【正文】 嚴(yán)重，安全工作區(qū)變窄（）。當(dāng)Ic電流大到一定程度時，該正偏置電壓使NPN晶體管開通，進而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。在開啟電壓UGE（th）附近，Ｉc與UGE呈非線形關(guān)系，IGBT導(dǎo)通后，在大部分漏極電流范圍內(nèi)，Ｉc與UGE呈線形關(guān)系。 (1) 靜態(tài)特性IcUGEUGEOO飽和區(qū)擊穿區(qū)UGE(th)UGE1UGE2UGE3UGE4UGE5 IGBT輸出特性 IGBT的轉(zhuǎn)移特性IcIGBT的靜態(tài)特性主要包括輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，如圖所示。GTR的電流容量仍可增大，但電壓容量難以高于1500V；而由于MOSFET的導(dǎo)通電阻隨著電壓的升高而增大，因此，繼續(xù)提高它的耐壓容量就顯得非常困難。因此在本設(shè)計中根據(jù)現(xiàn)有條件選用鐵氧體作為高頻變壓器的磁芯材料。(2) 磁芯材料的選用主電路中由于高頻變壓器初級直接與開關(guān)管相連，其漏感引起的尖峰電壓對開關(guān)管的安全工作有很大威脅，因此，高頻變壓器的性能是至關(guān)重要的，而其性能又是由磁芯材料及繞制工藝決定的。進行高頻變壓器設(shè)計時必須全面考慮對變壓器性能產(chǎn)生影響的因素，如磁芯材料的選擇、磁通密度和鐵損的限制、制造工藝等。di/dt=UAB，所以電流衰減很慢。VT3與VT4類似，當(dāng)VTVT2移相為0176。它一經(jīng)出現(xiàn)就受到了人們的青睞。屬于前一種方式的電路有全橋串聯(lián)諧振逆變電路或全橋并聯(lián)諧振逆變電路以及它們的組合電路；屬于后一種方式的有移相控制全橋逆變電路。同時由于過大的開關(guān)損耗使得器件結(jié)溫上升，不僅限制了工作頻率的提高，而且也無法使器件在額定電流、電壓容量條件下運行。由上表可以看出，如果要獲得較大功率的輸出，一般情況下應(yīng)該選擇推挽式或者全橋式的主電路結(jié)構(gòu)。逆變電源控制系統(tǒng)研究必須以一定的逆變主電路為基礎(chǔ)，因此有必要對逆變主電路進行討論和研究。(2) 能夠控制輸出弧焊工藝所要求的電氣性能（外特性、動特性和波形）。效率可達(dá)80～90%，空載損耗極小。綜上所述，將逆變技術(shù)和微機技術(shù)結(jié)合應(yīng)用到焊接領(lǐng)域是今后焊機發(fā)展的方向，用軟開關(guān)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬開關(guān)技術(shù)必將成為逆變電源的一個重要發(fā)展趨勢。微機以其較高的可靠性和性能價格比將深入到焊接控制的各個領(lǐng)域，應(yīng)用微機控制技術(shù)可使焊機向多功能化、智能化的方向發(fā)展；并且隨著微機技術(shù)、DSP芯片技術(shù)及其他數(shù)字信號處理技術(shù)的進一步發(fā)展，弧焊電源將向著數(shù)字化的方向邁進，焊機性能和適應(yīng)性將進一步得到提高。這種“明天的電源”正在以極高的速度變成今天的電源。之后，美國的Lincoln, Miller, Powcon公司，芬蘭的Kemppi，瑞士的ELTRON，日本的大坂變壓器公司等國際著名的焊接設(shè)備公司都相繼推出了各自的弧焊逆變器產(chǎn)品?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)過一定的實驗調(diào)試，得到了初步結(jié)果。論文主要闡述和設(shè)計了一個高頻直流焊機電源，電源控制系統(tǒng)以80C196KC為核心，采用移相PWM控制，逆變電源的軟開關(guān)實現(xiàn)是通過相移芯片UC3875產(chǎn)生具有一定相序的脈沖去觸發(fā)IGBT，保證其在零電流或零電壓下通斷。1978年，美國首次研制成功了300A晶閘管弧焊逆變器，1981年又出現(xiàn)晶體管式弧焊逆變器。1982年華南理工大學(xué)所研制出的ZX7SO型場效應(yīng)管手工弧焊逆變器，接著成都電焊機研究所、清華大學(xué)等單位也相繼有弧焊逆變器樣機通過鑒定。特別是在先進的逆變式焊接與切割電源上配以微機控制己成為當(dāng)今焊接與切割電源發(fā)展的主流。軟開關(guān)方式包括零電流開關(guān)方式、零電壓開關(guān)方式及兩者兼用的方式。(2) 在輸入整流電路和輸出回路中均存在儲能的電容器，從而明顯減少了無功損耗，提高了效率因素。在不改變逆變主電路的情況下，研究和設(shè)計控制系統(tǒng)電路，通過改變控制系統(tǒng)的軟件，既可以實現(xiàn)電源恒壓、恒流特性控制，又可以實現(xiàn)脈沖輸出控制及其它任意特性控制。(7) 實現(xiàn)移相PWM零電壓、零電流軟開關(guān)；實現(xiàn)電流、電壓的軟啟動和軟關(guān)斷。主電路在整個電源系統(tǒng)中完成功率傳輸及轉(zhuǎn)換功能。硬性開關(guān)電路在頻率很高的情況下運行將帶來以下主要問題:(1) 溫度和功耗問題硬性開關(guān)電路的開關(guān)器件是在高壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷的，它導(dǎo)致的電壓和電流重疊會產(chǎn)生開關(guān)損耗（）。它不僅解決了開關(guān)耗損過大的問題，而且降低了器件運行時的結(jié)溫，降低了du/dt和di/dt，減少了電磁干擾（EMI），突破了硬性開關(guān)對工作頻率增大的限制。全橋串聯(lián)、并聯(lián)諧振逆變電路實現(xiàn)功率器件軟開關(guān)的基本原理是：當(dāng)電路在一定頻率下工作時，如果負(fù)載是感性的（或容性的），則由于感性負(fù)載電壓超前電流（或容性負(fù)載電壓滯后電流），在逆變過程中，關(guān)斷VTVT2時，電流轉(zhuǎn)移到VDVD4（或電流轉(zhuǎn)移到VD1 、VD2 ），使得VDVD4導(dǎo)通（或使得VDVD2導(dǎo)通），這樣當(dāng)VTVT4被觸發(fā)時，就實現(xiàn)了零電壓開通（或零電流開通），從而實現(xiàn)了功率開關(guān)器件的軟開關(guān)通斷。（實際上為避免發(fā)生直通現(xiàn)象存在死區(qū)時間的限制）。當(dāng)VT1關(guān)斷后，電流換流，方向為A→B→VT2→VD3→A。通過對上述適合采用軟開關(guān)技術(shù)的不同全橋逆變主電路的特性及優(yōu)缺點分析，以實驗室現(xiàn)有條件為基礎(chǔ)，我們擬選擇采用全橋相移PWM控制的逆變主電路結(jié)構(gòu)形式，在此基礎(chǔ)上通過改變控制策略設(shè)計合適的移相控制系統(tǒng)來達(dá)到在逆變焊接電源中實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)的目的。⑤ 初、次級繞組之間的漏感應(yīng)適當(dāng)小。用于弧焊變壓器的磁芯材料主要有超薄硅鋼片、軟磁鐵氧體、非晶和微晶合金。由圖可知，SCR的輸出功率最大，但工作頻率最低，屬于半控型器件；GTO次之，頻率則明顯增大；GTR的容量界于GTO和MOSFET之間，工作頻率有更大的提高；MOSFET的工作頻率最高，但是其容量最小，不適合大功率輸出場合；目前，IGBT的容量已超過MOSFET和GTR，其工作頻率能夠達(dá)到較高的數(shù)量等級，它的應(yīng)用范圍正在逐步擴展，在高頻逆變方面使用較為廣泛，是一種趨于完善的器件。絕緣柵雙極晶體管簡稱IGBT，是一種復(fù)合型電力半導(dǎo)體器件。當(dāng)UGE＞UGE（th）漏極電流Ic不隨UGE而變化時，IGBT處于飽 和區(qū)，導(dǎo)通壓降較小，相當(dāng)于一只合閘的開關(guān)。在NPN寄生晶體管的基極和發(fā)射極之間并接有一個體區(qū)擴展電阻R1。因此使用過程中必須防止IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)，為此可限制Ic。(2) IGBT的開關(guān)時間應(yīng)綜合考慮快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。脈沖信號過流故障信IGBT負(fù)載過流保護電路有多種類型。 主電路參數(shù)計算(1) 三相整流橋的選擇因為三相電網(wǎng)輸出電壓為：50Hz，380V，且要求整流后輸出直流平均為400V，故三相整流橋輸入線電壓有效值為：296V177。一般來說，無法找到一個可以把電源的所有電流紋波都吸收的電容，所以通常采用多個電容并聯(lián)，故選用的鋁電解電容4只關(guān)聯(lián)；由于鋁電解電容無法吸收加在其兩端的高頻分量，一般還要并上無極性的陶瓷電容，以吸收高頻分量。因此，我們所設(shè)計的變壓器一、二次側(cè)的變比應(yīng)該盡可能的大一些。所以輸出電壓還要兼顧空載電壓的需要。假設(shè)二極管的通態(tài)壓降為Ud，每個二極管的通態(tài)損耗為 ()每個整流管兩端承受的最高反向電壓為： V ()取3倍安全裕量所以選擇采用 IXYS 公司的快恢復(fù)二極管，耐壓400V，額定電流。(4) 針對主電路工作過程中存在的過流、浪涌、噪聲干擾等常見問題，設(shè)計了必要的吸收保護電路和檢測電路并采取了抗干擾措施。 控制系統(tǒng)硬件電路單片機最小系統(tǒng)是弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的核心部分，如果將整個控制系統(tǒng)比作人的神經(jīng)系統(tǒng)，則單片機最小系統(tǒng)就相當(dāng)于人的大腦指揮著整個控制系統(tǒng)發(fā)揮作用。參數(shù)顯示電路屬于輔助電路，它的功能是實現(xiàn)簡單的人機對話。而對于單片機的A/D轉(zhuǎn)換通道來說，它所采集的信號范圍是0～5V，因此又必須把獲得的電壓和電流通過一定的調(diào)理電路按照確定的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換為單片機所要求的采集信號范圍（0～5V）內(nèi)的值，這一步的工作就是由調(diào)理電路來完成的。焊接電流測量范圍是0～500A，當(dāng)額定測量電流為500A時，霍爾電流傳感器M端輸出100mA的額定電流。uuuttttUeOUTBOUTAOUTBOUTAOUTDOUTCOUTDOUTCOUTD 移相脈沖產(chǎn)生過程示意UC3875芯片實現(xiàn)移相PWM脈寬調(diào)制的基本原理是：加在誤差放大器同相端（E/A（+））的信號與加在誤差放大器反相端的信號進行比較，其誤差信號經(jīng)過調(diào)節(jié)輸出到UC3875中誤差放大器輸出端，與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波進行比較，所得的輸出脈沖經(jīng)過內(nèi)部電路的延時處理，既可生成兩組有確定相移的驅(qū)動信號OUTA、OUTB和OUTC、 OUTD。UC3875輸出的PWM脈沖頻率的調(diào)節(jié)公式為： ()(2) 死區(qū)時間設(shè)置UC3875的輸出驅(qū)動信號和零電壓開關(guān)的延遲時間可以由接在延遲設(shè)定端子（7腳和15腳）的電阻和電容進行設(shè)置，可以分別對A、B和C、D兩對開關(guān)器件進行編程，A、B、C、。通過在芯片的軟啟動端（6腳）接一適當(dāng)?shù)碾娙荩涂梢允筓C3875具有軟啟動功能。輸入（14, 15腳）采用的是高速光耦隔離電路，輸出（C3腳）為互補形式。④ 極限參數(shù)應(yīng)符合模塊規(guī)定的數(shù)值。門極電阻RG過大，將使IGBT的開通和關(guān)斷時間增加，因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。③ 隨著負(fù)載過程的持續(xù)，開關(guān)損耗引起的開關(guān)管結(jié)溫上升；或因散熱不良導(dǎo)致的結(jié)溫上升等情況引起的過熱。 過/欠壓、過流、過熱保護電路 軟開關(guān)型控制系統(tǒng)軟件設(shè)計設(shè)計的系統(tǒng)控制軟件針對的是這樣一個焊接工作過程：首先通保護氣體，滯后一段時間后焊機主電路通電，然后慢啟動建立空載電壓，予送絲準(zhǔn)備進行焊接，等焊槍開關(guān)合上時，進入正式焊接過程，控制電源輸出的焊接電壓恒定，實現(xiàn)恒壓特性輸出。對于逆變焊接電源系統(tǒng)來講，不僅它在焊接過程的系統(tǒng)模型很復(fù)雜，而且加在焊接過程中的干擾也是復(fù)雜多樣的。(3) 微分調(diào)節(jié) 從物理概念上看，微分調(diào)節(jié)能在偏差信號出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化趨勢，產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除在萌芽狀態(tài)之中。該控制系統(tǒng)除了包括實現(xiàn)焊接過程控制的主功能單元，研制的控制系統(tǒng)還配備了人機對話、參數(shù)預(yù)置、顯示等電路，并針對焊接過程中可能發(fā)生的過流、過/欠壓、過熱等故障設(shè)計了必要的檢測和保護電路。影響單片機控制系統(tǒng)可靠、安全運行的主要因素是來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、元件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。單片機中程序計數(shù)器PC的正常工作是維持系統(tǒng)程序正常運行的關(guān)鍵所在，但若由于外界干擾導(dǎo)致PC值改變，則使程序無法按照設(shè)定的順序進行，這將導(dǎo)致程序運行控制混亂或系統(tǒng)控制錯誤。(1) 濾波技術(shù)Z 感性負(fù)載++輸入輸出 輸入、輸出濾波技術(shù)濾波是為了抑制噪聲干擾，當(dāng)電路從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一個狀態(tài)時，就會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓；另外，當(dāng)電路接通與斷開電感負(fù)載時，也會產(chǎn)生瞬變噪聲干擾。去耦電容一方面提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能量，以便穩(wěn)定。(2) 去耦技術(shù)(a)(b)(c)UoigigUolUohtttIglIgeIglIge 數(shù)字電路電平轉(zhuǎn)換時的尖峰電流數(shù)字電路從電源供給的高電平電流I0H和低電平電流IOL,是不同的，即I0HIOL當(dāng)數(shù)字電路信號高低電平轉(zhuǎn)換時，（b）所示，（c）所示，它具有很大的尖峰電流，尤其是在輸出低電平U0L。因此，在逆變焊接電源控制系統(tǒng)的設(shè)計中如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力，減小電路受干擾程度及電路之間的相互干擾，成為控制系統(tǒng)設(shè)計必須充分考慮的一個重要環(huán)節(jié)。當(dāng)干擾侵入單片機系統(tǒng)測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在有用信號上時，會使采集到的數(shù)據(jù)誤差增大，有時甚至不能反應(yīng)實際情況。4 控制系統(tǒng)可靠性研究與抗干擾設(shè)計弧焊逆變器一經(jīng)出現(xiàn)就引起了廣泛的關(guān)注，國內(nèi)外己出現(xiàn)了不少生產(chǎn)逆變焊機的廠家。由于焊接過程中不斷出現(xiàn)“短路一引弧一燃燒一熄弧”的階躍過程，如果引入微分控制則會導(dǎo)致輸出量的劇烈變化，這將不利于焊接電源系統(tǒng)的穩(wěn)定和電弧的穩(wěn)定，因此，焊接電源控制系統(tǒng)中一般不引入微分調(diào)節(jié)作用，實際上采用比例、積分作用進行控制的逆變焊接電源系統(tǒng)已經(jīng)能夠很好地滿足焊接人員的要求了。PID控制算法是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的控制策略。當(dāng)電流降下來之后切斷電源控制開關(guān)，然后再滯后幾秒關(guān)閉通氣開關(guān)。因此在所設(shè)計的控制系統(tǒng)中，考慮采取過壓/欠壓、過流、過熱等保護技術(shù)并設(shè)計了相應(yīng)的軟件中斷處理子程序。通過折中考慮和實驗選擇，確定RG=47Ω 。⑤ 由于從過流檢測到保護輸出存在1. 5～3. 5μs的保護盲區(qū)，雖然IGBT能夠承受一定的過載電流，但過載電流太大或長期在對應(yīng)于盲區(qū)時間的窄脈沖下過流，IGBT仍會損壞。過流檢測信號按驅(qū)動信號與IGBT漏極電壓之間的關(guān)系確定；當(dāng)流過IGBT的電流超過內(nèi)部設(shè)定值時，為了防止其關(guān)斷時di/dt過大而產(chǎn)生尖峰電壓，通過低速關(guān)斷電路將其慢速關(guān)斷，從而保證了IGBT的安全。② UC3875控制電路的控制部分和輸出驅(qū)動部分供電電源應(yīng)該分開，否則會產(chǎn)生相互干擾導(dǎo)致移相時頻率發(fā)生變化。死區(qū)延時時間由下式確定： ()這里R延時就是7腳和15腳的可調(diào)電阻之和，而V延時則是7腳和15腳的電壓通常情況下取1mAI延時25μA，t延時。這四個驅(qū)動脈沖中屬于同一橋臂的兩個脈沖的重疊部分的寬度正好與加在E/A（+）端電壓的控制量相對應(yīng)，即E/A（+），端的輸入電壓值控制著OUTA～OUTD的相位。 UC3875移相脈寬調(diào)制電路移相PWM脈寬調(diào)制電路是實現(xiàn)軟開關(guān)型全橋弧焊逆變器的重要環(huán)節(jié)，它與硬開關(guān)型逆變器控制電路比較大同小異，大致上也是由控制信號產(chǎn)生芯片，外接給定反饋比較放大電路，電源穩(wěn)定電路及保護電路等組成。圖中采用CHV25P型霍爾電壓傳感器對Uh+與Uh之間的焊接電壓進行測量，在M端得到相應(yīng)的輸出電流，經(jīng)電阻R4R50轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓輸入到單片機的A/D轉(zhuǎn)換口進行采樣和轉(zhuǎn)換。雖然顯示電路不參與對逆變電源的控制，但它對于整個控制