IGBT模块在弧焊逆变电源中的原理和应用作者：微叶科技 时间：2015-05-29 10:20
在焊接设备中，按焊接热源原理的不同，电焊机可分为电弧焊机和电阻焊机两种基本类型。电弧焊机是利用电弧产生的热量，在金属结合处将金属熔化而实现焊接的。电阻焊机是有强电流通过金属结合处，利用接触电阻产生热量将金属速熔，并加压而实现焊接的。本章仅介绍电弧焊机中的直流弧焊逆变焊机（也称为弧焊逆变电源）。弧焊逆变电源采用的开关功率器件有SCR、GTR、MOSFET和IGBT 等，表 1给出了SCR、GTR、MOSFET和IGBT弧焊逆变电源性能的比较。从表 1可以看出，IGBT弧焊逆变电源在性能上具有较大的优势。
一 焊接电弧的电特性 1．焊接电弧的电特性 1)焊接电弧的静特性 在电弧长度L 稳定的情况下，电弧电压Ud与电弧电流 Id之间的关系，即Dd=f（Id）。称为焊接电弧的静特性，如图 1所示。图 1中的焊接电弧的静特性曲线可分为三个区域： I区一一在电弧电流较小时，电弧电压随电弧电流的增加而下降，电弧静特性呈下降特性。由于下降段电弧燃烧不稳定，一般不在下降段进行焊接。 II区一一随着电弧电流的继续增加，电弧电压基本不变，电弧静特性为平特性。焊条电弧焊、埋弧焊、等离子弧焊等多数焊接方法工作于平段。 III区——当弧焊电流较大时，电弧电压随电弧电流的增加而上升，电弧静特性为上升特性。少数焊接方法，如熔化极气体保护焊、水下焊接等工作在上升段。 在电弧长度不同时，电弧电压随电弧长度的增加而上升，如图 1所示(L2>L1)。所以，在电源电压恒定的情况下，电弧长度的过分增加会导致断弧。 2)弧焊电源的外特性 在弧焊机规定运行范围内，弧焊电源的输出电压的稳态值UDO与输出电流的稳态值IDO之间的关系，即UDO＝f(IDO），，称为弧焊电源的外特性。对于直流电源来说，UDO和IDO为平均值。 根据不同的焊接工艺，要求弧焊电源有相应的外特性。直流弧焊电源的外特性一般分下降特性和平特性两类。图 2给出了各种直流弧焊电源外特性及其适用范围。
3)电弧的稳态工作点 以图 2 来说明电弧的稳态工作点。图中，电源外特性曲线与电弧静特性曲线有两个交点A和B。当在B点运行时，若电弧电流增加，电源电压UDO小于电弧所需要的电压UD，使电弧电流减小，重新回到 B点。所以，B点为稳态工作点。 当在A点运行时，若电弧电流增加，由于UDO>UD，将使电弧电流继续增加，直到 B点为止。所以，A点为不稳定工作点。 二 IGBT弧焊逆变电源的结构 IGBT弧焊逆变电源的结构方框图如图 3所示。弧焊逆变电源中的主电路的功率开关器件采用IGBT，根据弧焊逆变电源的技术要求，也可以采用GTR或MOSFET。 
图 3 IGBT弧焊逆变电源的结构方框图
从图 3可以看出，弧焊逆变电源的输入为50Hz的交流，不设置工频整流变压器，直接通过低频整流器URL得到脉动直流，经滤波器 L1C1得到平滑直流，经过逆变主电路IN得到高压高频交流，高频变压器 T的输出为低压高频交流，再经过高频整流器URH的整流和滤波L2C2的滤波，得到直流输出电压。控制系统由反馈电路、电子控制电路和驱动器等组成。控制电路的主要作用是为逆变主电路提供触发脉冲。根据逆变主电路的类型和调制方式的不同，要求触发脉冲的宽度或频率可调，即采用PWM方式或PFM方式。从上面的简介，可以看出弧焊逆变电源具有以下特点： (1)弧焊逆变电源的输入一般不采用笨重的工频整流变压器，而采用具有降压作用的高频 变压器，其体积和重量都很小。 (2)IGBT弧焊逆变电源的工作频率可达几十千赫兹以上，由于频率的提高，使弧焊逆变电源具有高效节能的优点。效率可达90%左右，与传统弧焊整流器相比较，可节电30%左右。特别是空载损耗非常小，仅为传统弧焊整流器的十几分之一。 (3)弧焊逆变电源具有动态响应快的特点，可以提高电弧的稳定性。 (4))由于控制系统为电子控制电路，非常适合采用数字化控制，从而可以任意设定符合焊接工艺需要的外特性，获得良好的焊接工艺性能。 四 IGBT弧焊逆变电源主电路的工作原理 常用的弧焊逆变电源主电路的基本形式有：单端式、推挽式、半桥式、全桥式、并联式等逆变电路，如图 4所示。 
图4 单端式、推挽式、半桥式、全桥式、并联式等逆变电路
图 4(a)为单端正激型双管方波逆变电路的原理图。图中的两只功率开关管Vl和V2由同一个控制信号驱动，使其同时导通或关断。当Vl和V2同时由导通变换为关断时，由于高频变压器 T产生的反电动势，使二极管V3和V4导通；V1和V2被钳位在直流输入电压Vcc上。所以，在该电路中，功率开关管的电压应力等于直流输入电源电压。对功率开关管的耐压要求较低是该电路的优点。该电路适用于中小功率的逆变电路。图 4(b)为推挽式方波逆变电路的原理图。该电路可认为是两个单端正激型方波逆变电路交叉并联而成。它的主要特点是： (1)功率开关管的电压应力为2V cc，所以应选用高耐压的功率开关管。 (2)电路结构简单，只需要两只功率开关管。 (3)由于输出电压只能有两态，仅适用于双极性调制。 图 4 (c)为半桥式方波逆变电路的原理图。图中的功率开关管Vl和V2与电容器 Cl和C；组成桥路。当 C1=C2时，高频变压器 T的原边绕组上的电压为直流输入电源电压Vcc叫 1/2。它的主要特点是： (1)电路结构简单，仅需要两只功率开关管。 (2)力率开关管的电压应力较低，等于直流输入电源电压Vcc，适用于高直流输入电源电压的逆变电路。 (3))桥路输出电压UAB的幅值为Vcc/2，为了获得高的输出电压U。，要求高频变压器 T 具有高匝数比NS/NP。 (4))要求直流侧电容器Cl和C2为容量相同的低损耗角的高质量电容器，以求两只电容器上的电压均衡。 图 4(d)为全桥式方波逆变电路的原理图。图中，桥路对角的两只功率开关管为一组，即Vl和V4为一组，V2和V3为一组，每组的功率开关管同时导通或关断，两组功率开关管轮流变换状态，并且导通（或关断）占空比相同。该电路的特点是： (1)与推挽式、半桥式比较，全桥式方波逆变电路结构略显复杂，要用4只功率开关管。 (2)功率开关管的电压应力为V cc，可用于高直流输人电源电压的场合。 (3)高频变压器 T只有一个原边绕组，绕制简单，变压器铁心和绕组能够得到最佳利用，从而获得高效率和高功率密度。 (4)输出为两态或三态，可实现单极性或双极性调制。 图 4(e)并联单端正激型方波逆变电路的原理图。该电路为两个单端正激型方波逆变电路并联而成，用以提供双倍的输出功率。如果两只功率开关管Vl和V2由同一个控制信号驱动，使其同时导通或关断，在输出端可得到两倍于单端正激型单管方波逆变电路的输出功率。如果两只功率开关管Vl和V2交替导通或关断，并且两只功率开关管的导通周期相同，均小于工作周期的一半。那么，不仅输出功率是单管逆变电路的两倍，而且续流二极管V4的工作频率提高了一倍。所以，输出滤波器的体积和重量相应减小。当然，将图 4（a）所示的单端正激型双管方波逆变电路并联起来运用，也能达到同样的目的。 除上面介绍几种逆变主电路的基本形式以外，还有其他各种软开关逆变电路可用于弧焊逆变主电路，如零电压开关(ZVS)谐振逆变电路、零电流开关(ZCS)谐振逆变电路、串联谐振逆变电路、并联谐振逆变电路、移相控制逆变电路等。 |
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