【正文】 ，耐壓400V，額定電流?；谝陨峡紤]，當(dāng)輸出電壓較高，輸出電流較小時，一般采用全橋整流方式；當(dāng)輸出電壓較低，輸出電流較大時，一般采用全波整流方式。 (1) 整流二極管的選擇 一般而言，輸出整流回路有兩種，一種是四個二極管構(gòu)成的單相全橋整流方式，另一種是兩個整流二極管構(gòu)成的單相全波整流方式。為了在規(guī)定的輸入電壓范圍內(nèi)保證輸出電壓符合要求，變壓器的初、次級變比應(yīng)該按照最低直流輸入電壓來計算。所以輸出電壓還要兼顧空載電壓的需要。隨著弧焊逆變器工作頻率的提高，則輸出的電感可減小，而弧焊電源的空載電壓也可以適當(dāng)降低。二是選擇合適的空載電壓。軟開關(guān)型弧焊逆變器在滿載時二次側(cè)導(dǎo)通比丟失最大，且電源的寄生電阻導(dǎo)致的壓降也最大。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。對于弧焊變壓器來說，一、二次側(cè)匝數(shù)比值愈高，則IGBT的最大導(dǎo)通電流愈小，高頻變壓器的利用率愈高。高頻變壓器一、二次側(cè)變比是一個涉及全局的重要參數(shù)。② 輸入濾波電感的設(shè)計輸入濾波電感的選取一般根據(jù)經(jīng)驗公式進行選擇，一般要求負載電流為10%額定電流時電感電流連續(xù)，輸出功率為，則輸入功率為。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。本設(shè)計則從能量角度估算電容值，即輸入濾波電容要能為后續(xù)電路提供所需的足夠的能量，以保證其按要求運行。(2) 輸入濾波電容和電感的設(shè)計① 輸入濾波電容的設(shè)計輸入濾波電容（C1）主要起濾波和平滑直流輸出電壓，減小其脈動的作用，因此輸入濾波電容的選擇是比較關(guān)鍵的。整流橋的耐壓整流二極管的峰值電壓為： V ()取50%的裕量得： V ()整流橋的額定電流因為電源的輸入功率隨效率變化，所以應(yīng)取電源效率最差時的值。 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。(3) 阻止噪聲由輸出回路進入負載，在主電路輸出回路中接入了旁路電容器。(2) 變焊接電源易受到電網(wǎng)噪聲的污染，也易將自身產(chǎn)生的噪聲污染電網(wǎng)。主電路中還考慮了其它一些保護和抗干擾電路設(shè)計：(1) 輸出整流二極管設(shè)置了阻容網(wǎng)絡(luò)，用以吸收二極管開關(guān)工作以及變壓器接線電感所產(chǎn)生的浪涌，保護開關(guān)元件。脈沖信號過流故障信IGBT負載過流保護電路有多種類型。柵極驅(qū)動amp。(4) 驅(qū)動電路應(yīng)具有較強的抗干擾能力及對IGBT的保護功能。在大電感負載下，IGBT的開關(guān)時間不宜過短，以限制di/dt形成過大的尖峰電壓，防止IGBT因過電壓擊穿而損壞。(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。根據(jù)IGBT的特性，它對驅(qū)動電路有以下特殊要求:(1) 柵極驅(qū)動電壓的選擇要綜合考慮正偏壓降（+UGE）增大時，IGBT通態(tài)壓降和開通損耗均下降。10usDC100usicic00uCEuCE1000v/us2000v/us3000v/us 正偏安全工作區(qū) 反偏安全工作區(qū) IGBT的反向偏置安全工作區(qū)隨IGBT關(guān)斷時的重加dUCE/dt而改變，dUCE/dt越高反向偏置安全工作區(qū)越窄（），因此，設(shè)計電路使IGBT關(guān)斷時，柵極應(yīng)施加一定反偏壓，以減小重加dUCE/dt，同時可以縮小關(guān)斷時間。　IGBT等效電路② 安全工作區(qū)IGBT開通的正向偏置安全工作區(qū)是由電流、電壓、功耗三條邊界極限包圍而成。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。此外，在IGBT關(guān)斷過程中，由于重加dUCE/dt過大，在PN結(jié)J2引起的位移電流流過體區(qū)電阻，產(chǎn)生較大正偏置電壓，致使寄生晶體管導(dǎo)通，稱為動態(tài)擎住效應(yīng)。于是寄生晶體管開通，門極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng)。在規(guī)定的集極電流范圍內(nèi)，這個正偏置電壓不大，NPN晶體管不起作用。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。而采用軟開關(guān)技術(shù)的目的就是改變其開關(guān)曲線軌跡，使其達到曲線b所示軌跡，而不是曲線a。(2) 開關(guān)特性UcictticVCEONOFFab0 IGBT開關(guān)波形及開關(guān)特性。當(dāng)柵極電壓小于開啟電壓UGE（th）時，IGBT處于阻斷狀態(tài)。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)。當(dāng)UGE＞UGE（th）且為一定值時，IGBT處于放大區(qū)。（UCE—通態(tài)壓降，Ic—漏極電流）。IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓控制的。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。由圖可知，功率MOSFET的功耗最大，但隨著工作頻率的提高，其功耗增加幅度很小，這說明功率MOSFET更適合于高頻場合；GTO和GTR在低頻時管壓小，因此功耗小，但隨著工作頻率的增大，開關(guān)損耗急劇上升，這就限制了它們的工作頻率不能太高；從目前的應(yīng)用情況看，IGBT既可以在較高的頻率下工作，又不至于使功率損耗過高。從當(dāng)前的發(fā)展來看，IGBT是一種很有發(fā)展前途的電力電子器件，它的電壓、電流容量已超過了GTR，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)及工藝水平的提高，IGBT的電壓、電流容量還將進一步提高。由圖可知，GTO的電壓、電流耐量等級最高，屬于高壓大電流器件，依次是IGBT, GTR和功率MOSFET。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。因此選擇合適的電力電子開關(guān)器件是電路元件選擇中十分重要的一環(huán)。 不同磁芯材料主要性能指標(biāo)對照名稱規(guī)格飽和磁感應(yīng)強度Bs（T）鐵損（W/kg）磁密度 βr/Hc矯頑磁力βr/B電阻率β（μΩcm）臨界磁滯伸縮系數(shù) λs*106硅鋼片D334*1044710鐵氧體MX02000/17*1041*1053000非晶態(tài)Fe80B203210414531 開關(guān)器件的選擇功率開關(guān)器件的品種繁多，性能指標(biāo)相差很大。但是與鐵氧體相比，其價格較高。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。② 磁芯材料飽和磁通密度要高，電阻率要大。對于工作頻率為20KHz的變壓器，主要考慮其漏感和勵磁電流的影響，工作時不能使變壓器飽和，否則勵磁電流會大大增加。根據(jù)上述要求，我們重點對磁芯材料選擇和變壓器初、次級變比計算進行討論。⑤ 初、次級繞組之間的漏感應(yīng)適當(dāng)小。③ 當(dāng)輸出功率最大時，變壓器穩(wěn)升在允許的范圍之內(nèi)。(1) 在設(shè)計高頻變壓器時，必須滿足以下要求：① 變壓器初、次級繞組變比應(yīng)滿足要求，即輸入電壓最低時，仍能得到所需的輸出電壓。與傳統(tǒng)的弧焊變壓器相比，最后一項功能是軟開關(guān)弧焊逆變器中高頻變壓器特有的功能。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)來達到在逆變焊接電源中實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)的目的。（由于此種原因?qū)е碌脑谪撦d為輕載或電路中電感量小時，難以實現(xiàn)零電壓開通的情況可以通過進一步改進電路而得到解決。緊接著VT2關(guān)斷，電流從VT2換流到VD4，方向為VD3→A→B→VD4，由于VD4的導(dǎo)通，故VT4可在零電壓下導(dǎo)通，但是因為此時L因為L當(dāng)VT1關(guān)斷后，電流換流，方向為A→B→VT2→VD3→A。時，逆變器輸出為0。時，輸出最大?！?80176。（實際上為避免發(fā)生直通現(xiàn)象存在死區(qū)時間的限制）。相移PWM控制逆變電路實現(xiàn)零電壓開關(guān)，是依靠功率開關(guān)管本身反并聯(lián)的二極管先導(dǎo)通，實現(xiàn)零電壓開通的。，它實質(zhì)上也是PWM控制，所不同與一般PWM控制電路的是，逆變功率器件的驅(qū)動信號有特殊的時序要求（）。 全橋并聯(lián)諧振逆變電路 全橋串聯(lián)諧振逆變電路 (2) 相移控制的全橋逆變電路相移控制的全橋逆變電路綜合了PWM控制技術(shù)的優(yōu)點和軟開關(guān)技術(shù)的優(yōu)點，其開關(guān)工作頻率恒定，在大范圍內(nèi)實現(xiàn)PWM控制，在功率開關(guān)器件通斷瞬間實現(xiàn)軟開關(guān)換流，減少了開關(guān)損耗，降低了du/dt和di/dt，減少了電磁干擾（EMI），提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。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，如果負載是感性的（或容性的），則由于感性負載電壓超前電流（或容性負載電壓滯后電流），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。電路中電感L、電容C、功率器件和負載串聯(lián)（并聯(lián)）在一起形成一個欠阻尼電路，由于電路是欠阻尼的，引起振蕩，導(dǎo)致流過功率開關(guān)的電流出現(xiàn)自然過零的現(xiàn)象。目前適合采用軟開關(guān)技術(shù)的全橋逆變電路有：全橋串聯(lián)諧振逆變電路；全橋并聯(lián)諧振逆變電路；高頻直流諧振環(huán)逆變電路；移相控制的全橋逆變電路。在軟開關(guān)型全橋逆變主電路中，有根據(jù)負載方式實現(xiàn)零電壓或零電流開關(guān)的，也有根據(jù)控制方式實現(xiàn)功率器件的軟開關(guān)技術(shù)的。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。為了解決硬性開關(guān)PWM逆變電路存在的上述問題，國內(nèi)外學(xué)者專家提出了改變器件開關(guān)軌跡的思想，研究和開發(fā)了多種軟開關(guān)型弧焊逆變電源，使軟開關(guān)型逆變電源成為一種有較大發(fā)展和應(yīng)用前景的弧焊電源。(2) 電磁干擾問題在高頻情況工作時，開關(guān)器件本身的極間電容和電路中的雜散電感將影響整個電路的工作狀況。隨著工作頻率的提高，這種損耗將成比例增加。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（）。由于本設(shè)計中涉及到逆變器的軟性開關(guān)實現(xiàn)問題，因此我們首先從軟開關(guān)技術(shù)在弧焊逆變電源中的應(yīng)用入手，對逆變器主電路進行必要的分析和研究。但是對于推挽式主電路結(jié)構(gòu)，它的功率開關(guān)管集射極之間承受的電壓在穩(wěn)態(tài)時為2倍的直流輸入電壓E，而其漏感引起的尖峰電壓VCEmax＞2E。 主電路拓撲結(jié)構(gòu)選擇弧焊逆變器主電路拓撲結(jié)構(gòu)通常有以下幾種形式：推挽式、半橋式、全橋式以及單端正激、單端反激式等。主電路在整個電源系統(tǒng)中完成功率傳輸及轉(zhuǎn)換功能。其中輸入為三相380V工頻交流電，通過整流濾波后轉(zhuǎn)換為540V直流電，然后通過全控功率器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率很高（設(shè)計中為20KHz）的方波交流電，之后通過高頻變壓器降壓、整流橋整流、電抗器濾波得到焊接所需的低壓直流電。逆變式弧焊電源是一種可控的能量轉(zhuǎn)換器，它將電能由一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。2 弧焊逆變電源主電路選擇與設(shè)計逆變式弧焊電源通常由兩部分組成：一是主電路部分，它完成電能的轉(zhuǎn)換和傳輸，是逆變電源的主要部分；二是控制電路部分，它的作用是對逆變主電路進行控制，實現(xiàn)電源外特性輸出控制、焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)及其它功能，如保護功能、參數(shù)預(yù)置與顯示功能等。(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。(5) 能夠獲得需要的輸出電壓、電流及調(diào)節(jié)范圍。(3) 具有過流、過熱和過、欠電壓等故障診斷和處理功能。對稱的脈沖列。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。 本課題研究對象及設(shè)計方案與設(shè)計目標(biāo)根據(jù)當(dāng)前弧焊逆變器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，我們確定了這一研究課題：針對逆變器主電路中，大功率開關(guān)元件采用隔離柵雙極性晶體管（IGBT）的逆變焊機的微機控制系統(tǒng)研究。(5) 重量輕，體積小，主變壓器的質(zhì)量僅為傳統(tǒng)弧焊電源主變壓器的幾十分之一。由于上述種種原因，弧焊逆變器與傳統(tǒng)的弧焊變壓器、直流弧焊發(fā)電機、弧焊整流器等焊接電源相比，具有如下顯著的優(yōu)點:(4) 高效節(jié)能。(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。 弧焊逆變電源的特點和優(yōu)點弧焊逆變器對焊接工藝性能的改善很大，傳統(tǒng)的弧焊電源均采用工頻來傳遞電功率和變換電參數(shù)，而弧焊逆變電源則把工頻電提高到幾千至幾十萬赫茲進行電能傳輸和變換，因此，弧焊電源的結(jié)構(gòu)和性能有了很大變化，形成了弧焊逆變器高效、輕巧、性能優(yōu)良的特點。目前，國外在這方面的結(jié)合做的較好，美國、日本、德國、瑞典等發(fā)達國家都己有較為成熟的微機控制逆變焊機問世，而在國內(nèi)，這方面還處于實驗室研究階段。因此，軟開關(guān)技術(shù)在弧焊逆變器中的應(yīng)用是弧焊逆變器未來發(fā)展方向之一，新型的軟開關(guān)型弧焊逆變器可以進一步把逆變頻率提高到50KHz以上，并能可靠工作。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。因而，廣泛應(yīng)用微機技術(shù)的高效節(jié)能焊機和專用成套焊接設(shè)備的前