【正文】 致逆變“顛覆”。按照 VC=%Vs 進(jìn)行計(jì)算，則有： FDTVIC scc ? 60 ??????? （ ） 綜上所述并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，隔直電容 C 實(shí)際選用耐壓 630V，容量為 60μF的電容 (由3 只 20μF的電容并聯(lián)而成 )，即可滿足要求。電阻 R 的功耗為： fCVPCER 221? （ ） 此式中， VCE為最大的集電極 發(fā)射極電壓 (V)，本電源 VCE=；為了減少功率損耗，一般要求 PR≤120W，即： W12021 2 ?fCVCE （ ） 則緩沖電容為： FFfVC CE ? 240240 8322 ??????? ? （ ） 實(shí)際選用 C=。 綜上所述，選取 C=， R=47Ω 的電阻作為 IGBT 的 RC 吸收電路。 （ 1） 輸出整流二極管的參數(shù)計(jì)算 輸出整流二極管的導(dǎo)通與關(guān)斷特性影響著主電路的工作頻率和 IGBT 的瞬時(shí)集電極電流與損耗，從而對(duì)電源整體效率有關(guān)鍵的影響。 整流管承受最大反向電壓： 12 ????? nUU mm （ ） 此式中， U1m是 IGBT 承受的穩(wěn)態(tài)電壓最大值， U2m是輸出整流二極管承受最大反壓， n為中頻變壓器變比。鐵芯材料選擇普通硅鋼片，減少整臺(tái)焊機(jī)成本從而提高 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 20 頁(yè) 共 36 頁(yè) 性價(jià)比。 確定 繞組匝數(shù)： 400 363 ??????? ??LmI LBN （ ） 此式中， N 為直流電抗器繞組匝數(shù)， Bm 為鐵芯中最大磁感應(yīng)強(qiáng)度， L 為直流電感量， IL為直流電抗器中的電流。 控制電路主要由給定電路、反饋電路、驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、保護(hù)電路等組成，它是整個(gè)逆變弧焊機(jī)的核心，其作用是將電流反饋信號(hào)與給定信號(hào)比較，獲得寬度可變的脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，控制功率開關(guān)器件的通斷時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)，獲得符合焊接要求的靜特性和動(dòng)特性。焊接電源的功率控制是通過(guò)對(duì)功率開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的比值的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)周期的比值稱為占空比，常用它來(lái)表示控制的過(guò)程。現(xiàn)在只有半控型功率開關(guān)器件晶閘管式逆變焊機(jī)采用 PFW 控制方式。 （ 3）混合調(diào)制（ PFM+PWM）：這種調(diào)制方式是將上述兩種調(diào)制方式結(jié)合起來(lái)，此情況下占空比可以在一個(gè)非常大的范圍內(nèi)變化。恒流外特性曲線如圖 所示。其內(nèi)部由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、振蕩器、誤差放大器、鎖存器、比較器、閉鎖控制電路、欠壓鎖定電路、軟起動(dòng)電路和輸出電路構(gòu)成。 改變 RD 的大小就可以改變兩路脈沖信號(hào)間的死區(qū)時(shí)間，從而避免逆變主回路上下兩橋臂的 IGBT 直通，燒壞開關(guān)管，造成逆變失敗。輸入整流濾波之后的整流電壓波動(dòng)極小，可以認(rèn)為是常數(shù)。由電源電路提供所需的 +12V和 +24V 電壓，通過(guò)調(diào)節(jié) SG3525 的腳 5 和腳 7 相連的電容 C3 和腳 6 的外接電阻 R1 的大小來(lái)獲得所需的 20kHz 脈沖頻率。采集的電流反饋信號(hào)和電流給定信號(hào)比較后得到偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大后接至 SG3525 的腳 9，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖占空比的控制，以獲得恒流外特性。 驅(qū)動(dòng)電路 IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原理 驅(qū)動(dòng)電路的作用主要是對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大，并且保證一定的脈沖前沿、后沿陡度，使其具備足夠的驅(qū)動(dòng)能力以使 IGBT 導(dǎo)通。 +Vge 的增加對(duì)減小通態(tài)電壓與開通損耗有利，但是并不是 +Vge 越大越好，這是因?yàn)楫?dāng)負(fù)載短路時(shí)，流過(guò)器件的集電極電流會(huì)隨 +Vge 的增大而增大，并且使器件承受短路電流的時(shí)間變短。為避免 IGBT 發(fā)生這種誤動(dòng)作，應(yīng)在柵極加負(fù)偏壓。為此，應(yīng)根據(jù) IGBT 的電 流容量和電壓額定值及形狀頻率等的不同，選擇合適的 Rg 阻值，根據(jù)參考文獻(xiàn)【 15】的推薦值，額定值為 75A/1200V 的 IGBT 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 27 頁(yè) 共 36 頁(yè) 可選用 15Ω 的 Rg。 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用全橋式逆變 主 電路，共有 4 個(gè) IGBT 開關(guān)管，所以需要 4 套驅(qū)動(dòng)電路。其內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)電路的輸出可以從引腳 5 供給外部電源使用。本設(shè)計(jì)選用的是 75A/1200V的 IGBT，因此驅(qū)動(dòng)電路選用 EXB840，其引腳連接如表 所示 [15]。本論文設(shè)計(jì)的保護(hù)電路有過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)電路。 如圖 所示為過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路。此時(shí)，二極管 D1 的陽(yáng)極電位為零，三極管 T2 的基極的電位為零，三極管 T2 截止， T2 導(dǎo)通，集成塊 SG3525 的 8 腳為低電平，脈沖信號(hào)停止輸出，這樣就對(duì)逆變焊接電源起到了一定的保護(hù)作用。 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 31 頁(yè) 共 36 頁(yè) 4 逆變焊機(jī)的實(shí)驗(yàn)分析 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備 1 電流表，電壓表，萬(wàn)用表等測(cè)試儀表； 2 電烙鐵及螺絲刀等維修調(diào)整工具； 3 自制三相逆變弧焊機(jī) ZX7400 一臺(tái)； 4 示波器一臺(tái)； 5 焊機(jī)測(cè)試臺(tái)一臺(tái) ； 6 電子元器件若干； 7 電纜線若干?？梢?jiàn)設(shè)計(jì) PWM 控制電路的合理性與正確性。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 1 將三相調(diào)壓器調(diào)至最低，接通電源后，延遲 1~2 秒的時(shí)間示波器出 現(xiàn) 新驅(qū)動(dòng)波形；用示波器測(cè)量 IGBT 上的驅(qū)動(dòng)波形，脈沖寬度為空載脈寬，上升沿和下降沿不超過(guò)1μs，其波形圖如圖 所示。 （ 2）過(guò)熱保護(hù)電路：當(dāng)逆變焊機(jī)處于過(guò)熱狀態(tài)時(shí)，熱敏繼電器 K1 閉合，集成塊SG3525 的 8 腳處于低電位狀態(tài)， SG3525 無(wú)脈沖輸出，全橋逆變主電路停止運(yùn)行，發(fā)光二極管 LED 發(fā)亮，表示焊機(jī)過(guò)熱。此時(shí)，三極管 T2 導(dǎo)通， T1 截止，集成塊 SG3525 的腳 8 處于高電位狀態(tài)， SG3525有脈沖輸出。本論文采用的為間接提取電流信號(hào)法，即通過(guò)在全橋逆變主電路的一次電路上的電感線圈來(lái)進(jìn)行過(guò)流信號(hào)的提取。在 IGBT出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，過(guò)流信號(hào)由腳 6 輸入到內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)電路，腳 5 輸出低電平，光電耦合 圖 EXB840/EXB841 的內(nèi)部原理圖 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 28 頁(yè) 共 36 頁(yè) 引腳號(hào) 功能 引腳號(hào) 功能 1 接 IGBT 的發(fā)射極 9 空 2 供電電源，推薦值 V1V20 ? 10 空 3 驅(qū)動(dòng)輸出，經(jīng)柵極電阻與 IGBT 柵極連接 11 空 4 外接電容器，防止過(guò)電流保護(hù)電路誤操作，大部分場(chǎng)合不需要電容器 12 空 5 過(guò)電流保護(hù)電路的輸出端 13 空 6 經(jīng)快恢復(fù)二極管接 IGBT 的集電極，監(jiān)視集電極電壓 14 驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)（ ） 7 空 15 驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)（ +） 8 空 16 空 器有輸出，對(duì) PWM 提供一個(gè)封鎖信號(hào)，從而使 PWM 的驅(qū)動(dòng)脈沖輸出轉(zhuǎn)變成一系列窄脈沖，實(shí)現(xiàn) EXB840 的軟關(guān)斷。由于它們的輸出級(jí)選用了不同輸出功率的晶體管，以致于它們的應(yīng)用場(chǎng)合不同。 EXB840/EXB841 響應(yīng)速度快，導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間在 左右，開關(guān)頻率可達(dá) 40kHz。但在大電感負(fù)載時(shí)，過(guò)快的開通和關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，可能造成 IGBT 自身或其他元件的擊穿。 （ 3）柵極串聯(lián)電阻 Rg 為了減小集電極電流上升率 dic/dt，改善柵極控制脈沖的前后沿陡度與防止振蕩，需要在回路中串聯(lián)電阻 Rg。 （ 2）柵極負(fù)偏壓 Vge 柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給 IGBT 的負(fù)偏壓 Vge 將使其關(guān)斷，負(fù)偏壓 Vge 直接影響 IGBT 的可靠運(yùn)行。 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路可以從以下幾方面考慮 [18,19]： （ 1）柵極正偏壓 +Vge IGBT 是電壓驅(qū)動(dòng)器件， 柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給 IGBT 的正偏壓 +Vge 將使 IGBT 導(dǎo)通。 綜上所述，本論文選用的 SG3525 脈寬 調(diào)制芯片的 PWM 電路，電路可靠、簡(jiǎn)單，可控性好。從腳 11 和腳 14 獲得觸發(fā)脈沖信號(hào)，不過(guò)觸發(fā)脈沖信號(hào)較小，不足以驅(qū)動(dòng)逆 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 24 頁(yè) 共 36 頁(yè) 變主電路中每個(gè)橋臂上 IGBT 的正常工作，因此必須先采用功率放大電路將其放大，之后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，本論文選用 IGBT 專用驅(qū)動(dòng)器 EXB840。因此，逆變弧焊機(jī)的輸出特性（焊機(jī)的外特性）就由控制脈沖的占空比決定。 SG3525 的引腳連接和推薦工作條件如表 和 所示 [15]。此外，它的軟啟動(dòng)電路也很容易設(shè)計(jì)，只需將腳 8 接一個(gè)軟啟動(dòng)電容即可。 圖 恒流外特性曲線 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 23 頁(yè) 共 36 頁(yè) SG3525 簡(jiǎn)介 SG3525 是 SG（ Silicon General）公司生產(chǎn)的雙端輸出式脈寬調(diào)制器，輸出的脈沖為正脈沖 [15]。 一般手工弧焊機(jī)的外特性有以下三種：（ 1）恒流特性，（ 2）斜線形緩降特性，（ 3）1/4 橢圓形緩降特性。但是，由于晶體管導(dǎo)通寬度存在最小值，所設(shè)計(jì)的恒壓特性的逆變焊機(jī)， 其輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍將會(huì)受到限制，不能進(jìn)行較寬范圍的調(diào)節(jié)，其輸出端必須有一定數(shù)量的無(wú)效負(fù)載（俗稱“死”負(fù)載）。在這種調(diào)節(jié)方式下，由于占空比可在一個(gè)很寬的范圍下進(jìn)行變化，因此輸出電壓同樣可在一個(gè)大的范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。 外特性 控制 在電源參數(shù)一定的條件下，改變負(fù)載時(shí)，電源輸出的電壓穩(wěn)定值 Uy 與輸出的電流穩(wěn)定值 Iy 之間的關(guān)系 ? ?yy IfU? ，稱為電源的外特性 [7]。 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 21 頁(yè) 共 36 頁(yè) 3 ZX7400 逆變電源控制電路的設(shè)計(jì) 控制電路的組成 本論文所設(shè)計(jì)的 ZX7400 逆變電源系統(tǒng)主要是由主電路部分和控制電路部分組成 ，對(duì)于一個(gè)完整的逆變系統(tǒng)，主電路和控制電路二者缺一不可。 其中， LII ?? （ ） 此式中， IL 為電抗器中的電流，即焊機(jī)的輸出電流（ A）， △ IL為 IL的變化量，一般取其5%，即 A104 0 in0 ????I 。 （ 2） 直流電抗器參數(shù)計(jì)算 直流電抗器的作用有兩方面：一是用于濾波，使電流連續(xù)，特別是小電流脈動(dòng)大時(shí)，電抗器電感的選擇以最小直流電流波形連續(xù)為依據(jù)；二是改善電源的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，在焊接短路過(guò)渡時(shí)，限制短路電流上升速度和短路電流峰值，以便改善電源的引弧性能和減少飛濺。因此，逆變焊機(jī)中常采用快恢復(fù)二極管。 本論文采用的是全波整流輸出電路。為此， RC 放電時(shí)間常數(shù)受到限制，一般假設(shè)超過(guò) 3 倍時(shí)間常數(shù)可以放完電，即： son DTTRC ??3 （ ） 所以： ???? ?????? 66CDTR s （ ） 此外，計(jì)算電阻值時(shí)，還需要限制放電電流，使放電電流 Idis 小于集電極電流 IC 的1/4，即： CCEdis IRVI ?? （ ） 代入數(shù)據(jù)解得： ????? cCE IVR （ ） 實(shí)際選取 R=47Ω。 緩沖電路中，電容 C 越大，緩沖電阻 R 越小，則緩沖電路的作用越明顯，但同時(shí)要考慮功率損耗等因素。 為了使耦合電容線性，一般選 fR=，本文中 f=20kHz， 故 fR=2kHz，實(shí)驗(yàn)測(cè)得LR=200μH， 帶入數(shù)據(jù)算得： C=。選用SKM75GB123D。 工頻交流電（ 380V/50Hz）經(jīng)整流濾波后，考慮 10%的網(wǎng)壓波動(dòng)，輸出直流電壓的最大值為： 9 8 ?????? idm UU （ ） 式子中， Udm為 IGBT 承受的最大穩(wěn)態(tài)電壓， Ui為網(wǎng)壓有效值。 （ 1） IGBT 的參數(shù)計(jì)算 IGBT 是 MOSFET 與雙極晶體管的復(fù)合器件，它既有 MOSFET 易驅(qū)動(dòng)又有功率晶體管電壓、 電流容量大的特點(diǎn)，頻率特性介于 MOSFET 和功率晶體管之間，一般在10kHz~40kHz 之間，在較高頻率的大中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。電解電容并不是理想的電容，其本身的阻抗對(duì)電容上的 電壓會(huì)產(chǎn)生影響，所以為了穩(wěn)定電解電容兩端的電壓，使每組電容上的分壓相等，分別在每組電容兩端并聯(lián)了均壓電阻 R，選擇阻值 R=10kΩ，額定功率為 10W。 那么 為了得到所要求的輸出電壓， 就需要過(guò)大的占空比調(diào)節(jié)范圍 ； 同時(shí)，直流電壓 Vi n 的最小值 Vin(mi