逆變焊機(jī)關(guān)于IGBT炸管原因分析及解決方案

1、.力仕達(dá)逆變焊機(jī)關(guān)于IGBT炸管分析和解決方案力仕達(dá)在做逆變焊機(jī)之前，參考了大量的焊機(jī)技術(shù)資料，也結(jié)合了國(guó)內(nèi)和國(guó)外的焊接技術(shù)，尤其是針對(duì)現(xiàn)在論壇和網(wǎng)絡(luò)上的大家普遍關(guān)注的IGBT炸管問(wèn)題進(jìn)行了深入的分析，并結(jié)合本公司10多年的焊接經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，成功的解決了這一問(wèn)題，現(xiàn)在力仕達(dá)生產(chǎn)的逆變焊機(jī)，炸管率極低?，F(xiàn)階段人們普遍關(guān)注的IGBT炸管，很大一部分是由于目前大家對(duì)開(kāi)關(guān)器件及主電路結(jié)構(gòu)工作原理的理解及檢測(cè)手段的缺乏所造成的。但另一方面大功率逆變焊機(jī)開(kāi)關(guān)器件工作的可靠性是整機(jī)設(shè)計(jì)的重中之重，也是關(guān)乎一臺(tái)焊機(jī)能否取勝市場(chǎng)的重中之重，但是正是由于之前所說(shuō)的對(duì)這方面理解的缺乏，以及檢測(cè)手段的不完善，導(dǎo)致了國(guó)產(chǎn)

2、IGBT逆變焊機(jī)的返修率居高不下，不能大量推廣。下面我們就具體的以IGBT電流，電壓波形的檢測(cè)及定量分析，具體的電路以半橋逆變手工400A焊機(jī)為例進(jìn)行分析。1電壓型PWM控制器過(guò)流保護(hù)固有問(wèn)題 目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的IGBT逆變弧焊機(jī)PWM控制器通常采用TL494、SG3525等電壓型集成芯片，電流反饋信號(hào)一般取自整流輸出端。當(dāng)輸出電流信號(hào)由分流器檢出電流與給定電流比較后，經(jīng)比例積分放大器放大，控制輸出脈沖寬度。IGBT導(dǎo)通后，即使產(chǎn)生過(guò)電流，PWM控制電路也不可能及時(shí)關(guān)斷正在導(dǎo)通的過(guò)流脈沖。由于系統(tǒng)存在延遲環(huán)節(jié)，過(guò)流保護(hù)時(shí)間將延長(zhǎng)。 2電流型過(guò)流保護(hù) 電流型PWM控制電路反饋電流信號(hào)由高頻變壓器初級(jí)

3、端通過(guò)電流互感器取得。由于電流信號(hào)取自變壓器初級(jí)，反應(yīng)速度快，保護(hù)信號(hào)與正在流過(guò)IGBT的電流同步，一旦發(fā)生過(guò)流，PWM立即關(guān)斷輸出脈沖，IGBT獲得及時(shí)保護(hù)。電流型PWM控制器固有的逐個(gè)脈沖檢測(cè)瞬時(shí)電流值的控制方式對(duì)輸入電壓和負(fù)載變化響應(yīng)快，系統(tǒng)穩(wěn)定性好只要IGBT功率余量足夠大,電壓型PWM電路可靠性基本上沒(méi)有什么問(wèn)題，但是相對(duì)的成本也提高了很多！但就目前來(lái)說(shuō)，電焊機(jī)大多數(shù)是電流型的且輸出電壓并不穩(wěn)定!保護(hù)器誤操作的情況也經(jīng)常發(fā)生，所以針對(duì)這種情況電流型比較適合當(dāng)今的中國(guó)市場(chǎng)，可以滿足絕大部分的需要! 下面我們來(lái)分析一下電流型的，以PWM IC為UC3846J為例，陶瓷封裝的，工作頻率10

4、0KHz。（電流型的，線路板相對(duì)而言要難制作很多）電流反饋采用互感器采樣峰值電流和霍爾采樣平均電流，雙環(huán)反饋。電流型控制的好處很多，峰值電流不僅僅是做保護(hù)用，更重要的，他參與了大環(huán)路反饋的控制。簡(jiǎn)單而言，就是用誤差放大器的輸出去控制峰值電流，因此可以做到半個(gè)周期（5微秒）內(nèi)就可以作出響應(yīng)，放大器的響應(yīng)速度反而沒(méi)那么重要了，盡管UC3846的誤差放大器速度很快。有時(shí)為了得到比較慢的響應(yīng)速度還特意減慢放大器的響應(yīng)速度，例如在進(jìn)行氬弧焊時(shí)，過(guò)快的響應(yīng)速度反而會(huì)使電弧特性變硬。但是，一臺(tái)逆變焊機(jī)的好壞不僅僅是采用何種IC去控制，另外一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是驅(qū)動(dòng)電路的參數(shù)。這個(gè)參數(shù)要根據(jù)主開(kāi)關(guān)元件和輸出整流二極管

5、的特點(diǎn)來(lái)作調(diào)整，緩沖電路的配置也很重要。一臺(tái)成功的逆變焊機(jī)每一個(gè)環(huán)節(jié)都要做到完美，也就是說(shuō)單個(gè)元件并不是要花很多錢，關(guān)鍵還是一個(gè)配合問(wèn)題，要考慮整個(gè)焊機(jī)的協(xié)調(diào)性能和各個(gè)元件之間的配合度。目前來(lái)說(shuō)，很多國(guó)內(nèi)的焊接廠商和這方面的技術(shù)工程師，反而忽略了這一點(diǎn)，單純追求某方面的性能優(yōu)越，缺乏部門(mén)同事之間的配合，做出來(lái)的產(chǎn)品雖然在某些方面性能確實(shí)是非常優(yōu)越，但整機(jī)方面就有待加強(qiáng)了！力仕達(dá)機(jī)電科技有限公司很好的避免了這一點(diǎn)，我們結(jié)合10多年的焊接經(jīng)驗(yàn)，參考了大量的國(guó)外國(guó)內(nèi)的資料，進(jìn)行了充分的交流和溝通，相信力仕達(dá)公司的逆變焊機(jī)在整機(jī)的性能上可以更上一個(gè)臺(tái)階。例如：400A手工焊機(jī)。 手工焊機(jī)在所有逆變焊機(jī)

6、中是最難做的一種，他的負(fù)載動(dòng)態(tài)范圍是最大的。 基本設(shè)計(jì)思路：電路極限值的工程估算 1。確定焊機(jī)容量，按公式計(jì)算有空載電壓200.0440036V，計(jì)入整流管壓降以及電纜壓降取40V?？蛰d電壓取60V，這樣主變?cè)驯?（以輸入380V三相計(jì)算） 2。估算初級(jí)峰值電流以確定主開(kāi)關(guān)元件容量，取最大電流匝比12053A，查參數(shù)手冊(cè)應(yīng)選用75A，1200VIGBT（以主電路全橋計(jì)算）。視不同廠家的IGBT工作頻率可在2228KHz之間選擇。 3。主變的計(jì)算，過(guò)程略。大家都知道。 4。主控電路的確定，剛才說(shuō)了，為保證主開(kāi)關(guān)元件的安全和輸出動(dòng)特性，應(yīng)采用電流型控制，UC3846或UC3825的資料請(qǐng)上網(wǎng)查尋。

7、反饋還是老一套，電流互感器霍爾。 5。驅(qū)動(dòng)參數(shù)的確定。大家可能都會(huì)采用驅(qū)動(dòng)IC吧？其實(shí)在輸出電壓不是很高的場(chǎng)合根本沒(méi)必要，采用脈沖變壓器單極性驅(qū)動(dòng)就可以了，既便宜又可靠。驅(qū)動(dòng)IC的負(fù)壓主要是用在變頻器之類的場(chǎng)合，為防止二極管恢復(fù)壓而設(shè)置的，焊機(jī)就不存在這個(gè)問(wèn)題，用負(fù)壓反而容易造成IGBT自鎖而失效。 6。柵電阻的取值。在主變內(nèi)穿一根線，再接入示波器觀察，此時(shí)應(yīng)用調(diào)壓器降低輸入電壓，將輸出短路?？措妷杭夥迨窃谇把剡€是后沿，后沿的尖峰高表明整流管的恢復(fù)速度慢了，需要降低IGBT的導(dǎo)通速度，前沿尖峰過(guò)高表明IGBT關(guān)斷速度過(guò)快，也應(yīng)該降低關(guān)斷速度。 7。緩沖電路。初級(jí)用RC回路直接接入主變兩端，接入

8、點(diǎn)盡量靠近IGBT，次級(jí)也用RC回路，接于二極管兩端。 一般來(lái)講，大功率最好選擇全橋電路，主開(kāi)關(guān)元件開(kāi)關(guān)應(yīng)力最小。單向偏磁在電流型IC的控制下不復(fù)存在，主變連接時(shí)無(wú)需隔直電容。注意：電流型控制不能用于半橋電路！電感的確定：正常情況下按3000f(KHz)=微亨來(lái)計(jì)算。例如100KHz，30微亨，25KHz，120微亨。制作電感時(shí)注意電感電流容量以及磁通是否會(huì)飽和，一旦磁通飽和的話，不會(huì)燒IGBT，但是電弧特性明顯變差，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)頻繁斷弧。120170微亨，400A的電感采用6060200的矩形鐵芯，用410的絲包扁銅線立繞，繞滿時(shí)電感量就約為170微亨。采用此方法制作的手工焊機(jī)電弧穩(wěn)定，起弧容

9、易，電流不過(guò)沖。最大程度的保證了焊接工藝的穩(wěn)定。這只是一個(gè)例子，大家可以在此基礎(chǔ)上再發(fā)展出其他品種的焊機(jī)，例如CO2焊機(jī)，只要把送絲機(jī)的速度控制改成弧長(zhǎng)反饋就可以得到變速送絲CO2焊機(jī)，他將具有下降特性的所有優(yōu)點(diǎn)，最明顯的就是飛濺極小，是因?yàn)槎搪窌r(shí)無(wú)過(guò)沖電流而得到的。改變UC3846放大器的參數(shù)，甚至還可以做到短路過(guò)渡時(shí)電流為一個(gè)很小的值，短路恢復(fù)后立刻起弧，進(jìn)入下一個(gè)過(guò)程。最頂級(jí)的做法就是像采用電弧功率反饋控制送絲機(jī)，當(dāng)時(shí)采用的IC是UC3825，接成電壓型線路，輔以同步短路電流控制。當(dāng)時(shí)的乘法器為了節(jié)省成本沒(méi)有使用AD532，而是別出心裁使用了SG3525作為數(shù)字乘法器。實(shí)踐證明性能優(yōu)秀，

10、是毫不遜色于AD532，溫度穩(wěn)定性和零點(diǎn)還優(yōu)于激光調(diào)零的AD532。推力是指熔滴短路過(guò)渡時(shí)電流推動(dòng)熔滴進(jìn)入熔池的力量，電流太小將會(huì)造成粘結(jié)，過(guò)大時(shí)又會(huì)造成飛濺。不過(guò)通常情況下，只有當(dāng)焊接電流小小的時(shí)侯作用才明顯。實(shí)現(xiàn)一般是采用短路電流限制法實(shí)現(xiàn)。 不過(guò)，電流型PWM的印刷版走線是很講究的，要注意地線的走向和接地點(diǎn)的選擇。通常來(lái)說(shuō)，要避免功率地和信號(hào)地平行走線。對(duì)于UC3846來(lái)說(shuō)，接地點(diǎn)是應(yīng)該接在高頻退耦電容的地端，用星型接地法，使地線呈放射狀散開(kāi)，另外因?yàn)閁C3846的功率地和信號(hào)地是共用的，所以高頻退耦電容還應(yīng)該盡量貼近IC的接地端安裝。這個(gè)高頻退耦電容通常使用1微法的聚丙烯疊層電容為最好

11、。高頻應(yīng)用時(shí)，UC3846是可以直接驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器的，電路比較簡(jiǎn)單，如果是要帶功率擴(kuò)展的話，最好是在他的輸出端對(duì)地反接一個(gè)肖特基二極管，防止地電位變負(fù)。注意：UC3846是高敏感度IC，他的內(nèi)部有多個(gè)超高速放大器。他的安裝位置要遠(yuǎn)離干擾源，必要時(shí)，使用硅鋼片屏蔽罩也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。UC3846的外圍電路 關(guān)于絕緣柵類的開(kāi)關(guān)元件其驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷速度均需很快，開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)速度靠調(diào)整柵級(jí)電阻來(lái)調(diào)整。其典型驅(qū)動(dòng)電路請(qǐng)參照MOTOROLA公司的專著TMOS功率場(chǎng)效應(yīng)管一書(shū)，他是采用二極管單向整流，PNP晶體管放電關(guān)斷的辦法，速度很快。典型值可達(dá)100ns。這就好比你讓寶馬跑160KM/h是很容易的事

12、，讓夏利去就費(fèi)力了。在這個(gè)基礎(chǔ)上才談得上去調(diào)整驅(qū)動(dòng)速度。從成本來(lái)說(shuō)，整套全橋脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)線路成本都比不上諸如M57962等等驅(qū)動(dòng)IC的一半價(jià)錢，線路又簡(jiǎn)單，何樂(lè)而不為呢？這種驅(qū)動(dòng)電路對(duì)MOS和IGBT都通用。 新出的UC3825就比較容易布線。他的功率地和信號(hào)地是分開(kāi)的。用UC3846時(shí)地線銅箔宜寬不宜窄，功率地到接地點(diǎn)走線越短越好。此外還需要將線路板的銅箔加厚，盡可能的減少地電阻和地電感。有條件的可以采用三層板，中間層作為地線層，性能可以大幅度提高。 脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路有一個(gè)其他電路不具備的優(yōu)點(diǎn)，即永遠(yuǎn)不可能出現(xiàn)橋臂直通現(xiàn)象。脈沖變壓器不可能將四路電平全部出高，只能是交替出高電平，只要死區(qū)時(shí)間足夠就永不發(fā)生共同導(dǎo)通現(xiàn)象。而用驅(qū)動(dòng)片驅(qū)動(dòng)時(shí)，一旦PWM出錯(cuò)，極有可能兩路全高造成橋臂直通（常有的事），瞬間就會(huì)造成IGBT自鎖，這時(shí)候片內(nèi)保護(hù)電路是無(wú)能為力的，只能傻傻的看著IGBT炸掉。就算不至于自鎖也會(huì)發(fā)生二次擊穿（IGBT也有二次擊穿，只不過(guò)耐量比GTR高得多，他本質(zhì)上還是GTR。MOSFET也有，但是比SOA寬得多，一般只是在極高的電壓瞬變時(shí)發(fā)生，典型值為30Vns,一般不予考慮），結(jié)果也是一