目前逆变焊接电源，尤其是逆变弧焊电源中应用最普遍的控制式。主电路由整流、滤波、逆变、二次整流输出等几部分组成。其余为控制部分，由电流和电压采样环节、给定环节、PI控制器、PWM信号产生等组成。模拟系统有着一些难以更改的缺陷，系统的配置和增益由阻容网络等硬件参数所决定，一旦确定就不易改变，只能通过专业人士改变机器内部的可变电阻的大小或改变硬件参数等方法来改变，操作起来不直观且不方便。系统信号的处理是通过有源或无源的电网络进行，处理参数的设定通过电阻、电容参数的选择来完成，这样在模拟系统中阻容参数的容差、漂移必然导致控制器参数的变化，一方面模拟控制的稳定性较差，另一方面模拟控制的产品一致性难以保证。但是模拟系统又有着一些自己的优势。模拟系统电路较简单，便于设计和维修。传统焊接电源基本都是采用模拟系统控制，逆变焊接电源若采用模拟控制可以借鉴先前的技术结晶，使得焊机的工作可靠性大大提高。模拟控制是数字控制的基础，也是数字控制的必经阶段。综上所述本文便携式逆变弧焊电源采用了模拟控制系统，属于基础性质的开发研究。（2）数字控制的逆变焊接电源控制系统的数字化是指传统的模拟技术完全由数字技术所取代，控制信号也随之由模拟信号转换为0/1编码的数字信号。数字电路具有模拟电路无法比拟的优点，如电路的稳定性、可靠性、一致性、灵活性等特点，因此焊接电源传统的模拟控制系统转变为数字控制系统已成为一种必然趋势。数字控制系统结构主要由单片机，数字信号处理芯片(DSP)或单片机加数字信号处理芯片组合构成。数字控制系统设计及维修较复杂，需要编程写入芯片，对设计和维修人员要求较高。因此对于低端用户使用较少，而专门为中、高端用户使用。本文便携式逆变弧焊电源的设计使用对象主要是一些装潢、维修、手工作坊等低端用户，故不采用数字控制系统而采用模拟控制系统。本文对数字控制系统不作过多介绍，但不可否认数字控制系统的诸多优越性和其良好发展趋势。2.2逆变主电路拓扑结构逆变焊接电源发展到今天，基本功率转换主回路（即逆变主电路）的电路拓扑结构有推挽式、全桥式、半桥式以及单端式（包括单端正激、单端反激）等四种主要形式。(1)推挽式逆变电路图2.3推挽式变换电路只用两个高压开关管能获得较大功率输出，一对功率管的发射极相连，两组驱动电路彼此间无须绝缘，驱动电路简单，但高压开关管承受的反压较大，原边绕组只有一半工作时间，高频变压器利用率低，适合用于单相输入的电源中。(2)全桥式逆变电路将输入电压直接加在高频变压器上，对高压开关管耐压要求低，变压器利用率高，易获得大功率输出。但其需要四只功率开关管，相应驱动电路复杂。(3)半桥式逆变电路： 图2.4半桥式变换电路也只有两个开关管，驱动电路简单，抗不平衡能力强，但加在高频变压器的电压值只有输入电源电压的一半，欲得到和全桥、推挽式电路相同的输出功率，高压开关管必须流过两倍的电流，而且它必需有两个输入电容，流过与电路工作频率相同的充放电电流，一般只宜获得中等功率的输出。单端式逆变电路：所用的开关功率管数量少，控制电路简单，不存在直臂导通问题，但高压开关管所承受峰值电流和电压较高，同时其高频变压器仅工作在磁滞回线的一侧故只适合中小功率输出。由表2.1可以看出，要获得大容量的输出，宜选用推挽式或者全桥式拓扑结构，但是推挽式电路中由于漏感引起的电压尖峰是全桥式的2倍，这给电路设计与调试带来了困难，并对开关管的耐压值提出了更高的要求。随着功率器件的发展、开关管性能的提高和控制技术的发展，逆变焊接电源的主电路结构越来越多的采用全桥电路结构，其有助于逆变焊接电源的高频化、大容量、高性能及轻量化的发展。本文逆变弧焊电源决定采用在逆变系统中已被广泛应用的全桥逆变电路拓扑结构来满足设计需要。表2.1逆变电路的比较 型式项目推挽式全桥式半桥式单端式（两功率开关，二极管箝位）功率开关管集射极间施加的电压稳态为2E由漏感引起的尖峰使 2E稳态为E二极管箝位使2E同全桥式截止期二极管箝位使=E相同输出功率时集电极电流2 2 相同集电极电流时的输出功率中频变压器上施加的电压EEEE功率开关管数量2422输入滤波电容数量1121基极驱动电路小大中小功率元器件数量少多中少复杂程度简单复杂中等简单宜于获得的输出容量大大中等中、大其它抗不平衡能力强中频变压器磁芯利用率低2.3逆变功率开关元器件的选择2.3.1 开关器件的比较与选择功率开关元器件是逆变器中的一个关键器件。在70年代开始使用的开关元器件是晶闸管(SCR)，80年代初用双极晶体管(BJT)和场效应管(MOSFET)，80年代末，由于绝缘栅双极晶体管(IGBT)优越的性能和容量的大幅度提高，一度被成功应用于逆变焊接电源中。在新型的功率开关器件中静电感应晶体管(SIT)，静电感应晶闸管(SITH)和场控晶闸管(MCT)都是很有前途的功率开关器件。当前，功率开关元件正朝着高压大容量化、集成化、全控化、高频化及多功能化方向发展。功率开关器件从可控性来分，可以大致分为半控型和全控型器件，如普通晶闸管(SCR)、逆导晶闸管(RCT)、非对称晶闸管(ASCR)和双向晶闸管(TRIAC)均为半控型器件，半控器件存在着开关速度较慢的缺点。全控型器件，如可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)等。全控型器件的开通和关断是由栅极控制，具有导通电阻小、正向压降低、开关速度快、开关损耗低、/及/耐量大等优点。全控型器件是今后电力半导体发展的方向。表2.2 GTR、MOSFET和IGBT(500V级)器件名称达林顿GTR功率MOSFETIGBT开关速度(s)100.312安全工作区小大大额定电流密度(A/c)203051050100驱动功率大小小驱动方式电流电压电压高压化易难易大电流化易难易高速化难极易易饱和压降极低高低并联使用较易易易其它有二次击穿现象限制了SOA无二次击穿现象有擎柱现象限制了SOA在逆变焊接电源中，对功率半导体开关器件有如下基本要求：耐电压值高。开关速度快，开关损耗低。动态特性/及/耐量要高。耐冲击电流大，可靠工作范围大。热稳定性好。基于以上考虑，全控型器件应是优先考虑选用的器件。表2.2给出了500V级达林顿GTR、功率MOSFET和IGBT三种全控型器件的特性比较。GTR开关速度较低，对/有影响，而且是电流驱动方式，驱动功率较大还存在二次击穿问题；功率MOSFET有较好的高速控制性能，然而容量小难以实现大电流，主要应用于小型和轻型设备中，一般只用于中小功率的场合(63A-315A)；IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，它兼有MOSFE易驱动和功率晶体管GTR电压、电流容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管GTR之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，在较高频率的大中功率应用中占据了主导地位。综合上述功率开关元器件的比较，本文采用功率场效应管MOSFET为逆变弧焊电源的逆变主电路的开关元器件，主要考虑便逆变弧焊电源为中小功率焊接设备，如此选择成本较低，且设计过程简单。2.3.2 MOSFET的主要特性在一般焊接方法中，逆变焊接电源需要承受几十几百安培(A)的焊接电流，并且要经过“空载短路负载空载”过程，其负载变化情况复杂，要求场效应管具有良好的性能。场效应管MOSFET具有如下主要的突出优点：采用电压控制，控制功率极小。场效应管栅源直流输入电阻很高（约10以上），几乎不取电流，采用电压控制(VGS26V)，控制功率极小，便于与微机配合使用。且在大功率开关状态工作时，只需施加15V左右的栅源电压就可使场效应管处于饱和导通状态，也说明其只需要极小的控制功率。多个大功率场效应管并联工作性能好，可靠工作范围很宽。场效应管具有正的温度系数，允许使用温度高达200，高温工作时，不存在温度失控问题，它的开关时间几乎不受温度变化影响，所以用大功率场效应管制作的开关型电源稳定性高，不存在局部电流集中和局部热点集中，过载能力强，不存在二次击穿。并联工作中管子能自动调节电流均衡，不必外加均流电阻，可靠性高，节约电能，便于以小拼大，实现大电流焊接工艺需要。极短的开关时间。一般情况下，1030A场效应管开关时间为50100，因而其工作频率可达到很高，可以达到500以上。控制电路较简单，控制性能好。晶闸管(SCR)逆变弧焊电源的控制参数受主电路的电路参数限制，且关断麻烦，而场效应管(MOSFET)逆变焊接电源的控制性能较好，由小功率控制信号控制通断，不存在关断难，而且控制灵活，受主电路影响小，控制电路较简单。热稳定性好和抗干扰能力强。以上这些都是MOSFET的突出优点。多子导电的功率MOSFET，其结构较复杂。该器件显著减小了开关时间，很容易达到100，冲破了电力电子装置中20的长期障碍，目前的MOSFET产品已达到60V/200A/2和500V/50A/100，并得到广泛的应用。功率MOSFET是低电压(100)和中小功率的场合(63A-315A)范围内最好的功率开关器件，但在高电压时其最大缺点是导通电阻随耐压的2.5次方急剧上升，给高功率应用带来很大的困难。本文设计的逆变弧焊电源是中小功率逆变焊接电源，因此采用场效应管MOSFET为逆变主电路的开关器件，场效应管MOSFET能够很容易达到100的开关频率，而本文设计的逆变频率约为100，可以大幅减小焊机的体积和重量。2.3.3电路参数的计算与选型合适的场效应管MOSFET电路参数是焊机稳定工作的保证，下面讨论MOSFET有关参数。根据便携式逆变弧焊电源的设计要求，单相220V交流电经整流滤波后得到近310V的直流电（空载时），由表2-1可知，加在全桥MOSFET漏源极间的电压即为310V，考虑焊机工作的安全性，选择MOSFET时留出一定的耐压余量一般按照2倍关系选择，故选取耐压值500V的MOSFET管。为了满足逆变弧焊电源引弧的要求，设计的空载电压约为60V，根据全桥逆变结构的工作状态，要求高频变压器一二次绕组的变化比为：=根据变压器的传输特性：=式中：、分别指高频变压器原、副边流过的电流值，考虑到电流尖峰并预留一定的安全系数，最终采用东芝公司生产的TOSHIBA-2SK2837(K2837)场效应管MOSFET，其最大耐压值为500V，最大耐流值为20A。本文设计采用全桥逆变电路，并在每个桥臂上采用3个MOSFET并联使用，以达到均流且保护各个元器件的作用，约12A的最大原边电流通过并联的3个MOSFET，每个MOSFET流过约4A的电流，对于其20A的最大耐流值还相差很远，为MOSFET留出了充足的余量，保证了焊机的稳定工作。当扩充容量时，采用多个单元并联的积木结构。2.4逆变频率的确定逆变频率的选择对焊接电源的大小、特性有很大的影响，是设计逆变电源的关键参数，从理论上来说，逆变频率愈高愈好，这样可减小逆变电源的体积和减轻重量以适应小型化的要求，同时提高电源的动态响应速度。但是逆变频率对开关器件的开关损耗、主变压器、输出电抗器及噪声干扰都有很大的影响，因此需对此进行综合考虑。2.4.1选定频率对电路影响与设计要求（1）对主变压器的影响按照正弦波分析，变压器有以下的基本公式： = (2-1)即 =(2-2)变压器输入电压；输入电压的频率；变压器绕组匝数；变压器的铁芯截面积；磁感应强度。显然，当一定时，提高逆变频率不仅可以降低变压器的体积和重量，而且使控制精度提高。（2）对输出电抗的影响输出电抗的大小与逆变频率、电感成正比，当输出电抗量一定时频率越高，则电感L越小，因此提高逆变频率可减小输出电感的体积。但是提高逆变频率会增加输出电抗的高频损耗，从这方面来说，又要求逆变频率不能太高。（3）对开关器件的影响对于逆变焊接电源来说，随着逆变频率的提高，逆变电源的体积和重量不断减小，响应速度不断提高。但由于PWM硬开关控制方式本身的限制，功率器件仍然在较大的电流、电压应力下开关，产生很大的开关损耗，降低了电源的运行可靠性，在高频时尤其明显。因此逆变焊接电源引入软开关技术（多在功率器件为IGBT时使用），减少功率器件在高频时的开关损耗，提高整机的效率（只有使用软开关技术才能使焊机的效率达到90%以上）。软开关技术是今后逆变焊接电源发展的主要方向之一。但是本文选用的功率开关器件为MOSFET，其开关频率高，通过电流电压小，因此其开关损耗较IGBT要小很多，可忽略。又因为焊机预期设计整机效率为80%，故本文不采用软开关技术，而采用传统硬开关PWM方式控制。确定逆变频率时，逆变频率对开关器件的影响不作为重要的依据。2.4.2逆变频率的确定选择逆变频率时还应考虑：能有效地减少焊接变压器的体积和重量；所采用的开关元器件的频率特性；使焊机的效率尽可能高；对焊接性能的影响；经济性。因此，通常认为最佳的逆变频率实在考虑到电路固有频率（电路的L、R、C决定电流衰减速度）的基础上，应选用功率开关器件所能接受的最高频率（常以次级整流管的开关特性为参考基准）。但是经过实际调试发现，随着逆变工作频率提高，管子的功耗也增大，相应的散热器体积总量增大，不利于电源整机体积的缩小，而且还会导致变压器漏抗恶化，从而影响电源的正常工作。因此，应根据影响因素综合地考虑其开关频率。提高功率开关器件的开关频率对防止噪声干扰和减小电抗器尺寸等均有利。尤其有意义的是，提高开关频率可以提高焊接电源的响应速度，从而可以提高输出脉冲的频率，使控制精度提高。但开关频率太高对开关损耗和电抗器及续流二极管的损耗不利。由于MOSFET很容易达到100，且20是声频上限，超过它就听不见，对减小机器的噪声污染有很大帮助。综合上述因素，结合参考国内外的研究水平和使用情况，本文选取目前场效应管MOSFET逆变焊接电源常用的开关频率100为逆变主电路逆变频率。2.5高频变压器的设计高频变压器如同心脏工作在逆变电路中，它的工作状态和运行品质会直接影响逆变器的工作性能和安全，如设计不妥，工作在饱和状态，激磁电流过大，将威胁逆变功率开关管的安全。为此，设计中必须对高频变压器进行认真分析。2.5.1高频变压器的瞬态饱和图2.5是磁芯材料的工作磁滞回线图示意图，稳态工作时，工作磁滞回线为图中以+和为顶点的对称小回环。通常，选择较高的工作磁通密度将可使高频变压器具有更小的体积，但是对于逆变弧焊电源用高频变压器，选择的更为重要的因素是避免磁芯饱和，因为磁芯的饱和将意味着高频变压器励磁电流的急剧增加，这显然会导致与之连接的功率开关管承受极大的电流电压而损坏。在稳态工作时，要根据实际使用的最恶劣条件（最大工作脉冲宽度和最高工作温度）来选择工作磁通密度，使其小于或根据励磁电流来决定最大的工作磁通密度。在上述条件下，高频变压器在稳态工作时将不会发生饱和，但是稳态不饱和并不意味变压器在其他条件下不饱和。如同普通电力变压器一样接通电源时要经图2.5磁滞(-)回线示意图历一个合闸过程才进入稳定状态，合闸第一个周期磁通密度的幅值将随合闸瞬间的相位以及剩磁密度Br的方向不同而异，其最大值将是2倍工作磁通密度幅值与剩余磁通密度之和，即2+，其中为工作磁通密度的幅值。因此产生了合闸瞬间冲击电流，该冲击电流应该通过设计加以限制，否则对MOSFET元件会造成损坏。2.5.2高频变压器瞬态饱和的防止措施防止高频变压器瞬态饱和，可以通过选择较低的工作磁通密度或是设法减小合闸瞬间的磁通密度来实现，具体办法有以下三种：降压启动，即在合闸瞬间设法降低输入电压。窄脉冲启动，在同样的输入电压条件下，铁芯的磁通与施加方波电压半周期持续的时间成正比，合闸时设法减小功率开关管的导通宽度，亦能防止变压器饱和。选取较小的工作磁通密度，使得。比较以上三种方法，方法一较为麻烦，方法三最简单，选取较小的工作磁通密度减小了励磁电流，降低了铁芯损耗，对提高变压器效率、降低温升也有利，不过这将以牺牲变压器的体积为代价。由于本文的逆变系统所使用的控制方式为脉宽调制(PWM)，采用专用脉宽调制芯片SG3525发出脉宽调制信号来对直流输出进行控制，除此之外还设计了焊机的软启动电路保护主电路及高频变压器。综合以上考虑，采用方法二来防止变压器的瞬态饱和，同时在不大幅度增加变压器体积的情况下，适当降低工作磁通密度，使变压器工作在较为理想的状态。2.5.3高频变压器设计要点（1）材料选取高频变压器的主要作用是电压变换（降压）、功率传递和实现输入、输出之间的隔离。不同于普通电力变压器，由于本文所设计逆变系统的高频变压器工作在100左右的频率下，对于磁性材料有着特殊的要求：在逆变工作状态下，功率损耗尽可能小。饱和磁通密度要高。随着温度升高，饱和磁通密度的降低尽量小。矫顽力小，居里点高，电阻率大。对于上述要求，普通电力变压器用硅钢片铁芯虽然具有很高的饱和磁通密度（高达1.8左右），但是，在100的频率下使用时，硅钢片厚度将不得大于几十微米，这显然是不经济的。目前比较实用并且有较好应用前景的铁芯材料有铁氧体和非晶态合金铁芯。铁氧体的饱和磁通密度约在0.4T左右，仅相当于硅钢片的1/41/5，力学性能易碎。但是，它的电阻率比硅钢片要大上万倍。因此，它具有很小的高频铁损，而且价格便宜，因而铁氧体铁芯在高频变压器中得到了一定的应用。而非晶态合金是近20年发展起来的新材料，与铁氧体铁芯相比，它具有饱和磁通密度高、损耗低、磁导率高、热稳定性好等优点，是理想的高频铁磁材料，但是由于该类合金基本上是环状绕制，价格比铁氧体贵很多。因此，考虑到以上因素，用户要求及市场需求，本文设计的高频变压器铁芯采用铁氧体铁芯。（2）输出容量的考虑磁感应强度，高频变压器铁芯截面积W和铁心窗口面积影响着焊接电源的输出容量，而这些参数直接决定了变压器材料的结构尺寸和绕线形式。的选择要小于饱和磁通密度，以免铁芯饱和。当铁芯体积一定时，铁心截面积W和铁心窗口面积是互相矛盾的，设计时考虑用二者乘积来优化变压器的设计，同时使绕组绕制紧凑，增大窗口利用系数，以提高输出功率。另外，减小变压器漏感，采用快速恢复输出整流二极管，可以减小占空比的损失，提高变压器输出容量。（3）集肤效应的考虑所谓集肤效应，是指导线中通过交变电流时，所导致导线的有效截面积减小，实际电阻增加的一种现象。交变频率越高，这种效应就越明显.常用穿透深度来表征集肤效应的作用程度，它表示交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度。随电流的交变频率，导线的导磁率以及导电率的不同而异，有下述关系：=(2-3)其中：=2。显然，由于集肤效应的存在，变压器一二次绕组线径应小于两倍穿透深度，当导线要求的截面大于由穿透深度决定的最大有效直径时，采用小直径的多股导线并绕。综合以上关于高频变压器设计的所有内容，及本文便携式逆变弧焊电源的设计要求，采用恒昇实业有限公司的EER4215铁氧体高频变压器，变压器原副边匝数比为N=5.2（与2.3.3中计算值相同）。高频整流电路（二次整流）的整流二极管采用快速恢复输出整流二极管ESAD92M-02(200V/20A)，来完成高频整流，同时减小占空比的损失，提高变压器输出容量。2.6逆变弧焊电源主电路的设计(1)主电路的结构主电路原理图如图2.6所示。逆变电路的主电路完成功率的转换及隔离，是逆变弧焊电源的重要组成部分。其器件、结构对逆变器可靠工作有极大的影响。（2）基本工作原理220V工频交流电进入主电路，经过两个整流桥模块及多个滤波电容整流滤图2.6 主电路原理图波成接近310V直流电，电阻配合滤波电容起到保护和限流的作用。选用双整流桥的目的是保护器件的安全性，避免单整流桥工作时每个整流二极管耐压耐流过高，以保证电路的可靠性。经一次整流后的310V直流电进入逆变环节，采用全桥式逆变电路主回路，每个桥臂采用3个MOSFET并联均流，每个桥臂分别进行阻容保护，保证MOSFET的安全工作。逆变结束后获得逆变频率100，310V的交流电。如此获得的高频交流电先通过高频变压器变换为高频低压交流电，再通过高频整流电路（二次整流）整流成供弧焊所需的直流电。综合上面的介绍，可以看出便携式逆变弧焊电源的主电路主要由以下三个部分组成：输入整流滤波电路。全桥逆变主电路。输出整流滤波电路。2.6.1输入整流滤波电路图2.7输入整流滤波电路图2.7为逆变弧焊电源的输入整流滤波电路。软启动电路在第三章详细介绍。在输入整流滤波电路中，热敏电阻、，压敏电阻，消磁电阻首先对电焊机的输入端进行了保护。逆变焊接电源的输入电路在设计时除了要考虑其实现的主要功能整流滤波外，还要考虑防止合闸浪涌电流及抗干扰问题。压敏电阻R8起到了限制合闸浪涌电流的作用，若浪涌电流过大，其阻值会变小，使电流大部分流过其所在的回路而不窜至整流主电路，抑制合闸时的电流突变，防止出现浪涌电流烧毁焊机内部器件。热敏电阻、及消磁电阻RT1去除了工频交流电中大部分干扰信号，使得交流电干扰大大减少，防止干扰信号进入后序的整流滤波电路。经过处理的交流电进入整流桥模块，整流成直流电。电解电容及电阻为滤波电容电阻，对一次整流电流进行滤波，并且改善电流波形，提高焊机的功率因数，同时起到了电流缓冲和滤波的作用。由此可见，输入整流滤波电路简单可靠，通过对各个元器件参数的选择，达到了设计目的。2.6.2全桥逆变电路 如图2.8所示，逆变弧焊电源采用现在广泛使用的全桥逆变电路，选用场效应管MOSFET为功率开关元器件。全桥逆变主电路供分为4个桥臂，每个桥臂由一组共3个场效应管MOSFET并联组成，场效应管选用TOSHIBA公司的K2837。采用这样的逆变电路设计一般适用于中、小功率输出的焊接电源。每组场效应管通过并联电容（如C04C07）来将电压箝位，如此使每组场效应管上施加的电压幅值与并联电容电压相等，且每组场效应管都可以有较低的耐压。不光如此，并联电容（如C04C07）和电阻（如R013R016）可以通过改变其值的大小来改变场效应管的参数，同时还起到了保护功率开关元器件的作用。众所周知，一般场效应管的耐流值较小，为扩大开关管的通过电流，采用多管并联是一种简单、经济的方法。由于场效应管属于多子器件，它的导通电阻具有正的温度系数。导通电阻的正温度系数使场效应管具有自动均流的特点，因而很容易并联适用。尽管如此，在其开关过程中仍然可能会有动态局部电流不平衡的现象或问题存在，因此还须引起足够的重视。通常，要注意以下几个方面：选择开启电压和通态电阻等指标相近的器件，并把所并联的器件安装在同一个散热器上，这样可获得更好的电流分配。本文便设计了一个散热器对所有功率开关元器件MOSFET和快速恢复整流二极管进行散热，从而达到良好的电流分配。当然，在选择和筛选器件时，最好采用晶体管特性图示仪测试，使并联在一起的管子的动态和静态性能基本一致。多管并联时由于总容抗较大，为了使开关波形具有较快的上升和下降速度，功率开关的驱动电路应该有较大的输出功率，同时，驱动电路还要有较低的内阻抗。另外，开关管并联使用时，在各个开关管控制栅极之前串入一个合适的图2.8 全桥逆变电路阻尼电阻（如上图中R01R12）是十分必要的。这些串联的电阻(R01R12)可使各并联的管子性能差异得到一定的补偿。实验和研究表明：电阻值过小，会使漏极电流过冲严重，且振荡周期短；而电阻值过大，则会严重影响MOSFET管开关的速度。3 外围电路的设计3.1 外围电路的组成控制电路是便携式逆变弧焊电源设计的核心部分，它的作用是通过电流信号的反馈与给定信号进行比较，获得宽度可变的脉冲信号供给驱动电路来控制功率开关器件的通断时间，从而实现输出功率的调节，获得符合焊接要求的静态特性和动态特性。本文设计的控制电路的基本结构如图3.1所示。 图3.1控制电路的基本结构图 由图3.1，可对本文设计的便携式逆变弧焊电源控制电路的基本结构组成进行整体的了解。本文控制电路的设计在分析了SG3525脉宽调制器工作原理的基础上，以SG3525脉宽调制器为核心，设计了如下的控制电路：以SG352为核心的脉宽调制(PWM)电路；脉冲驱动电路；电流电压负反馈电路；各种保护电路；多种抗干扰措施等等。3.2脉宽调制(PWM)电路设计逆变焊接电源的结构可分为两部分，从电网将电能传递给负载的电路称为主电路，其余称为控制电路。主电路包括三大部分：输入整流滤波电路、逆变电路、输出整流滤波电路。其中核心的部分是逆变电路。逆变焊接电源是负责焊接供电的电源。由于焊接对象不同，焊接方法和选用的工艺参数也不同，因此逆变焊接电源输出外特性要适用于各种焊接方法的要求，而且工艺参数可调。这就要通过控制电路来实现。也就是通过改变功率开关管的导通时间（脉冲宽度）和工作周期比例，亦即改变脉冲占空比来实现。这种方法称为“时间比例控制”（