WTC 焊機原理深度解析與維修改進探究

劉樂翔，于韶東，蔣大鵬

（上汽通用東岳汽車有限公司，山東煙臺，264006）

0 引言

WTC焊機是美國生產的中頻焊機，功能強大，能耗低，同等重量之變壓器可輸出更多能量，使用非常廣泛。因工作在特定的工作環境，焊機表面附著物較多，造成焊機故障率高。由于部件價格昂、貴，采購周期長，給生產交付帶來了很大的困難。針對其在應用維修中的弊端，分析其工作原理，通過深度剖析驗證，將其升級改進，使之能夠適應環境對其性能的影響，延長焊機生命周期。

1 WTC 焊機原理分析

WTC焊機電路主要由整流電路、逆變電路、檢測電路組成，整流電路采用三相可控橋式整流；逆變電路采用了由4個IGBT組成的單相全橋設計方式，觸發回路由VLA503-01 IGBT專用的厚膜驅動芯片控制；檢測回路由霍爾傳感器與磁感線圈組成，既能檢測輸出電流的平衡狀況，又能檢測工作電流的實際數值，當焊接異常時及時報警。

焊機的焊接母線3相380V電源通過插接箱進入焊機的斷路器，分成4路，其原理圖如圖1所示。

圖1 WTC焊機原理圖

TVS阻容吸收回路：可有效抑制高壓動作瞬間產生的電壓震蕩和沖擊電流，使高頻震蕩沖擊電流迅速衰減，降低對負荷設備的沖擊影響。

380V-120V變壓器：輸出的120V電壓一路輸送給電源板，電源板會給主板和可控硅觸發板供24V電；另一路給主板，通過主板控制隔離接觸器的線圈供電，在焊接前提前吸合隔離接觸器。

可控硅觸發板：主要作用是給可控硅提供觸發電流，可控硅觸發板上有個吸收回路，其中一個作用是用于焊機斷電時釋放電容內部的電壓，防止觸電。

整流主回路：給三相半波橋式可控硅的主回路供電，經過可控硅整流后的DC 537V經過電容濾波后，供給單相全波逆變電路，逆變成6000Hz的中頻方波，經過隔離接觸器，再經外部的焊接變壓器將DC 537V高壓變成DC 10V的安全電壓，然后再次整流，到達焊槍電極進行焊接。

2 逆變回路原理分析

WTC焊機焊機逆變回路上下橋的四個IGBT由四個VLA503厚膜IGBT驅動芯片控制管理，其原理圖如圖2所示。

圖2 逆變回路原理圖

厚膜芯片電源由±12V雙電源供電，通過U8芯片DC/DC轉換而來。當厚膜芯片13、14腳無脈沖信號輸入時，芯片內部連接5腳輸出的上橋三極管關斷，下橋三極管導通，5腳的電位等于6腳電位-12V,此時該芯片對應的IGBT柵源極驅動電壓為反向電壓-12V,目的是為關斷更徹底；當13、14腳10mA電流信號后，芯片內部下橋三極管關斷，上橋三極管導通，5腳輸出12V脈沖信號到該芯片對應的IGBT柵源極,控制IGBT導通。

圖中D23為快速恢復二極管，連接到IGBT的漏極，目的是監測漏極到源極的電壓。當IGBT處于關斷狀態時，D23截止，厚膜芯片1腳電壓為12V等于電源電壓,1腳是厚模芯片內部電壓比較器正向輸入端，高于基準電壓，電壓比較器輸出高電平，5腳鎖住輸出并輸出反向電壓至IGBT柵源極；當IGBT正常開啟時，D23正向導通，1腳低電平輸入，芯片內部電壓比較器輸出低電平，5腳輸出高電平。當出現過流、過壓報警時，大電流使IGBT的漏極電壓升高，D23截止，1腳輸入高電平，5腳鎖住輸出，同時8腳輸出低電平，U4光耦工作，N31電位拉低，單片機報警，停止輸出。R31為限流電阻，同時穩壓管Z15/Z16組成限幅器，確保IGBT柵極不被擊穿；穩壓管Z11用于防止D23擊穿而損壞厚膜芯片。厚膜芯片內部結構原理圖如圖3所示。

圖3 厚膜芯片內部結構原理圖

3 維修案例解析

WTC焊機報警頻繁故障信息：“焊接低電流”；當焊機焊接時，霍爾傳感器檢測的焊接電流低于設定的最小焊接電流。

■3.1 原因分析

根據報警信息，對故障進行分析，原因可能在四個方面：

(1)功率管損壞；(2)檢測回路故障；(3)IGBT觸發回路故障；(4)直流母排電壓低于正常工作電壓。

■3.2 檢測方法

(1)拆機檢查，發現焊機內部雜質較多，對焊機各部件進行清潔，清除雜質。

(2)清潔完成后，依次目測各電路板以及功率管狀態時，發現焊機1ITF控制板Q1高壓IGBT有金屬絲狀物纏繞，檢測后發現IGBT擊穿；檢測其余電路板狀態正常。

(3)為確定故障原因，深入了解1ITF板工作原理，測繪其原理圖如圖4所示。

通過圖4原理圖分析：該電路是焊機停機后直流母排電壓釋放電路，當焊機工作時，Q2三極管處于導通狀態，Q1 IGBT不工作；當焊機斷電后，Q2處于截止狀態，Q1導通，R222電阻工作，迅速釋放母排電能。Q1只能在焊機斷電瞬間工作，焊機正常工作時，Q1不工作。而Q1被擊穿，母排的釋放電阻就會接通，造成直流母排電壓過低，使焊機輸出電流減小，所以出現焊機低電流報警。

4 故障根本原因查找與改進實施

■4.1 根本原因總結

實物圖如圖5所示，框中的矩形孔是用來保證絕緣的安全距離和爬電距離，孔洞周圍堆積灰塵和焊接粉塵雜質時，使得電路板開關元件異常開啟或者短路；當IGBT周圍布滿因高壓吸附產生的煙塵粒子，造成IGBT短路、擊穿。

■4.2 設計缺陷及改進升級

控制板1ITF驅動板結構設計缺陷，不適合在煙塵粒子多的情況下使用，改進方法：

(1)電路板用洗板水清潔徹底后，噴涂三防漆，徹底杜絕因灰塵等各種附著物造成的短路隱患。

(2)將能耗電阻功率由原來100W更換成300W。停機時，可加快將母排電壓釋放掉避免富余能量對電子元器件的損壞。

圖4 1ITF控制板原理圖

5 總結

通過對WTC焊機維修拆檢發現，焊機電路板、銅排、電容等均出現灰塵堆積、腐蝕等情況，對焊機定期進行深度清洗、保養，完全可以避免電子元器件的損壞。同時，對WTC焊機原理進行深度解析，對頻發故障的根本原因分析及電路板設計結構的探究，完全可以維修改進升級，實現降本增效，延長焊機全生命周期。

圖5 PCB板實物圖