【正文】 5EXB841是混合式高速集成驅(qū)動器，：模塊僅需單電源（+20V接2腳）供電，通過內(nèi)部5V穩(wěn)壓管可為IGBT提供+15V開柵電壓和5V關(guān)柵電壓。輸入（14, 15腳）采用的是高速光耦隔離電路，輸出（C3腳）為互補(bǔ)形式。模塊內(nèi)部集成有過流檢測電路及低速關(guān)斷電路（6腳為集電極電壓監(jiān)視端，5腳為過流保護(hù)輸出端）。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。模塊內(nèi)部集成有欠飽和保護(hù)電路，通過檢測IGBT漏極與源極電壓降實現(xiàn)IGBT的欠飽和保護(hù)。實際使用EXB841專用驅(qū)動集成模塊必須注意以下幾個問題:① 輸入電路與輸出電路應(yīng)分開。即輸入電路接線要遠(yuǎn)離輸出電路接線，以保證有適當(dāng)?shù)慕^緣強(qiáng)度和高的噪音阻抗。② IGBT的柵射極回路連接線一定要小于1M，并且要用絞合線。③ 應(yīng)用電路中的電容器C1和C2的主要作用是吸收由于電源接線阻抗引起的供電電壓變化，而不是起電源濾波作用。④ 極限參數(shù)應(yīng)符合模塊規(guī)定的數(shù)值。超過IGBT的柵射極電壓會損壞IGBT，而不足的驅(qū)動電壓會不正常地增加IGBT的通態(tài)電壓降；通常取輸入電流為l0mA，過大的輸入電流會增加驅(qū)動電路的信號延遲，而不足的輸入電流會引起驅(qū)動電路工作不穩(wěn)定。⑤ 由于從過流檢測到保護(hù)輸出存在1. 5～3. 5μs的保護(hù)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。因此，可將⑥腳的超快恢復(fù)二極管壓降增大，以降低實際的過流保護(hù)起控值，從而使EXB841可靠地保護(hù)IGBT。⑥ EXB841中設(shè)置負(fù)偏置電壓的目的是為了防止關(guān)斷時duCE/dt過大、漏極浪涌電流過大而引起IGBT誤導(dǎo)通。當(dāng)整流電壓較高時，5V的負(fù)偏置電壓就顯得不夠，因此設(shè)計中將模塊內(nèi)部的5V穩(wěn)壓管甩開，而在外部接了5V的穩(wěn)壓管（IN4738）以提高負(fù)偏壓到8V，以使IGBT可靠通斷，避免損壞。跟據(jù)上述分析和要求。在實際電路連接中，驅(qū)動輸出端串聯(lián)電阻對于IGBT的通斷的影響很大。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。而門極電阻過小，則又使dic/dt增大，可能引起IGBT誤導(dǎo)通，同時RG上的損耗也有增加。通過折中考慮和實驗選擇，確定RG=47Ω 。IGBT屬壓控器件，當(dāng)集射極間加有高壓時，很容易受外界干擾，使柵極電壓超過UGE（th），引起器件誤導(dǎo)通。為了防止這類現(xiàn)象的發(fā)生，在柵射極間必須接一個電阻RGE，RGE不能太小，否則器件開通時間變長，降低了開關(guān)頻率，一般RGE=（1000～5000） RG。系統(tǒng)中取RGE為50KΩ。對于弧焊逆變電源而言，在工作過程中不可避免會發(fā)生以下情況：① 網(wǎng)壓波動導(dǎo)致的輸入電壓過高或過低。② 負(fù)載變化頻繁；或控制回路、驅(qū)動回路因干擾引起誤動作，使逆變橋發(fā)生直通；或高頻變壓器磁心瞬態(tài)飽和等情況引起的功率開關(guān)管過流。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。一旦發(fā)生上述現(xiàn)象，控制系統(tǒng)必須立刻響應(yīng)并對逆變主電路采取相應(yīng)的措施，防止功率開關(guān)管損壞，避免重大危害的發(fā)生。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(hù)技術(shù)并設(shè)計了相應(yīng)的軟件中斷處理子程序。 EXB841驅(qū)動電路(1) 過/欠壓保護(hù)過/欠壓保護(hù)電路如圖下半部分所示。其工作原理是：當(dāng)網(wǎng)壓波動時，由降壓變壓器T1輸出的電壓將大于（或小于）標(biāo)準(zhǔn)值9V，經(jīng)過整流濾波以后得到一電壓，經(jīng)R1, R2,分壓后加到LM3391的同相輸入端和LM3392的反向輸入端，設(shè)加到LM339上的電壓為U，（對應(yīng)于420V的網(wǎng)壓）（對應(yīng)于340V的網(wǎng)壓），LM3391或LM3392輸出端狀態(tài)改變，產(chǎn)生過/欠壓信號，這一信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的高速輸入口引起單片機(jī)中斷，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)措施。(2) 過熱保護(hù)過熱保護(hù)信號由裝在IGBT散熱器上的溫度繼電器提供，當(dāng)溫度過高時，溫度繼電器閉合，形成過熱信號，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)高速輸入口引起中斷，產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)措施。(3) 過流保護(hù)過流信號是由EXB841驅(qū)動電路提供的。當(dāng)EXB841的6腳檢測到IGBT的集射極電壓大于7. 5V時，則認(rèn)為有過流情況發(fā)生，EXB841通過其5腳輸出一個高電平信號，這一信號一方面?zhèn)鬏數(shù)経C3875的5腳迫使UC3875關(guān)斷PWM移相輸出，從而關(guān)斷IGBT的功率輸出；另一方面則加到LM339的同相輸入端，引起LM339輸出狀態(tài)改變，改變的狀態(tài)輸入到單片機(jī)的NM工中斷口，產(chǎn)生中斷服務(wù)。 過/欠壓、過流、過熱保護(hù)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(hù)氣體，滯后一段時間后焊機(jī)主電路通電，然后慢啟動建立空載電壓，予送絲準(zhǔn)備進(jìn)行焊接，等焊槍開關(guān)合上時，進(jìn)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。在焊接過程結(jié)束時，控制焊接電流緩慢下降，進(jìn)行收弧控制。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)。主程序用來實現(xiàn)對上述焊接過程的進(jìn)度控制，而中斷服務(wù)程序則實現(xiàn)對焊接過程中發(fā)生的各種故障的響應(yīng)和相應(yīng)處理。設(shè)計的單片機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)的是電源恒壓特性反饋控制。 PI控制算法在逆變焊接電源微機(jī)控制系統(tǒng)中，對模擬量的檢測、轉(zhuǎn)換、處理和計算，其目的是為了根據(jù)系統(tǒng)對控制提出的要求，按照某種算法進(jìn)行計算，并將計算出的控制量輸出到脈寬調(diào)制芯片調(diào)節(jié)輸出移相脈沖，控制IGBT的導(dǎo)通/關(guān)斷時間，完成焊接過程中對系統(tǒng)特性的控制，比如恒壓控制、恒流控制等。當(dāng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型已知時，可根據(jù)被控對象的數(shù)學(xué)模型設(shè)計控制算法，實現(xiàn)最優(yōu)控制。但是對于大多數(shù)被控對象的數(shù)學(xué)模型是無法準(zhǔn)確獲得的；有些系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雖然已知，但加在系統(tǒng)上的干擾卻是未知的，因此按照比例、積分和微分控制算法進(jìn)行系統(tǒng)控制依然是數(shù)字控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟和最為廣泛的數(shù)字實現(xiàn)。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。因此，采取按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制是一種簡單而又容易實現(xiàn)的控制策略。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。它一般由比例（P）、積分（I）和微分（D）三種調(diào)節(jié)共同組成或由其中兩項組成進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)。(1) 比例調(diào)節(jié) 比例調(diào)節(jié)是最簡單的一種，其輸出隨輸入信號按比例變化，對干擾有及時而有力的抑制作用，但它有一個不可避免的缺點—存在靜態(tài)誤差，一旦被調(diào)量偏差不存在，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零。(2) 積分調(diào)節(jié) 積分調(diào)節(jié)的重要作用是消除靜差，其突出優(yōu)點是，只要被調(diào)量存在，輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強(qiáng)，直至偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除以后，由于積分規(guī)律的特點，輸出將保持在新的位置而不能恢復(fù)原位，因而能保持靜差為零。但是單純的積分作用動作過于遲緩，過度時間過長。(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(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除在萌芽狀態(tài)之中。但是單獨的微分調(diào)節(jié)對靜態(tài)誤差毫無抑制作用，且由于有階躍信號輸入時，微分輸出急劇增加，容易引起控制過程的振蕩，導(dǎo)致調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。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(jìn)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。采用“比例+積分”作用的控制算法，簡稱PI控制算法，其傳遞函數(shù)可表示為： ()式中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)。將上式經(jīng)過拉氏變換，并考慮到控制量初值，即可求得時域內(nèi)的PI控制算式為： ()式中e （t）為系統(tǒng)偏差，P0為控制量初值，P為輸出量。上述PI算法適合于焊接過程中各種參量的控制，即如果采用電壓進(jìn)行反饋，則可以實現(xiàn)恒壓控制；如果采用電流進(jìn)行反饋，則可以實現(xiàn)恒流控制；如果采用電壓和電流按不同比例進(jìn)行反饋，則可以實現(xiàn)下降特性或任意形狀的外特性控制。 小結(jié)在移相控制軟開關(guān)型全橋式逆變主電路基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計了軟開關(guān)型逆變器的控制系統(tǒng)及電源恒壓特性控制軟件。設(shè)計的控制系統(tǒng)以單片機(jī)80C196KC為核心組成最小單片機(jī)系統(tǒng)，以相移產(chǎn)生芯片UC3875為單元產(chǎn)生移相控制脈沖，以EXB841為驅(qū)動放大單元，實現(xiàn)了對全橋式逆變主電路的移相控制功能，達(dá)到了軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)的目的。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(jī)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(hù)電路。通過實驗測試，設(shè)計的控制系統(tǒng)硬件和軟件均符合設(shè)計功能要求，能夠?qū)崿F(xiàn)全橋逆變電路的移相控制技術(shù)，能夠控制送絲機(jī)構(gòu)正常運行，也能夠?qū)^流、過/欠壓、過熱等故障發(fā)揮相應(yīng)的處理功能。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(jī)的廠家。雖然他們的產(chǎn)品己被廣泛應(yīng)用于各種制造行業(yè)，但就逆變焊機(jī)的質(zhì)量和可靠性而言，還不盡如人意，尤其是采用了數(shù)字控制和軟開關(guān)技術(shù)的逆變器，其控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾設(shè)計還是一個值得探討和深入研究的課題?；『改孀兤魇且粋€強(qiáng)、弱電共同作用的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是逆變器正常工作的核心，由于其所處的環(huán)境較為惡劣，周圍環(huán)境對它的影響很大，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該采取哪些可靠性設(shè)計和抗干擾設(shè)計，將是本章討論的問題。 抗干擾技術(shù)原理以單片機(jī)為核心的微機(jī)控制技術(shù)在逆變焊接電源中的應(yīng)用有效地提高了生產(chǎn)效率，改善了逆變電源的控制特性，大大提高了控制質(zhì)量和控制效果。但是，逆變焊接電源中單片機(jī)控制系統(tǒng)所處的工作環(huán)境是比較惡劣和復(fù)雜的，其應(yīng)用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。單片機(jī)控制系統(tǒng)必須長期穩(wěn)定、可靠地運行，否則將導(dǎo)致控制效果變差，嚴(yán)重時會使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失。影響單片機(jī)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。這些因素對單片機(jī)控制系統(tǒng)造成的干擾后果主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1) 采集的數(shù)據(jù)誤差增大。當(dāng)干擾侵入單片機(jī)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。(2) 控制狀態(tài)失靈。如若某些輸入信號受到干擾，引入到單片機(jī)的是虛假的信號，則將導(dǎo)致單片機(jī)輸出控制誤差加大，甚至控制失常。(3) 數(shù)據(jù)受到干擾后發(fā)生變化。由于在單片機(jī)控制系統(tǒng)中內(nèi)部RAM存儲器和外部擴(kuò)展RAM存儲器是可以讀/寫的，因此如果受到干擾侵害，RAM中的數(shù)據(jù)有可能被竄改，這樣，有的會造成數(shù)據(jù)誤差，有的使控制失靈，有的改變了程序狀態(tài)，有的改變了某些部件（如定時器/計數(shù)器等）的工作狀態(tài)等。(4) 程序運行錯誤。單片機(jī)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(jìn)行，這將導(dǎo)致程序運行控制混亂或系統(tǒng)控制錯誤。由于干擾可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)發(fā)生上述錯誤后果，所以如何保證和提高單片機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，成為一個亟待解決的問題，逆變焊接電源控制系統(tǒng)由于其所處的環(huán)境更為惡劣，工作時的情況更為復(fù)雜，導(dǎo)致控制系統(tǒng)受干擾而出錯的概率更大。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)。設(shè)計中考慮系統(tǒng)的抗干擾措施除了精心選擇所需的元器件、精密調(diào)整元部件外，主要從硬件抗干擾和軟件抗干擾兩個大的方面采取措施。硬件抗干擾技術(shù)是控制系統(tǒng)抗干擾主要部分，而軟件抗干擾技術(shù)則作為一個輔助部分成為系統(tǒng)抗干擾設(shè)計的重要補(bǔ)充。硬件抗干擾技術(shù)是設(shè)計系統(tǒng)時首選的抗干擾措施，它能有效抑制干擾源，阻斷干擾傳播途徑。應(yīng)用硬件抗干擾技術(shù)是一種有效方法，只要精心布置電路結(jié)構(gòu)、合理設(shè)置元件參數(shù)，硬件抗干擾措施就能抑制系統(tǒng)的絕大部分干擾。常用的硬件抗干擾技術(shù)有：濾波技術(shù)、去耦技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)及接地技術(shù)。(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。，在電源輸入端和輸出端之間加入RC電源低通濾波器，可以削弱瞬變噪聲干擾對控制系統(tǒng)的影響；在電路輸出端與地之間（“+”極接一個電容到地，“”極接一個電容到地）并接一個電容器，同樣會起到減小負(fù)載變化引起的瞬變噪聲干擾。(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。轉(zhuǎn)變到U0H的時刻更為突出。這種尖峰電流的存在給整個測控系統(tǒng)帶來了不良影響，它將在傳輸線和供電電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，使供電電壓跳動，形成嚴(yán)重的干擾。欲降低尖峰電流的影響，可采取的辦法有三種：一是在布線上采取措施，使雜散電容降至最?。欢窃O(shè)法降低供電電源內(nèi)阻，使尖峰電流不致引起過大的電源電壓波動；但較為常用的辦法是在數(shù)字電路的電源線與地線端加接電容，即形成去耦電路。數(shù)字電路的開關(guān)動作很快，如TTL的工作時間為5～10ns，這樣就會產(chǎn)生瞬變電流，在電源內(nèi)阻和公共阻抗作用下，產(chǎn)生所謂開關(guān)噪聲。開關(guān)噪聲使電源電壓發(fā)生振蕩，因此，在設(shè)計印刷電路板時在各個集成電路配置去耦電容，是一項常規(guī)做法。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)