DSP控制的IGBT逆變式GMAW焊接電源主電路設(shè)計(jì)(精)

1、第 39 卷第 11 期 2009 年 11 月ElectricWeldi ngMachi neVol . 39No. 11Nov. 2009DSP 控制的 IGBT 逆變式 GMAW焊接電源主電路設(shè)計(jì)王曉非，陳克選，肖笑，宋聚海(蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730050)針對(duì) GMAW 對(duì)焊接電源的要求，設(shè)計(jì)了一臺(tái)DSP 控制的 500A 全橋式 IGBT 逆變 GMAW 焊接摘要：電源。詳細(xì)介紹了主電路的設(shè)計(jì)，包括輸入整流電路、逆變功率開關(guān)IGBT 的選型、中頻變壓器的設(shè)計(jì)、 輸出整流電路、電抗器，以及功率開關(guān) IGBT 的保護(hù)電路等的設(shè)計(jì)。通過系統(tǒng)調(diào) 試，所設(shè)計(jì)的主電路滿足

2、GMAW 要求。GMAW ； DSP； IGBT ;逆變電源；主電路關(guān)鍵詞：TG439. 9A1001- 2303(2009)11- 0065- 04 中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：Desig no fmai ncircuitofDSPc on trolledIGBTi nv ertertypeGMAWweldi ngpowersourceWANGXiao-fei，CHENKe-xuan，XIAOXiao，SONGJu-hai(SchoolofMaterialScie nceA ndEngin eeri ng, Lan zhouU ni versityofTech no logy，Lan

3、zhou730050, Chin a)aGMAWweldingpowerofIGBTfullbridgeinvertercontrolledbyAbstract :Forthe needofthepowersourceofGMAWweld ing, theDSP(500A)isdesignedThispaperpresentsadetaileddesignofthemaincircuitoftheinve rterpowersourceIncludingpre-selectionofrectifierdiodes，theinverterpowerswitchesoptions transfor

4、merdesign, Outputrectifier， Reactor，aswellastheprotectionofIGBTpowerswitchingcircuit. Throughthesystemtest themaincircuitca nm eetsthe needofGMAWKeywords: GMAW ； DSP; IGBT ； in verterpowersource；main circuit0 前言逆變 GMAW 焊接電源具有體積小、質(zhì)量輕、節(jié)材、高效節(jié)能和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu) 點(diǎn)，已經(jīng)逐步應(yīng)用于汽車、船舶、金屬結(jié)構(gòu)和壓力容器等制造業(yè)中。逆變焊接電 源由主電路、控制電路和保護(hù)電路三

5、部分組成1，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常有推挽式、半橋式、全橋式等形式。本研究設(shè)計(jì)的逆變電源輸出電流500A，空載電壓67V，頻率 20kHz。功率較大，因此選擇 IGBT 全橋式逆變主電路。主電路斷電時(shí)，由 R1、C2 和 R2、C4 為 C1、C3 提供放電回路。（2）逆變器。功 率電子開關(guān) IGBT 在以 TMS320LF2407A 為核心的控制回路的作用下，周期性的 開/關(guān)，將輸入整流濾波電路產(chǎn)生的直流電變換成頻率為20kHz 的交流方波，之后經(jīng)高頻變壓器降壓輸出。輸出電壓采用DSP 輸出的 PWM 波進(jìn)行調(diào)節(jié)，即改變驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比實(shí)現(xiàn)。（3） 輸出整流濾波。 高頻變壓器輸出的交流方波電壓再

6、經(jīng) VD7、VD8 整流和電感濾波后，變?yōu)橹绷麟妷狠敵?，為焊接提供能量? 主電路組成和工作原理22. 1主電路設(shè)計(jì)中頻變壓器設(shè)計(jì)本研究設(shè)計(jì)的逆變焊接電源輸出電流 500A，空載電壓 67V，頻率 20kHz，其主電路如圖 1 所示。從圖 1 中可以看出，主電路 分為三部分：（1）輸入整流濾波。電網(wǎng)輸入 50Hz，380V 交流電，經(jīng)大功率整流二 極管整流，為逆變器提供直流電壓。 C1、C3 為濾波電容。當(dāng)收稿日期：2009- 07- 08作者簡(jiǎn)介：王曉非（1982），男，河南商丘人，碩士，主要從事數(shù)字化逆變電源的研究工作。中頻變壓器的作用是電壓變換、功率傳遞和實(shí)現(xiàn)輸入、輸出之間的隔離。對(duì)于逆

7、 變焊接電源中的中頻變壓器，由于工作頻率高達(dá)20kHz，因此要求這種變壓器磁心材料高頻損耗盡可能小，此外更重要的是要求避免磁心飽和，因此選擇磁通密 度時(shí)按最惡劣條件來選擇工作磁通密度。原因是鐵心的飽和意味著高頻變壓器勵(lì) 磁電流的急劇增加，這顯然研究與設(shè)計(jì)第 39 卷圖 1IGBT 逆變焊接主電路原理5 怨會(huì)導(dǎo)致與之連接的功率開關(guān)承受極大的電壓、電流而損壞?？紤]以上要求，本設(shè) 計(jì)采用性價(jià)比較高的鐵氧體材料作變壓器磁心，其飽和磁通密度約0. 4T。工作磁通 B 取小于 1/3Bs。本研究為全橋逆變，所以磁心中的磁通是交變的，B 也是交變的，所以 從=2 用=0. 2T0此外變壓器工作在低電壓、大電

8、流的條件下， 高頻變壓器二次側(cè)繞組電流較大，導(dǎo)線比較粗，因而選擇E 型鐵心，便于繞制。中頻變壓器一次側(cè)繞組 N1，二次側(cè)兩組繞組 N2, N3，對(duì)稱串聯(lián)。由主電路可以 計(jì)算出電網(wǎng)輸入經(jīng)整流濾波后輸入到變壓器輸入端的電壓 U1 = 1. 414X380V = 537. 4V（U1為電網(wǎng)輸入電壓）。2. 1. 1 磁心尺寸變壓器磁心尺寸取決于輸出功率和溫升等，設(shè)計(jì)公式為2:由 P=0.53XfXSW SCXABXJM2 推出PSW SC=式中 P 為功率（單位：W）, P= 500AX67V = 33. 5kW; 0. 53 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；SW 為 鐵心窗口面積 仲位：cm2）; SC 為鐵心有效截

9、面積（單位：cm2）;AB為磁通變化 量（單位：T）; N 為匝數(shù)（單位：匝）;f 為逆變工作頻率（單位：Hz）; J 為電流密度（單位：A/mm2），銅導(dǎo)線 J= 3. 5A/mm2。由式可以算出 SWXSC= 451. 5cm4?？紤]實(shí)際應(yīng)用時(shí)通風(fēng)和繞線留出的空間，窗口系數(shù)選擇1/3,實(shí)際選擇的SWXSO3X4515= 1354. 45cm4。查產(chǎn)品目錄選擇 EE320 型磁心兩幅合并，其 SW=106cm2，SC= 32cm2。驗(yàn)算 SWXSC= 3392cm4,符合要求。2. 1. 2 匝數(shù) 比在此設(shè)計(jì)的電焊機(jī)空載電壓 67V，在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)適當(dāng)取大，其幅值取 75V，n=N1 /N2

10、 = U1/U2= 540V/75V = 7. 2,實(shí)際取 7。所以輸出電壓 U2= 540V/ 7 77V因?yàn)?IGBT 的開關(guān)頻率為 20kHz,周期 T = 50 卩,為防止 IGBT 直通，其 導(dǎo)通時(shí)間小于 25卩。實(shí)際電路 Tonm= （Uo/U2）XT/2 = 21. 75 卩s滿足要求。 其中 Tonm 是U2 中頻變 IGBT 最大導(dǎo)通脈寬，Uo 焊機(jī)空載電壓，壓器二次側(cè)電壓幅值。電網(wǎng)輸入電壓經(jīng)整流濾波后，電壓幅值為Uim = 1. 414XJiX1. 1 = 1. 414X380VX1. 1= 591V（2）式中 1. 1 為電網(wǎng)電壓波動(dòng) 系數(shù)。一次側(cè)匝數(shù)至少為N1=UimX

11、TonrrX0.01/（0.2XSC）=20.08 匝實(shí)際應(yīng)用 N1 = 21 匝，N2 = N3 = 21/7= 3 匝。2. 1. 3 繞組銅皮尺寸中頻變壓器一次側(cè)電流 I1= I2/7= 71. 4A，考慮到在 20kHz 下銅的集膚效應(yīng)為0. 468mm,選擇銅皮厚度為 0. 8mm。一次側(cè)繞組截面積 S1= I1/J = 71. 4A/ 一次側(cè)銅皮寬度 W1 = S1/0. 8 = 3. 5A/mm2 = 20. 4mm2,25mm,中頻變壓器二次側(cè)平均電流為 500/2 = 250A,寬度 W2 = 71. 4/銅皮截面積 S2= 250/3. 5= 71. 4mm2,0. 8=

12、89mm。實(shí)際應(yīng)用中一次側(cè)選用 25mm 銅皮繞制，二次側(cè)采用寬度 50mm 的銅皮，取兩股并聯(lián)繞制。2. 2IGBT 選擇IGBT 是逆變弧焊電源中的關(guān)鍵核心元件，對(duì)它的設(shè)計(jì)、選擇直接關(guān)系到整個(gè)焊 機(jī)的安全、可靠。因此在計(jì)算參數(shù)時(shí)應(yīng)留有較大的裕量。2. 2. 1 額定電壓輸入電網(wǎng)電壓經(jīng)整流、濾波后，直流輸出電壓最大值Ud(IGBT 承受的穩(wěn)態(tài)最大電壓)為3: Ud =姨 UX1. 1X姨X38OVX1. 1X1. 1= 650V式中 U 為電網(wǎng)電壓 有效值；1. 1 為波動(dòng)系數(shù)；a為安全系數(shù)，取 1. 1。IGBT 關(guān)斷時(shí)的峰值電壓 UcepsUceps= (UdX. 15+ 150)X=

13、(650VX. 15+ 150V)X. 1 = 987. 25V(5)式中1.15 為過電壓系數(shù)；150 為 Ldi /dt 引起的尖峰電壓 仲位：V)。 實(shí)際中，額定電壓向上靠，選擇 1200V。2. 2. 2 額定電流 IC 高頻變壓器一次側(cè)電流：I1=I (6)2N2/N1=500AX3 吃 1=71.4A研究與設(shè)計(jì)王曉非等：DSP 控制的 IGBT 逆變式 GMAW 焊接電源主電路設(shè)計(jì)第 11 期 式中 I1 為高頻變壓器一次側(cè)電流；I2 為高頻變壓器二次側(cè)電流，按照額定輸出電流 500A 計(jì)算；N1、N2 為高頻變壓器一、二次側(cè) 匝數(shù)。即每只 IGBT 管子上的平均電流為 I1 的一

14、半，35. 7A。額定電流 IC 是 IGBT 導(dǎo)通時(shí)能流過管子的最大持續(xù)電流(結(jié)溫 25C),因 此，選擇管子的電流等級(jí)為 150A。綜上所述，選擇德國西門子 1200V 標(biāo)準(zhǔn)系列 BSM150GB120DN2IGBT，其額定電 壓為1200V，額定電流 150A。2. 2. 3IGBT 阻容吸收保護(hù)電路為了防止 IGBT 在關(guān)斷時(shí)損壞，本設(shè)計(jì)中采用 RCD 緩沖電路，其組成如圖 1 中 VD1，R3, C6 所示。其作用是在 IGBT 關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過 VD1 向 C6 分流， 減輕 IGBT負(fù)擔(dān)，抑制 du/dt 和過電壓。本設(shè)計(jì)中電容選擇 0. 15 卩曠 1kV，電 阻 10Q/

15、20W。2. 3 輸入電路設(shè)計(jì)電網(wǎng)輸入交流電經(jīng)整流器整流后，變成脈動(dòng)直流電，需經(jīng)輸入濾波器進(jìn)行濾波， 將脈動(dòng)直流電變成平滑直流電再送給逆變器。2. 3. 1 整流二極管選擇二極管時(shí)是根據(jù)電流的有效值進(jìn)行選擇的，相應(yīng)的正弦半波有效值為4Ib = 1. 57IN(7)式中 Ib 為電流有效值(單位：A) ； IN 為額定電流(單位：A)。由于是三相全橋整流，每個(gè)整流管導(dǎo)通 1/3 周期，因此每個(gè)周期內(nèi)整流管電流 發(fā)熱量Q=Id2XXT/3(8)式中 Q 為電流通過二極管的發(fā)熱量；Id 為輸入電流平均值；R 為負(fù)載；T 為周 期。由此可以推出 Id2 RXT/3= Ib2 RXT，從而得出 lb =

16、 0. 58ld，即 0. 58ld =1. 57IN。額定電流 IN =中頻變壓器一次電流 I1 = 71. 4A ,0. 369Id = 0. 36911= 0. 369X71. 4A = 26. 3A。整流二極管最大承受電壓 Uim = 1. 414XJiX.1= 1. 414X380VX1. 1= 591V。 實(shí)際應(yīng)用選擇兩倍安全余量，選擇額定值為 1600V, 75A。實(shí)際焊機(jī)中選擇的是 MDS75 16整流模塊。2.-3. 2 軟起動(dòng)”電路設(shè)計(jì)限流電阻 R電容輸入式整流濾波電路在接通交流電壓時(shí)，合閘時(shí)對(duì)電容進(jìn)行充電，往往會(huì)引起較大的浪涌電流，因此會(huì)引起一系列可靠性方面的問題，必須加

17、以抑制。軟起動(dòng)電路分為兩部分：一是輸入電網(wǎng)電壓分段起動(dòng)，在合閘時(shí)，先接 入限流電阻 R,將合閘浪涌電流限制在設(shè)定范圍內(nèi)，待輸入電容充滿電后，再將 該電阻短接；二是逆變器的輸入、 輸出濾波電容容量較大， 若大功率開關(guān)管馬上 按照額定負(fù)載的脈寬（最大）導(dǎo)通，輸入電容以最大電流放電和輸出電壓的突然建 立，將會(huì)形成非常大的電容電流，使得功率開關(guān)管的負(fù)擔(dān)過重，很有可能在合閘 時(shí)將開關(guān)管燒壞。對(duì)于第二部分軟起動(dòng)電路通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，第一部分軟起動(dòng) 電路通過硬件實(shí)現(xiàn)。對(duì)于第一部分限流電阻的選擇要適當(dāng)，過大，主電路電壓降 損失大；過小，起不到限流作用。本研究中，選擇的限流電阻R 為 20Q/20W 的水泥電阻

18、。起動(dòng)后，延時(shí)一段時(shí)間（即濾波電容 C1、C3 充滿電后，其時(shí)間常數(shù)為 =RC=20QX1500/2= 15ms）5開關(guān) K1 閉合，將 R 從主電路中短接。2. 3. 3 濾波電容在此采用三相全波整流，其直流電壓脈動(dòng)頻率為300Hz。為了供給逆變器平滑的直流電壓，必須在輸入整流電路和逆變器之間加入濾波電容，其目的是減小整流 輸出后直流電的交流分量。如圖 1 中 C1 和 C3 即濾波電容，其計(jì)算公式為（9）C = TXPi n/Ud2式中 T 為整流輸出直流電壓的脈動(dòng)周期；Pin 為輸入功率 仲位：W） ； Ud 為電容 器平均電壓（單位：V）。由式（9）可得 C = 382 一般實(shí)際選取是

19、算出值的 35 倍。在此實(shí)際選取的是 兩個(gè)22001F, 400V 電容串聯(lián)，其目的是提高耐壓值。由于電解電容不是理想的 電容，它本身的阻抗對(duì)電容上的電壓會(huì)有影響，所以為了穩(wěn)定其兩端電壓，使每組電容的分壓相等，分別在每組的電容兩端并聯(lián)一個(gè)均壓電阻。如圖1 中 R1,R2。本設(shè)計(jì)選擇的 R1 = R2= 70k Q。由于串聯(lián)等效電阻 ESR 和串聯(lián)等效電感 ESL 的存在，影響濾波效果。實(shí)際電路 中，在電解電容兩端并聯(lián)高頻無極性電容，如圖 1 中 C2, C4。選擇高頻濾波電 容主要滿足耐壓值夠，本設(shè)計(jì)中選擇的是 104J, 630V。2. 4 輸出電路設(shè)計(jì)采用全波中心抽頭整流，其優(yōu)點(diǎn)是電壓損失

20、少，使用二極管少，成本低。2. 4. 1 整流二極管因?yàn)槭歉哳l整流，所以選擇的是快恢復(fù)二極管，它具有短的反向恢復(fù)時(shí)間和小的 反向恢復(fù)電流。對(duì)研究與設(shè)計(jì)第 39 卷于單相全波整流電路，整流二極管額定電流為IN = 0. 512 = 0. 5X500A = 250A(10)12 為焊機(jī)輸出電式中 IN 為整流二極管額定電流；流 500A。管上承受最大反向電壓Uin = 2U2= 2X77V = 154V(11)式中 Uin 為焊機(jī)輸出電壓幅值 77V。本設(shè)計(jì)中考慮實(shí)際應(yīng)用安全問題，焊機(jī)選用四組MURP20040CT 整流二極管，其額定電流 200A，額定電壓 400V。采用兩兩并聯(lián)使用，使其電流每

21、組達(dá)到400A。為了得到平滑的直流電壓，需要加入輸出濾波電容。其計(jì)算式為：RLXO(3-8)T。在此設(shè)計(jì)的是 20kHz 的焊機(jī)，所以選擇的電容為 1000PF，2kV。2. 4. 2 輸 出直流電抗器電焊機(jī)中直流電抗器的作用有兩個(gè)：一是濾波和儲(chǔ)能，二是改善電源的動(dòng)特性， 限制短路電流的上升速度和峰值電流，改善引弧性能，減小飛濺。本焊機(jī)設(shè)計(jì)時(shí) 選用線性電抗器，其具有空氣隙較大，在大電流時(shí)不飽和。硅鋼片條形鐵心，其 價(jià)錢低廉。為了滿足輸出電流的連續(xù)，電抗器的電感量L 應(yīng)滿足L(U2- U0)Xon/2lomin(12)式中 L 為直流電抗器的電感量(單位：H); U2 為中頻變壓器二次側(cè)電壓幅值

22、(單 位：V);U0 為焊機(jī)輸出電壓(單位：V); ton 為 IGBT 最大導(dǎo)通時(shí)間 仲位：卩 s； Iomin 為最小電流(單位：A)。一般情況下 Iomin05AIL,其中 IL 為電焊機(jī)額定一般取 IL 的輸出電流 500A，AIL 為 IL 的變化量，5%;計(jì)算的 Iomin 125A，取 15A。即L (77-67) )21. 75/(2 15) = 0. 007mH(13)當(dāng)焊絲直徑為 1. 6mm 時(shí)，L 取值為0. 30. 7mH。L 取值一般為晶閘管逆變器電感量的 0. 10. 3 倍4，本焊機(jī) 選擇的是 0. 07mH。電抗器線圈匝數(shù)可由式(14)求得N = 4400導(dǎo)線電流密度(單位：A/cm2)。3 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)