高頻逆變式弧焊機電源的研制初探

朱建軍

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

前言

電路電子技術的高速發展，促進了器件、電路及其控制技術員向著集成化、高頻化、全控話、電路弱電化、控制技術多功能化的方向發展。目前，逆變技術廣泛應用于電機驅動、變頻調速、不間斷電源、電化學、電焊機、電機靜止變換、電加熱設備等工業領域產業發展，極大推動了這些領域的產業發展。與傳統電源相比，逆變電源具有高效節能（約20%-35%），體積小、重量輕，反應速度快等特點。有利于實現自動化和智能化控制。

逆變式弧焊電源由于具有焊接性能好、動態響應快、體積小、質量輕、效率高等諸多優點而成為焊接電源的主要發展方向之一。

1 逆變式弧焊機電源的技術要求

弧焊電源的負載是電弧，要形成符合焊接外特性要求的電弧，弧焊電源要滿足有較大的短路電流和較高的空載電壓；輸出電流、電壓穩定；輸出電流可調節；具備完善的自我保護系統。

2 高頻逆變式弧焊機電源的設計

本文設計的高頻逆變式弧焊電源的輸入電壓幅值為220士15%，工作頻率f=100KHZ；開關功率管最大占空比Dmax=0.8、最大導通時間TONmax=40μS。輸出電壓電流額定值:15V,315A，適合組裝在中等功率的電焊機上。

2.1 逆變式弧焊機電源的基本組成

在供電系統中，單相或三相交流電網電壓，經整流和濾波后獲得逆變器所需的平滑的直流電壓。該直流電壓經逆變器中的大功率開關器件(的交替開關作用下，變成幾千至幾萬赫的中高頻電流，再經過中高頻變壓器降至適合于焊接的幾十伏或十幾伏低電壓，并借助控制電路和檢測電路及焊接回路的阻抗，獲得焊接工藝所需的外特性和動特性。

圖1 輔助電源電路圖

2.2 逆變式弧焊機電源的供電系統和輔助電源的的設計

逆變式弧焊機電源的供電系統如圖1所示，當高頻逆變式弧焊電源啟動后，電阻R2用來抑制開機瞬間電容器充電產生的浪涌沖擊電流，然后主電路初級側的電流感應器的二次側繞組形成的電壓經VD24加至晶閘管VTH1的控制極，使YTH1導通，此時旁路限流電阻R2，這樣電源進入正常工作。由于此時電容C11、C12、C13、C3己經充電，VTH1導通時不會產生沖擊電流。晶體管VT3的作用是在輸入電源瞬時斷開后又立即接通時抑制沖擊電流。

輸入電壓經由變壓器T2后降低到合適的值，再經過橋式整流，電容濾波后，通過7815、7815和7820集成穩壓器分別構成+15V、-15V和+20V隔離直流供電電源，分別為相關的控制電路供電，這樣可以避免控制電路相互之間的干擾。這里變壓器次級分別是18V、18V、22V。

2.3 逆變式弧焊機電源的逆變器的工作原理

全橋移相技術，保留了恒頻控制的優點，有利于濾波電路的優化，且控制簡單，是軟開關變流技術的最佳控制方式。本文采用集成電路UC3895來實現逆變器的零電壓全橋移相控制。逆變器的諧振電路由電感和電容組成，進行串聯諧振，在高頻電路中，要求電感和電容的值要非常小。

圖2 全橋移相開關電路原理圖

這是一種全橋拓撲，被稱為全橋移相PMPT(也即相位調制PWM)。Ui是供電系統經過橋式整流后提供的311 V直流電壓。S1-S4是4個IGBT開關管，通過控制S1-S4輪流導通和關斷來將直流電壓逆變為高頻的交流電，再通過變壓器T1來將高頻的交流電壓轉換為相應的低壓交流電，再通過次級的整流電路得到我們所需要的直流電壓。S1-S4的控制方式移相控制，是Sl和S3輪流導通，各導通180度電角;S2和S4也是這樣，但S1和S4不是同時導通。S1先導通，S4后導通，兩者導通相差a電角。其中S1和S3分別先于S4和S2導通，故稱S1和S3組成的橋臂為超前橋臂，S2和SA組成的橋臂為滯后橋臂。PMPT與一般全橋PWM拓撲的唯一區別在于二者開關過程不同，PMPT在開關過程中是軟開關。PMPT技術的核心在于保證每個橋臂上的開關元件的漏-源極間的電壓能夠在其進入下一個導通周期之前降至0V，以實現零電壓開通。

2.4 應用UC3895設計的逆變式弧焊機電源的控制系統

全橋移相控制的諧振變換電路是在PWM全橋變換電路的基礎上發展起來的。因為是恒頻PWM控制，使得輸入、輸出濾波器的設計大大簡化，開關噪聲大為減小。在中大型電源的設計中被越來越多的用戶所采用。為了簡化電路，提高設計的效率，本文所設計的弧焊電源也同樣采用全橋電路，使用移相控制。

2.5 IGBT開關管及其驅動電路

絕緣柵雙極晶體管簡稱IGBT，是由MOSFET和晶體管技術結合而成的復合型器件，在開關電源和要求開關快速、低損耗的領域備受青睞。由于工作頻率較高，我們選用SIEMENS的BSM50GD120DLC型IGBT開關管。由于此電路的開關頻率高達100KHZ，一般通用的IGBT集成驅動電路頻率都不能滿足。因此要采用高速響應的零部件來實現IGBT的驅動。同時為了實現控制電路與功率電路的隔離，設計上采用光電耦合器和高速MOSFET管組成的TTL電路組合驅動IGBT。我們選用的是FAICHD公司出品的HCPL2630，其最高工作頻率可以達到10MHZ，它的響應速度可以適應目前100KHZ的電路開關頻率。UC3895的輸出信號電壓非常小，高電平輸出時的電壓值的典型值只有250mA,低電平輸出的電壓的典型值卻也有150mV。因此其輸出信號需要放大后才能驅動光耦。由于電路工作頻率高，設計上選用ST的LM119高速比較器。

2.6 過電流保護電路

一個可靠的弧焊電源要求有能力在短路的時候限制電流，在開路的時候限制電壓。為了避免焊槍在工作過程中產生過大的電流，設計上采用電流互感器對功率電路的電流進行取樣檢測，根據取樣檢測的結果調整占空比來限流。

2.7 輔助引弧電路的設計

弧焊電源的負載是電弧。理想的引弧是一個開始階段電流迅速增加直到點燃電弧的過程。要形成符合焊接要求的電弧，弧焊電源要滿足以較大的短路電流和較高的空載電壓，起弧是電流越大，空載電壓越高，越容易起弧。焊機的起弧難易度是焊機性能的主要參數之一，能否方便起弧決定了焊機性能的優劣;起弧的難易也直接影響焊接的效果。

結束語

逆變電源有體積小、重量輕、噪聲低、效率高等特點，在國際上，IGBT逆變電源已經廣泛應用做各種大型設備的電源，隨著電力電子器件的發展，逆變電源一定有更廣闊的發展空間。

[1]李愛文，張承慧.現代逆變技術及其應用

[2]新型弧焊電源及其智能控制.機械工業出版社.

[3]齊鉑金，李玉池，辛軍.大功率全橋式IGBT逆變焊機及其控制.