逆變電焊機主要是逆變器產(chǎn)生的逆變式弧焊電源，又稱弧焊逆變器，是一種新型的焊接電源。是將工頻(50Hz)交流電，先經(jīng)整流器整流和濾波變成直流，再通過大功率開關電子元件(晶閘管SCR、晶體管GTR、場效應管MOSFET或IGBT)，逆變成幾kHz~幾十kHz的中頻交流電，同時經(jīng)變壓器降至適合于焊接的幾十V電壓，再次整流并經(jīng)電抗濾波輸出相當平穩(wěn)的直流焊接電流。
其變換順序可簡單地表示為：
工頻交流(經(jīng)整流濾波)→直流(經(jīng)逆變)→中頻交流(降壓、整流、濾波)→直流。
即為：AC→DC→AC→DC
因為逆變降壓后的交流電，由于其頻率高，則感抗大，在焊接回路中有功功率就會大大降低。
所以需再次進行整流。
這就是目前所常用的逆變電焊機的機制。
逆變電源的特點：
弧焊逆變器的基本特點是工作頻率高，由此而帶來很多優(yōu)點。
因為變壓器無論是原繞組還是副繞組，其電勢E與電流的頻率f、磁通密度B、鐵芯截面積S及繞組的匝數(shù)W有如下關系：
E=4.44fBSW
而繞組的端電壓U近似地等于E，即：
U≈E=4.44fBSW
當U、B確定后，若提高f，則S減小，W減少，
因此，
變壓器的重量和體積就可以大大減小。
就能使整機的重量和體積顯著減小。
還有頻率的提高及其他因素而帶來了許多優(yōu)點，
與傳統(tǒng)弧焊電源比較，
其主要特點如下：
1.體積小、重量輕，節(jié)省材料，攜帶、移動方便。
2.高效節(jié)能，效率可達到80%~90%，比傳統(tǒng)焊機節(jié)電1/3以上。
3.動特性好，引弧容易，電弧穩(wěn)定，焊縫成形美觀，飛濺小。
4.適合于與機器人結合，組成自動焊接生產(chǎn)系統(tǒng)。
5.可一機多用，完成多種焊接和切割過程。
電焊機之IGBT系列焊機工作原理
一、功率開關管的比較
常用的功率開關有晶閘管、IGBT、場效應管等。其中，晶閘管(可控硅)的開關頻率最低約1000次/秒左右，一般不適用于高頻工作的開關電路。
1、效應管的特點：
場效應管的突出優(yōu)點在于其極高的開關頻率，其每秒鐘可開關50萬次以上，耐壓一般在500V以上，耐溫150℃(管芯)，而且導通電阻，管子損耗低，是理想的開關器件，尤其適合在高頻電路中作開關器件使用。
但是場效應管的工作電流較小，高的約20A低的一般在9A左右，限制了電路中的最大電流，而且由于場效應管的封裝形式，使得其引腳的爬電距離(導電體到另一導電體間的表面距離)較小，在環(huán)境高壓下容易被擊穿，使得引腳間導電而損壞機器或危害人身安全。
2、IGBT的特點：
IGBT即雙極型絕緣效應管，符號及等效電路圖見圖11.1，其開關頻率在20KHZ~30KHZ之間。但它可以通過大電流(100A以上)，而且由于外封裝引腳間距大，爬電距離大，能抵御環(huán)境高壓的影響，安全可靠。
一、場效應管逆變焊機的特點
由于場效應管的突出優(yōu)點，用場效應管作逆變器的開關器件時，可以把開關頻率設計得很高，以提高轉換效率和節(jié)省成本(使用高頻率變壓器以減小焊機的體積，使焊機向小型化，微型化方便使用。
但無論弧焊機還是切割機，它們的工作電流都很大。使用一個場效應管滿足不了焊機對電流的需求，一般采用多只并聯(lián)的形式來提高焊機電源的輸出電流。這樣既增加了成本，又降低了電路的穩(wěn)定性和可靠性。
二、IGBT焊機的特點
IGBT焊機指的是使用IGBT作為逆變器開關器件的弧焊機。由于IGBT的開關頻率較低，電流大，焊機使用的主變壓器、濾波、儲能電容、電抗器等電子器件都較場效應管焊機有很大不同，不但體積增大，各類技術參數(shù)也改變了。
三、IGBT焊機工作原理：
半橋逆變電路工作原理如圖11.2
工作原理：
①tl時間：開關K1導通，K2截止，電流方向如圖中①，電源給主變T供電，并給電容C2充電。
②t2時間：開關K1、K2都截止，負截無電流通過(死區(qū))。
③t3時間：開關K1截止，K2導通，電容C2向負載放電。
④t4時間：開關K1、K2均截止，又形成死區(qū)。如此反復在負載上就得到了如圖11.3的電流，實現(xiàn)了逆變的目的。
2、IGBT焊機的工作原理
①電源供給：
和場效應管作逆變開關的焊機一樣，焊機電源由市電供給，經(jīng)整流、濾波后供給逆變器。
②逆變：
由于IGBT的工作電流大，可采用半橋逆變的形式，以IGBT作為開關，其開通與關閉由驅動信號控制。
③驅動信號的產(chǎn)生：
驅動信號仍然采用處理脈寬調(diào)制器輸出信號的形式。使得兩路驅動信號的相位錯開(有死區(qū))，以防止兩個開關管同時導通而產(chǎn)生過大電流損壞開關管。驅動信號的中點同樣下沉一定幅度，以防干擾使開關管誤導通。
IGBT(絕緣柵雙極晶體管)是整個電路中最關鍵的元件,它具有MOSFET的輸入阻抗高、驅動容易、開關速度快、無二次擊穿和GTR的通態(tài)壓降低、高壓大電流化容易等特點,其等效電路圖見圖2。IGBT由四層PNP組成,形成了一個寄生晶閘管,此寄生晶閘管一旦導通,IGBT的柵極便失去控制作用,而產(chǎn)生所謂“擎住現(xiàn)象”,從而損壞IGBT。“擎住現(xiàn)象”有靜態(tài)擎住和動態(tài)擎住兩種。流過IG2BT的穩(wěn)態(tài)電流過大或開關速度過快均會產(chǎn)生擎住現(xiàn)象,應盡可能避免焊機工作時過熱、過流,并抑制開關時的浪涌電壓等,從而減少擎住現(xiàn)象。
圖2 IGBT等效電路
2. IGBT對驅動電路的要求
IGBT由于具有開關速度快，飽和壓降低和方形的安全工作區(qū)等特點，使得對它的驅動要求和保護有如下注意點：
(1)提供適當?shù)恼⒎聪蝌寗虞敵鲭妷?
(2)有足夠的瞬時功率或瞬時電流輸出能力;
(3)盡可能短的輸入輸出信號傳輸延時;
(4)很強的輸入輸出隔離能力;
(5)具有可靠的過流或保護能力;
(6)IGBT因飽和壓降較低導致短路電流較大，在發(fā)生短路故障時，最好采用具有降柵壓及軟關斷功能的保護電路;
(7)IGBT開通時能承受較大的電流上升率和瞬時短路電流，因此不必采用開通電流的抑制電感;
(8)具有方形的安全工作區(qū)的NPT型IGBT，能適應高效的放電阻止型關斷緩沖吸收電路，使得它的工作效率得到提高;
(9)在工作電流較大的情況下，為了減小關斷過電壓，應盡量減小主電路的布線電感，吸收電容器應采用低感型。
為滿足不同電路的要求,目前市場上推出了各種系列的驅動模塊,如日本富士公司的EXB841系列。從綜合的觀點看還沒有一種是十全十美的。由于在逆變焊機電路中,IGBT直接對地短路的可能性很小,只要能保證不發(fā)生橋臂直通、且采用電流互感器進行過流保護,IGBT就不會受到過流威脅。逆變焊機采用了較為簡單的驅動電路(見圖3),該電路用變壓器隔離,正負驅動電壓為±15V,工作時驅動波形見圖4。
圖3 變壓器耦合驅動器
圖4 驅動波形
通過改變電容的充放電時間,調(diào)整波形的上升沿和下降沿的陡度,保證正在工作的IGBT完全關斷后,再開通另一個IGBT。同時,為改善驅動脈沖的前后沿陡度和防止振蕩,在IGBT的柵極串入一個電阻Rg,以減小IGBT關斷時集射間di/dt的上升率。實踐證明,Rg為10～100Ω為宜,且引線愈短愈好。
3. 逆變焊機中的IGBT保護電路
(1)di/dt的限制。
為限制感性關斷時產(chǎn)生的浪涌電壓,有必要采取緩沖電路來消除這種開關浪涌,見圖5。
圖5 逆變橋臂緩沖電路
圖中各元件參數(shù)按(1)～(4)式選取。
Cs=[Io/(KUcep-Ud)]2LS (1)
式中：Ls——引線電感,以1μH/m計;
Io——IGBT最大脈沖電流值;
Ucep——集射間的峰值電壓;
K——額定減小系數(shù),非重復時K=1,重復時K=0.8。
Ucep=Ud+UFM+Lodi/dt (2)
式中：Ud——直流高壓;
UFM——二極管暫態(tài)正向壓降,1200V級取40～60V。
2Ls/Cs≤Rs≤1/(2.3fCs) (3)
式中：f——IGBT開關頻率;
IDM=(Ucep-Ud)/Rs (4)
常選2～3倍IDM快速軟恢復二極管。
實測電壓尖峰ΔU=Ucep<100V時,緩沖效果較明顯。
(2)過流保護。
利用IGBT的通態(tài)壓降與集電極電流成正比的特性,通過監(jiān)測通態(tài)壓降VCE(ON)來判斷是否過流,并采取相應的措施來實現(xiàn)所謂的“軟關斷”,但此電路實現(xiàn)較復雜。利用電流電壓互感器LEM模塊作為焊機的電流檢測元件,當電流超過設定的最大值時,保護電路動作,關斷IGBT。另外,在主電路設置大的電抗器,以減小電路開通時電流的沖擊。
(3)過熱保護。
IGBT的擎住電流與溫度有關,其溫度升高后,NPN管開通的偏置電壓不再是0.7V,而是隨溫度的升高而下降,P+區(qū)的橫向電阻RP隨溫度的升高而增大,二者的影響均使擎住電流下降,導致擎住現(xiàn)象的產(chǎn)生而損壞IGBT。一般在溫度上升較快的部位裝熱敏電阻來監(jiān)測焊機發(fā)熱情況,當溫度達到設定值時,保護電路動作,使IGBT關斷,焊機停止工作。
4. 結束語
為了保證IGBT逆變弧焊機的可靠運行,完善驅動、保護電路至關重要,同時,在實際工作中,還應注意其外圍電路的設計及裝配工藝的改進。如焊機內(nèi)布線時,應考慮如何減小線路的干擾,降低電路的引線電感,散熱器和風道的設計應達到最佳的散熱效果等。
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