IGBT串联谐振逆变电阻点焊机的研究与改进

刘晓东 杨 艳 李方元 王景兵

（青岛大学自动化工程学院，山东 青岛 266071）

科技发展是推动行业发展的动力，为了适应新材料、新工艺不断提出的应用要求，点焊电源也在不断的发展与完善之中。随着逆变电源应用到自动、半自动点焊机的进一步研究，功率逆变组件可靠性的不断提高，逆变点焊机已经得到了非常快的发展。相对于传统的点焊电源，逆变点焊机因其自身所具有的体积小、重量轻、高效节能、焊接过程稳定、动态响应快等优点，被广泛应用于汽车、工程机械、航天等领域,在现代社会建设中发挥着重要的作用。

相对于全桥串联谐振逆变电路而言，半桥串联谐振逆变电路无需再考虑匹配变压器的问题，整个焊机的体积将会大大缩小，从而节省空间，并且半桥串联谐振逆变电路采用更少的开关管，电路的控制更容易。本文提出的新型IGBT 串联谐振逆变电阻点焊机具有将无功能量转化成为有功能量的特点，可降低品质因数Q，减少电路累积电压，电路安全性能更好、电路效率更高，采用TMS320F2812型DSP 进行闭环控制，提高了逆变点焊机整体工作的可靠性。

1 主回路结构拓扑图

逆变点焊机主要是一种将50Hz 的工频交流电先经过三相不可控整流电路滤波变成直流，再通过控制大功率开关电子元件（SCR、GTR、MOSFET或IGBT）的开通或关断，逆变成几kHz～几十kHz的中频交流电，最后经过阻焊变压器降至适合于焊接电压的感应加热电源。电阻点焊是在电极的压力下，通过电流加热使电极间的金属部分熔化形成熔核。目前应用最广泛的焊接过程包括加压、焊接、维持、冷却。点焊具有大电流、短时间、压力状态下进行焊接的工艺特点。如图1所示，改进后的串联谐振逆变电路由三部分构成：三相不可控整流滤波电路，串联谐振逆变电路，输出整流滤波电路。三相不可控整流电路由六个整流二极管组成[2]，把380V 市电经过整流滤波后可得到直流电压约为UCd=1.41*380V=537V，作为逆变电路的输入电压。在逆变电路中，Ld1和Ld2为平波电抗器，L是谐振电感。Ld1=Ld2>>L，Ld1和Ld2可以等效为恒流源。C3和C4是谐振电容，（C1=C2）>>（C3=C4），因此，C1和C2可以等效为恒压源。逆变电路发生串联谐振时，串联电路的电压与电流同相位[3]，即负载此时呈纯电阻性；电容上的电压与电感上的电压大小相等，方向相反。电流iL最大。感应线圈中产生交变的中频电流，再经变压器变压输出后，利用感应加热原理进行焊接。

图1 逆变电阻点焊机主电路拓扑

串联谐振逆变电路的震荡过程是：开始工作之前，S1和S2均未获得触发信号，而C1与C2均充有上正下负的电压，UC1=UC2=1/2UCd。此时，C1、Ld1、C3形成电流回路，C2、Ld2、C4形成电流回路，C3、C4即被充上上正下负的电压。随后导通S1，并且S2保持关断状态，那么C3、S1、L形成谐振回路，同时C1通过Ld1、S1、L放电，两个回路均对负载线圈L做功。谐振过程中，UC3逐渐减小，而iL逐渐增大，电流方向为左负右正[4]。当UC3=0 时，iL达到最大值。随后L向C3反向充电，当iL=0 时，C3被充上下正上负的电压UC3m，由于谐振放电，根据能量守恒原则，有UC3m>L，所以流过电流近似为直流，那么虚功能量的释放将促使该回路直流电流的增加，从而使得实功能量增加），这样就完成了前1/2 个周期震荡。

之后触发S2导通，并且S1保持关断状态，则C4、L、S2形成谐振回路，同时C2通过L、S2、Ld2放电，两个回路均对负载线圈L做功，UC4逐渐减小，而iL逐渐增大，电流方向为左正右负。当UC4=0时，iL达到最大值。随后L向C4反向充电，当iL=0时，C4被充上下正上负的电压UC4m。在关断S2，且S1尚未开通时，C4、Ld2、C2存在小环流回路，即C4将下半个周期结束后存储下来的能量1/2C3UC24m释放出去，与C2共同作用使iLd2变大。这样就完成了下半个周期的震荡。此后，再触发S1开通，形成谐振回路，如此循环往复[5]。

逆变电路输出有功功率P=UC1×iLd1，由于iLd1变大，输出有功功率P也随之增大。串联谐振电路的品质因数

表示发生谐振时电路中的感抗值（或容抗值）与电路电阻的比值，Q值反映了谐振电路的固有性质，其大小直接影响功率因数角φ，从而影响负载阻抗和负载输出功率的大小[6]。

另一方面，可由公式推导得：电路谐振时，谐振电容C3电压有效值

电感电压有效值

分析可知，在串联谐振电路发生谐振时，电容电感串联部分相当于短路，电源电压全部加在电阻R上面，而UC3=UL=QU。串联谐振逆变电路开始工作后，谐振电容上的电压存在一个逐渐累积的过程，最大值约为电源电压的Q倍。电路的Q值一般在10～20 之间，Q值越高，感应线圈L上的电压越高。因此，即使外加电源电压不高，在谐振时，电路元件上的电压仍然可能很高，这样电路的工作状态很不安全，为此需要特别注意元件的耐压问题和过电压问题。

当低Q值谐振逆变电路进入稳态工作后，其Q值为Q=(2πWem/WR)<(wL/R)=1/wCR。该电路与传统半桥逆变电路相比，创新之处在于电路中存在虚功能量向实功能量转化的小环流回路，可以有效降低Q值，并进一步提高电路的效率。

2 逆变电阻点焊机控制系统的设计实现

本文所设计的低Q值串联谐振逆变点焊机以TI公司新推出的TMS320F2812 型DSP 为控制电路的核心，与传统的模拟控制或模拟与数字相结合的控制方式相比，它具有更高的集成度、更快的CPU 以及更大容量的存储单元，只需要搭建简单的外围电路即可实现精确的控制功能。DSP 要实现的主要功能包括数字锁相环的设计、功率调节控制和过压过流保护。通过控制IGBT 的导通和关断，使电源能够恒定功率输出。

如图2所示，将输出电压采样值与给定的电压基准值Vref比较生成电压误差，并经过PI 调节器得到电流基准Iref，在与输出电流采样值进行比较，经过PI 调节器输出，此时得到的输出信号为移相角β，通过移相角可以调节输出电压，而输出电压又可以影响输出电流的变化，从而实现了功率调节。Zo为输出负载的等效阻抗，Kβ为移相角到输出电压的转换比例。

图2 功率调节流程图

为了使逆变焊机一直工作在准谐振或谐振状态下，本课题采用了频率跟踪技术，可进一步提高逆变点焊机的工作稳定性。通过电流互感器将负载电流检测出来，一路接到DSP 的A/D 口作为功率闭环调节时的反馈电流，另一路接到过零检测电路的DSP 的CAP 口，用来实现频率跟踪和测量。

DSP 内置的带死区的电压比较电路可将输入的正弦信号变成0～5V 的相同频率的方波信号，然后将方波信号送入捕获模块CAP，当CAP 连续两次捕获到方波的下降沿时，可将定时器的计数值分别记为X1和X2，通过逻辑运算就能得到负载电流的周期T和频率f，如果得到的频率与给定的谐振频率不同，则需要调整采样频率，通过引入负反馈使输出信号与输入信号之间的频率之差不断减小，直到这个差值为零而被锁定，从而实现了频率和相位的跟踪[7]。

在焊接过程中，由于负载温度升高，焊接物体物理性质变化等因素，逆变电路的等效谐振电感L的大小也在不断变动，为了保证逆变焊机一直在准谐振或谐振状态下工作，需要不断的根据锁相环的频率调节来改变IGBT 的开关频率。

图3 逆变电阻点焊机系统功能结构图

图4 IGBT 触发脉冲波形图

该设计采用脉宽调制型控制方法，通过焊接电流的负反馈，并采取一定的控制算法，实时控制输出PWM 脉宽的大小。IGBT 的导通脉冲如图4所示， 上下两桥臂的两路脉冲在每个周期轮流导通，相位差180°，两路脉冲导通时间并非各占半个周期，而是略小于半个周期，即两路脉冲之间留有一定的死区，以保证IGBT 可靠关断[8]，防止发生桥臂直通短路而击穿开关管，触发脉冲仿真波形如图4所示。

3 实验结果与分析

在实验之前先通过Matlab 中的Simulink 对串联谐振逆变电路的主电路拓扑进行仿真，具体的给定参数如下：直流电源电压E为500V，Cd=4mF，谐振电感L=40μH，谐振电容C=113μF，R=0.5W，Ld=1000μH，仿真时间0.06s，占空比49%。

仿真波形如图5、图6所示，当负载工作于感性状态时，负载电压超前负载电流φ电角度电流换向时，电压已换为正，感性状态下实现了开关管的零电流开通[9]。当负载工作频率等于负载谐振频率时，电流和电压等相位，相位角φ=0，即发生串联谐振。由此，从仿真波形分析可知，低Q值串联谐振逆变电路点焊机的设计方案是可行的。

图5 IGBT 两端电压与负载电流Simulink 仿真波形图

图6 负载电压与负载电流Simulink 仿真波形图

在此基础上对电路进行实验，通过对功率为200W 左右的试验样机进行电气特性的测量，测量的数据主要有流过谐振电感的电流，该参数可以通过串联电阻R上的电压Ur波形来反映；开关管IGBT两段的电压Uce，该值可以验证电路的低Q值特性。电路中谐振电容C1=C2=32μF，谐振电感L=337μF，则整个电路的谐振频率约为1550Hz。在实际控制时将控制信号的频率设定为770Hz，控制信号的频率小于电路的谐振频率，可以保证开关管IGBT 能够过零关断，降低开关损耗。

测得电阻R上的电压Ur波形和开关管IGBT 两端的电压波形如图7和图8所示。

由图7、图8可知，搭建的实验样机所得波形与SIMULINK 仿真所得波形基本一致。IGBT 关断时两端的电压为33.8V，其值约为逆变电路输入电压的Q倍，逆变电路的外加电压为12V，两者比值为2.8 左右，即整个电路的品质因数为2.8 左右。传统的半桥串联谐振逆变电路的品质因数约为10～20，低Q值串联谐振逆变电路的品质因数仅为2.8，显然电路实现了降低Q值的目的。

图7 样机实验负载电压Ur 波形图

图8 样机实验IGBT 两端电压波形图

4 结论

现如今被广泛应用的逆变焊机大都采用全桥串联、半桥串联逆变电路，但是这几类逆变电路的品质因数都比较高，而且在谐振过程中存在高压积累，不利于开关管的正常工作。本文提出的新型串联谐振逆变电路拓扑，它可以将系统内部的一部分无功能量转变成有功能量，从而降低了电路的Q值，提高了电源的输出功率。可以看出电路工作在谐振频率下，功率因数近似为1，试验结果表明，所设计的IGBT 半桥串联谐振逆变焊机开关损耗小，效率高，整机工作稳定性好，具有较高的应用和研究价值。

[1] 郭秉楠.可切换双网孔逆变电路结构的反常功率特性研究[D].天津: 南开大学,2008.

[2] 左小娟.低Q值中频电源研究[D].青岛: 青岛大学,2013.

[3] 张泰峰,郭秉楠,等.IGBT 半桥串联谐振高频感应焊接电源[J].南开大学学报(自然科学版)，2009,42(2).

[4] 申磊,杨艳,等.基于DSP 低Q值感应加热电源的研究[J].青岛大学大学学报(工程技术版),2013,28(4).

[5] 齐幸坤.IGBT 半桥串联谐振逆变器的研究[D].保定:华北电力大学,2012.

[6] 陈怡.串联谐振逆变电阻点焊机的研究及实现[D].天津: 天津大学,2002.

[7] 张勇.点焊逆变电源软开关及模糊神经网络控制研究[D].西安: 西北工业大学,2006.

[8] Dawson F P,Jain P.A comparison of load commutated inverter systems for induction heating and melting applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1991,6(3): 430-441.

[9] Golde E.Oscillator circuit thyristor converters for induction heating[J].Proceedings of the IEEE,1967,55(8): 1449-1452.

[10] 金东琦,田云.基于DSP 的逆变焊接电源设计[J].电焊机,2009,40(10).

[11] 邹焕青.等效单电源自然环流型半桥逆变器的反常功率输出特性分析[D].天津: 天津大学,2009.

[12] 郭伟东.基于DSP 的串联谐振式中频电源的研究[D].西安: 西安科技大学,2012.