逆變電焊機(jī)主要是逆變器產(chǎn)生的逆變式弧焊電源，又稱(chēng)弧焊逆變器，是一種新型的焊接電源。是將工頻(50Hz)交流電，先經(jīng)整流器整流和濾波變成直流，再通過(guò)大功率開(kāi)關(guān)電子元件(晶閘管SCR、晶體管GTR、場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET或IGBT)，逆變成幾kHz~幾十kHz的中頻交流電，同時(shí)經(jīng)變壓器降至適合于焊接的幾十V電壓，再次整流并經(jīng)電抗濾波輸出相當(dāng)平穩(wěn)的直流焊接電流。

其變換順序可簡(jiǎn)單地表示為：

工頻交流(經(jīng)整流濾波)→直流(經(jīng)逆變)→中頻交流(降壓、整流、濾波)→直流。

即為：AC→DC→AC→DC

因?yàn)槟孀兘祲汉蟮慕涣麟姡捎谄漕l率高，則感抗大，在焊接回路中有功功率就會(huì)大大降低。

所以需再次進(jìn)行整流。

這就是目前所常用的逆變電焊機(jī)的機(jī)制。

逆變電源的特點(diǎn)：

弧焊逆變器的基本特點(diǎn)是工作頻率高，由此而帶來(lái)很多優(yōu)點(diǎn)。

因?yàn)樽儔浩鳠o(wú)論是原繞組還是副繞組，其電勢(shì)E與電流的頻率f、磁通密度B、鐵芯截面積S及繞組的匝數(shù)W有如下關(guān)系：

E=4.44fBSW

而繞組的端電壓U近似地等于E，即：

U≈E=4.44fBSW

當(dāng)U、B確定后，若提高f，則S減小，W減少，

因此，

變壓器的重量和體積就可以大大減小。

就能使整機(jī)的重量和體積顯著減小。

還有頻率的提高及其他因素而帶來(lái)了許多優(yōu)點(diǎn)，

與傳統(tǒng)弧焊電源比較，

其主要特點(diǎn)如下：

1.體積小、重量輕，節(jié)省材料，攜帶、移動(dòng)方便。

2.高效節(jié)能，效率可達(dá)到80%~90%，比傳統(tǒng)焊機(jī)節(jié)電1/3以上。

3.動(dòng)特性好，引弧容易，電弧穩(wěn)定，焊縫成形美觀，飛濺小。

4.適合于與機(jī)器人結(jié)合，組成自動(dòng)焊接生產(chǎn)系統(tǒng)。

5.可一機(jī)多用，完成多種焊接和切割過(guò)程。

電焊機(jī)之IGBT系列焊機(jī)工作原理

一、功率開(kāi)關(guān)管的比較

常用的功率開(kāi)關(guān)有晶閘管、IGBT、場(chǎng)效應(yīng)管等。其中，晶閘管(可控硅)的開(kāi)關(guān)頻率最低約1000次/秒左右，一般不適用于高頻工作的開(kāi)關(guān)電路。

1、效應(yīng)管的特點(diǎn)：

場(chǎng)效應(yīng)管的突出優(yōu)點(diǎn)在于其極高的開(kāi)關(guān)頻率，其每秒鐘可開(kāi)關(guān)50萬(wàn)次以上，耐壓一般在500V以上，耐溫150℃(管芯)，而且導(dǎo)通電阻，管子損耗低，是理想的開(kāi)關(guān)器件，尤其適合在高頻電路中作開(kāi)關(guān)器件使用。

但是場(chǎng)效應(yīng)管的工作電流較小，高的約20A低的一般在9A左右，限制了電路中的最大電流，而且由于場(chǎng)效應(yīng)管的封裝形式，使得其引腳的爬電距離(導(dǎo)電體到另一導(dǎo)電體間的表面距離)較小，在環(huán)境高壓下容易被擊穿，使得引腳間導(dǎo)電而損壞機(jī)器或危害人身安全。

2、IGBT的特點(diǎn)：

IGBT即雙極型絕緣效應(yīng)管，符號(hào)及等效電路圖見(jiàn)圖11.1，其開(kāi)關(guān)頻率在20KHZ~30KHZ之間。但它可以通過(guò)大電流(100A以上)，而且由于外封裝引腳間距大，爬電距離大，能抵御環(huán)境高壓的影響，安全可靠。

一、場(chǎng)效應(yīng)管逆變焊機(jī)的特點(diǎn)

由于場(chǎng)效應(yīng)管的突出優(yōu)點(diǎn)，用場(chǎng)效應(yīng)管作逆變器的開(kāi)關(guān)器件時(shí)，可以把開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)得很高，以提高轉(zhuǎn)換效率和節(jié)省成本(使用高頻率變壓器以減小焊機(jī)的體積，使焊機(jī)向小型化，微型化方便使用。

但無(wú)論弧焊機(jī)還是切割機(jī)，它們的工作電流都很大。使用一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管滿(mǎn)足不了焊機(jī)對(duì)電流的需求，一般采用多只并聯(lián)的形式來(lái)提高焊機(jī)電源的輸出電流。這樣既增加了成本，又降低了電路的穩(wěn)定性和可靠性。

二、IGBT焊機(jī)的特點(diǎn)

IGBT焊機(jī)指的是使用IGBT作為逆變器開(kāi)關(guān)器件的弧焊機(jī)。由于IGBT的開(kāi)關(guān)頻率較低，電流大，焊機(jī)使用的主變壓器、濾波、儲(chǔ)能電容、電抗器等電子器件都較場(chǎng)效應(yīng)管焊機(jī)有很大不同，不但體積增大，各類(lèi)技術(shù)參數(shù)也改變了。

三、IGBT焊機(jī)工作原理：

半橋逆變電路工作原理如圖11.2

工作原理：

①tl時(shí)間：開(kāi)關(guān)K1導(dǎo)通，K2截止，電流方向如圖中①，電源給主變T供電，并給電容C2充電。

②t2時(shí)間：開(kāi)關(guān)K1、K2都截止，負(fù)截?zé)o電流通過(guò)(死區(qū))。

③t3時(shí)間：開(kāi)關(guān)K1截止，K2導(dǎo)通，電容C2向負(fù)載放電。

④t4時(shí)間：開(kāi)關(guān)K1、K2均截止，又形成死區(qū)。如此反復(fù)在負(fù)載上就得到了如圖11.3的電流，實(shí)現(xiàn)了逆變的目的。

2、IGBT焊機(jī)的工作原理

①電源供給：

和場(chǎng)效應(yīng)管作逆變開(kāi)關(guān)的焊機(jī)一樣，焊機(jī)電源由市電供給，經(jīng)整流、濾波后供給逆變器。

②逆變：

由于IGBT的工作電流大，可采用半橋逆變的形式，以IGBT作為開(kāi)關(guān)，其開(kāi)通與關(guān)閉由驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。

③驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生：

驅(qū)動(dòng)信號(hào)仍然采用處理脈寬調(diào)制器輸出信號(hào)的形式。使得兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位錯(cuò)開(kāi)(有死區(qū))，以防止兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而產(chǎn)生過(guò)大電流損壞開(kāi)關(guān)管。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的中點(diǎn)同樣下沉一定幅度，以防干擾使開(kāi)關(guān)管誤導(dǎo)通。

IGBT(絕緣柵雙極晶體管)是整個(gè)電路中最關(guān)鍵的元件,它具有MOSFET的輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)容易、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿和GTR的通態(tài)壓降低、高壓大電流化容易等特點(diǎn),其等效電路圖見(jiàn)圖2。IGBT由四層PNP組成,形成了一個(gè)寄生晶閘管,此寄生晶閘管一旦導(dǎo)通,IGBT的柵極便失去控制作用,而產(chǎn)生所謂“擎住現(xiàn)象”,從而損壞IGBT。“擎住現(xiàn)象”有靜態(tài)擎住和動(dòng)態(tài)擎住兩種。流過(guò)IG2BT的穩(wěn)態(tài)電流過(guò)大或開(kāi)關(guān)速度過(guò)快均會(huì)產(chǎn)生擎住現(xiàn)象,應(yīng)盡可能避免焊機(jī)工作時(shí)過(guò)熱、過(guò)流,并抑制開(kāi)關(guān)時(shí)的浪涌電壓等,從而減少擎住現(xiàn)象。

圖2 IGBT等效電路

2. IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求

IGBT由于具有開(kāi)關(guān)速度快，飽和壓降低和方形的安全工作區(qū)等特點(diǎn)，使得對(duì)它的驅(qū)動(dòng)要求和保護(hù)有如下注意點(diǎn)：

(1)提供適當(dāng)?shù)恼⒎聪蝌?qū)動(dòng)輸出電壓;

(2)有足夠的瞬時(shí)功率或瞬時(shí)電流輸出能力;

(3)盡可能短的輸入輸出信號(hào)傳輸延時(shí);

(4)很強(qiáng)的輸入輸出隔離能力;

(5)具有可靠的過(guò)流或保護(hù)能力;

(6)IGBT因飽和壓降較低導(dǎo)致短路電流較大，在發(fā)生短路故障時(shí)，最好采用具有降柵壓及軟關(guān)斷功能的保護(hù)電路;

(7)IGBT開(kāi)通時(shí)能承受較大的電流上升率和瞬時(shí)短路電流，因此不必采用開(kāi)通電流的抑制電感;

(8)具有方形的安全工作區(qū)的NPT型IGBT，能適應(yīng)高效的放電阻止型關(guān)斷緩沖吸收電路，使得它的工作效率得到提高;

(9)在工作電流較大的情況下，為了減小關(guān)斷過(guò)電壓，應(yīng)盡量減小主電路的布線電感，吸收電容器應(yīng)采用低感型。

為滿(mǎn)足不同電路的要求,目前市場(chǎng)上推出了各種系列的驅(qū)動(dòng)模塊,如日本富士公司的EXB841系列。從綜合的觀點(diǎn)看還沒(méi)有一種是十全十美的。由于在逆變焊機(jī)電路中,IGBT直接對(duì)地短路的可能性很小,只要能保證不發(fā)生橋臂直通、且采用電流互感器進(jìn)行過(guò)流保護(hù),IGBT就不會(huì)受到過(guò)流威脅。逆變焊機(jī)采用了較為簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路(見(jiàn)圖3),該電路用變壓器隔離,正負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓為±15V,工作時(shí)驅(qū)動(dòng)波形見(jiàn)圖4。

圖3 變壓器耦合驅(qū)動(dòng)器

圖4 驅(qū)動(dòng)波形

通過(guò)改變電容的充放電時(shí)間,調(diào)整波形的上升沿和下降沿的陡度,保證正在工作的IGBT完全關(guān)斷后,再開(kāi)通另一個(gè)IGBT。同時(shí),為改善驅(qū)動(dòng)脈沖的前后沿陡度和防止振蕩,在IGBT的柵極串入一個(gè)電阻Rg,以減小IGBT關(guān)斷時(shí)集射間di/dt的上升率。實(shí)踐證明,Rg為10～100Ω為宜,且引線愈短愈好。

3. 逆變焊機(jī)中的IGBT保護(hù)電路

(1)di/dt的限制。

為限制感性關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓,有必要采取緩沖電路來(lái)消除這種開(kāi)關(guān)浪涌,見(jiàn)圖5。

圖5 逆變橋臂緩沖電路

圖中各元件參數(shù)按(1)～(4)式選取。

Cs=[Io/(KUcep-Ud)]2LS (1)

式中：Ls——引線電感,以1μH/m計(jì);

Io——IGBT最大脈沖電流值;

Ucep——集射間的峰值電壓;

K——額定減小系數(shù),非重復(fù)時(shí)K=1,重復(fù)時(shí)K=0.8。

Ucep=Ud+UFM+Lodi/dt (2)

式中：Ud——直流高壓;

UFM——二極管暫態(tài)正向壓降,1200V級(jí)取40～60V。

2Ls/Cs≤Rs≤1/(2.3fCs) (3)

式中：f——IGBT開(kāi)關(guān)頻率;

IDM=(Ucep-Ud)/Rs (4)

常選2～3倍IDM快速軟恢復(fù)二極管。

實(shí)測(cè)電壓尖峰ΔU=Ucep<100V時(shí),緩沖效果較明顯。

(2)過(guò)流保護(hù)。

利用IGBT的通態(tài)壓降與集電極電流成正比的特性,通過(guò)監(jiān)測(cè)通態(tài)壓降VCE(ON)來(lái)判斷是否過(guò)流,并采取相應(yīng)的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)所謂的“軟關(guān)斷”,但此電路實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。利用電流電壓互感器LEM模塊作為焊機(jī)的電流檢測(cè)元件,當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定的最大值時(shí),保護(hù)電路動(dòng)作,關(guān)斷IGBT。另外,在主電路設(shè)置大的電抗器,以減小電路開(kāi)通時(shí)電流的沖擊。

(3)過(guò)熱保護(hù)。

IGBT的擎住電流與溫度有關(guān),其溫度升高后,NPN管開(kāi)通的偏置電壓不再是0.7V,而是隨溫度的升高而下降,P+區(qū)的橫向電阻RP隨溫度的升高而增大,二者的影響均使擎住電流下降,導(dǎo)致擎住現(xiàn)象的產(chǎn)生而損壞IGBT。一般在溫度上升較快的部位裝熱敏電阻來(lái)監(jiān)測(cè)焊機(jī)發(fā)熱情況,當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí),保護(hù)電路動(dòng)作,使IGBT關(guān)斷,焊機(jī)停止工作。

4. 結(jié)束語(yǔ)

為了保證IGBT逆變弧焊機(jī)的可靠運(yùn)行,完善驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路至關(guān)重要,同時(shí),在實(shí)際工作中,還應(yīng)注意其外圍電路的設(shè)計(jì)及裝配工藝的改進(jìn)。如焊機(jī)內(nèi)布線時(shí),應(yīng)考慮如何減小線路的干擾,降低電路的引線電感,散熱器和風(fēng)道的設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到最佳的散熱效果等。