在20世纪70年代末就有晶闸管式弧焊逆变器的研究成果。20世纪80年代后期，由于它的频率低，控制性欠佳，有噪声，功率因数低，逐渐为后起之秀——场效应晶体管式、IGBT式弧焊逆变器所代替，但在世界上仍有一定地位。为使逆变器正常工作，务必保证t2～4和t5～7时间间隔均大于晶闸管的关断时间tq。......
2023-06-25
IGBT式弧焊逆变器的工作原理和优点
【摘要】：IGBT式弧焊逆变器的功率开关管容量较大，综合性能更优，生产调试比较方便，大、中、小功率得到全面的推广和应用，正在成为弧焊电源的主导产品。以全桥式逆变主电路为例，介绍图1-2-34a所示的IGBT式弧焊逆变器。UK在2.4～6.2V之间变化时，受控于UK的PWM输出脉冲宽比和主电路IGBT双管交替通断的占空比，均从45%变到0%。
20世纪80年代末，把晶体管的大容量和场效应晶体管的电压控制、功率能力较小、开关性能优越等独特优点结合起来，克服各自的弊端，做成以场效应晶体管为控制端和以大功率晶体管为放大输出端的复合管“IGBT”。IGBT式弧焊逆变器的功率开关管容量较大，综合性能更优，生产调试比较方便，大、中、小功率得到全面的推广和应用，正在成为弧焊电源的主导产品。
1.IGBT逆变主电路原理和特点
IGBT式弧焊逆变器的主要组成、主电路基本形式和基本原理框图与上述场效应晶体管弧焊逆变器等基本相同。主要的不同点为：IGBT管代替场效应晶体管、晶体管；逆变频率为20～25kHz，IGBT管单管容量足够大，不必多管并联工作。以全桥式逆变主电路为例，介绍图1-2-34a所示的IGBT式弧焊逆变器。三相380V交流电压经全桥整流滤波后，送到IGBT全桥式逆变电路，如图1-2-34b所示，由IGBT组VT1～4和变压器T组成。VD1、VD4与VT1、VT4反向并联，承受负载产生的反向电流，保护开关管。4个缓冲（吸收）环节（R、C、VD）用于避免4个开关管在关断时过高的电压上升速度（du/dt）和减少管子的关断损耗。在此电路中，桥臂对边上的两只IGBT如VT1、VT4或VT2、VT3，同时导通和关断，对边上的两对功率管交替通断，相位差为180°，产生中频（20～25kHz）交流，经二次绕组带有中间抽头的中频变压器降压和整流、滤波后送到电弧负载。借助PWM调制和只取电压负反馈，获恒压特性，如图1-2-34c所示。其他形状外特性形成原理等与前述类似。IGBT的电压uce和电流ic波形，如图1-2-34d所示，其负载参数分别为160A、24V和620A、43V。
2.IGBT逆变控制驱动原理和特点
（1）控制驱动电路基本功能要求 除了以上所述，考虑到它的功率负载范围较大还需有如下要求：
1）驱动电路还应具备一定的抗干扰能力，避免出现误导通或误关断的情况。
2）驱动电压+UGE适当增加时，有利于导通压降UCE和开通损耗下降，但负载短路时集电极Ic增加，且脉宽变窄，不利于IGBT安全，为此+UGE应选其所需的最小值。
3）合理取值反向驱动电压-UGE为-15～-2V，利于可靠关断IGBT。
（2）控制电路原理 过去是采用分立元件进行控制，现在多采用单片集成芯片，电路基本结构形式如图1-2-35a所示，由时钟振荡器、V/W电路、分频器、检测放大电路、保护电路、软起动电路和辅助电源等单元电路组成。前三个核心单元电路的功能常用SG3562等单片集成芯片实现，其余的检测放大、保护、软起动电路和辅助电源等，作为该芯片的外围电路。为便于理解以MC3420/3520为例说明。
图1-2-34 工作原理框图及其逆变主电路、外特性和uce、ic波形图
a）工作原理框图 b）逆变主电路 c）外特性d）uce、ic波形
图1-2-35 定频调宽调制方式及其W/3520芯片结构原理框图
a）“定频调宽”调制方式原理框图 b）W/3520芯片内部结构原理框图
W/3520芯片内部结构框图如图1-2-35b所示。由基准电压源、锯齿波发生器、PWM电压比较器、死区时间比较器、TQ触发器、分相器&、输出级和与非门等模拟和数字电路组成。图1-2-35b中脚10外接图1-2-35a的辅助电源。脚9输入基准电压，向片内电路提供7.8V电压。锯齿波发生器产生幅度在2.4～6.3V的对称三角波，其中一路由脚8经脚5输入PWM电压比较器的同相端，另一路向与非门提供同步方波脉冲。可调范围为2～100kHz，频率由脚1、2的外接电阻Rext和电容Cext决定。由触发器TQ等组成了分相电路，通过一对&、脚11、13输出端1、2，再外接耦隔离驱动电路，去控制逆变主电路的两组IGBT交替通断工作。图1-2-35a的检测放大电路取样于主电路输出的If或Uf反馈信号，与图1-2-35b的7.8V基准电压比较放大后，获得的控制电压UK从脚6输入PWM反相端，再与对称三角波比较，当UK低于三角波电压时，PWM比较器输出高电平，反之输出低电平。UK在2.4～6.2V之间变化时，受控于UK的PWM输出脉冲宽比和主电路IGBT双管交替通断的占空比，均从45%变到0%。为了避免交替通断的IGBT同时导通，在图1-2-35b设置死区时间比较器。根据需要，由脚9基准电压Uref分压经脚7输入电压，控制死区（即脉宽在半个周期内达不到的区域）大小，死区太小易产生共同导通。脚7还常用于软起动控制端，使输出脉宽由零逐渐升至设计值。图1-2-36a所示为在各种工作状态下，单片控制电路各部分电压波形时间关系。脚15提供禁止功能，当其电压为低电平约0.7V时，脚11、13两个输出脉冲及振荡器输出脚14的振荡立刻同时被强制截止。脚15还常用于超载、过热等安全保护信号的输入控制端。一般将脚16与4短接，输出端1、2的占空比均取决于PWM脉宽。如脚16外电路驱动，输出端2的占空比将独立于输出端1。
图1-2-36 W3520芯片各部分电压波形的时间关系和外特性获得原理图
a）W3520芯片各部分电压波形的时间关系图 b）外特性获得原理图
通过给定—反馈比较电路来实现外特性控制，如图1-2-36b所示，如用电压反馈可得到恒压特性，用电流反馈可得到恒流特性，电压或电流反馈信号经过滤波，与给定比较，其误差信号经过调节器调节和送到芯片3875，利用软开关逆变器的小信号模型对系统进行分析和校正。还可用二阶或三阶系统的最佳整定法设计系统。
（3）驱动电路原理 根据以上对驱动电路的要求，可设计各种形式驱动电路，常用的有快速光耦隔离驱动电路、脉冲变压器隔离驱动电路和专用IGBT驱动模块，如富士的EXB，东芝的TLP，IR公司的IR2110等。图1-2-37a所示为IGBT驱动电路基本形式之一，它由VF1、VT2、VT3及R1、R2、RG等组成。其中VI为光电耦合器，具有高速响应能力，没有du/dt引起的误动作、驱动功率小等优点。用于驱动的电压为±UCE、驱动电流为IG（只在开通和关断瞬间有窄脉冲电流）。IGBT各电量波形图如图1-2-37b所示。
此外，还有SEMIKRON—IGBTA40S驱动器和MOSFET式弧焊逆变器的几种基本驱动电路均可用。
（4）过电流保护电路 图1-2-37c为过电流保护电路，集电极电压与栅门极驱动信号相比较的差值即为过电流信号，把它反馈至控制驱动电路，以适当快的速度切断栅门极信号，以保护IGBT。为保障IGBT式逆变主电路和驱动电路安全工作，利用图1-2-37d的功率驱动综合保护电路，可方便实现过电压、欠电压、过电流和过热等各种保护。一旦检测值超过给定值，保护电路发出两路信号，一路作为故障类别信号直接送入控制电路，另一路则引发中断，并将故障信号作为PWM封锁信号，用来封锁驱动信号，关闭功率器件。
图1-2-37 IGBT式逆变器驱动电路和过电流保护、综合保护电路图
a）驱动电路 b）IGBT的iG、uGE、iC、uCE波形 c）过电流保护电路 d）功率驱动综合保护电路图
（5）缓冲电路 为了防止过高的di/dt，需加缓冲电路，对不同容量IGBT，采用的缓冲电路结构和参数不同，也可改变栅极串联电阻RG来控制栅极iG大小，减弱IGBT开通和关断过程对缓冲电路的要求。
3.脉冲和矩形波交流输出原理
（1）脉冲电流的产生原理IGBT式弧焊逆变器通过对PWM的低频调制，可获得按一定频率周期性变化时高（峰值）时低（基本值）脉冲焊接电流，如图1-2-38a所示。输出脉冲实际上就是给定信号UK的放大。根据不同工艺特点的要求，可通过脉冲给定信号和取不同的负反馈信号，方便地切换所需外特性及其组合，获得脉冲峰值和基本值以及不同频率、占空比和任意波形。脉冲峰值和基值可通过四种外特性切换方法得到：
1）峰值恒压+基值恒压（U-U）：电弧自调节能力强，但峰值电流不稳定，熔滴过渡可控性差。
2）峰值恒压+基值恒流（U-I）：电弧自身调节能力强，峰值弧压稳定，基值电流恒定，不因弧压波动导致电流过小时熄弧，较多采用。
3）峰值恒流+基值恒压（I-U）：抗弧长干扰能力强，峰值电流不变，可对熔滴过渡进行精确控制和进行稳定的喷射过渡，电弧自调节能力差。
4）峰值恒流+基值恒流（I-I）：峰值电流稳定，能得到稳定喷射过渡，可对熔滴过渡进行精确控制，基值电流稳定不易熄弧，电弧自调节能力差，基值阶段会因弧长波动造成短路，较多采用。
（2）矩形波交流电流产生原理如图1-2-38b所示，在IGBT式弧焊逆变器的直流输出端，并联一个由VT1、VT4和VT2、VT3两对IGBT组成的全桥电路，在其桥臂对角线两端即可获得幅值、频率、极性、电流比例等可调的矩形波交流电流，而且电流过零点的速度更快，电弧稳定性更高。
图1-2-38 定频低频调宽获得脉冲及矩形波交流原理图
a）定频低频调宽获得脉冲示意图 b）矩形波交流原理图
4.IGBT弧焊逆变器特点和应用
（1）特点IGBT、MOSFET和GTR的特性比较见表1-2-2。
表1-2-2 GTR、MOSFET、IGBT的特性比较
①SOA是功率开关管（如IGBT、MOSFET等）的安全工作区，即功率开关管所允许的工作电压、电流以及功耗的安全范围。
（2）分类和应用
IGBT式弧焊逆变器可按外特性分类，也可按输出直流、脉冲、矩形波交流分成相应的类型。这两类弧焊逆变器具有普遍推广的意义，不仅可用于量大面广的焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊接和切割，还可用于1250～2000A的大功率单/双丝埋弧焊工艺、碳弧气刨以及机器人电弧焊，双丝MIG/MAG/脉冲焊、三丝埋弧焊等。1994年华南理工大学黄石生教授团队成功地把NBM—630A型IGBT逆变式高频方波脉冲弧焊电源，应用于洲际导弹体高铝合金的高难度焊接新工艺。
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