焊機電源的高可靠軟起動方案與實現

杜汝全，王 劍，田聯房

(華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣東 廣州 510641)

焊機電源的高可靠軟起動方案與實現

杜汝全，王 劍，田聯房

(華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣東 廣州 510641)

焊機電源由于包含帶大電容負載的整流器，會存在軟起動問題。在眾多現有的焊機電源軟起動方案中，在可靠性方面均存在不足。針對現有方案的缺點，提出了一種新型的高可靠軟起動方案，介紹了該軟起動方案的各個組成部分及其具體的運行過程，設計了一個具體電路來實現該軟起動方案中的全部功能，并且詳細的分析了該電路中主要組成部分的工作原理。根據設計好的電路搭建實驗所需要的硬件平臺，以驗證該軟起動方案的有效性。對電路中關鍵檢測點波形的分析表明，該軟起動方案保證了焊機電源軟起動的可靠性。

焊機電源；軟起動；程控單結晶體管

0 前言

焊機電源一般包含大電容負載的整流器。在上電瞬間，電容兩端電壓為零，此時如果整流出來的電壓不經過限流電阻而直接加到電容兩端，將會產生很大的沖擊電流，極易造成元器件的損壞。因此，必須采取措施使得在上電的瞬間電容兩端電壓緩慢上升，以避免上述故障出現，這就是軟起動問題。焊機電源能否可靠地軟起動，對焊機電源的壽命和質量至關重要。

文獻[1]～[3]對現有的軟起動方案進行了總結和介紹。常用的軟起動方案有：(1)串熱敏電阻起動；(2)限流電阻、繼電器(接觸器)定時切換；(3)晶閘管整流。現有的軟起動方式并不能可靠地保證焊機電源軟起動，針對現有軟起動方案的可靠性問題，提出了一種新的焊機電源軟起動方案。

1 高可靠軟起動方案

1.1 高可靠軟起動方案的組成

新型軟起動方案包含軟起動充電電路、三相橋式整流串聯晶閘管電路、電流檢測與切換判決電路、濾波電容電壓檢測電路、脈沖電源充電電路和脈沖發生電路，如圖1所示。

新型軟起動方案各個部分的功能及特點：

(1)軟起動充電電路在電路上電時，對濾波電容進行充電；(2)三相橋式整流串聯晶閘管電路是在軟起動完成時，對濾波電容進行充電；(3)電流檢測與切換判決電路是對軟起動充電電流進行檢測，并判斷是否讓脈沖電源充電電路和脈沖發生電路投入運行狀態；(4)濾波電容電壓檢測電路是對濾波電容兩端電壓進行檢測，并判斷是否讓脈沖電源充電電路投入運行狀態；(5)脈沖電源充電電路為脈沖發生電路提供一個較為穩定的直流電壓；(6)脈沖發生電路產生頻率較高的脈沖可以讓晶閘管觸發。

軟起動充電電流ichar，可以按照ichar＝(Uin-Uc)／Re來計算，其中Uin為整流電壓，Uc為濾波電容兩端電壓，Re為線路等效電阻、電容的ESR(等效串聯電阻)與限流電阻的和。由上述計算公式可知，充電電流最終反映的是整流電路輸出電壓與濾波電容兩端電壓的差值Δ U。電壓差值Δ U的大小決定了由軟起動充電電路切換到三相橋式整流串聯晶閘管電路時最大沖擊電流imax的大小。所以軟起動方案保證可靠性的關鍵就在于如何可靠保證電壓差值Δ U較低時才進行軟起動充電電路到三相橋式整流串聯晶閘管電路的切換。

圖1 新型軟起動方案結構框圖

2.2 高可靠軟起動方案的運行

如圖2所示，新型的軟起動方案運行的步驟如下：(1)電路上電；(2)軟起動充電電路對濾波電容進行充電；(3)電流檢測切換判決電路對軟起動充電電路的電流進行檢測，同時，濾波電容電壓檢測電路對濾波電容兩端的電壓進行檢測，若軟起動充電電路的電流和濾波電容兩端的電壓都同時滿足條件，則脈沖電源充電電路工作；(4)在步驟(3)的基礎上，電流檢測切換判決電路對軟起動充電電路的電流進行檢測，若軟起動充電電路的電流小于設定值，則脈沖發生電路工作；(5)脈沖發生電路產生脈沖，觸發三相橋式整流串聯晶閘管電路中的晶閘管，切換為三相橋式整流串聯晶閘管電路對濾波電容進行充電，完成電路的軟起動。

由上述新型方案的組成及其運行的步驟可知，新型軟起動方案可以在各種故障和干擾情況下，通過電流檢測切換判決電路和濾波電容電壓檢測電路嚴格保證整流電路輸出電壓與濾波電容兩端電壓差值在安全范圍內，實現由軟起動充電電路到三相橋式整流串聯晶閘管電路的切換，從而保證整個軟起動過程的高可靠性。

圖2 新型軟起動方案運行流程

3 軟起動方案的電路實現

新型軟起動方案的電路如圖3所示。二極管VD11、VD12、VD13、VD4、VD6、VD7、電阻R13、R14組成軟起動充電電路；三極管V3、電容C3、電阻R5、R6、R7組成濾波電容電壓檢測電路；二極管VD3、VD5、電阻R4、R13、R14、R9、R11、電容C6和三極管V5組成電流檢測與切換判決電路；二極管VD1、VD2、電阻R2、R4、三極管V1、電容C1和工頻變壓器T1組成脈沖電源充電電路；電阻R1、R3、R8、R10、R12、電容C2、C4、C5、三極管V2和程控單結晶體管V4組成脈沖發生電路；二極管VD8、VD9、VD10、VD11、VD12、VD13、晶閘管VT6組成三相橋式整流串聯晶閘管電路。

下面對電路主要部分的工作原理進行分析。

(1)濾波電容兩端電壓的檢測電路。

R5、R6和R7對濾波電容C7分壓，當R5分得的電壓達到V3發射極的導通電壓時，T1的二次側輸出電流。這樣可以通過適當選取R5、R6和R7的阻值來控制V3在C7兩端電壓在取適當的值時才導通。只有C7兩端電壓高于某個適當的閾值時，才有可能由軟起動充電電路切換到三相橋式整流串聯晶閘管電路。

圖3 新型軟起動方案的電路

(2)電流檢測與切換判決電路。

R13、R14既作為限流電阻，又兼負檢測充電電流的任務。降在R14的電壓通過VD5對C6充電，使C6的電壓基本與R14的壓降相等。當軟起動充電電流較大時，降在R13、R14的電壓較高，C6的電壓也較高。經VD1輸出的峰值電壓約12 V，因此，當C6的電壓高于12 V時，VD2總是處于截止狀態，使V1處于截止狀態，脈沖發生電路不能工作。當軟起動充電電流小到使C6的電壓低于12 V時，VD2開始導通，使V1導通對C1進行充電。R9、R11對C6分壓，適當選擇R9、R11的阻值，使C6的電壓大于某個適當的值時V5飽和導通，導致C2不能被充電，脈沖發生電路不工作。當C6的電壓小于某個閾值時V5截止，脈沖發生電路投入工作。

(3)脈沖發生電路。

脈沖發生電路是以單結晶體管V4為核心的張弛振蕩電路。當C2上電壓比C1上電壓低至超過V2的發射極導通電壓時，C1通過R1、R3、V2的發射極給C2充電，同時也通過V2的集電極給C4充電，選擇R8的阻值足夠大，從而保證C4的放電速度較充電速度慢得多，因此C4上的電壓能很快充到只比V2發射極電壓低一個飽和壓降的程度。而只要V2是導通的，C2上的電壓就比V2的發射極電壓低一個發射結導通電壓。可見V2導通時，C4上的電壓要高于C2上的電壓，V4處于截止狀態。當C2上的電壓上升至R3上的壓降小于V2發射極的導通電壓時，V2截止，C2繼續通過R3充電，而C4通過R8放電，直至C4上的電壓比C2上的電壓低到觸發V4。當V4被觸發而導通時，C2、C4均通過V4快速放電，并通過R12產生一脈沖電流觸發晶閘管VT6。當V4恢復截止狀態時，C2、C4上已只有很低的剩余電壓，因此再次開始充電，即脈沖發生電路開始下一周期的脈沖產生過程，R10、C5起濾波作用，防止高頻干擾電壓誤觸發晶閘管VT6。

當電路上電時，濾波電容C7電壓為零，V3不導通，此時軟起動充電電流較大，V1也不導通，而V5飽和導通，因此脈沖電源充電電路和脈沖發生電路都不工作。隨著C7電壓不斷的增大，高于電壓設定值，V3導通。另一方面，軟起動充電電流不斷的減小，小于電流設定值，即整流電路輸出電壓與濾波電容兩端電壓的差值到達設定值。此時，脈沖電源充電電路投入運行狀態，開始對C1進行充電，等C1的電壓上升到合適的值，且軟起動充電電流進一步減小使C6的電壓降至V5截止，脈沖發生電路開始運行，電路由軟起動充電狀態切換為三相橋式整流充電狀態。電流檢測與切換判決電路及濾波電容電壓檢測電路構成電路安全的雙保險，一旦其中一個電路因為各種原因不能工作，另一個電路單獨工作也能使開關電源免受很大的沖擊。此電路設計實現了新型軟起動方案的功能。

4 實驗結果

為了驗證方案的有效性，根據圖3給出的電路圖做出了實物電路，并成功應用于所在實驗室的電阻焊機電源的軟起動。軟起動電路中，脈沖觸發電路所產生的觸發脈沖的波形如圖4所示，觸發脈沖的頻率約2kHz，且脈沖的幅度滿足軟起動中觸發要求。電容C2和C4的波形如圖5所示。在電壓上升的階段，C2的電壓始終高于C4電壓，程控單結晶體管V4不導通；當V2飽和導通，C4開始放電，而C2仍然通過R3繼續充電，最終C2的電壓超過C4電壓，程控單結晶體管V4導通，觸發脈沖產生，C2、C4迅速放電。圖5驗證了脈沖觸發電路的設計。軟起動波形如圖6所示，圖中的1表示濾波電容C7的充電波形(圖中為其反相波形)，2表示觸發脈沖波形。由于采樣頻率的問題，脈沖波形顯得失真，但并不妨礙考察充電波形與觸發脈沖的時間順序。C7的電壓首先以指數規律上升，即處于軟起動充電狀態，由于電流檢測與切換判決電路及濾波電容電壓檢測電路構成電路安全的雙保險，經過約1.25 s，觸發脈沖產生，切換到三相橋式整流串聯晶閘管電路，在切換前有約30V的壓差，方案保證了切換的安全性。由上述波形及其分析可知，本軟起動方案是切實有效的。

圖4 觸發脈沖

5 結論

提出的高可靠軟起動方案通過電流檢測與切換判決電路及濾波電容電壓檢測電路構成電路安全的雙保險，可靠地保證了只有在濾波電容電壓上升到合理的值時才會發生充電電路的切換，彌補了現有軟起動電路可靠性不足的缺點。另外，在實現軟起動方案的過程中，提出了一種新型的張弛振蕩電路，具有一定的參考作用。

圖5 電容C2、C4波形

圖6 軟起動波形

[1]周志敏，周紀海.開關電源軟起動電路的設計與應用[J].電源世界，2004(12)：39-45.

[2]田龍中，李衛東.電源模塊輸入軟起動電路的設計[J].電源技術，2002(8)：25-27.

[3]王延安，肖登明.基于DSP控制的大功率開關電源的啟動方法[J].工業控制計算機，2009(22)：7.

Highly reliable soft-start scheme for welding power supply and its implementation

DU Ru-quan，WANG Jian，TIAN Lian-fang
(College of Automation Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China)

There is a soft-start problem for welding power supply，because it contains a rectifier with a large capacitive load.The current schemes are not good enough on reliability.Aiming at fixing the defects of the current ones，this article presents a new soft-start scheme with high reliability.The composition of the soft-start scheme and how they work together are shown in detail.A circuit is designed to implement the scheme.The principle of the major parts of the circuit is discussed fully.According to the circuit designed, the experimental platform is built to verify the effectiveness of the soft-start scheme.Finally，on the basis of some key waveforms of the circuit，the effectiveness of the scheme has been proved.

welding power supply；soft-start；programmable unijunction transistor

TG434.1

A

1001-2303(2011)09-0072-04

2011-03-15

廣東省高等學校學科與專業建設專項資金資助項目(粵教科函[2010]119號)；廣東省科技重大專項資助項目(2009A080305004)；廣東省廣州市番禺區科技計劃資助項目(2009-Z-39-1)；廣東省廣州市番禺區科技計劃資助項目(2010-專-12-04)

杜汝全(1986—)，男，廣東高要人，在讀碩士，主要從事大功率開關電源方面的研究工作。