IGBT模块应用在逆变弧焊机的实证分析

【摘要】通过逆变式焊机设计、生产过程，从IGBT模块应用于逆变焊接电源的实例，进行分析，ZX7、NBC、MZ、LGK四种类型逆变焊机设计上的关键问题。

【关键词】逆变式焊接电源；IGBT模块的应用

一、概述

逆变式弧焊电源由上世纪80年代进入我国弧焊电源市场和弧焊电源设计领域，经历了大功率可关断晶闸管（GTO）式、双极晶体管式（GTR）、场效应管（MOSFET）式、功率绝缘栅双极型晶体管Insulated Gate Bipolar Transistor （IGBT）式。目前，国外、国内发展是普及使用IGBT模块，取代了IGBT单管。逆变弧焊电源符合节能、高效、绿色环保的工业设计潮流和我国的焊接行业发展方向。与普通弧焊电源相比，逆变式弧焊电源最显著特点是工作频率高，节省大量的钢材、铜材，具体特点：

1.体积小、重量轻

2.高效节能

3.动特性好、控制灵活

逆变式弧焊电源的外特性、动特性等性能主要有电子控制电路进行调节。电子控制电路的变化和调整灵活、方便，易于在一台电源上实现多种特性的输出，甚至在焊接过程中也可以根据要求切换不同特性。所以逆变弧焊电源产品的研制，可以在ZX7、NBC、MZ、LGK四个系列中同步进行。

4.元器件特性要求高，电路复杂

逆变式弧焊电源是典型的电力电子装置，因此电路复杂。

普通弧焊电源工作频率低，一般工作波形为正弦波，du/dt、di/dt较小。而逆变电源由于工作频率高，内部电流换向快，变化剧烈，对du/dt、di/dt等动态参数的影响十分明显。在这样的工作条件下，逆变电源的电子功率开关等元器件被击穿、烧穿的可能性大大增加。为了保证逆变式弧焊电源的可靠性、稳定性，不仅需要高质量、高性能的元器件，而且需要设计、应用许多保护电路。这也是逆变式弧焊电源控制电路复杂的主要原因之一。

二、设计任务和要求

IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性，IGBT单管在使用时，需要四只电子功率开关，驱动电路较为复杂，抗不平衡能力较差，所以还要附带包括三方面的电路：过电流保护、过电压保护、热保护。制造成本高和稳定性差。上世纪90年代开始，IGBT模块开始取代了单管，它的电路结构分为一个单元、两个单元和六个单元。每个单元都包括了IGBT的管芯和高速恢复二极管芯片及加速二极管芯片（或者二极管只有一只高速恢复，即反向并联的芯片），封装在一起以利于进一步减少体积和提高工作的可靠性，绝缘性能好，模块的散热片上通过靠近芯片的热敏电阻来测量温度。

设计的四种的逆变式弧焊电源，采用的电子功率开关器件均为两个单元的IGBT模块，内部已经包含了2组IGBT，其逆变电路是三相全桥式，分别要用在ZX7系列手工直流焊机、NBC系列气体保护焊机、MZ系列埋弧自动焊机、LGK系列等离子切割机。

下图：逆变弧焊电源的基本电路方框图。

基本电路方框表示：三相380V交流电经全桥直流滤波后，送到一对全桥式逆变开关IGBT模块（每个模块含2个IGBT开关管），逆变产生高频（20kHz）交流电压经次级带有中间抽头的功率高频变压器降压，以及直流滤波后送到电弧负载。焊接电压、电流的调节和外特性形状控制，采用脉宽调制（PWM），给定电路，电流反馈信号由分流器（FL）获得。

三、设计方案

㈠IBGT模块选用

目前市场上有西门康、三菱、英飞凌、富士等多个品牌，性能和价格相差不大。按照IGBT模块额定电流>焊机负载电流的原则选择，然后具体看模块的⑴静态电气参数；⑵开关时间；⑶开关损耗；⑷热阻。也就是极限参数和主要特性参数两大类。因此，从生产的标准化的因素考虑，这四个系列焊机都是选用英飞凌的IGBT模块。

㈡全桥式逆变电路

两个IGBT模块分别有相位差180°的驱动脉冲激励而交替导通，产生交流矩形波作用于变压器T上，矩形波幅值为直流电压Ud。两个IGBT模块最大正向电压为Ud。交流矩形波经变压器T降低，快速二极管VD全波导通，生产电抗器滤波，得到比较稳定的直流输出。ZX7、NBC、LGK三个系列的逆变电路都是同类型的。

MZ系列是埋弧焊机，所需要的输出电流在800A以上，按照目前IBGT模块的价格和整机成本、工艺，选用并联的全桥逆变电路，就可以实现。

㈢变压器

设计的四个系列的逆变式弧焊电源的高频变压器都采用非晶态磁性材料的环形磁心，它们的磁损仅为硅钢片叠片铁心的1/3，而且体积很小。

常用的变压器计算公式U1=4.44fNBS是在正弦波交流电得到的。逆变式高频变压器变换的是矩形波，所以公式不再适用。

必须根据电磁定律重新推导。

在矩形波中，磁通变化范围为ΔΦ=2Φ=2BS，而且是线性变化。根据电磁定律，则

U=NdΦ/dt=NΔΦ/Δt=2N BS/tON（tON—导通时间） （1）

所以N=U·tON/2BS （2）

若tON=T/2（T为逆变工作周期），即为无死区的交流方波，则

U=4fNBS （3）

根据该公式，设计时根据每个系列不同输出电流、电压选择铁心的截面积和线圈匝数。

另外，必须考虑集肤效应问题。由于变压器是在高频状态下工作，随着电流频率的提高，集肤效应使穿过导线的穿透深度不同，导致电阻增大，电感减小，所以不能像普通焊接变压器那样使用截面积大的导线，必须选定多股漆包线、带状或绞合导线绕制线圈。设计四个系列的高频变压器的方案是：根据具体的焊接电流大小、允许温升的条件下选择相应的环形磁心和多股漆包线，使焊机总的结构紧凑合理牢靠。

㈣输入输出电路

⑴输入整流滤波电路

采用三相式直流模块，由于输入电压较高，选用直流模块耐压1200V，如IR70MT120K、6R175G-120等。

⑵输入滤波器

将直流电路所得的脉动直流电进行滤波，以提供给逆变电路。采用2只电解电容，要求其耐压和需用脉动电流足够、瞬时冲击电流机承受时间足够、损耗小、漏电流小，如2200μF～2700μF/450V。

⑶输出整流滤波电路

采用快恢复二极管完成输出整流；采用电感L作为滤波器，以保证最小电流连续，满足直流电弧焊接的要求。由于逆变式弧焊电源输出整流得到的电流脉动频率高，滤波电感值较小，体积也不大，考虑安装工艺，ZX7、NBC、MZ三个系列的磁性材料都是采用硅钢片矩形铁心，铝扁线立绕。而LGK系列的电感值较大，考虑安装工艺，磁性材料采用2个C型硅钢片铁心，双玻璃丝包铝扁线筒绕，分置两边。

㈤PWM控制

逆变电源中采用PWM（pulse width modify）控制，即脉冲宽度控制方式-定频率调脉宽，其控制方式是：在频率不变的条件下，调节脉冲宽度来调节逆变器的输出能量。

采用PWM集成芯片代替分立元件，减少了元器件数个联结点，提高了电路的可靠性。四个系列都采用SG3525集成芯片作PWM控制。

㈥驱动电路

驱动电路处于控制电路（弱电电路）和主电路（强电电路）之间，设计驱动电路是重要环节。理想的IGBT驱动电路应具有八个基本要求：（1）能提供适当的正、反向门极电压；（2）信号应有足够的功率；（3）信号具有一定的前沿陡度和宽度；（4）驱动电路必须与主电路隔离；（5）输出与输入必须有很好的跟随性输入、输出信号传输无延时，一方面减小系统的响应滞后，另一方面能提高系统保护的快速性；（6）驱动电路简单、成本低；（7）驱动电路自身应有一定的保护功能；（8）防止同一桥臂上的IGBT误导通。

教科书在理论上介绍了IGBT驱动电路采用了EXB841集成电路模块，内部具备放大部分、基准电压部分、过电流保护部分。但全桥逆变电路必须给每个IGBT模块配备2个驱动电路和独立电源，就是说要配置4个EXB841集成电路模块及4套独立电源，工艺复杂，制造成本高，且整机布局复杂，所以实际生产中，采用了脉冲变压器的方案，同样具备以上八个要求。在成本方面， EXB841的单价是￥65.00，每台焊机需要4片，还要加上4套独立供给电源的成本；而采用脉冲变压器就大大降低了成本和提高可靠性。采用2个脉冲变压器的总成本仅是采用EXB841集成电路模块方案的1/20，批量生产极易控制质量。

㈦特性控制电路

ZX7、MZ 、LGK系列均为恒流特性；NBC系列恒压特性。

四个系列的电路结构前面部分一致，但输出部分和焊接电流给定有所不同。

不同输出特性：

ZX7系列：控制电路以SG3525脉宽调制为核心，通过电流、电压检测电路、反馈控制电路与脉冲触发电路对电源的特性进行控制，形成下降特性的手工焊接电流。

NBC系列：控制电路包括引弧控制和平特性控制电路、峰值控制电路。连接送丝机构，弧焊电源进入恒流工作状态。

MZ系列：基本与ZX7系列一致，形成下降特性的手工焊接电流和碳刨电流，还具备送丝调速系统电路，连接自动焊接小车，可进行埋弧焊。

LGK系列：输出整流部分连接隔离变压器→高压变压器→起弧装置→焊炬。而焊炬与送气管相连接，利用压缩空气作为工作气体，产生高温高速的等离子弧，进行各种金属材料的切割。

相同部分的电路结构图如下图。

㈧整机设计和生产流程

四、样机试验结果

ZX7-400、NBC-500、 MZ-1250：焊接容易起弧，焊弧稳定，焊接过程飞溅少、焊接特性好，焊缝质量符合工艺要求，电流调节范围达到设计要求。

LGK-100：切割时电流连续可调；内部过热、过流、过压、欠压及压缩空气不足等保护电路可靠性达到设计要求；切割的质量达到工艺要求。

五、设计小结

产品设计经标准化、模块化方向发展，降低开发成本、缩短产品开发与生产周期。

通过使用计算机辅助设计软件，直接将内部电路设计、整机工艺布局设计、外壳钣金加工各种数据、图纸分别传输到零部件加工PCB制版、钣金加工等环节，保证了设计的准确性和效率，便于今后技术管理和工艺改进。

参考文献

[1]王学奎等.《IGBT驱动模块的研究》.上海电力学院学报，2008.9

[2]张光先等.《逆变焊机原理与设计》.机械工业出版社，2008.5

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[5]刘长友.《IGBT逆变焊机常用PWM芯片介绍》.电焊机，2004.10

[6]倪倩，齐铂金.《软开关全桥PWM主电路拓扑结构发展现状》.焊接技术，2002.2

[7]屈稳太，褚静.《大功率IGBT高频逆变电焊机的研究》.电力电子技术，2001.2

[8]赵家瑞编著.《逆变焊接与切割电源》.机械工业出版社，1995.12

[9]黄石生.《逆变理论与弧焊逆变器》.机械工业出版社，1995.5

作者简介

作者：凌小莎；性别：女；出生年月：1955年10月；籍贯：广东番禺；学历：大专；职称：电气工程师（中级）；研究领域：电焊机设计；已发表论文数目：3；工作单位：广州电焊机厂

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