基于IGBT全橋式逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計(jì)與仿真

尹 路，易吉良，張 寶

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

基于IGBT全橋式逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計(jì)與仿真

尹 路，易吉良，張 寶

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

設(shè)計(jì)了一種以FB-ZVS-PWM的IGBT全橋逆變的工作方式為逆變電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變焊機(jī)主電路，其結(jié)構(gòu)由輸入整流濾波電路、逆變器和輸出整流電路3部分構(gòu)成。分析了主電路的工作原理，設(shè)置了元器件的參數(shù)，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)。在理論基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了原型機(jī)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和原型機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明了所提出的電路設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

逆變器；絕緣柵雙極晶體管；電弧焊；逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

0 引言

焊接電源是實(shí)現(xiàn)焊接的重要設(shè)備。特別是逆變焊機(jī)，由于其性能突出，具有其它鏈接方法不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而在石油、化工、電子、制造、航空、宇航等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。焊接技術(shù)現(xiàn)已成為一個(gè)國(guó)家制造業(yè)是否先進(jìn)的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，并且在制造業(yè)中起到了非常重要的作用[1-2]。尤其是近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著電力電子器件以及電力電子技術(shù)的快速發(fā)展[3]，焊接技術(shù)發(fā)展迅速，焊接工藝也得到了優(yōu)化和改善。

逆變焊機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了最初的晶閘管、大功率晶體、金氧半場(chǎng)效晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）逆變焊機(jī)，現(xiàn)主要為絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）逆變焊機(jī)。IGBT因?yàn)橥瑫r(shí)具備功率MOSFET和雙極型晶體管的功能，具有高速交換和高電壓處理、大電流處理能力，因此在中大功率的逆變焊機(jī)中得到了普遍運(yùn)用[4]。本研究擬選用IGBT作為全橋逆變電路的功率器件，對(duì)中頻逆變焊機(jī)的主電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。并且通過(guò)理論分析，對(duì)逆變焊接電源在主電路的設(shè)計(jì)及元件選擇時(shí)所采用的依據(jù)和方法進(jìn)行闡述。最后，在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證所提出的中頻逆變焊機(jī)主電路設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

1 工作原理及設(shè)計(jì)

逆變弧焊電源按其組成結(jié)構(gòu)可分為主電路和控制電路2部分。主電路的功能是將電網(wǎng)的電能傳送給負(fù)載，其結(jié)構(gòu)包括輸入整流濾波電路、逆變器、輸出整流濾波電路3部分。其中，逆變器是主電路的核心部分，由中頻變壓器和IGBT功率開關(guān)管組成。電源結(jié)構(gòu)中除了主電路以外的部分即為控制電路。

目前，常用的主電路結(jié)構(gòu)有單端正激式、推挽式、半橋式和全橋式4種，各種主電路結(jié)構(gòu)的功能和組成如表1所示。

表1 常用主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比Table1 Topologies comparison of common main circuits

在表1中，Uce為IGBT承受的外加直流電源電壓；Ic為輸出功率大小一樣時(shí)的電流；Po為相同Ic時(shí)的輸出功率，U1為中頻變壓器原邊電壓；Uo為輸出電壓；m為功率管器件個(gè)數(shù)；UE為外加的直流電源電壓；D為IGBT的占空比；K為變壓器T的匝數(shù)比。

對(duì)比表1中各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)，可知全橋式逆變電路具有較大的輸出功率，常用于輸出功率較大的場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)中，因?qū)β书_關(guān)管的耐壓程度要求可以略低，故結(jié)合焊機(jī)的設(shè)計(jì)要求，選用全橋式逆變電路結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)焊機(jī)的主要參數(shù)設(shè)置如下：逆變頻率為28kHz，輸入電壓為380(1±15%)V，空載電壓為70V，電流調(diào)節(jié)能力為30～500A，輸出的額定電流為500A，輸出的額定電壓為60V，額定負(fù)載持續(xù)率為60%。

所設(shè)計(jì)的主電路原理圖見圖1，其中的VT1和VT4作為一對(duì)組成橋臂、VT2和VT3作為一對(duì)組成另一組橋臂，成對(duì)的2個(gè)橋臂相互輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，以使中頻變壓器T1的一次側(cè)繞組上的電壓波形為正負(fù)方波，并且是對(duì)稱互補(bǔ)的波形。

主電路可分為輸入整流濾波電路、逆變器、輸出整流濾波電路3部分。

1）輸入整流濾波電路。該部分電路中，由D1～D6 6個(gè)二極管組成整流電路；電解電容C1為高頻濾波電容，它的功能是為了隔離逆變電路與輸入電網(wǎng)之間的諧波干擾；電阻R1和電容C2并聯(lián)、電阻R2和電容C3并聯(lián)，然后串聯(lián)，共同組成濾波電路。

2）逆變器。由4個(gè)功率開關(guān)管IGBT（VT1～VT4）與中頻變壓器T1一起組成逆變器；電阻（R5～R8）與二極管（D5～D8）一起組成RCD吸收回路，其作用是為了減小功率開關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程中電流和電壓對(duì)IGBT的沖擊。

3）輸出整流濾波電路。由快速恢復(fù)整流二極管D9與D10和平波電抗器L1一起構(gòu)成單相全波整流濾波輸出電路模塊；R3，C9與R4，C10組成D9，D10的吸收回路。

1.1 輸入電路設(shè)計(jì)

1.1.1 輸入整流二極管的選取

三相橋式整流電路中，正弦半波的有效值和整流二級(jí)管的額定電流值之間的關(guān)系為

式中：Ib為整流電路中正弦半波電流的有效值；

IN,I為輸入整流二極管的額定電流值。

由于每個(gè)整流管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間是其周期的1/3，故輸入整流管的電流有效值為

式中Id為輸入電流的平均值，亦為中頻變壓器原邊電流I1，從1.2節(jié)中的內(nèi)容可知其大小為71A。因此

為了滿足1.5～2.0倍的安全裕值，故其值要偏大，考慮安全裕量并結(jié)合式（1），可得IN,I的大小范圍為39.3～52.4A。

輸入整流二級(jí)管的最大承受電壓Um,i為

式中：Ui為輸入母線電壓，取380V；

1.15為電網(wǎng)的波動(dòng)范圍最大值。

綜上所述，考慮到空余足夠大的安全裕量，實(shí)際操作中，應(yīng)當(dāng)選擇額定電壓為1200V、額定電流為52A的整流二極管6只。

1.1.2 輸入濾波電容

為了使整流后輸出的直流電變得更平滑，可在輸出的直流電兩端加入濾波電容。電容的大小為

式中：Δu為整流后輸出紋波電壓峰-峰值；

T1為濾波電容的放電時(shí)間。

當(dāng)逆變焊機(jī)接收來(lái)自于母線的380V電壓，空載時(shí)，經(jīng)過(guò)整流濾波后的紋波電壓峰值大小近似為540V，假設(shè)電網(wǎng)的電壓波動(dòng)系數(shù)為6%，從而可得到Δu的值為32.4V，Id直流電的平均值為71A，而T1為如下表達(dá)式：

式中：T為工頻交流電周期，大小為20ms；

經(jīng)過(guò)計(jì)算，可得T1為2.2ms[7]。

將以上數(shù)據(jù)帶入式（2）和式（3）中，可以得到濾波電容C的大小，為3877μF。而在實(shí)際設(shè)計(jì)的電路中，常選用4個(gè)大小為2200μF，耐壓值為600V的電解電容，且每2個(gè)電容先串聯(lián)成一組，再并聯(lián)后使用到電路中。

1.2 逆變器的設(shè)計(jì)

1.2.1 中頻變壓器的設(shè)計(jì)

在逆變電路中，變壓器是其重要組成部分，具有隔離電網(wǎng)和負(fù)載、功率傳輸、降低電壓的功能，對(duì)逆變器輸出端的電氣性能指標(biāo)起著決定性的作用。變壓器的制作關(guān)鍵在于把漏感量合理地減到最小，結(jié)構(gòu)緊湊，因此要選擇優(yōu)良的鐵芯材料。

1）磁芯材料的選取

目前，變壓器的鐵芯材料主要分為鐵氧體、非晶合金和微晶軟磁材料3種。其中，鐵氧體材料的發(fā)熱量會(huì)隨著頻率、鐵損的增加而升高，因此，鐵氧體鐵芯材料正逐漸被其它新型鐵芯材料所取代。與其它兩種材料相比，非晶態(tài)磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高（為0.6～1.5T），居里溫度可達(dá)350～700℃，電阻率可達(dá)120～150μΩ·cm，是硅鋼片的3倍，特別是它的矯頑力Hc很小，從而其鐵損較小。故綜合上述因素，本設(shè)計(jì)中選用非晶合金作為鐵芯材料。

2）匝數(shù)的計(jì)算

設(shè)變壓器原邊繞組為N1，副邊繞組為N2。變壓器原邊電壓為互補(bǔ)對(duì)稱的方波電壓，其幅值大小是電網(wǎng)輸入三相電壓Ui經(jīng)整流濾波再逆變后輸出的電壓U1，Ui按電網(wǎng)無(wú)波動(dòng)時(shí)的輸入電壓380V計(jì)算，故

式中U1為中頻變壓器原邊的幅值，其大小按近似值取540V。

為了使焊條電弧焊引弧可靠，焊機(jī)空載電壓取70V，并設(shè)有一定的調(diào)節(jié)范圍，將變壓器二次側(cè)電壓大小設(shè)為80V，則變壓器的變比為:

對(duì)于逆變電路的變壓器，其原邊繞組匝數(shù)為

此次設(shè)計(jì)中，采用NOL-1208050型號(hào)的非晶合金磁心，橫截面積為8.75cm2，工作頻率為28kHz，則PWM的工作周期約為36μs，為了防止IGBT上下橋臂短路發(fā)生直通現(xiàn)象，應(yīng)留有一定死區(qū)，取最大占空比為90%，則每個(gè)功率管導(dǎo)通的最大時(shí)間為：

為了避免鐵芯趨于飽和，取鐵芯飽和時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的1/3作為鐵芯正常工作時(shí)的最大磁感強(qiáng)度，即B=0.25T。將上述數(shù)據(jù)代入式（4），可得N1為28匝，進(jìn)而可知變壓器的副邊匝數(shù)N2為：

1.2.2 IGBT的選擇

IGBT的作用是利用它可控的開關(guān)特性，按固定規(guī)律地導(dǎo)通和關(guān)斷將直流電壓逆變成正負(fù)交替互補(bǔ)的方波電壓。由此可知，IGBT在整個(gè)逆變電源器件中的作用是不言而喻的。要使逆變焊機(jī)高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，必須把它的參數(shù)設(shè)置在正向偏置安全區(qū)域，這樣才不至于讓脆弱的IGBT燒掉甚至炸毀。

1）IGBT的額定電壓Ucep

輸入電壓經(jīng)整流濾波后，因?yàn)殡娋W(wǎng)波動(dòng)范圍為15%，因此輸出直流電壓的最大值為：

式中Ud為IGBT工作時(shí)至少應(yīng)該能夠承受的穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓值。

考慮到1.5～2.0倍的安全裕量，關(guān)斷時(shí)的IGBT的耐壓峰值電壓Ucep,s最少應(yīng)為：

式中a為安全裕值，大小為1.5。

IGBT的額定電壓Ucep應(yīng)高于該電壓，實(shí)際電路設(shè)計(jì)中按電壓大小為1200V取值。

2）額定電流Ics

中頻變壓器原邊電流值為

式中IN為焊機(jī)輸出的額定電流。

則每個(gè)IGBT功率管流過(guò)的平均電流為

I=0.5I1=0.5×71A=35.5A。

故IGBT的額定電流計(jì)算值Ics為

式中：I為每只IGBT管上平均電流；

1.4為峰值系數(shù)；

實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，額定電流Ics根據(jù)二極管電流等級(jí)，按150A取值。

1.3 輸出電路設(shè)計(jì)

1.3.1 整流二極管設(shè)計(jì)

在選擇整流二極管時(shí)，應(yīng)該以較快的反向恢復(fù)時(shí)間和較小的反向恢復(fù)電流為宜。輸出的整流部分選擇的是變壓器副邊帶有中心抽頭的全波整流。由于IGBT的工作頻率為28kHz，要求二極管的反向恢復(fù)時(shí)間和恢復(fù)電流都很小，因此本設(shè)計(jì)中選擇快速恢復(fù)二級(jí)管。

對(duì)于單相全波整流電路，硅整流二級(jí)管的輸出額定電流IN,O為IN,O=0.5IN=0.5×500A=250 A。

輸出整流二極管上所能承受的最大反向額定電壓Um,O為

式中Um為IGBT逆變功率管承受的電壓的耐壓值。

考慮到安全裕量，實(shí)際電路中輸出整流二級(jí)管的額定電壓為300V，額定電流為300A，共陰極的二極管2只。

1.3.2 輸出直流濾波器設(shè)計(jì)

直流電抗器的鐵心形狀分為閉合與條形，為了避免短路電流很大時(shí)發(fā)生飽和的現(xiàn)象，應(yīng)該選用一般硅鋼片作為條形鐵心。根據(jù)逆變頻率為20kHz，選擇電感量的大小為50μH，條形鐵芯電感的計(jì)算公式為

式中：Ac為鐵芯的橫截面積，單位為cm2，此處取35cm2；

N為線圈的匝數(shù)；

L為電感量。

把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（5），經(jīng)計(jì)算，可得出線圈的匝數(shù)N為12匝。電路設(shè)計(jì)中，電抗器的實(shí)際匝數(shù)要在不斷地調(diào)試中修正和選取。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)圖1，用Matlab建立系統(tǒng)主電路的仿真模型，如圖2所示。

圖2 主電路的仿真原理圖Fig.2 Simulation schematic of main circuit

根據(jù)焊機(jī)的焊接要求，系統(tǒng)的仿真時(shí)間設(shè)置為 1s。仿真的具體參數(shù)如下：輸入電壓為三相交流電壓，其大小為380V；頻率變壓器T1的變比為7，二次側(cè)電感設(shè)為0.0008H；隔直電容為40μF；輸出濾波電感的大小為50μH。限于篇幅，僅給出了輸出電壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果情況。圖3所示為主電路空載和帶載時(shí)的輸出電壓波形仿真效果圖，當(dāng)t等于1 s時(shí)開始接入負(fù)載。

圖3 空載和負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形Fig.3 The output voltage waveforms when no-load and load

從圖3中可以看出，空載時(shí)焊機(jī)主電路輸出的穩(wěn)態(tài)電壓值大約為66V，電壓脈動(dòng)較小，較好地滿足了設(shè)計(jì)要求；當(dāng)接入負(fù)載時(shí)，其電壓大小在60V以內(nèi)，滿足額定電壓的要求。

圖4所示為空載時(shí)焊機(jī)主電路仿真波形的局部放大圖。

圖4 空載時(shí)輸出電壓波形Fig.4 The output voltage waveform when no-load

從圖4中可以看出，由于有穩(wěn)壓電容且無(wú)法形成回路，因此輸出電壓幅值一直維持在65.2V左右，電壓脈寬值在2V以內(nèi)。

圖5所示為帶載時(shí)焊機(jī)主電路仿真波形的局部放大圖。

圖5 帶載時(shí)輸出電壓波形Fig.5 The output voltage waveform with load

從圖5中可以看出，帶載時(shí)焊機(jī)主電路構(gòu)成回路，其負(fù)載阻值很小，近似于短路，這使得電流得以釋放，故其形狀為占空比約為60%的方波。

從仿真的結(jié)果和參數(shù)要求分析，可知本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可行的。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，在仿真的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了如圖6所示的實(shí)物圖。

圖6 逆變焊機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)物圖Fig.6 The designed physical picture for inverter welding machine

圖6所示逆變焊機(jī)實(shí)物圖中，其左半部分為輸入整流電路部分的整流模塊，其整流橋在散熱片下面；右半部分是逆變電路部分的逆變模塊。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，所得結(jié)果如圖7和8所示。

圖7 空載時(shí)輸出電壓的實(shí)測(cè)波形Fig.7 The measured waveform of output voltage when no-load

從圖7中可以看出，所設(shè)計(jì)的逆變焊機(jī)，空載時(shí)輸出的電壓波形為脈寬小于15V，其值大約為70V左右的紋波。

在焊接過(guò)程中，逆變焊機(jī)中頻變壓器副邊的電壓將經(jīng)過(guò)單相全波整流后的電壓加載到負(fù)載中，此時(shí)負(fù)載兩端的波形如圖8所示。

圖8 帶載時(shí)輸出電壓的實(shí)測(cè)波形Fig.8 The measured waveform of output voltage with load

由圖8可看出，由于全波整流，該波形的頻率變?yōu)樵瓉?lái)的2倍；當(dāng)導(dǎo)通和關(guān)斷IGBT時(shí)，由于系統(tǒng)主回路電感的存在，導(dǎo)致了尖峰的出現(xiàn)。對(duì)比仿真圖和實(shí)驗(yàn)圖可以看出，兩者的波形基本相似，這說(shuō)明所設(shè)計(jì)的逆變焊機(jī)主電路較好地滿足了系統(tǒng)的要求，達(dá)到了較為理想的效果。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)以FB-ZVS-PWM的IGBT全橋逆變的工作方式為逆變電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計(jì)，可得到如下結(jié)論：

1）在逆變焊機(jī)領(lǐng)域里，使用的主要功率開關(guān)器件是IGBT，因此逆變焊機(jī)的安全性能主要是由IGBT決定的，所以選擇恰當(dāng)?shù)腎GBT至關(guān)重要。此外，為了避免出現(xiàn)燒管或者炸管現(xiàn)象，還應(yīng)當(dāng)充分考慮IGBT安全裕量的留取。

2）在輸入電路中，整流二級(jí)管所標(biāo)有的數(shù)據(jù)是該二極管生產(chǎn)廠家給出的額定值，即為平均值，當(dāng)計(jì)算如何選取時(shí)須進(jìn)行換算。選取濾波電路的電容時(shí)，也必須充分考慮其余量，經(jīng)探討，余量以稍微過(guò)剩5%左右為宜。

3）輸出電路部分的輸出整流二級(jí)管最好不要采用普通的二極管，應(yīng)采用快速恢復(fù)二極管為宜。

4）通過(guò)仿真及設(shè)計(jì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了本研究所提出的設(shè)計(jì)方案是合理的、可行的，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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（責(zé)任編輯：廖友媛）

Design and Simulation of Main Circuit for IGBT-Based Full-Bridge Inverter Welding Machine

Yin Lu，Yi Jiliang，Zhang Bao
( School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Designed the main circuit of inverter welder with a FB-ZVS-PWM full-bridge IGBT inverter work as inverter main circuit topology, which consisted of the input rectifier filter circuit, inverter and output rectifier circuit. Analyzed the main circuit working principle and designed parameters of the components. Based on it, made the MATLAB simulation, and set up a prototype on the theoretical basis and made an experiment. The simulation result and prototype experimental result both demonstrated rationality and feasibility of the proposed circuit design.

DC-AC inverter；insulated gate bipolar transistor（IGBT）；electrode welding；inverter topology

TG434.1

：A

：1673-9833(2014)01-0026-06

2013-11-10

湖南工業(yè)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX1302），湖南省自然科學(xué)株洲市聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（12JJ9042），湖南工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2011HZX07）

尹 路（1985-），男，湖北天門人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏W(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)及應(yīng)用，

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10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.006