中山市鷹飛電器有限公司 楊毅博

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IGBT單管逆變焊機的研究

中山市鷹飛電器有限公司 楊毅博

【摘要】本文分析了有IGBT單管構(gòu)成的逆變焊機的關(guān)鍵技術(shù)，包括了主電路的結(jié)構(gòu)的構(gòu)成、逆變器中的高頻變壓器設計、IGBT單管的選型、驅(qū)動電路的設計等。詳細描述了高頻變壓器的算法和驅(qū)動電路的設計。

【關(guān)鍵詞】全橋逆變器；高頻變壓器；驅(qū)動電路

1　引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的工頻焊機逐漸退出歷史舞臺，近幾年來逆變焊機技術(shù)不斷發(fā)展，其因控制性能優(yōu)異、動特性好、體積小、重量輕、高效節(jié)能等優(yōu)點逐漸占領(lǐng)市場。逆變焊機是焊接設備的發(fā)展方向，國外逆變焊機的發(fā)展充分說明了這一點。目前在工業(yè)發(fā)達國家，手工焊條焊機、TIG焊機、MIG/MAG焊機已經(jīng)廣泛采用逆變焊機，隨著功率器件的不斷發(fā)展，逆變焊機經(jīng)歷了由MOS管到IGBT模塊，現(xiàn)在由于IGBT單管的成本優(yōu)勢使得其開始在逆變焊機上得以應用。本文敘述了由相對低成本的IGBT單管逆變電焊機的關(guān)鍵技術(shù)，包括主電路的結(jié)構(gòu)、高頻變壓器的設計、IGBT的選型、驅(qū)動電路的設計等。

2　主電路的結(jié)構(gòu)

2.1主電路組成

主電路有一次整流、逆變、二次整流、組成輸出電流電壓傳感器、控制電路五部分組成。

（1）輸入交流電220V經(jīng)橋式整流后進入電解電容進行濾波，給全橋逆變提供直流電源310V。

（2）310V直流電經(jīng)過全橋逆變變?yōu)榻涣鞯姆讲ㄍㄟ^高頻變壓器傳遞給二次整流電路。

（3）經(jīng)二次整流和濾波后的直流電作為焊接輸出電源。

（4）焊機輸出的電壓和電流信號經(jīng)傳感器反饋給控制電路。

（5）PI控制電路處理后，調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的占空比，形成穩(wěn)定的焊機輸出電流和電壓。

圖1　

2.2全橋逆變的構(gòu)成

全橋逆變器的主電路如圖2所示，由四個功率管Q1 Q4及其反向并聯(lián)二級管D1 D4和輸出變壓器Tr、吸收電路、隔直電容等組成。通過高頻變壓器輸出的信號經(jīng)過全波整流濾波后得到焊接需要的電壓和電流。

圖2　

3　高頻變壓器的設計

（1）磁芯的材料及其磁通密度計算

此款變壓器要求飽和磁通密度高、磁芯高頻損耗小、低矯頑力等，因此選擇超微晶的作為本方案的磁芯，可以大大減小變壓器的體積和提高變壓器的效率。超微晶的磁通密度選取經(jīng)驗=1.2/3=0.4T（Bs為最大磁通密度，BM為工作磁通密度）。

（2）IGBT逆變頻率F=20KHZ，其中周期T=50uS保留一定的死區(qū)時間，以防IGBT直通，取TON=23uS，電網(wǎng)電壓按在±15%內(nèi)變化。即電網(wǎng)電壓最高為：，電網(wǎng)電壓最低為：。

（3）主變原邊匝數(shù)計算：主變鐵芯60*40*20超微晶材料，其鐵心截面積為繞組匝數(shù)確定：

V——施加在原邊繞組上的最大電壓：253V，Ton——最大導通時間：23uS，N1——原邊繞組匝數(shù)，N2——付邊繞組匝數(shù)，BM—最大工作磁通密度：0.4T，S—磁芯有效截面積。

為加大余量，實際取44匝，N1=44匝，因匝比為5:1，故取N1:N2 =44:8。

（4）主變初次級導線截面積計算：

次級中心抽頭變壓器一組導線導電時間為總時間的一半。故次級繞組一組導線的電流有效值為：I2= =0.707×140=99（A）。設定負載持續(xù)率為60%，折含成連續(xù)有效值，，取次級邊電流密度為j=7A/mm2。

二次側(cè)繞組導線截面積為：

原邊連續(xù)有效值電流：

取電流密度：j=7A/mm2原邊導線截面積：

4　IGBT單管的選型

在IGBT開關(guān)過程中，主要損耗來源于開關(guān)損耗和導通損耗，因為IGBT工作在高應力的狀態(tài)下，其電壓和電流應力很大。尤其在硬開關(guān)工作模式下，為了IGBT的功耗和安全工作，不僅需要有滿足其額定的電壓和電流，同時選擇的參數(shù)應在其正向偏置安全區(qū)（FBSOA）中，并留有足夠的余量。

根據(jù)上述分析，整流以后直流母線電壓最高為：

Umax=253*1.414=358V

IGBT的電壓余量應取2倍左右，即716V左右。選擇600V的IGBT，變壓器的變比為5:1.變壓器初級的電流為140/5=23A.根據(jù)以上參數(shù)選擇FGH40N60SFD這款I(lǐng)GBT。

5　驅(qū)動電路的設計

（1）PWM芯片選用電流型芯片UC3846，通過調(diào)節(jié)UC3846的5號腳的電壓，來調(diào)節(jié)PWM的占空比。高頻變壓器初級電流檢測值輸入到UC3846的4號腳，即電流檢測放大器正輸入端，進行電流反饋，用以限定單次電流脈沖的峰值，使其安全的工作。因工作在電流型芯片的控制下，其工作的占空比不能超過50%，否則會產(chǎn)生諧波振蕩。為此采用8號腳即振蕩輸出端，輸出的鋸齒波對4號腳進行斜波補償，用以使系統(tǒng)穩(wěn)定。11、14號腳為兩路PWM信號的輸出腳。16號腳接保護信號，只要輸入高電平即保護，11、14號腳則停止PWM信號的輸出，從而起到保護IGBT的目的。

圖4　

（2）驅(qū)動電路的作用及設計要求驅(qū)動電路的主要作用是對驅(qū)動信號進行功率放大，使其有足夠的驅(qū)動能力使IGBT飽和導通。由于驅(qū)動電路提供的脈沖將影響到功率管的飽和壓降、開關(guān)損耗及導通損耗和IGBT承受的過電流的大小，從而直接影響IGBT的可靠性。所以一個高性能的驅(qū)動電路是逆變焊機成功的關(guān)鍵。在設計IGBT的驅(qū)動電路時，主要考慮以下因素：1）驅(qū)動電路需提供足夠的電流，在所要求的開通時間和關(guān)斷時間內(nèi)對IGBT的輸入電容Ciss充電和放電。IGBT的開通和關(guān)斷實質(zhì)上是對輸入電容的充放電過程。2）IGBT在關(guān)斷時，可以加反向電壓，以防止受到干擾時誤開通。

（3）驅(qū)動信號有時要求在電氣上進行隔離。最終采用如圖4所示的變壓器驅(qū)動方式，成本低、效果好。具體電路為輸入兩組PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電阻R59-R63后經(jīng)全橋逆變進行功率放大，到隔直電容C33和C32到驅(qū)動變壓器后通過次級變?yōu)樗穆夫?qū)動信號，去驅(qū)動全橋逆變的四個功率管。

6　結(jié)論

（1）選擇了主電路的結(jié)構(gòu)，并對全橋逆變的構(gòu)成進行描述。

（2）高頻變壓器參數(shù)設計，列出了變壓器的匝數(shù)的和截面積的具體算法。

（3）單管IGBT的選型方法的描述。根據(jù)電壓和電流和頻率特性來選擇IGBT。

（4）進行了驅(qū)動電路的設計，包括PWM電路的設計和驅(qū)動變壓器的功率放大電路。

參考文獻

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