【正文】 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。轉(zhuǎn)變到U0H的時刻更為突出。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)。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。(4) 程序運行錯誤。(2) 控制狀態(tài)失靈。單片機控制系統(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，嚴重時會使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失。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。設(shè)計的控制系統(tǒng)以單片機80C196KC為核心組成最小單片機系統(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，達到了軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)的目的。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)。但是單純的積分作用動作過于遲緩，過度時間過長。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行系統(tǒng)調(diào)節(jié)。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)。主程序用來實現(xiàn)對上述焊接過程的進度控制，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。當(dāng)EXB841的6腳檢測到IGBT的集射極電壓大于7. 5V時，則認為有過流情況發(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)輸入到單片機的NM工中斷口，產(chǎn)生中斷服務(wù)。 EXB841驅(qū)動電路(1) 過/欠壓保護過/欠壓保護電路如圖下半部分所示。② 負載變化頻繁；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。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。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。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起控值，從而使EXB841可靠地保護IGBT。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。模塊內(nèi)部集成有欠飽和保護電路，通過檢測IGBT漏極與源極電壓降實現(xiàn)IGBT的欠飽和保護。過流保護電路AMP EXB481內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖23168415145EXB841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。③ 三角波的頻率和斜率要與芯片的工作頻率相互匹配，要根據(jù)輸出脈沖的頻率設(shè)置相應(yīng)的三角波頻率和斜率，否則將不可能輸出移相控制脈沖序列。(4) 軟啟動功能UC3875芯片具有軟啟動功能，即輸出的脈沖寬度從零開始逐漸增加到最大值，以減少啟動電流沖擊，并且可以防止開機瞬間變壓器可能產(chǎn)生的飽和現(xiàn)象。(3) 限流保護措施正常情況下，逆變器應(yīng)工作在額定輸出功率范圍之內(nèi)，避免電源工作在超出正常輸出狀態(tài)，但在實際工作中是很難做到這一點的。(1) 頻率設(shè)置UC3875內(nèi)部頻率振蕩器可工作在自激振蕩或外部同步狀態(tài)，對于自激振蕩，頻率設(shè)置端16腳外接電阻R35和電容C29，通過調(diào)節(jié)并接在16腳的電阻和電容可以任意設(shè)置需要的工作頻率。OUT AOUT BDELAY A/BOUT COUT DDELAY C/D 移相全橋變換器工作波形圖 在使用UC3875芯片進行移相脈寬調(diào)制技術(shù)中關(guān)鍵的一點就是提供一個比較精確的0176。在四組輸出中OUTA與OUTB組成超前橋臂驅(qū)動脈沖，OUTC和OUTD組成滯后橋臂驅(qū)動脈沖。所不同的一點在于，它用來觸發(fā)同一橋臂的兩列脈沖不是完全同相的，而是相互之間可以移相的。圖中采用CHB500S型霍爾電流傳感器對焊接電流進行測量，由M端輸出相應(yīng)的電流經(jīng)過R53轉(zhuǎn)換為電壓，再經(jīng)過LF353放大器隔離，輸出0～5V的電壓值加到單片機的A/D口，最后經(jīng)過A/D采樣和轉(zhuǎn)換得出相應(yīng)的焊接電流。焊接電壓測量范圍是10～100V，對應(yīng)于輸入端額定電流為10mA的輸出端額定電流為25mA。為了在焊接過程中實現(xiàn)對焊接工藝參數(shù)的反饋控制，必須實時獲得焊接電壓和焊接電流的大小，這就需要對工作過程中的電壓和電流進行實時采樣。設(shè)計中采用了5個7段LED數(shù)碼管作為顯示器件，采用共陰極方法連接，并配以串行口8位LED顯示驅(qū)動器MAX7219，以動態(tài)方式進行顯示。由于單片機D/A通道所采集的電壓信號范圍是0～5 V，因此采用了如圖所示的電路。VccVccRSTRESET74LS37328c64MAX5306264TO UC3875P0R1Vout8885580c196kcMAX705 單片機最小系統(tǒng)。若判斷得到焊接過程結(jié)束的指令，則進入熄弧過程控制，即慢慢減小焊接電流，滯后幾秒關(guān)斷等。程序開始時刻，單片機首先產(chǎn)生一個對應(yīng)于空載電壓的數(shù)字控制量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換芯片MAX530將其轉(zhuǎn)化為模擬電壓，此電壓輸入到UC3875進行移相脈寬調(diào)制產(chǎn)生對應(yīng)于空載電壓的脈沖，經(jīng)過EXB841驅(qū)動電路的放大觸發(fā)IGBT使之按相應(yīng)的開度導(dǎo)通，從而得到空載電壓。(3) 對逆變主電路中關(guān)鍵性器件功率開關(guān)管的開關(guān)特性，安全工作區(qū)，驅(qū)動條件等進行了對比研究、討論，對高頻變壓器選材和參數(shù)進行了分析、計算，確定了以IGBT作為逆變電路的開關(guān)元件，設(shè)計和計算的變壓器變比適合實際需要，能夠滿足弧焊電源設(shè)計要求。(2) 濾波電容的計算按照離散雜音的要求，電容上允許的20KHz下的紋波mV，選擇開關(guān)電源專用電解電容和無極性電容并聯(lián)，將總的ESZ控制在1毫歐以下，濾波電解的電容量可由下式求出 μF ()以上求出的是電解電容的最小值，考慮實際帶載情況和電容等效串聯(lián)電阻ESR的影響，選5個的開關(guān)電源專用電解電容并聯(lián)。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，采用全波整流電路，該電路由兩個二極管構(gòu)成，流過每個二極管的平均電流等于電感電流平均值的一半。而最低直流輸入電壓為: V ()所以變壓器初、次級變比K為: ()在設(shè)計的主電路中，變壓器初、次級變比的實際值為K=9。這樣不僅可以保證引弧成功率，而且可以增大弧焊變壓器變比，從而提高了變壓器的效率。所以，對于大功率的軟開關(guān)弧焊逆變器的輸出電壓應(yīng)該優(yōu)先考慮滿載電壓的要求。同時，弧焊逆變器短路狀態(tài)時的電流沖擊也愈小。輸入直流的最小值為，則輸入濾波電感的值約為： mH ()輸入濾波電感為工頻電感，鐵心采用薄硅鋼片疊壓而成，線圈采用多線并繞。推算方法如下：輸入整流后面的電路每個周期中所需的能量約為： J ()式中A為輸入交流電壓的相數(shù)，單相輸入時A=1，三相輸入時A=3；每半個周期輸入濾波電容所提供的能量為： ()可得輸入濾波電容的容量為： μF ()從控制紋波角度考慮，也可驗證此結(jié)果也滿足紋波要求。在此，按開關(guān)電源的效率最差時取值，取， ()電源的輸入功率為： W ()最大輸入電流為： A () 考慮裕量，取整流橋的額定電流為400A根據(jù)以上計算，擬選用Shindengen公司的D400VTA160（VRM=1600V，IO=400A） 三相整流橋模塊。在靠近主電路回路配置低電感、低ESR的小容量電容，能夠有效減少高開關(guān)頻率的噪聲，也可以抑制正態(tài)與共態(tài)噪聲。阻容網(wǎng)絡(luò)中的電容采用自身發(fā)熱少、低損耗，而且耐壓、耐高溫（+125℃）的HR系列絕緣型陶瓷電容器。ce 過流保護原理圖電壓檢測IGBT是一種安全工作區(qū)寬，使用簡單的功率元件，但負載電流過大時能夠承受的時間很短，而且開關(guān)速度高易產(chǎn)生浪涌電壓，因此使用IGBT時一般要采用過流保護電路和浪涌箝位電路。(3) IGBT開通后，驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，以免IGBT在正常工作時退出飽和區(qū)而損壞。但負載短路時其漏極電流增大，承受短路電流的時間減少，對其安全工作不利，因此正偏壓降也不能太高，一般選擇為+12～+15V；負偏電壓（UGE）增大時集極浪涌電流明顯下降，所以提高負偏電壓可防止由于關(guān)斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，但負偏電壓受到G、E極間最大反向耐壓限制，一般取2～10V。最大漏電流是根據(jù)避免動態(tài)擎住而確定的；最大漏源電壓是由IGBT中PNP晶體管的擊穿電壓確定:最大功耗PCM動受限于最高允許結(jié)溫，與導(dǎo)通時間密切相關(guān)，導(dǎo)通時間長，發(fā)熱嚴重，安全工作區(qū)變窄（）。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集極電流增大，造成過高的功耗，導(dǎo)致器件損壞。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)。(3) 擎住效應(yīng)與安全工作區(qū)① 擎住效應(yīng)IGBT為四層結(jié)構(gòu)，體內(nèi)存在一個寄生晶閘管。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。在該區(qū)中，漏極電流Ic幾乎不變，其大小取決于UGE。 (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。通過對比不同功率開關(guān)管的性能，可以得出結(jié)論：選擇絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為逆變焊接電源開關(guān)器件，既可以承受高電壓和大電流，獲得大功率輸出，又可以工作在較高頻率，還不至于產(chǎn)生過高的功率損耗。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。我們對常用的普通晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、功率MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等器件的主要性能指標(biāo)進行比較：(1) 輸出功率與工作頻率 MOSFETGTOP/W108106105107104106f/HzSCIGBTGT 器件輸出功率與工作頻率的關(guān)系 。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。③ 隨著溫度升高，飽和磁通密度下降要慢。(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。④ 初、次級繞組的損耗應(yīng)相等，銅損與鐵損也應(yīng)相等，損耗應(yīng)足夠低。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。） 相移控制的全橋逆變電路VT1VT5VT3VT2VT4VT6UGEt 移相控制時序圖 (3) 高頻直流諧振環(huán)逆變電路高頻直流諧振環(huán)逆變電路是一種新型的實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)的方法，由于其技術(shù)難度較大，目前設(shè)計的軟開關(guān)型逆變器暫時不考慮這種方式，因此我們的方案選擇不考慮高頻直流諧振環(huán)逆變電路。di/dt=UAB，所以電流衰減很慢。移相控制實現(xiàn)零電壓開通的工作原理是這樣的：假定負載是感性的，根據(jù)控制時序，VT1管先導(dǎo)通，VT2經(jīng)過一定的移相角后導(dǎo)通，電流由電源正極出發(fā)，流經(jīng)VT1管從A點流到B點經(jīng)VT2流向電源負極，此時電源向負載輸出功率。VT3與VT4類似，當(dāng)VTVT2移相為0176。它的控制策略是VTVT3和VT VT4分別輪流導(dǎo)通，每只開關(guān)管導(dǎo)通180176。它一經(jīng)出現(xiàn)就受到了人們的青睞。這兩種主電路既可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)，也可以實現(xiàn)零電流開關(guān)，其具體實現(xiàn)要根據(jù)頻率大小和負載情況而定。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。軟開關(guān)型逆變器的特點是功率開關(guān)器件在零電壓或零電流或零電壓和零電流狀態(tài)下導(dǎo)通或關(guān)斷。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。 逆變主電路拓撲性能比較/推挽式全橋式半橋式單端式功率開關(guān)管集射極間施加電壓穩(wěn)態(tài)為2E，漏感引起的尖峰使Vcemax＞2E穩(wěn)態(tài)為E，二極管箝位Vcemax≤E同全橋截止期二極管箝位Vcemax=E輸出相同功率時集電極電流IcIc2Ic2Ic功率開關(guān)管數(shù)量2421輸出濾波電容數(shù)量1121獲得的輸出容量大大中等中、小 軟開關(guān)技術(shù)在逆變電源中的應(yīng)用在常規(guī)的PWM逆變電路中，電力電子開關(guān)器件在大電壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷，處于強迫關(guān)斷過程，這種逆變電路被稱之為硬性開關(guān)電路。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)。可以通過控制IGBT的通斷時間獲得需要的電壓、電流及功率。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