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第一章 逆变焊机的电路设计基础 2．1 逆变焊机的基本电路形式 2．1．1 单端正激 2．1．2 半桥式 2．1．3 全桥式 2．1．3 基本电路的变形 2．1．3．1 双单端正激 2．1．3．2 单端正激加推挽式 2．1．3．3 全桥相移谐振式 2．1．3．4 功率单元的并联 2．2 控制方式 2．2．1 控制能量的方式 2．2．1．1 电压型方式 2．2．1．2 电流型方式 2．2．1．3 调频控制方式 2．2．2 集成的控制电路 2．3 驱动电路 2．3．1 驱动电路形式 2．3．2 驱动电路的电平隔离 2．3．3 集成的驱动电路 2．4 功率器件 2.4.1 IGBT MOSFET 的应用原则 2.4.2 电压定额，电流定额 2.4.3 IGBT 的平均结温与动态结温 2.4.4 过流保护 2.4.5 过压保护 2.4.6 硬开关和软开关电路中 IGBT MOSFET 应用的区别 2.4.7 逆变焊机中常用的 IGBT 2.4.8 快速整流管 2.4.9 快速整流管的开通 2.4.10 快速整流管的通态特性 2.4.11 快速整流管的关断 2.4.12 快速整流管的过压保护 2.4.13 快速整流管的并联 2.4.14 逆变焊机中常用的快速整流管 2．5 功率变压器的计算 2．5．1 铁氧体变压器 2．5．2 微晶铁心变压器 2．6 信号的取样 2．6．1 信号的直接取样 2．6．1．1 电压信号直接取样 2．6．1．2 电流信号分流器的直接取样 2．6．2 信号的间接取样 2．6．2．1 电压信号的霍尔传感取样 1
2．6．2．2 电流信号的霍尔传感取样
第二章 逆变焊机电路基础
焊机是一种特殊电源，其输出端一般要接触到操作人的本身，故其基本的电路形式除满足焊接的基 本功能外，对人身的安全至关重要，逆变焊机基本结构框图如图 2.1 所示。 交流电 380V 三相或单相 220V 经整流后，整成 520V 左右的高压直流，经逆变器逆变成高频交流， 经变压器降压，整流滤波后变为平滑直流电供焊接使用。有时为了某些特殊用途还需要再加一级二次逆 变环节，将直流电变为交流，供电弧燃烧，产生交流电弧。 早期的逆变焊机逆变器件采用可控硅，逆变频率为 2~3KHZ，变压器采用硅钢片，现在逆变器件主要 采用 IGBT（绝缘栅晶体管）和 MOSFET（功率场效应管） ，逆变频率为 20KHZ 以上，主变压器铁芯采用 微晶铁芯和铁氧体。由于焊接电源的安全性要求较高，所以主变压器制作要求安全系数高，同一般电源 不同，输出短路是焊接电源的正常工作状态，故逆变焊机要有完善的保护。
2.1 逆变焊机基本电路结构形式
2．1．1 单端正激
在小功率逆变焊机大多采用单端电路，电路结构如图 2.2 所示
图 2.2 双单端电路结构 此电路特点，功率元件不会发生直通现
象，易于保护，但变压器等工作于一个象限中利用率较低， ， 不易做成大功率。
2.1.2 半桥式
在小功率逆变焊机还采用半桥式电路如图 2.3 所示
图 2.3 半桥式逆变电路 半桥式逆变电路由两个电容和两个功率开关器件组成，具有抗变压器偏磁能力。功率器件比全桥少
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一倍，但功率器件的电流定额比全桥大一倍，由于大电流定额功率器件价格相对较高，因而人们倾向于 将半桥逆变器用于中小功率的逆变焊机中。
2.1.3 全桥式
全桥式电路如图 2.4 所示
骨刺灵图 2.4 全桥式逆变电路 由四个功率管组成，每个功率管的电流相比半桥或单端正激都少一倍，可以做
成较大功率的逆变焊 接电源，输出 400A 以上的焊接电源都采用了这种桥式电路。桥式电路不具备抗变压器的偏磁能力，解决 方法是在变压器原边回路中串联隔直电容，或采用峰值电流的控制方法来校正变压器偏磁。
2.2 基本电路的变形
2．1．3．1 双单端正激
2．1．3．2 单端正激加推挽式
联动报警2．1．3．3 全桥相移谐振式
全桥相移谐振式，电路结构如图 2.5 所示
图 2.5 全桥相移谐振电路 相对全桥形式，不同点是在 IGBT 两端都并联有电容，其控制方式如图 2.6 所示
图 2.6 全桥相移谐振的驱动脉冲 通过控制超前臂和滞后臂的相位差来调节输出功率，由于超前臂和滞后臂的上下一对管子导通与关 断互差 180°且死区是不变的，可实现超前臂负载换流，滞后臂漏抗换流的软开关过程。 由于存在小电流滞后臂漏抗换流不安全，大电流占空比等问题，许多学者提出了变压器原边串联饱 和电感和隔离电容的方法来解决此问题，电路如图 2.7 所示
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图 2.7 改进型的相移谐振主电路
2．1．3．4 功率单元的并联
2.3 控制方式
控制方式主要有三种，第一种是电压型 PWM，第二种是电流型 PWM，第三种是 PFM 型控制方式。
2.3.1 电压型 PWM 控制器
定向扬声器
电压型控制器原理如图 2.8 所示
图 2.8 电压型控制器 输入信号与固定三角波信号相比较得到占空比 q，q 取值 0~1，可比较的三角波有正三角波和负三角 波两种，得到占空比调节有后沿调整和前沿调整两种。
2.3.2 电流型控制方式
电流型控制方式原理框图如 2.12 所示
图 2.12 电流型控制原理图 输入给定信号与峰值电流反馈信号进行比较，输出占空比q，有时峰值电流的斜率不足会引起占空比 q振荡，引入斜波电流补偿信号将反馈信号的斜率变斜以增加稳定性，峰值电流反馈可有效的抑制功率管 的过流，纠正变压器的偏磁，在内环引入电流峰值反馈可增加系统的稳定性
2.3.3 相移谐振控制方式 2.3.4
调频工作方式 PFM
在串联谐振控制中采用的是 PFM 调节方式，如图所示 2.10
4储物盒
图 2.10 串联谐振调频工作方式 输入信号加到压频变换器上用来完成频率调制，同时对谐振回路中的电流过零点进行相位检测，由过零 点相位给压频变换器进行同步，完成在电流过零后关闭导通的功率器件的驱动信号。
2．2．2 集成的控制电路
电压型控制器可选用集成芯片，例如 SG3524，CN3525 TL494 等，也可利用单片机，DSP 的 PWM 输出引脚来生成，也可采用 FPGA 来构成 PWM 输出。图 2.9 是 SG3524 原理图
山体滑坡监测系统图 2.9 SG3524 原理图 如图中所示，3524 主要功能模块包括基准电压产生电路、振荡器、误差放大器、限流比较器、PWM 比较器、脉冲分配双稳态触发器、脉冲合成门和输出驱动管，以及保护和闭锁控制电路。3524 的振荡频 。但 3524 有以下不足之处：无欠压锁定电路，无软启动电路，无 率 f 由 RT 和 CT 决定，f=1.18/（RT*CT） PWM 锁存器；输出电流太小，需带脉冲放大驱动电路；输出级无泄放管，不能带 CMOS 管。 为了克服3524的不足，又设计了3525控制芯片。3525在原来功能基础上又增加了欠压锁定电路、软 启动控制电路、PWM锁存器、输出驱动改为推拉输出形式，并增加了驱动能力。此外，3525可以通过在7 号脚和5号脚之间加电阻RD来限制最大占空比。CT的充电时间和放电时间（最小死区）由RT和RD决定， 。图2.10是 SG3525原理图 图2.11是是一个典型应用图 振荡频率f=1/Cr*（0.7*RT+3*RD）
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图2.10 SG3525原理图
图 2.11 SG3525 典型应用图 如图中所示，脉冲信号工作频率由 P0、C34 决定，R53 为变阻器，使占空比可调，R54 用于限制最小 死区时间，8 端外接电容在 SG3525 内部电路的作用下构成软启动电路，使脉宽从最窄增至工作脉宽，防 止开机浪涌和不平衡。脉宽调制器从输出端 11，14 输出两路相差 180°的脉冲信号。 。常用的电流控制型脉宽调制器芯片 UC3846, 原理图如图 2.13
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图 2.13 UC3846 原理图 UC3846是一种双端输出的电流控制型脉宽调制器芯片，其内部结构方框图如图2.13所示 。其引出的 脚l为限流电平设置端；脚2为基准电压输出端；脚3为电流检测放大器的反相输入端；脚4为电流检测放 大器的同相输入端；脚5为误差放大器的同相输入端；脚6为误差放大器的反相输入端；脚7为误差放大器 反馈补偿；脚8为振荡器的外接电容端；脚9为振荡器的外接电阻端；脚l0为同步端；脚ll为PWM脉冲的A 输出端；脚l2为地；脚l3为集电极电源端；脚l4为PWM脉冲的B输出端；脚l5为控制电源输入端；脚l6为 关闭端。UC3846通过一个放大倍数为3的电流测定放大器(其输入电压必须<1．2 V)来获
得电感电流或开 关电流信号，其输出接PWM比较器的同相端。当取样放大器输入信号>1．2 V时，电流型控制器将延时关 断。电压误差放大器的输出经二极管和0．5 v偏压后送至PWM比较器的反相端，其输出既作为给定信号， 同时又被限流电平设置脚(脚1)箝位在+0.7V，从而完成了逐个脉冲限流的目的。当差动电流检测放大器 检测的是开关电流而不是电感电流时，由于开关管寄生电容放电，检测电流会有一个较大的尖峰前沿， 可能使电流检测锁存和PWM电路误动作，所以，应在电流检测输入端加RC滤波。图2.14为UC3846典型应用 图
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图2.14 UC3846典型应用图 图中，R1，C1构成振荡器，振荡频率f=2.2/(R1C1)。死区时间由振荡器的下降沿决定。R2及C2组成斜坡补 偿网络，以保证控制电路的稳定 。C5实现软启动，脚1的电位<0．5 v时无脉宽输出，脚l经电容c 到地， 开机后随着电容的充电，当电容电压高于0．5v时才有脉宽输出，并随着电容电压的升高脉冲逐渐变宽， 完成软启动功能。另外，系统还有较完善的保护电路。当系统输入电压过压或者欠压时，，就会通过加 速电容C6 和二极管D 对UC3846的脚16施加正脉冲，从而使UC3846芯片内部晶闸管导通，通过内部电路使 脚1电平被拉至接近地电平，电路进入保护状态，UC3846芯片输出脉冲封锁。当过流或者过载时，比较器 LM393输出低电平，光耦OP2输出高电平，通过D7加在脚l6，同样会封锁脉冲输出。由于晶闸管维持导通。 所以系统当不过流不过载时，必须重新启动才能有脉冲输出。
相移谐振控制芯片代表 UC3875 原理图如图 2.15
图 2.15 UC3875 原理图 UC3875 的组成结构与硬开关 PWM 控制芯片差别很大，最主要的是它有四路输出，其中 A 和 B 反向， 有死区。C 和 D 反向，有死区。控制过程主要是移动调节 C 和 D 的相位，从而调节 A 和Ｄ或Ｂ和Ｃ共同导 通的占空比来调节变换器输出功率。基准电压产生电路和欠压锁定电路与其他 PWM 芯片类似。误差放大
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器的输出受输入端控制的同时，还受软启动和过流保护电路的控制。斜坡补偿电路和电流斜坡补偿输入 端的有机结合，可以实现电压控制模式、电压前馈控制模式、电流控制模式和带斜坡补偿的电流控制模 式４种工作方式。电流检测信号送到 CS+端，可以设置合理的过流保护。图 2.16 是 UC3875 典型应用
图 2.16 UC3875 典型应用 S／S软起动端(pin 6)与GND(pin 2O)之间除接一起动电容ＣB51外，还接有一保护执行电路，当IGBT 过热或输出过流时，软起动端电压降低，从而使变换器输出移相角降为O而停止工作。当IGBT温度下降或 输出电流正常时，软起动端电压线性升高，同时
多聚磷酸盐输出级的移相角从O°逐渐增加，全桥变换器的脉宽从0 开始慢慢增大，直到稳定工作。E／A-端(pin 3)接输出电压传感器检测的输出反馈电压，E／A+端(pin 5) 接输出电压个给定信号。为了防止输出电流超过额定值，设置一限流电路，当输出电流超过设定的限流 值时，UC3875将降压限流。 输出电压给定信号与电压反馈 当电流传感器检测到的输出电流未达到限流设定值时， 二极管DB15不导通， 信号经误差放大器后，与锯齿波比较，决定主电路的占空比，使输出电压为额定值。一旦输出电流超过 限流设定值，二极管DB15导通，限流电路的输出使电压给定值降低，达到降压限流的目的。
2.4 驱动隔离及驱动方式
2．7 驱动电路 2．3．1 驱动电路形式
2．3．2 驱动电路的电平隔离
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现在逆变焊机中的功率管均采用 IGBT 或 MOSFET 是场控器件，其驱动电路在逆变焊机中主要有脉冲 变压器隔离，光耦隔离。 2.4.1 脉冲变压器驱动 采用脉冲变压器的隔离有两种形式，一种是变压器隔离的直接驱动，例如图 2.11 所示 图 2.11 变压器驱动原理图 图中当 B 为驱动变压器，当 K 闭合时，有驱动脉冲输出，当 K 断开时则变压器原边被短路，驱动信 号变为零，关断 IGBT（以下都以 IGBT 为例） 。此电路特点是变压器副边电路简单，故障率低，但对变压 器的绕制要求较高，漏抗要小。 第二种是变压器仅负载信号的传输，驱动部分另外有源电路，如图 2.12 所示 图 2.12 变压器隔离的有源驱动电路 图中可见，驱动变压器将信号传输至副边后，由推挽电路完成 IGBT 的驱动。相比变压器既要传输功 率又要传输驱动信号来讲，变压器的绕制简单，但变压器副边电路较复杂且需要独立驱动电源。 2.4.2 光耦隔离的驱动方式 随着高速光耦的出现例如 6N136，6N137 等，其传输延时小于 0.5us，因而可以作为驱动信号的隔离传 输，光耦副边需加驱动电源和驱动电路，如图 2.13 所示 图 2.13 带光耦隔离的驱动电路 从图 2.13 可见驱动信号经光耦隔离后传输三极管，经推挽放大后可直接驱动 IGBT。
2．3．3 集成的驱动电路
现有许多公司推出集成的驱动器，例如 EXB841 等，这种芯片内部结构是通过光耦进行隔离的。
EXB841 原理图 EXB841 典型应用图 上图为EXB841原理图和典型应用图，它主要由放大部分、过流保护部分和5v电压基准部分组成。二 极管ERA34即可检测IGBT的饱和压降，送到EXB841的6号脚，从而判断是否过流，用来完成过流保护功能。 4号脚的过流保护信号延时10us输出。
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M57957 原理图
M57957 典型应用图 上图为M57957的原理图和典型应用图，它的内部集成有光耦、接口及功
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