IGBT单管逆变焊机的研究

中山市鹰飞电器有限公司 杨毅博



IGBT单管逆变焊机的研究

中山市鹰飞电器有限公司 杨毅博

【摘要】本文分析了有IGBT单管构成的逆变焊机的关键技术，包括了主电路的结构的构成、逆变器中的高频变压器设计、IGBT单管的选型、驱动电路的设计等。详细描述了高频变压器的算法和驱动电路的设计。

【关键词】全桥逆变器；高频变压器；驱动电路

1　引言

随着电子技术的不断发展，传统的工频焊机逐渐退出历史舞台，近几年来逆变焊机技术不断发展，其因控制性能优异、动特性好、体积小、重量轻、高效节能等优点逐渐占领市场。逆变焊机是焊接设备的发展方向，国外逆变焊机的发展充分说明了这一点。目前在工业发达国家，手工焊条焊机、TIG焊机、MIG/MAG焊机已经广泛采用逆变焊机，随着功率器件的不断发展，逆变焊机经历了由MOS管到IGBT模块，现在由于IGBT单管的成本优势使得其开始在逆变焊机上得以应用。本文叙述了由相对低成本的IGBT单管逆变电焊机的关键技术，包括主电路的结构、高频变压器的设计、IGBT的选型、驱动电路的设计等。

2　主电路的结构

2.1主电路组成

主电路有一次整流、逆变、二次整流、组成输出电流电压传感器、控制电路五部分组成。

（1）输入交流电220V经桥式整流后进入电解电容进行滤波，给全桥逆变提供直流电源310V。

（2）310V直流电经过全桥逆变变为交流的方波通过高频变压器传递给二次整流电路。

（3）经二次整流和滤波后的直流电作为焊接输出电源。

（4）焊机输出的电压和电流信号经传感器反馈给控制电路。

（5）PI控制电路处理后，调节驱动信号的占空比，形成稳定的焊机输出电流和电压。

图1　

2.2全桥逆变的构成

全桥逆变器的主电路如图2所示，由四个功率管Q1 Q4及其反向并联二级管D1 D4和输出变压器Tr、吸收电路、隔直电容等组成。通过高频变压器输出的信号经过全波整流滤波后得到焊接需要的电压和电流。

图2　

3　高频变压器的设计

（1）磁芯的材料及其磁通密度计算

此款变压器要求饱和磁通密度高、磁芯高频损耗小、低矫顽力等，因此选择超微晶的作为本方案的磁芯，可以大大减小变压器的体积和提高变压器的效率。超微晶的磁通密度选取经验=1.2/3=0.4T（Bs为最大磁通密度，BM为工作磁通密度）。

（2）IGBT逆变频率F=20KHZ，其中周期T=50uS保留一定的死区时间，以防IGBT直通，取TON=23uS，电网电压按在±15%内变化。即电网电压最高为：，电网电压最低为：。

（3）主变原边匝数计算：主变铁芯60*40*20超微晶材料，其铁心截面积为绕组匝数确定：

V——施加在原边绕组上的最大电压：253V，Ton——最大导通时间：23uS，N1——原边绕组匝数，N2——付边绕组匝数，BM—最大工作磁通密度：0.4T，S—磁芯有效截面积。

为加大余量，实际取44匝，N1=44匝，因匝比为5:1，故取N1:N2 =44:8。

（4）主变初次级导线截面积计算：

次级中心抽头变压器一组导线导电时间为总时间的一半。故次级绕组一组导线的电流有效值为：I2= =0.707×140=99（A）。设定负载持续率为60%，折含成连续有效值，，取次级边电流密度为j=7A/mm2。

二次侧绕组导线截面积为：

原边连续有效值电流：

取电流密度：j=7A/mm2原边导线截面积：

4　IGBT单管的选型

在IGBT开关过程中，主要损耗来源于开关损耗和导通损耗，因为IGBT工作在高应力的状态下，其电压和电流应力很大。尤其在硬开关工作模式下，为了IGBT的功耗和安全工作，不仅需要有满足其额定的电压和电流，同时选择的参数应在其正向偏置安全区（FBSOA）中，并留有足够的余量。

根据上述分析，整流以后直流母线电压最高为：

Umax=253*1.414=358V

IGBT的电压余量应取2倍左右，即716V左右。选择600V的IGBT，变压器的变比为5:1.变压器初级的电流为140/5=23A.根据以上参数选择FGH40N60SFD这款IGBT。

5　驱动电路的设计

（1）PWM芯片选用电流型芯片UC3846，通过调节UC3846的5号脚的电压，来调节PWM的占空比。高频变压器初级电流检测值输入到UC3846的4号脚，即电流检测放大器正输入端，进行电流反馈，用以限定单次电流脉冲的峰值，使其安全的工作。因工作在电流型芯片的控制下，其工作的占空比不能超过50%，否则会产生谐波振荡。为此采用8号脚即振荡输出端，输出的锯齿波对4号脚进行斜波补偿，用以使系统稳定。11、14号脚为两路PWM信号的输出脚。16号脚接保护信号，只要输入高电平即保护，11、14号脚则停止PWM信号的输出，从而起到保护IGBT的目的。

图4　

（2）驱动电路的作用及设计要求驱动电路的主要作用是对驱动信号进行功率放大，使其有足够的驱动能力使IGBT饱和导通。由于驱动电路提供的脉冲将影响到功率管的饱和压降、开关损耗及导通损耗和IGBT承受的过电流的大小，从而直接影响IGBT的可靠性。所以一个高性能的驱动电路是逆变焊机成功的关键。在设计IGBT的驱动电路时，主要考虑以下因素：1）驱动电路需提供足够的电流，在所要求的开通时间和关断时间内对IGBT的输入电容Ciss充电和放电。IGBT的开通和关断实质上是对输入电容的充放电过程。2）IGBT在关断时，可以加反向电压，以防止受到干扰时误开通。

（3）驱动信号有时要求在电气上进行隔离。最终采用如图4所示的变压器驱动方式，成本低、效果好。具体电路为输入两组PWM信号经过驱动电阻R59-R63后经全桥逆变进行功率放大，到隔直电容C33和C32到驱动变压器后通过次级变为四路驱动信号，去驱动全桥逆变的四个功率管。

6　结论

（1）选择了主电路的结构，并对全桥逆变的构成进行描述。

（2）高频变压器参数设计，列出了变压器的匝数的和截面积的具体算法。

（3）单管IGBT的选型方法的描述。根据电压和电流和频率特性来选择IGBT。

（4）进行了驱动电路的设计，包括PWM电路的设计和驱动变压器的功率放大电路。

参考文献

［1］赵家瑞.逆变焊接与切割电源［M］.北京：机械工业出版社，1996.

［2］殷树言.C02焊接设备原理与调试［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［3］黄石生.新型弧焊电源及智能控制［M］.广州：华南理工大学出版社，2004.

［4］冯慈璋.电磁场［M］.北京：高等教育出版社，1996.