【正文】 壓反饋為輔，電流閉環(huán)反饋為主的 PWM 脈寬調(diào)制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的 —— 脈寬調(diào)制電路是整個(gè)控制電路的核心。恒流外特性曲線如圖 所示。 脈寬調(diào)制電路 本論文采用 PWM 方式控制電路，即脈寬調(diào)制電路，選用專用脈寬調(diào)制芯片 SG3525來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制。 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]。它不僅具有可以調(diào)整的死區(qū)時(shí)間控制功能，而且還具有脈沖控制封鎖保護(hù)，可編式軟起動(dòng)等功能，性能優(yōu)良，功 能齊全，通用性強(qiáng)。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。該芯片的輸入電壓工作范圍為 8～ 35V，一般取 +15V；振蕩頻率是 100～500kHz，可通過(guò)在芯片的腳 5 和腳 7 間串聯(lián)一個(gè)電阻 RD來(lái)限制最大占空比。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。 SG3525 的振蕩頻率可表示為 [16]： ?????? ?? DTTT RRCf 1 （ ） 此式中： fT—— 時(shí)鐘頻率 (kHz)； RT—— 外接電阻 (kΩ)； CT—— 為外接電容 (μF)； RD—— 腳 5 和腳 7 之間跨接的電阻 (Ω)，即死區(qū)電阻。 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。 SG3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示 [17]。 SG3525 的引腳連接和推薦工作條件如表 和 所示 [15]。 PWM 電路 逆變弧焊 機(jī)輸出特性決定于輸入整流濾波之后的直流電壓﹑逆變橋的結(jié)構(gòu)﹑中頻變壓器的變比和控制脈沖的占空比。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)。對(duì)于已設(shè)計(jì)好的逆變器，結(jié)構(gòu)形式和變壓器的變比是確定的。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。 如圖 所示為以 SG3525 為中心的 PWM電路原理圖。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。腳 11 和腳 14 為輸出控制端，輸出脈沖通 過(guò)驅(qū)動(dòng)對(duì)對(duì)應(yīng)橋臂的功率開關(guān)器件進(jìn)行控制，腳 11 與腳 14 輸出的脈沖波形的死區(qū)時(shí)間通過(guò) R2進(jìn)行限制。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。 引腳號(hào) 代號(hào)與功能 引腳號(hào) 代號(hào)與功能 1 IN— 誤差放大器的反相輸入端 9 COMP— 頻率補(bǔ)償 2 IN+— 誤差放大器的同相輸入端 10 SD— 關(guān)斷控制 3 SYNC— 同步 11 OUTA— 輸出 A 4 OUTosc— 振蕩器輸出 12 GND— 地 5 CT— 定時(shí)電容器 13 VC— 集電極電壓 6 RT— 定時(shí)電阻器 14 OUTB— 輸出 B 7 DIS— 放電 15 Ui— 輸入電壓 8 SS— 軟啟動(dòng) 16 UREF— 基準(zhǔn)電壓 圖 SG3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 表 SG3525 的引腳連接 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 25 頁(yè) 共 36 頁(yè) 參數(shù) 推薦工作條件 輸入電壓 Ui(V) 8~35 集電極電壓 UC(V) ~35 吸收 /流出負(fù)載電流（穩(wěn)態(tài)） (mA) 0~100 吸收 /流出負(fù)載電流（峰值） (mA) 0~400 基準(zhǔn)負(fù)載電流 (mA) 0~20 振蕩器頻率范圍 (kHz) ~400 振蕩器定時(shí)電阻 (kΩ) 2~150 振蕩器定時(shí)電容 (μF) ~ 滯后時(shí)間電阻范圍 (Ω) 0~500 腳 9 控制輸出脈沖的占空比，腳 16 通過(guò)電阻 R4 與腳 9 相連，為腳 9 提供 5V的參表 SG3525 推薦工作條件 圖 PWM 電路原理圖 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 26 頁(yè) 共 36 頁(yè) 考電壓。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。腳 8 與電解電容 C5 和電阻 R3 相連，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，以避免啟動(dòng)時(shí)的輸入浪涌電流過(guò)大、輸出電壓過(guò)高、變壓器飽和等問(wèn)題。 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。通過(guò)選取定時(shí)電容和定時(shí)電阻即可獲得所需震蕩頻率，通過(guò)在脈寬調(diào)制電路中加入電流負(fù)反饋即可獲得恒流外特性。 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。此外，驅(qū)動(dòng)電路還起到控制電路與主電路的電氣隔離作用與故障信號(hào)的采集作用等。 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。當(dāng) +Vge 增加時(shí)，通態(tài)電壓下降，開通時(shí)間縮短，開通損耗減小。 +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。因此，實(shí)際應(yīng)用中， IGBT 的柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓 +Vge 取值應(yīng)適當(dāng)，通常推薦使用 +15V。 （ 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。當(dāng) IGBT 關(guān)斷時(shí)，在 IGBT 的集電極 發(fā)射極之間產(chǎn)生的電壓上升率 dVCE/dt 將高達(dá) 3000V/μs，過(guò)高的 dVCE/dt 容易使 IGBT 發(fā)生動(dòng)態(tài)擎住現(xiàn)象。為避免 IGBT 發(fā)生這種誤動(dòng)作，應(yīng)在柵極加負(fù)偏壓。負(fù)偏壓以 5V 或更低一些為好。 （ 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。 Rg 取值應(yīng)適當(dāng)，從減小電流上升率、防止器件損壞方面考慮， Rg 應(yīng)選得大一些，但是 Rg 增大會(huì)使 IGBT 的形狀時(shí)間增加，進(jìn)而使形狀損耗增加。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。 （ 4）開通、關(guān)斷時(shí)間 柵極驅(qū)動(dòng)電壓需要有足夠快的上升和下降速度以使 IGBT盡快開通和關(guān)斷，從而減小開通和關(guān)斷損耗。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。因此在感性負(fù)載情況下，IGBT 的開關(guān)時(shí)間不宜過(guò)短，應(yīng)根據(jù)器件的耐壓能力綜合考慮。 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。目前，在 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路中，集成電路 EXB840/EXB841 應(yīng)用廣泛。 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。通過(guò)內(nèi)部電路可將 +20V 電壓轉(zhuǎn)換成 +15V 柵極導(dǎo)通電壓和 5V的柵極關(guān)斷電壓。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。如圖 所示， EXB840 和EXB841 的內(nèi)部原理圖完全相同 [15,20]。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 常用于 150A/600V 或 75A/1200V 的 IGBT 的驅(qū)動(dòng)，EXB841 常用于 400A/600V 或 300A/1200V 的 IGBT 的驅(qū)動(dòng)。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]。 如圖 所示為 EXB840 有過(guò)流檢測(cè)輸入和過(guò)流保護(hù)輸出的典型應(yīng)用電路。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。 保護(hù)電路 在逆變弧焊機(jī)中，為了確?？刂齐娐返恼９ぷ?，確保逆變弧焊機(jī)的正常工作，設(shè)計(jì)各種保護(hù)電路是非常有必要的。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)流保護(hù)電路電流信號(hào)檢測(cè)電路。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。此方表 EXB840/EXB841 的引腳連接 圖 有過(guò)流檢測(cè)輸入和過(guò)流保護(hù)輸出的 EXB840 電路 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 29 頁(yè) 共 36 頁(yè) 法降低了干擾，而且簡(jiǎn)單易于操作，提取的過(guò)流信號(hào)經(jīng)過(guò)整流由交流變成直流，最終接入過(guò)流保護(hù)電路。 如圖 所示為過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路。 圖 過(guò)流保護(hù)電路電流信號(hào)檢測(cè)電路 圖 過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 30 頁(yè) 共 36 頁(yè) 過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路具體原理如下： （ 1） 過(guò)流保護(hù)電路 ：當(dāng)無(wú)過(guò)流信號(hào)時(shí)， 24V 電壓經(jīng)過(guò)電阻 R4，將 15V 穩(wěn)壓管 WD1擊穿。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。當(dāng)過(guò)流時(shí)，由檢測(cè)電路檢測(cè)到的過(guò)電流信號(hào)電壓超過(guò) ，圖 中的穩(wěn) 壓管 WD1 被擊穿，圖 中晶閘管 T3 導(dǎo)通。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。一旦過(guò)流保護(hù)電路啟動(dòng)，晶閘管 T3 將處于導(dǎo)通狀態(tài)，整個(gè) 電路處于自鎖狀態(tài)，這樣即可起到保護(hù)作用。 （ 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。這樣也就避免了焊機(jī)由于過(guò)熱而造成損壞，起到了過(guò)熱保護(hù)的作用。 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。 實(shí)驗(yàn)步驟 1 連接好三相調(diào)壓器，逆變式弧焊機(jī) ZX7400，示波器，啟動(dòng)焊機(jī)； 2 測(cè)試出所需各點(diǎn)在不同狀態(tài)下的波形圖； 注意事項(xiàng) ：使用示波器測(cè)試波形的過(guò)程中，一定要用隔離變壓器給示波器供電，以保證安全。 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。 通過(guò)圖 可以看出觸發(fā)脈沖電壓為 +15V 左右，負(fù)偏壓為 5V左右，空載時(shí)觸發(fā)脈沖一個(gè)周期大約 50μs，即逆變頻率約為 20kHz；此外，還可以看出有足夠的死區(qū)時(shí)間，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的要求?？梢?jiàn)設(shè)計(jì) PWM 控制電路的合理性與正確性。 2 用雙蹤示波