第八章新型弧焊电源

第八章新型弧焊电源 主要内容：讲述弧焊逆变器的基本原理、特点和用途。着重介绍开关器件的控制模式，弧焊逆变器主电路的基本形式，并对矩形波交流弧焊电源作简要介绍。补充内容：常用开关器件介绍根据器件能够被控制电路信号所控制的程度分类： 1）不可控器件：二极管 2）半控型器件：晶闸管 3）全控型器件：绝缘栅双极晶体管（IGBT）、电力晶体管（GTR）、场效应晶体管（MOSFET）等

1、电力晶体管GTR（ Giant Transistor） a) 内部结构图 b)图形符号 GTR由三层半导体、两个PN结组成。与小功率三极管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。

主要特点：一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管；在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。其特性有：耐压高，电流大，开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。主要特点：一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管；在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。其特性有：耐压高，电流大，开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。开关特性： ①截止区：iB≤0，uBE≤0，uBC＜0，集电极只有漏电流流过。 ②饱和区：iB＞Ics/β，uBE＞0，uBC＞0，ICS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。 td—延时时间, tr—上升时间，ton—开通时间； ts—储存时间, tf—下降时间，toff为关断时间。

2、功率场效应晶体管（Power MOSFET） (MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor) 单极性晶体管 a) 内部结构图 b)图形符号 S为源极，G为栅极，D为漏极

UDS 输出特性即是漏极的伏安特性。转移特性表示漏极电流ID与栅源之间电压UGS的转移特性关系曲线，转移特性可表示出器件的放大能力。

开关特性： ，截止，导通 UT为开启电压，又叫阈值电压，典型值为2～4 V 开关过程

主要特性： (1) 输入阻抗高，属于纯容性元件，不需要直流电流驱动，属电压控制器件，可直接与数字逻辑集成电路连接，驱动电路简单。  (2) 开关速度快，工作频率可达1MHz，比GTR器件快10倍，可实现高频斩波，使开关损耗小。  (3) 为负电流温度系数，即器件内的电流随温度的上升而下降的负反馈效应，因此热稳定性好，不存在二次击穿问题，安全工作区SOA较大。

3、绝缘栅双极型晶体管（Insulated-gate bipolar transistor） a) 内部结构图 b)图形符号集电极C、发射极E和栅极G

a)伏安特性； (b) 转移特性 IGBT的伏安特性反映了在一定的栅—射极电压UGE下器件的输出端电压UCE与电流IC的关系。UGE越高，IC越大。与普通晶体管的伏安特性一样，IGBT的伏安特性分为截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。 UCE(TH)为阈值电压，通常为2-6V

开关过程： ton=td(on)+tr toff=td(off)+tf 特点：看做MOSFET和GTR的复合形式，具备两者的优点，驱动功率小，饱和压降低，耐高压和大电流。开关过程

第一节弧焊逆变器概述 一、弧焊逆变器的基本组成及原理组成：输入整流、输入软启动、输入滤波、功率开关组、降压变压器（高变）、输出整流器波电感、电流电压监测、系统调节器(PI)、PWM变换器、驱动器。元件吸收电路、过流、过压、欠压、过热保护电路。该图中的逆变机制属于：AC-DC-AC-DC。

U1=C f N1S V变压器 W整机 T 焊接电流控制速度熔滴张力过渡控制功率开关组的工作频率大大高于工频：晶闸管半控器件：f0=2~5kHz 场效应管、IGBT类全控器件：f0=10~20~50~100kHz N1-绕组匝数； f-电源的工作频率； S-磁芯面积。

二、开关器件的控制模式 1、定脉宽调频率（PFM-pulsefrequence modulation) 对于晶闸管弧焊逆变焊机，由于它是半控器件，一般是让其在主电路中开通以后，当电流自然过零时自行关断，这样一次导通形成“半波”，他的时间长(脉宽）基本不变，因此要进行电压、电流的调节就只有改变其关断时间toff, T=ton+toff, 通过toff改变，则焊机的频率f也改变，从而形成PFM模式。弧焊逆变器定脉宽调频率体制示意图该模式对控制系统的校正及材料的利用不利。

全控型器件关断过程可控，其导通时间可调，即由其组成的逆变电路输出信号脉宽可调。全控型器件关断过程可控，其导通时间可调，即由其组成的逆变电路输出信号脉宽可调。当f =C时调解脉冲宽度调节输出电压、电流平均值 2、定频率调脉宽（PWM-Pulse width modulation) 全控型开关元件：大功率晶体管、功率场效应管、IGBT（绝缘栅双极晶体管 insulate gate dipolar transistor) 弧焊逆变器定频率调脉宽体制示意图

Ton很小时，调节过程不稳定，开关管脱离饱和，工作在放大状态，因此，有最小脉宽限制。可附加分频法，即将PWM与PFM结合。Ton很小时，调节过程不稳定，开关管脱离饱和，工作在放大状态，因此，有最小脉宽限制。可附加分频法，即将PWM与PFM结合。 PFM和PWM都是通过改变占空比 δ（W/T)进行电压、电流调节的。

3. PWM控制芯片SG3525的结构与工作原理 SG3525是美国硅通用半导体公司推出用于驱动N沟道功率MOSFET的芯片。SG3525是电流控制型脉宽调制器，它按照接反馈电流来调节脉宽。 SG3525内部框图

（1）、结构 1）.引脚1：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。 2）.引脚2：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。3）.引脚3：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 4）.引脚4：振荡器输出端。 5）.引脚5：振荡器定时电容接入端。 6）.引脚6：振荡器定时电阻接入端。 7）.引脚7：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。8）.引脚8：软启动电容接入端。该端通常接一只的软启动电容。9）.引脚9：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。10）.引脚10：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。11）.引脚11：输出端A。和引脚14互补输出。 12）.引脚12：信号地。 13）.引脚13：输出级偏置电压接入端。 14）.引脚14：输出端B。和引脚11互补输出。 15）.引脚15：SG3525工作电源接入端。 16）.引脚16：5.1V基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。

特点如下：（1）工作电压范围宽：8—35V。 （2）5.1V （1.0%）微调基准电源。（3）振荡器工作频率范围宽：100Hz—400KHz. （4）具有振荡器外部同步功能。（5）死区时间可调。（6）内置软启动电路。（7）具有输入欠电压锁定功能。（8）具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。（9）逐个脉冲关断。（10）双路输出（灌电流/拉电流）。

（2）工作原理 f =1/[CT(0. 67Rt + 1. 3RD)] td=CTRD

SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个软启动电容。通电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个软启动电容。通电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。在实际焊接电路中，误差放大器的同相输入端接地，而输出电压的采样电压和给定电压共同加在误差放大器的反相输入端上，形成减法器。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。

外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。

（1）单纯电压反馈： 恒压特性（2）单纯电流反馈：的恒流特性三、弧焊逆变器的整机特性控制 1、外特性控制：当K1或K2不够大时，则If较大的增加才使得uk有较大的降低，得到一般的下降特性曲线而不是恒流特性。

+ Ih Uh - ∝ = +C 2、动特性的控制： Lc为滤波电抗器，仅为几十微亨 CO2短路动态电感需要0.4~0.5毫亨，所以电路中需串联电抗器。一般恒压特性的逆变器使用电子电抗器，在前向通道加积分环节或电流负反馈加微分环节。

L’ Rh Ug’ 令得

四、弧焊逆变器主电路 1、单端正激电路 V1、V2同时开关，高频变压器单向运行要求Br低，VD1、2初级续流，使toff期间磁化复位。VD3整流；VD4续流，toff中给滤波电抗器放电提供通路。占空比不大于50%以保证toff中磁化复位，管利用率低，但不会发生直通现象。 2、半桥式电路 V1、V2轮流导通，在PWM方式下，两管最大导通180o,但为防止直通要在两个管子导通时间之间留死区时间td，即最小共同关断时间。这种电路具有抗偏磁能力。变压器承受的矩形波电压峰值为Vin/2, 因而，变比n=n1/n2小，初级电流大，管子电流容量大。占空比 3、全桥式电路 V1、4共同导通， V2、3共同导通，变压器电压峰值为Vin,变比比半桥式大一倍，一出现偏磁，导致管子烧坏。

五、功率开关器件及其它材料 1、功率开关器件 2、逆变用磁性材料：（1）冷轧薄硅钢片（δ=0.2），做成O形铁心，适用于晶闸管弧焊逆变器。

（2）铁氧体磁性材料适用于各种高频变压器。（2）铁氧体磁性材料适用于各种高频变压器。 1）Bs较低0.3~0.4T( 设计为0.13~0.15T)； 2）居里点较低为120o(饱和磁密降到80%时的温度），机械强度低，性质很脆，常用锰锌铁氧体，牌号：MXO-2000（2000指初始磁导率）、R2KB等。（3）非晶合金磁性材料：铁基、钴基。Bs可达1.2~1.5T, μ达(4.5~60)×104 非晶合金磁性材料经热处理后可得纳米级微晶合金，可做50kHz大功率铁芯，居里点：（370/650ºC）。磁性材料的设计磁感应强度一般取Bs/3，以防止偏磁及开机单向磁化导致磁饱和、逆变失效。

第二节晶闸管式弧焊逆变器 一般晶闸管不可以，要采用快速晶闸管(国产KP型)，工作频率1~5kHz。一、逆变器主电路工作原理 1、晶闸管关断的方式包括：自然关断、强迫关断。（1）自然关断：VT导通后，C放电，如果谐振中iVT下降到零，则VT自然关断。在谐振的作用下，C反向充电，促使VT迅速关断。（2）强迫关断：R负载， VT2主管。VT2导通后，C充电，当VT1辅管导通时，Uc使VT2关断。

2、半桥式晶闸管弧焊逆变器主电路分析 经测试，L1中的电流为波动的直流，初级侧电流实际为准矩形方波。工作过程中，i1的波头基本电流从C1(C2)中拉电流，所以Vc1(Vc2)，即变压器的工作过程分析分成四段：toff阶段、前沿阶段，波头阶段、后沿阶段。

（1）toff阶段：L1中的电流由VD1、2续流，a、b同电位，变压器初级电压为0，磁芯中B=Bm不变化，磁动势为（iD1-iD2)W2,由于激磁电流分量（iD1-iD2)较小，所以近似有iD1=iD2=1/2iL1。（1）toff阶段：L1中的电流由VD1、2续流，a、b同电位，变压器初级电压为0，磁芯中B=Bm不变化，磁动势为（iD1-iD2)W2,由于激磁电流分量（iD1-iD2)较小，所以近似有iD1=iD2=1/2iL1。（2）前沿阶段： VD1、2从对等续流向单边整流转化，变压器初级电压仍为0，但漏电感仍在初级电路中，还有Lm,电容初始电压uc=uc0, 对Lm+L0 充电，di1/dt=U0/(Lm+L0),即电流前沿的上升速度，也就是制约iD2中的电流向VD1的转移速度。最后：iD1=iL1, iD2=0,进入整流状态。

(3) 波头阶段：是基本的ton阶段，C1放电，C2充电，i1流入电压源供给负载，L1’电流增长，L1’储存能量准备toff时释放。但由于L1’十分巨大，所以i1增长有限，C1近似线性放电，电压下降以后，C1放电到电压为0，i1要减少，但L1’很大，iL1不会瞬间变化，故iD2中电流要往iD1转移。（4）后沿阶段：C1放电到电压为零后，iD1要向iD2转移，又立即进入续流状态，一方面，初级变成了CL=(C1+C2) L(Lm+L0）振荡，给C反向充电，i1迅速下降，这一下降即振荡电流的下降，另一方面，次级在i1下降的速度制约下，由VD1单边导通整流向VD1、2平衡导电的续流状态转化。i1下降到零， VD1、2达到了平衡续流 iD1=iD2, iL1=iD1+iD2。后沿结束i1=0，Lm、L0中的磁能通过谐振变成了C中的电场能，使得VT1立即在该电容电压的反向作用下迅速关断，即有过0自然关断，也有电压促进其载流子的迅速复合关断。

如果在t+时间ug为ug1(+),T-时间ug为ug2(-), 而且使 ,则变为变极性方波电源。第三节矩形波交流弧焊电源一、概述焊铝合金时，最好采用交流TIG焊，但是采用正弦交流电时，在电流过零处需加稳弧脉冲，采用方波电源可避免该问题。获得矩形方波的方式：逆变式、晶闸管电抗器式、数字开关式。二、逆变式一次电流为普通的直流，直流弧焊电源可以是晶闸管式、发电机式、逆变式、或磁放大器式。逆变电路中，V1、V2与V3、V4交替互补，1800导通，则形成了方波电流。电流自身的特性则由直流弧焊机完成控制。(交流幅值不可变）。脉冲矩形方波变极性矩形方波

管子换向时有重叠时间，形成直通，但VT1~4, u2全部作用在电弧上。尤其小电流时，α 90o, u2很高，故换向电流峰值很大，有利于换向。三、晶闸管电抗器式 VT1~4接交流通道，L中流过直流电，从而变压器中电流为矩形方波。电压平衡方程式为： t1~t2：u2>uf, Ldi/dt>0, 电流上升，L储能。 t2~t4：u2<uf, Ldi/dt<0, 电流下降，L释放能量。

第八章 新型弧焊电源