【正文】 可見設計 PWM 控制電路的合理性與正確性。 實驗結(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 秒的時間示波器出 現(xiàn) 新驅(qū)動波形；用示波器測量 IGBT 上的驅(qū)動波形，脈沖寬度為空載脈寬，上升沿和下降沿不超過1μs，其波形圖如圖 所示。 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 31 頁 共 36 頁 4 逆變焊機的實驗分析 實驗儀器與設備 1 電流表，電壓表，萬用表等測試儀表； 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 ZX7400 一臺； 4 示波器一臺； 5 焊機測試臺一臺 ； 6 電子元器件若干； 7 電纜線若干。 （ 2）過熱保護電路：當逆變焊機處于過熱狀態(tài)時，熱敏繼電器 K1 閉合，集成塊SG3525 的 8 腳處于低電位狀態(tài)， SG3525 無脈沖輸出，全橋逆變主電路停止運行，發(fā)光二極管 LED 發(fā)亮，表示焊機過熱。此時，二極管 D1 的陽極電位為零，三極管 T2 的基極的電位為零，三極管 T2 截止， T2 導通，集成塊 SG3525 的 8 腳為低電平，脈沖信號停止輸出，這樣就對逆變焊接電源起到了一定的保護作用。此時，三極管 T2 導通， T1 截止，集成塊 SG3525 的腳 8 處于高電位狀態(tài)， SG3525有脈沖輸出。 如圖 所示為過流、過熱保護電路。本論文采用的為間接提取電流信號法，即通過在全橋逆變主電路的一次電路上的電感線圈來進行過流信號的提取。本論文設計的保護電路有過流保護和過熱保護電路。在 IGBT出現(xiàn)過流時，過流信號由腳 6 輸入到內(nèi)部的過流保護電路，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 共 36 頁 引腳號 功能 引腳號 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，防止過電流保護電路誤操作，大部分場合不需要電容器 12 空 5 過電流保護電路的輸出端 13 空 6 經(jīng)快恢復二極管接 IGBT 的集電極，監(jiān)視集電極電壓 14 驅(qū)動輸入信號（ ） 7 空 15 驅(qū)動輸入信號（ +） 8 空 16 空 器有輸出，對 PWM 提供一個封鎖信號，從而使 PWM 的驅(qū)動脈沖輸出轉(zhuǎn)變成一系列窄脈沖，實現(xiàn) EXB840 的軟關(guān)斷。本設計選用的是 75A/1200V的 IGBT，因此驅(qū)動電路選用 EXB840，其引腳連接如表 所示 [15]。由于它們的輸出級選用了不同輸出功率的晶體管，以致于它們的應用場合不同。其內(nèi)部的過流保護電路的輸出可以從引腳 5 供給外部電源使用。 EXB840/EXB841 響應速度快，導通和關(guān)斷時間在 左右，開關(guān)頻率可達 40kHz。 IGBT 驅(qū)動電路設計 本設計采用全橋式逆變 主 電路，共有 4 個 IGBT 開關(guān)管，所以需要 4 套驅(qū)動電路。但在大電感負載時，過快的開通和關(guān)斷會產(chǎn)生很高的尖峰電壓，可能造成 IGBT 自身或其他元件的擊穿。為此，應根據(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【 15】的推薦值，額定值為 75A/1200V 的 IGBT 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 27 頁 共 36 頁 可選用 15Ω 的 Rg。 （ 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。為避免 IGBT 發(fā)生這種誤動作，應在柵極加負偏壓。 （ 2）柵極負偏壓 Vge 柵極驅(qū)動電路提供給 IGBT 的負偏壓 Vge 將使其關(guān)斷，負偏壓 Vge 直接影響 IGBT 的可靠運行。 +Vge 的增加對減小通態(tài)電壓與開通損耗有利，但是并不是 +Vge 越大越好，這是因為當負載短路時，流過器件的集電極電流會隨 +Vge 的增大而增大，并且使器件承受短路電流的時間變短。 IGBT 的驅(qū)動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)動器件， 柵極驅(qū)動電路提供給 IGBT 的正偏壓 +Vge 將使 IGBT 導通。 驅(qū)動電路 IGBT 的柵極驅(qū)動設計原理 驅(qū)動電路的作用主要是對驅(qū)動信號進行功率放大，并且保證一定的脈沖前沿、后沿陡度，使其具備足夠的驅(qū)動能力以使 IGBT 導通。 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、簡單，可控性好。采集的電流反饋信號和電流給定信號比較后得到偏差信號，經(jīng)過放大器放大后接至 SG3525 的腳 9，從而實現(xiàn)對輸出脈沖占空比的控制，以獲得恒流外特性。從腳 11 和腳 14 獲得觸發(fā)脈沖信號，不過觸發(fā)脈沖信號較小，不足以驅(qū)動逆 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 24 頁 共 36 頁 變主電路中每個橋臂上 IGBT 的正常工作，因此必須先采用功率放大電路將其放大，之后進行驅(qū)動，本論文選用 IGBT 專用驅(qū)動器 EXB840。由電源電路提供所需的 +12V和 +24V 電壓，通過調(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 的大小來獲得所需的 20kHz 脈沖頻率。因此，逆變弧焊機的輸出特性（焊機的外特性）就由控制脈沖的占空比決定。輸入整流濾波之后的整流電壓波動極小，可以認為是常數(shù)。 SG3525 的引腳連接和推薦工作條件如表 和 所示 [15]。 改變 RD 的大小就可以改變兩路脈沖信號間的死區(qū)時間，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。此外，它的軟啟動電路也很容易設計，只需將腳 8 接一個軟啟動電容即可。其內(nèi)部由基準電壓調(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、軟起動電路和輸出電路構(gòu)成。 圖 恒流外特性曲線 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 23 頁 共 36 頁 SG3525 簡介 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]。恒流外特性曲線如圖 所示。 一般手工弧焊機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。 （ 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，此情況下占空比可以在一個非常大的范圍內(nèi)變化。但是，由于晶體管導通寬度存在最小值，所設計的恒壓特性的逆變焊機， 其輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍將會受到限制，不能進行較寬范圍的調(diào)節(jié)，其輸出端必須有一定數(shù)量的無效負載（俗稱“死”負載）?，F(xiàn)在只有半控型功率開關(guān)器件晶閘管式逆變焊機采用 PFW 控制方式。在這種調(diào)節(jié)方式下，由于占空比可在一個很寬的范圍下進行變化，因此輸出電壓同樣可在一個大的范圍進行調(diào)節(jié)。焊接電源的功率控制是通過對功率開關(guān)器件的導通時間和關(guān)斷時間的比值的控制來實現(xiàn)的，導通時間與開關(guān)周期的比值稱為占空比，常用它來表示控制的過程。 外特性 控制 在電源參數(shù)一定的條件下，改變負載時，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]。 控制電路主要由給定電路、反饋電路、驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、保護電路等組成，它是整個逆變弧焊機的核心，其作用是將電流反饋信號與給定信號比較，獲得寬度可變的脈沖信號給驅(qū)動電路，控制功率開關(guān)器件的通斷時間，從而實現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)，獲得符合焊接要求的靜特性和動特性。 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 21 頁 共 36 頁 3 ZX7400 逆變電源控制電路的設計 控制電路的組成 本論文所設計的 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 ，對于一個完整的逆變系統(tǒng)，主電路和控制電路二者缺一不可。 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強度， L 為直流電感量， IL為直流電抗器中的電流。 其中， LII ?? （ ） 此式中， IL 為電抗器中的電流，即焊機的輸出電流（ A）， △ IL為 IL的變化量，一般取其5%，即 A104 0 in0 ????I 。鐵芯材料選擇普通硅鋼片，減少整臺焊機成本從而提高 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 20 頁 共 36 頁 性價比。 （ 2） 直流電抗器參數(shù)計算 直流電抗器的作用有兩方面：一是用于濾波，使電流連續(xù)，特別是小電流脈動大時，電抗器電感的選擇以最小直流電流波形連續(xù)為依據(jù)；二是改善電源的動態(tài)品質(zhì)，在焊接短路過渡時，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。 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。因此，逆變焊機中常采用快恢復二極管。 （ 1） 輸出整流二極管的參數(shù)計算 輸出整流二極管的導通與關(guān)斷特性影響著主電路的工作頻率和 IGBT 的瞬時集電極電流與損耗，從而對電源整體效率有關(guān)鍵的影響。 本論文采用的是全波整流輸出電路。 綜上所述，選取 C=， R=47Ω 的電阻作為 IGBT 的 RC 吸收電路。為此， RC 放電時間常數(shù)受到限制，一般假設超過 3 倍時間常數(shù)可以放完電，即： son DTTRC ??3 （ ） 所以： ???? ?????? 66CDTR s （ ） 此外，計算電阻值時，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 （ ） 實際選取 R=47Ω。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 ??????? ? （ ） 實際選用 C=。 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，但同時要考慮功率損耗等因素。按照 VC=%Vs 進行計算，則有： FDTVIC scc ? 60 ??????? （ ） 綜上所述并結(jié)合實際應用，隔直電容 C 實際選用耐壓 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。 為了使耦合電容線性，一般選 fR=，本文中 f=20kHz， 故 fR=2kHz，實驗測得LR=200μH， 帶入數(shù)據(jù)算得： C=。偏磁的積累將造成變壓器的磁飽和，從而導致逆變“顛覆”。選用SKM75GB123D。 由式（ ）可知中頻變壓器原邊電流 I1=60A，則單個 IGBT 上的平均電流為： 1 ???? II （ ） 考慮到 10%的網(wǎng)壓波動、 倍的安全裕量，則 IGBT 的額定電流為： ???????? II cs （ ） 額定電流 Ic 根據(jù)管子電流等級選擇選擇 75A。 工頻交流電（ 380V/50Hz）經(jīng)整流濾波后，考慮 10%的網(wǎng)壓波動，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。 IGBT 參數(shù)的正確選擇是逆變電路能夠可靠工作的關(guān)鍵，如果選擇不好，會導致焊機可靠性下降，安全性下降。