igbt模块应用在逆变弧焊机实证研究

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1、IGBT模块应用在逆变弧焊机实证研究　　【摘要】通过逆变式焊机设计、生产过程，从IGBT模块应用于逆变焊接电源的实例，进行分析，ZX7、NBC、MZ、LGK四种类型逆变焊机设计上的关键问题。【关键词】逆变式焊接电源；IGBT模块的应用一、概述逆变式弧焊电源由上世纪80年代进入我国弧焊电源市场和弧焊电源设计领域，经历了大功率可关断晶闸管（GTO）式、双极晶体管式（GTR）、场效应管（MOSFET）式、功率绝缘栅双极型晶体管InsulatedGateBipolarTransistor（IGBT）式。目前，国

2、外、国内发展是普及使用IGBT模块，取代了IGBT单管。逆变弧焊电源符合节能、高效、绿色环保的工业设计潮流和我国的焊接行业发展方向。与普通弧焊电源相比，逆变式弧焊电源最显著特点是工作频率高，节省大量的钢材、铜材，具体特点：1.体积小、重量轻2.高效节能3.动特性好、控制灵活10逆变式弧焊电源的外特性、动特性等性能主要有电子控制电路进行调节。电子控制电路的变化和调整灵活、方便，易于在一台电源上实现多种特性的输出，甚至在焊接过程中也可以根据要求切换不同特性。所以逆变弧焊电源产品的研制，可以在ZX7、NBC、

3、MZ、LGK四个系列中同步进行。4.元器件特性要求高，电路复杂逆变式弧焊电源是典型的电力电子装置，因此电路复杂。普通弧焊电源工作频率低，一般工作波形为正弦波，du/dt、di/dt较小。而逆变电源由于工作频率高，内部电流换向快，变化剧烈，对du/dt、di/dt等动态参数的影响十分明显。在这样的工作条件下，逆变电源的电子功率开关等元器件被击穿、烧穿的可能性大大增加。为了保证逆变式弧焊电源的可靠性、稳定性，不仅需要高质量、高性能的元器件，而且需要设计、应用许多保护电路。这也是逆变式弧焊电源控制电路复杂的主

4、要原因之一。二、设计任务和要求10IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性，IGBT单管在使用时，需要四只电子功率开关，驱动电路较为复杂，抗不平衡能力较差，所以还要附带包括三方面的电路：过电流保护、过电压保护、热保护。制造成本高和稳定性差。上世纪90年代开始，IGBT模块开始取代了单管，它的电路结构分为一个单元、两个单元和六个单元。每个单元都包括了IGBT的管芯和高速恢复二极管芯片及加速二极管芯片（或者二极管只有一只高速恢复，即反向并联的芯片），

5、封装在一起以利于进一步减少体积和提高工作的可靠性，绝缘性能好，模块的散热片上通过靠近芯片的热敏电阻来测量温度。设计的四种的逆变式弧焊电源，采用的电子功率开关器件均为两个单元的IGBT模块，内部已经包含了2组IGBT，其逆变电路是三相全桥式，分别要用在ZX7系列手工直流焊机、NBC系列气体保护焊机、MZ系列埋弧自动焊机、LGK系列等离子切割机。下图：逆变弧焊电源的基本电路方框图。基本电路方框表示：三相380V交流电经全桥直流滤波后，送到一对全桥式逆变开关IGBT模块（每个模块含2个IGBT开关管），逆变产

6、生高频（20kHz）交流电压经次级带有中间抽头的功率高频变压器降压，以及直流滤波后送到电弧负载。焊接电压、电流的调节和外特性形状控制，采用脉宽调制（PWM），给定电路，电流反馈信号由分流器（FL）获得。三、设计方案㈠IBGT模块选用目前市场上有西门康、三菱、英飞凌、富士等多个品牌，性能和价格相差不大。按照IGBT模块额定电流>焊机负载电流的原则选择，然后具体看模块的⑴静态电气参数；⑵开关时间；⑶开关损耗；⑷热阻。也就是极限参数和主要特性参数两大类。因此，从生产的标准化的因素考虑，这四个系列焊机都是选用英

7、飞凌的IGBT模块。10㈡全桥式逆变电路两个IGBT模块分别有相位差180°的驱动脉冲激励而交替导通，产生交流矩形波作用于变压器T上，矩形波幅值为直流电压Ud。两个IGBT模块最大正向电压为Ud。交流矩形波经变压器T降低，快速二极管VD全波导通，生产电抗器滤波，得到比较稳定的直流输出。ZX7、NBC、LGK三个系列的逆变电路都是同类型的。MZ系列是埋弧焊机，所需要的输出电流在800A以上，按照目前IBGT模块的价格和整机成本、工艺，选用并联的全桥逆变电路，就可以实现。㈢变压器设计的四个系列的逆变式弧焊电

8、源的高频变压器都采用非晶态磁性材料的环形磁心，它们的磁损仅为硅钢片叠片铁心的1/3，而且体积很小。常用的变压器计算公式U1=4.44fNBS是在正弦波交流电得到的。逆变式高频变压器变换的是矩形波，所以公式不再适用。必须根据电磁定律重新推导。在矩形波中，磁通变化范围为ΔΦ=2Φ=2BS，而且是线性变化。根据电磁定律，则U=NdΦ/dt=NΔΦ/Δt=2NBS/tON（tON—导通时间）（1）10所以N=U·tON/2BS（2）若tON=T/2