逆变电焊机的主要部分是逆变器所产生的逆变式弧焊电源，它又被称作弧焊逆变器，属于一种新型的焊接电源。工频（50Hz）交流电会先被整流器进行整流处理，接着经过滤波变成直流。然后，通过大功率开关电子元件，如晶闸管 SCR、晶体管 GTR、场效应管或 IGBT 等，将其逆变成几 kHz 到几十 kHz 的中频交流电。同时，通过变压器把电压降至适合焊接的几十 V 电压。之后再次进行整流，并经过电抗滤波，从而输出相当平稳的直流焊接电流。

    其变换顺序可简单地表示为：

    工频交流先经整流滤波变为直流，接着直流再经逆变成为中频交流，中频交流随后进行降压、整流、滤波后又变为直流。

    即为：AC→DC→AC→DC

    逆变降压后的交流电，其频率较高。因为频率高，所以感抗大。在焊接回路中，由于感抗大，有功功率就会大大降低。

    所以需再次进行整流。

    这就是目前所常用的逆变电焊机的机制。

    逆变电源的特点：

    弧焊逆变器的基本特点是工作频率高，由此而带来很多优点。

    变压器的原绕组和副绕组，其电势 E 与电流的频率 f 有关系，与磁通密度 B 有关系，与铁芯截面积 S 有关系，与绕组的匝数 W 也有关系，具体关系如下：

    E=4.

    而绕组的端电压U近似地等于E，即：

    U≈E=4.

    当U、B确定后，若提高f，则S减小，W减少，

    因此，

    变压器的重量和体积就可以大大减小。

    就能使整机的重量和体积显著减小。

    还有频率的提高及其他因素而带来了许多优点，

    与传统弧焊电源比较，

    其主要特点如下：

    1.体积小、重量轻，节省材料，携带、移动方便。

    高效节能，其效率能够达到 80%至 90%之间，相较于传统焊机，能够节电三分之一以上。

    3.动特性好，引弧容易，电弧稳定，焊缝成形美观，飞溅小。

    4.适合于与机器人结合，组成自动焊接生产系统。

    5.可一机多用，完成多种焊接和切割过程。

    电焊机之IGBT系列焊机工作原理

    一、功率开关管的比较

    常用的功率开关包含晶闸管、IGBT、场效应管等。其中，晶闸管（可控硅）的开关频率相对较低，大约为 1000 次/秒左右，通常不适合用于高频工作的开关电路。

    1、效应管的特点：

    场效应管的突出优点在于它具有极高的开关频率，每秒钟能够开关 50 万次以上。它的耐压通常在 500V 以上，耐温能达到 150℃（管芯）。同时，它的导通电阻小，管子损耗低，是一种理想的开关器件，特别适合在高频电路中当作开关器件来使用。

    场效应管的工作电流较小，其中高的约为 20A，低的一般在 9A 左右。这就限制了电路中的最大电流。并且，由于场效应管的封装形式，其引脚的爬电距离较小，也就是导电体到另一导电体间的表面距离较小。在环境高压的情况下，容易被击穿，从而导致引脚间导电，进而损坏机器或危害人身安全。

    2、IGBT的特点：

    IGBT 是双极型绝缘效应管。其符号及等效电路图见图 11.1。它的开关频率在 20KHZ 到 30KHZ 这个范围之间。它能够通过大电流，比如 100A 以上。并且因为外封装引脚间距大，爬电距离也大，所以能够抵御环境高压的影响，具有安全可靠的特点。

    一、场效应管逆变焊机的特点

    场效应管具有突出优点，当用场效应管作为逆变器的开关器件时，能够将开关频率设计得很高，这样就能提高转换效率并且节省成本，还可以使用高频率变压器来减小焊机的体积，使焊机朝着小型化、微型化的方向发展，方便人们使用。

    弧焊机和切割机的工作电流都较大。仅使用一个场效应管无法满足焊机对电流的需求，通常会采用多只场效应管并联的形式，以此来提高焊机电源的输出电流。这种方式既增加了成本，又使电路的稳定性和可靠性降低了。

    二、IGBT焊机的特点

    IGBT 焊机是使用 IGBT 作为逆变器开关器件的弧焊机。IGBT 的开关频率较低且电流大，所以焊机所使用的主变压器、滤波、储能电容、电抗器等电子器件与场效应管焊机有很大差异。这些电子器件不仅体积增大了，各类技术参数也发生了改变。

    三、IGBT焊机工作原理：

    半桥逆变电路工作原理如图11.2

    工作原理：

    tl 时间时：开关 K1 处于导通状态，而 K2 处于截止状态，电流的方向如同图中①所显示的那样，电源为主要的变压器 T 提供电力，同时也在给电容 C2 进行充电。

    ②t2时间：开关K1、K2都截止，负截无电流通过(死区)。

    ③t3时间：开关K1截止，K2导通，电容C2向负载放电。

    t4 时间时，开关 K1 和 K2 都处于截止状态，进而又形成了死区。像这样不断重复，在负载上就能够得到如图 11.3 所示的电流，从而实现了逆变的目的。

    2、IGBT焊机的工作原理

    ①电源供给：

    焊机电源由市电供给，像场效应管作逆变开关的焊机那样。市电供给后，先经过整流，接着进行滤波，然后将处理后的电能供给逆变器。

    ②逆变：

    IGBT 的工作电流较大，所以可以采用半桥逆变的形式。将 IGBT 作为开关，它的开通和关闭是由驱动信号来控制的。

    ③驱动信号的产生：

    驱动信号依然采用处理脉宽调制器输出信号的方式。这样能让两路驱动信号的相位相互错开（存在死区），从而避免两个开关管同时导通，防止因过大电流而损坏开关管。驱动信号的中点也会下沉一定幅度，以此防止因干扰导致开关管误导通。

    IGBT 是整个电路中最为关键的元件。它具备输入阻抗高的特点，同时驱动起来较为容易。它的开关速度很快，不会出现二次击穿的情况。并且它具有 GTR 的通态压降低的优势，在高压大电流化方面也比较容易。其等效电路图见图 2。IGBT 是由四层 PNP 构成的。它形成了一个寄生晶闸管。当这个寄生晶闸管导通时，IGBT 的栅极就会失去控制作用。进而会产生所谓的“擎住现象”。这种“擎住现象”分为静态擎住和动态擎住这两种。流过 IG2BT 的稳态电流如果过大，就会产生擎住现象；开关速度如果过快，也会产生擎住现象。所以应尽可能避免焊机在工作时过热和过流，同时要抑制开关时的浪涌电压等，以此来减少擎住现象。

    图2 IGBT等效电路

    2. IGBT对驱动电路的要求

    IGBT 具有开关速度快的特点，并且饱和压降低，还有方形的安全工作区等。这些特点使得对它的驱动要求和保护有以*意点：

    (1)提供适当的正、反向驱动输出电压;

    (2)有足够的瞬时功率或瞬时电流输出能力;

    (3)尽可能短的输入输出信号传输延时;

    (4)很强的输入输出隔离能力;

    (5)具有可靠的过流或保护能力;

    IGBT 的饱和压降较低，这会致使短路电流较大。当发生短路故障时，最好运用具备降栅压以及软关断功能的保护电路。

    IGBT 开通时能够承受较大的电流上升率，同时也能够承受瞬时短路电流。所以，不必采用开通电流的抑制电感。

    NPT 型 IGBT 具有方形的安全工作区，它能够适应高效的放电阻止型关断缓冲吸收电路，从而使它的工作效率得以提高。

    在工作电流比较大的时候，为了让关断过电压得以减小，就应该尽可能地把主电路的布线电感减小，并且吸收电容器要使用低感型的。

    目前市场推出了各种系列的驱动模块，以满足不同电路的要求，像日本富士公司的系列。从综合角度来看，没有一种是完美无缺的。在逆变焊机电路中，IGBT 直接对地短路的可能性较小，只要能确保不出现桥臂直通的情况，并且采用电流互感器进行过流保护，那么 IGBT 就不会面临过流的威胁。逆变焊机采用了一种相对简单的驱动电路，其具体情况见图 3。这种电路通过变压器进行隔离，正负驱动电压为±15V。在工作过程中，其驱动波形见图 4。

    图3 变压器耦合驱动器

    图4 驱动波形

    通过改变电容的充放电时间，能够调整波形的上升沿和下降沿的陡度。要保证正在工作的 IGBT 完全关断后，再开通另一个 IGBT。同时，为了改善驱动脉冲的前后沿陡度以及防止振荡，在 IGBT 的栅极串入一个电阻 Rg，这样可以减小 IGBT 关断时集射间 di/dt 的上升率。实践证明，Rg 的取值在 10～100Ω 较为适宜，并且引线越短越好。

    3. 逆变焊机中的IGBT保护电路

    (1)di/dt的限制。

    为了对感性关断时产生的浪涌电压进行限制，有采取缓冲电路这一必要举措，以消除这种开关浪涌，可参考图 5 。

    图5 逆变桥臂缓冲电路

    图中各元件参数按(1)～(4)式选取。

    Cs=[Io/(KUcep-Ud)]2LS (1)

    式中：Ls——引线电感,以1μH/m计;

    Io——IGBT最大脉冲电流值;

    Ucep——集射间的峰值电压;

    K——额定减小系数,非重复时K=1,重复时K=0.8。

    Ucep=Ud+UFM+Lodi/dt (2)

    式中：Ud——直流高压;

    UFM——二极管暂态正向压降,1200V级取40～60V。

    2Ls/Cs≤Rs≤1/(2.3fCs) (3)

    式中：f——IGBT开关频率;

    IDM=(Ucep-Ud)/Rs (4)

    常选2～3倍IDM快速软恢复二极管。

    实测电压尖峰ΔU=Ucep

    (2)过流保护。

    利用 IGBT 通态压降与集电极电流成正比这一特性，通过对通态压降 VCE(ON)进行监测，以此来判断是否过流，并且采取相应措施以实现所谓的“软关断”，不过此电路的实现较为复杂。将电流电压互感器 LEM 模块用作焊机的电流检测元件，倘若电流超过设定的最大值，那么保护电路就会动作，进而关断 IGBT。另外,在主电路设置大的电抗器,以减小电路开通时电流的冲击。

    (3)过热保护。

    IGBT 的擎住电流和温度存在关联。当温度升高时，NPN 管开通的偏置电压不再是 0.7V 了，而是会随着温度的升高而下降。同时，P+区的横向电阻 RP 会随着温度的升高而增大。这两个因素的影响都会使擎住电流下降，从而导致擎住现象的产生，进而损坏 IGBT。通常在温度上升较为迅速的部位安装热敏电阻，以此来监测焊机的发热状况。当温度达到预先设定的值时，保护电路便会开始动作，促使 IGBT 关断，进而让焊机停止工作。

    4. 结束语

    为保证 IGBT 逆变弧焊机可靠运行，完善驱动和保护电路很重要。在实际工作中，要注意其外围电路的设计以及装配工艺的改进。比如在焊机内布线时，要考虑怎样减小线路的干扰，怎样降低电路的引线电感。散热器和风道的设计要达到最好的散热效果等。

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