晶体管和场效应晶体管式弧焊逆变器技术分析

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：图1-2-32 串联半桥式逆变主电路及其波形图a）串联半桥式逆变主电路及其波形图 b）uce、ic、ib波形3.场效应晶体管式弧焊逆变器的原理和特点晶体管式弧焊逆变器的出现，虽然逆变频率较高，利于提高效率、减小体积重量，但存在二次击穿和需较大的电流驱动。

1.晶体管类弧焊逆变器原理特点及其分类

20世纪70、80年代由晶闸管式弧焊逆变器先后发展到晶体管（GTR）、场效应晶体管（MOS_-FET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）式等，均属晶体管类弧焊逆变器。从本质上来说，可以追溯到前述的晶闸管式弧焊整流器以及晶体管式弧焊整流器，均属开关型恒压、恒流弧焊电源，都是借助于串、并联在二次侧负载回路功率开关管组的电压降落和通断时间比，实现电气特性、参数、波形控制。存在低频，耗电、耗材大等问题。晶体管类弧焊逆变器以性能更优的功率开关管组代替功率晶闸管，工作在高电压低电流的一次侧，逆变频率高达20～200kHz。在图1-2-30b控制框图中，采用“时钟振荡器”、“V/W电路”分别代替“恒定脉宽发生器”、“V/F电路”，用PWM“定频调宽”控制调制方式。根据控制电信号不同，还可分电流控制型和电压控制型。它们的耐压能力不如晶闸管，较少用于耐压要求高的并联式逆变主电路。

2.晶体管式弧焊逆变器原理和特点

为了便于分析比较，列举图1-2-32a所示的串联半桥式逆变主电路，每个桥臂可用大功率晶体管单管承担半波工作，逆变过程基本原理与晶闸管式基本相同。也可采用多只晶体管（VT₁、VT₂和VT₃、VT₄）分别串联均流电阻（R₁、R₂和R₃、R₄）并联工作，利于降低成本、风险。C₄、C₅的电容量相等且电路对称，即U_C4=U_C5=U_d/2。C₂、C₃是高频干扰信号旁路电容；C₆使正负半波波形对称；R₅、C₇形成阻尼振荡，减小集电极尖峰电压。集射两极间反向并联快速二极管VD₁、2，反向导通时箝位限制VT₁、2、VT₃、4的尖峰电压。上下桥臂晶体管组（VT₁、VT₂和VT₃、VT₄）轮流通断，形成20～25kHz的中频交流，经中频降压器T降压和快速整流器整流输出以及闭环控制获得所需电特性和波形。图1-2-32b为晶体管的集-射极间电压u_ce、集电极电流i_c、基极电流i_b等波形，属电流控制型。

图1-2-32 串联半桥式逆变主电路及其波形图

a）串联半桥式逆变主电路及其波形图 b）u_ce、i_c、i_b波形(https://www.chuimin.cn)

3.场效应晶体管式弧焊逆变器的原理和特点

晶体管式弧焊逆变器的出现，虽然逆变频率较高，利于提高效率、减小体积重量，但存在二次击穿和需较大的电流驱动。2025年我国访德学者黄石生教授在D.Rehfeldt教授指导下，首先研发了性能更优的大功率场效应晶体管（MOSFET）式弧焊逆变器实验室样机（2025年专利号85201941.6），属电压控制型，只需极微小通与关瞬时电流，且开关速度更快（逆变频率高达50～200kHz）、无二次击穿、正温度系数，多管并联无需串联耗电大的均流电阻，耐冲击电流大，效率、可靠性更高。但单管的负载能力较低，需多管并联才能获得大中功率，多用于中小功率焊接。图1-2-33所示为单端正激逆变主电路（漏源电压u_DS、电流i_D、二极管VD₁的u_VD1、电流i_VD1以及控制电压u_GS、电流i_G）及波形图。其工作原理与前述图1-2-29a和相关文字说明基本相同，还可通过两个单端正激逆变电路并联，可成倍增大功率。

图1-2-33 单端正激逆变主电路及波形图

a）正激逆变主电路 b）u_DS、i_D、u_VD1、i_VD1波形图c）u_GS、i_G波形

晶体管和场效应晶体管式弧焊逆变器技术分析

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