點焊逆變電源焊接電流控制方式優化設計

段 瑞，羅 震

(天津大學材料科學與工程學院，天津 300072)

0 前言

電阻點焊因其操作簡單、焊接成本低、勞動條件較好、生產率高等優點，廣泛應用于航空航天、電子、汽車、家用電器等行業，點焊技術的應用直接影響著整個工業生產線的效率及自動化水平。目前廣泛使用的點焊電源為中頻逆變電源，電路原理框圖如圖1所示，由輸入的三相交流電經過三相整流電路濾波后變成直流電，經全橋逆變器后產生交流電，再加到焊接變壓器上對其進行降壓、次級二極管整流則變成點焊所需的直流電。中頻逆變電源的頻率一般為1000 Hz，焊接電流的最小控制精度為一周波，即1 ms。而在微電子、MEMS和醫療器械制造領域廣泛使用的微型電阻焊技術中，焊接時間通常只有幾十毫秒甚至幾毫秒[1]，因此在微型電阻焊中對焊接時間的控制精度顯得尤為重要。如果使用傳統的逆變電源提高焊接時間，控制精度則需要使用頻率更高的變壓器。頻率太高會對變壓器的材質要求更嚴格，而且偏高的頻率并不能有效減小變壓器的體積，從而提高了成本。同時變壓器的頻率過高也會產生對電磁信號的干擾，影響電源電路正常工作。焊接電源作為焊接過程的能源供給，其性能和功能將會直接影響焊接質量。為了使電阻點焊工藝能夠達到更高的要求，電源的控制精度和控制方式就成為點焊電源重要的發展方向。

圖1 點焊逆變電源原理框圖

IGBT是新型電力電子器件的主流器件之一，具有功率MOSFET和大功率晶體管（GTR）的雙重優點，被認為是電力電子最具代表性的器件。IGBT響應速度非常快，如IGBT模塊CM1000HA-24H的響應速度不超過2 μs。以前的研究主要是將IGBT模塊引入到點焊電源的變壓器一次側逆變電路中，從而減小變壓器體積，降低能量損耗[2-3]。而本研究是將IGBT模塊應用到點焊電源變壓器二次側的次級整流部分，提高對焊接電流時間的控制精度，從而改善焊接質量，同時避免了因提高變壓器頻率產生的材料成本、信號干擾的問題[4-5]。

1 變壓器二次側焊接主電路的設計

本設計逆變電源的原理框圖如圖2所示。逆變電源的焊接主電路結構如圖3所示。圖3中左右兩個虛線框表示的是兩組IGBT模塊，每個模塊由四只大功率IGBT單管組成。考慮到焊接時間較短的微型電阻焊的焊接電流相對普通電阻焊較小，故將每個IGBT單管的額定工作電流設為1000 A，并聯使用可使焊接工作電流達到4000 A[6]。

2 設計電路的仿真

2.1 電路仿真參數設置

圖2 次級可控整流逆變電源原理框圖

圖3 焊接主電路結構

根據設計的電路圖進行參數仿真[7]，仿真電路如圖4所示。點焊焊接工件負載視為0.001 Ω純電阻和 0.01 μH 電感的組合；V1、V2 為兩個脈沖電源配合產生變壓器二次輸出電壓；V3、V4分別作為兩組IGBT模塊的驅動信號。變壓器二次輸出電壓（V1上端與V2下端之間電壓值）及V3、V4驅動信號的波形如圖5～圖7所示。

2.2 電路仿真結果和分析

由于點焊過程中熱源主要是來自于電阻熱，即與電阻上的電流值有關，所以觀察等效電阻R1的電流波形，如圖8所示。IGBT1集電極電流波形如圖9所示，IGBT5集電極電流波形如圖10所示，各IGBT發射極電壓波形如圖11所示。

圖4 仿真電路

圖5 變壓器二次側輸出電壓

圖6 V3驅動信號波形

圖7 V4驅動信號波形

圖8 等效電阻R1的電流波形

圖9 IGBT1的集電極電流波形

圖10 IGBT5的集電極電流波形

圖11 各IGBT發射極電壓波形

仿真結果表明，當IGBT的柵極電壓達到導通要求時，變壓器二次側與R1形成閉合回路，IGBT功率開關上產生電流。當變壓器二次電壓處在正半波時，控制IGBT1～IGBT4導通，當電壓處在負半波時，控制IGBT5～IGBT8導通，該電路能夠完成整流過程，使工件始終處在直流的焊接過程；仿真中又將IGBT驅動信號的脈寬以0.1 ms為單位時長進行改變調整，結果顯示焊接電流的時間與驅動信號的導通時間完全相符，即使焊接時間的控制精度提高至0.1 ms，實現對點焊過程控制精度的提高；由于電感的作用，電流達到峰值的時間有所延遲，這與電感的大小有直接關系，多次試驗仿真表明，在一定范圍內，若電阻值不變，電感值越大，電流達到峰值的時間越長。由于IGBT關斷時，負載電感內部會產生反向的自感電壓，即圖11中所示在IGBT關斷之后電壓波動產生約50 V的正向尖脈沖，這一反向電壓會對IGBT產生有害沖擊，造成損害，因此需要采用一定的措施避免產生反向電壓。

為了避免反向電壓對IGBT造成損害，對仿真電路進行了改進，即在IGBT旁并聯續流二極管。改進后等效電阻R1的電流波形、IGBT1集電極電流波形、IGBT5集電極電流波形與之前所得波形沒有變化，而各IGBT發射極電壓波形如圖12所示。

圖12 改進后各IGBT發射極電壓波形

改進后電路的仿真結果表明，通過增加續流二極管改進初始設計電路，使得IGBT功率器件關斷后，負載電感產生的反向電壓可以被續流二極管消耗掉，而不對IGBT功率開關器件產生反向電壓沖擊，減少對IGBT功率器件的損害，延長其使用壽命。

3 結論

結合當前中頻點焊電源的發展現狀，對電阻點焊焊接時間控制精度問題提出了優化設計方案，并進行了詳細研究，通過仿真實驗進行驗證。

（1）應用Pspice軟件對電源系統進行仿真模擬，證明在焊接主電路采用IGBT整流方式可以將點焊過程中焊接電流導通時間的控制精度提高至0.1 ms。

（2）采用并聯同型號IGBT功率開關能夠有效解決工作電流大于IGBT功率開關單管額定電流限制的問題。在仿真條件下，使用額定電流為1 kA的IGBT單管進行并聯，可以實現焊接電流達到4 kA的要求。

（3）點焊負載若為阻性加感性，則會在IGBT關斷時產生反向電壓，影響其IGBT的使用壽命。在IGBT功率開關旁并聯續流二極管可以有效避免反向電壓對IGBT功率開關產生的損害。

[1]莫秉華，郭鐘寧.微型電阻焊技術的研究進展[J].材料導報，2009（23）：85-88，92.

[2]耿 正，高洪明，趙宏偉.逆變電阻焊機的仿真分析及設計[J].電焊機，1998，28（1）：10-12.

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