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  1. 引言
  与传统点焊电源相比, 由于逆变直流点焊电源具有焊接变压器小型轻量化、易实现高速精密控制、输出低脉动功率的直流焊接电流、功率因素高、节能经济性好等特点, 从而成为点焊电源的发展方向。目前在逆变直流点焊机领域中日本和美国处于领先地位, 继1985年两国分别推出第一台样机之后现已进入实用性阶段并且在某些领域部分取代了传统的点焊机。国外逆变直流点焊机主要应用于精密点焊电子元件、轻工家电产品、继电器触点、灯丝、电池等。如日本MIYACHI公司生产的逆变式小型精密电阻焊接电源, 它采用MOSFET作为功率开关用单片机进行控制, 可以与计算机通讯, 控制精度与传统点焊机相比大为提高, 特别适合于精密微型点焊。再如日本AVIO公司生产的高频电阻焊机等。
  逆变点焊机是点焊机的发展方向, 目前在国内也有众多科研单位和高校在加紧研究, 但所见报道甚少。本文主要研究IGBT微型逆变点焊机的保护电路。
 
  2. 逆变点焊电源主电路及工作原理简介
  主电路简图如图1所示。输入单相交流220V, 设逆变频率为1kHz、逆变容量为5kVA，空载电压8V, 交流电经单相整流电容滤波变成314V的直流电加在逆变器上,经全桥逆变器产生1kHz的交流电再经焊接变压器降压, 次级整流变成以供点焊的直流电, 其中逆变器采用对称全桥逆变电路, 其目的在于当开关管承受同样的电压和电流的情况下逆变器有更大的功率输出；另外工作原理简单, 可靠性强, 通用性强。逆变开关管采用IGBT, 其目的在于综合了MOSFET和GTR具有的驱动功率小、输入阻抗高、高的开关速度、载流容量大、开通损耗小、饱和压降低、安全工作区宽等特点。逆变控制方式采用“定频率调频宽”的PWM调节方式。逆变频率固定在1kHz, IGBT的驱动电路采用日本富士公司生产的EXB840模块交替驱动T₁、T₂和T₃、T₄, 在逆变频率不变的情况下通过脉宽调制器(美国硅通用公司生产的SG3525)调节脉冲占空比来调节逆变器的输出电流, 从而调节焊接电流, 即采用PWM方式来调节焊接电流。

图1 主电路原理简图

 
  3. IGBT在工作过程中产生过电压的原因及抑制方法
  3.1过电压产生的原因
  由于IGBT开关速度较高, 关断时将产生很高的di/dt, 由于逆变器负载为感性负载L₁, 并且回路中还存在布线电感L₂, 因此会产生很高的L·di/dt (其中L=L₁+L₂)过电压(关断浪涌电压)。如果此瞬间IGBT的续流二极管不能及时导通, 该尖峰电压将加在IGBT的c-e极间。如果此电压超过IGBT的额定电压, 将击穿IGBT的c-e极间, 造成IGBT永久的损坏。
  3.2 过电压的抑制措施
  针对以上产生尖峰电压的原因可采用如下的过电压抑制方法。
  1)续流二极管采用快速二极管从而能在IGBT关断时迅速开通二级管从而抑制L·di/dt过电压。
  2)IGBT驱动电路中应合理选择门极电阻R_g的阻值大小，参见图2。因为R_g增大时，IGBT的开通关断时间将增加, 从而使di/dt减小, 从而降低过电压L·di/dt，当然R_g增大时会增加IGBT的开通损耗E_on和关断损耗E_off, 从而使IGBT发热损坏, 因此R_g的选择应在开关损耗不大的情况下选用较大的门极电阻R_g。
  3)设计合理的缓冲电路以吸收L·di/dt过电压, 根据实际情况本文采用充放电RCD缓冲电路, 具体电路见图1。
  4)尽量减小焊接变压器的漏感。
  5)尽量减小回路中的布线电感L₂, 如接线越粗越短越好, 缓冲电路中电容采用薄膜电容并靠近IGBT配置, 电阻采用无感电阻等。
 
  4. 过流保护
  在IGBT应用中关键技术之一是过流保护。过流保护电路不仅影响IGBT器件的性能和运行安全, 而且影响整个系统的性能和安全。根据资料, IGBT能承受的过流时间仅为10μs以内,这与其它功率器件相比要小得多, 因而对保护电路提出了较高的要求, 它要求过流保护电路能准确、迅速地检测过流信号并及时(一般在10μs以内)关断, 防止失效。
  本文采用的过电流保护电路见图2。IGBT的过电流检测采用集电极电压识别法, 其原理为集电极通态饱和电压U_ces与集电极电流I_c呈近似线性关系, 识别U_ces的大小即可判断IGBT集电极电流的大小, 从图2看出本设计驱动电路采用日本富士公司生产的厚膜IC EXB840驱动模块, 此模块具有过电流保护功能, 其原理即采用上面介绍的集电极电压识别法。当IGBT过流时U_ces增大, EXB840 6号脚判别过流从而在EXB840 5号脚输出低电平, 光电耦合器导通A点输出过流信号低电平, 同时驱动模块输出的栅极电压从15V降为10V, 输出的过流信号经过脉宽鉴别器(由4098, 4013组成)判别。如果过流脉冲宽度超过10μs, 则输出真正的过流信号关断EXB840驱动信号, 从而关断IGBT；如果过流脉宽信号小于10μs, 可以认为是干扰或是伪过流信号, 但对IGBT的性能没有影响, 因此不用关断IGBT。脉宽鉴别器的目的在于识别真正的过流信号, 保护IGBT。

图2 逆变点焊电源控制电路简图

 
  5. IGBT的直通保护
  全桥逆变器正常工作时T₁、T₂和T₃、T₄轮流交替通断, 但由于某原因在某一时刻T₁、T₄或T₂、T₃可能出现同时导通, 此现象为直通现象。如发生直通现象则输入电源通过上下功率开关管短路不经过焊接变压器, 导致IGBT管损坏, 逆变失败, 为此必须避免直通现象的发生。本设计采用严格限制两组脉冲的最大脉宽, 保证有足够的死区时间以避免直通。具体电路采用美国硅通用公司的第二代产品SG3525 PWM控制器, 此集成电路具有死区调节功能, 即只需调节电阻R_D大小即可调节死区大小, 本设计死区时间定为50μs,试验证明足以防止直通现象的发生。
 
  6. 过热保护
  电源中和整流二极管的冷却非常重要, 必须采用强制冷却方法。由于逆变微型点焊机的功率较小, 本文采用风冷方式, 同时为避免由于工作环境温度的上升,冷却效果不好造成IGBT的损坏, 因此必须采取过热保护措施。本研究采用负热敏电阻作为温度敏感器件检测散热器上的温度。负热敏电阻用导热硅胶粘在IGBT散热器上, 当温度升高时, 负热敏电阻的电阻下降, 当U_A>U_B时比较器输出高电平, 此信号可以作为IGBT的过热信号关断IGBT使点焊机停止工作, 从而有效防止过热。具体电路见图3。

图3 过热保护电路

 
  7. 合闸浪涌电流的防止
  由于为获得纹波较小的滤波电压, 直流逆变焊机的滤波电容较大而且直接从电网取来交流进行整流,因此电压较高, 合闸时其瞬时电流较大对电容器和整流器有很大的损害, 为此必须避免合闸浪涌电流。本文采用继电器等元器件来解决合闸浪涌电流, 具体电路见图4。当通电时继电器触点断开, 通过电阻R₁,对滤波电容C₁充电, 当电压升到继电器动作电压时, 继电器触点S合上,R被短接, 此时可以进入工作状态。

图4 用继电器防止合闸浪涌电流

 
  8. 结论
  1)为抑制关断时的瞬间过电压用RCD缓冲电路是非常有效的，同时应选用快速二极管。
  2)采用集电极电压识别法和脉宽鉴别器可以有效地避免过电流的产生。
  3)过热保护采用负热敏电阻, 合闸浪涌电流消除采用继电器等元器件可靠安全，结构紧凑、实用性强。