高频逆变式弧焊机电源的研制初探

朱建军

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

前言

电路电子技术的高速发展，促进了器件、电路及其控制技术员向着集成化、高频化、全控话、电路弱电化、控制技术多功能化的方向发展。目前，逆变技术广泛应用于电机驱动、变频调速、不间断电源、电化学、电焊机、电机静止变换、电加热设备等工业领域产业发展，极大推动了这些领域的产业发展。与传统电源相比，逆变电源具有高效节能（约20%-35%），体积小、重量轻，反应速度快等特点。有利于实现自动化和智能化控制。

逆变式弧焊电源由于具有焊接性能好、动态响应快、体积小、质量轻、效率高等诸多优点而成为焊接电源的主要发展方向之一。

1 逆变式弧焊机电源的技术要求

弧焊电源的负载是电弧，要形成符合焊接外特性要求的电弧，弧焊电源要满足有较大的短路电流和较高的空载电压；输出电流、电压稳定；输出电流可调节；具备完善的自我保护系统。

2 高频逆变式弧焊机电源的设计

本文设计的高频逆变式弧焊电源的输入电压幅值为220士15%，工作频率f=100KHZ；开关功率管最大占空比Dmax=0.8、最大导通时间TONmax=40μS。输出电压电流额定值:15V,315A，适合组装在中等功率的电焊机上。

2.1 逆变式弧焊机电源的基本组成

在供电系统中，单相或三相交流电网电压，经整流和滤波后获得逆变器所需的平滑的直流电压。该直流电压经逆变器中的大功率开关器件(的交替开关作用下，变成几千至几万赫的中高频电流，再经过中高频变压器降至适合于焊接的几十伏或十几伏低电压，并借助控制电路和检测电路及焊接回路的阻抗，获得焊接工艺所需的外特性和动特性。

图1 辅助电源电路图

2.2 逆变式弧焊机电源的供电系统和辅助电源的的设计

逆变式弧焊机电源的供电系统如图1所示，当高频逆变式弧焊电源启动后，电阻R2用来抑制开机瞬间电容器充电产生的浪涌冲击电流，然后主电路初级侧的电流感应器的二次侧绕组形成的电压经VD24加至晶闸管VTH1的控制极，使YTH1导通，此时旁路限流电阻R2，这样电源进入正常工作。由于此时电容C11、C12、C13、C3己经充电，VTH1导通时不会产生冲击电流。晶体管VT3的作用是在输入电源瞬时断开后又立即接通时抑制冲击电流。

输入电压经由变压器T2后降低到合适的值，再经过桥式整流，电容滤波后，通过7815、7815和7820集成稳压器分别构成+15V、-15V和+20V隔离直流供电电源，分别为相关的控制电路供电，这样可以避免控制电路相互之间的干扰。这里变压器次级分别是18V、18V、22V。

2.3 逆变式弧焊机电源的逆变器的工作原理

全桥移相技术，保留了恒频控制的优点，有利于滤波电路的优化，且控制简单，是软开关变流技术的最佳控制方式。本文采用集成电路UC3895来实现逆变器的零电压全桥移相控制。逆变器的谐振电路由电感和电容组成，进行串联谐振，在高频电路中，要求电感和电容的值要非常小。

图2 全桥移相开关电路原理图

这是一种全桥拓扑，被称为全桥移相PMPT(也即相位调制PWM)。Ui是供电系统经过桥式整流后提供的311 V直流电压。S1-S4是4个IGBT开关管，通过控制S1-S4轮流导通和关断来将直流电压逆变为高频的交流电，再通过变压器T1来将高频的交流电压转换为相应的低压交流电，再通过次级的整流电路得到我们所需要的直流电压。S1-S4的控制方式移相控制，是Sl和S3轮流导通，各导通180度电角;S2和S4也是这样，但S1和S4不是同时导通。S1先导通，S4后导通，两者导通相差a电角。其中S1和S3分别先于S4和S2导通，故称S1和S3组成的桥臂为超前桥臂，S2和SA组成的桥臂为滞后桥臂。PMPT与一般全桥PWM拓扑的唯一区别在于二者开关过程不同，PMPT在开关过程中是软开关。PMPT技术的核心在于保证每个桥臂上的开关元件的漏-源极间的电压能够在其进入下一个导通周期之前降至0V，以实现零电压开通。

2.4 应用UC3895设计的逆变式弧焊机电源的控制系统

全桥移相控制的谐振变换电路是在PWM全桥变换电路的基础上发展起来的。因为是恒频PWM控制，使得输入、输出滤波器的设计大大简化，开关噪声大为减小。在中大型电源的设计中被越来越多的用户所采用。为了简化电路，提高设计的效率，本文所设计的弧焊电源也同样采用全桥电路，使用移相控制。

2.5 IGBT开关管及其驱动电路

绝缘栅双极晶体管简称IGBT，是由MOSFET和晶体管技术结合而成的复合型器件，在开关电源和要求开关快速、低损耗的领域备受青睐。由于工作频率较高，我们选用SIEMENS的BSM50GD120DLC型IGBT开关管。由于此电路的开关频率高达100KHZ，一般通用的IGBT集成驱动电路频率都不能满足。因此要采用高速响应的零部件来实现IGBT的驱动。同时为了实现控制电路与功率电路的隔离，设计上采用光电耦合器和高速MOSFET管组成的TTL电路组合驱动IGBT。我们选用的是FAICHD公司出品的HCPL2630，其最高工作频率可以达到10MHZ，它的响应速度可以适应目前100KHZ的电路开关频率。UC3895的输出信号电压非常小，高电平输出时的电压值的典型值只有250mA,低电平输出的电压的典型值却也有150mV。因此其输出信号需要放大后才能驱动光耦。由于电路工作频率高，设计上选用ST的LM119高速比较器。

2.6 过电流保护电路

一个可靠的弧焊电源要求有能力在短路的时候限制电流，在开路的时候限制电压。为了避免焊枪在工作过程中产生过大的电流，设计上采用电流互感器对功率电路的电流进行取样检测，根据取样检测的结果调整占空比来限流。

2.7 辅助引弧电路的设计

弧焊电源的负载是电弧。理想的引弧是一个开始阶段电流迅速增加直到点燃电弧的过程。要形成符合焊接要求的电弧，弧焊电源要满足以较大的短路电流和较高的空载电压，起弧是电流越大，空载电压越高，越容易起弧。焊机的起弧难易度是焊机性能的主要参数之一，能否方便起弧决定了焊机性能的优劣;起弧的难易也直接影响焊接的效果。

结束语

逆变电源有体积小、重量轻、噪声低、效率高等特点，在国际上，IGBT逆变电源已经广泛应用做各种大型设备的电源，随着电力电子器件的发展，逆变电源一定有更广阔的发展空间。

[1]李爱文，张承慧.现代逆变技术及其应用

[2]新型弧焊电源及其智能控制.机械工业出版社.

[3]齐铂金，李玉池，辛军.大功率全桥式IGBT逆变焊机及其控制.