一種高頻逆變弧焊電源主功率系統的制作方法

專利名稱：一種高頻逆變弧焊電源主功率系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高頻逆變弧焊電源主功率系統，屬于焊接設備及自動化 領域。
技術背景目前，國內大部分的弧焊逆變電源采用全橋式IGBT逆變結構，其結構如 圖1所示，開關管IGBTQi、 Q4和Q2、 Q3輪換導通，傳統的全橋拓撲結構中，每 個IGBT承受的電壓為540V，所以開關管IGBT —般選用1200V的模塊(模塊 體積較大)，IGBT承受的電壓越高，則開通、關斷時刻造成的損耗越高，因此 在普通全橋弧焊電源中IGBT的頻率被制約在20KHz左右，如果繼續提高頻率， 會造成IGBT發熱嚴重，從而造成嚴重后果。因此，研制大功率、小體積、高 性能的逆變弧焊電源仍是人們不斷努力和追求的目標。三電平變換器在電力電子直流變換器中的應用越來越廣泛，已成為解決小 體積和大功率變換器的一個重要方法。三電平直流變換器的首要目的是為了 降低開關管的電壓應力，同時減小輸出濾波電感，電容的值，從而減小變換 器的體積，提高逆變電源的工作頻率，隨著軟開關技術的飛速發展,結合軟開 關技術的三電平變換器已成為研究的熱點問題。 發明內容本發明目的在于克服了現有的弧焊逆變電源的上述缺陷，提供了一種三 電平數字逆變弧焊電源。該電源的主功率系統采用飛跨型三電平拓撲結構級 聯全橋拓撲結構。此拓撲結構上開關管IGBT上的壓降為傳統的全橋拓撲結構 上開關管IGBT上的壓降的一半，大大降低了開關損耗，同時可以選取耐壓值 更低的IGBT，為進一步提高弧焊電源的工作頻率，從而為提高輸出精度和降 低成本打下基礎。為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案。包括有八個開關管IGBT，八個開關管IGBT分別具有柵極、發射集和集電極。其中整流之后的 540V電壓的正端接第一開關管IGBT Q,的集電極，負端接第四開關管IGBT Q4 的發射極；第一電阻Ri和第二電阻R2串聯接在整流后的540V直流電之間；第 一電容d和第二電容C2串聯接在整流后的540V直流電之間；第一電阻R,和第 二電阻R2的串聯點與第一電容C,和第二電容C2的串聯點相連，并且與第二開 關管IGBT Q2的發射極相連；第一開關管IGBT CK的發射極與第二開關管IGBT Q2的集電極、第五開關管IGBT Qs的集電極和第七開關管IGBT <37的集電極相 連；第二開關管IGBT (32的發射極與第三開關管IGBT <33的集電極相連；第三 開關管IGBT 03的發射極與第四開關管IGBT 04的集電極、第六開關管IGBT Q6 的發射極、第八開關管IGBT Qs的發射極相連；第五開關管IGBT Qs的發射極 與第六開關管IGBT Q6的集電極相連，第七開關管IGBT Q7的發射極與第八開 關管IGBT Qs的集電極相連；第三電容C3連接在第二開關管IGBT 02的集電極 和第三開關管IGBT Q3的發射極之間；每個開關管IGBT都并聯有一個二極管， 二極管的陽極與開關管IGBT的發射極相連，二極管陰極與開關管IGBT的集 電極相連；八個開關管IGBT上的柵極、發射極分別接到IGBT驅動電路上； 驅動變壓器L初級線圈的兩端分別接第五開關管IGBT Q5的發射極和第七開關 管IGBT Q7的發射極。本發明的工作原理及過程-1) Qi、 Q3和Q2、 Q4輪流同時導通，并且保證在最大脈寬內導通(死區時 間為s)，這樣就不需要對開關管QrQ4進行脈寬調治。2) 讓開關管Qs-Qs按全橋模式工作，當開關管Q,、 Q3導通時刻，控制Qs、 Qs的導通時間；當開關管Q2、 Q4導通時刻，控制Q" Q7的導通時間，從而對輸 出電壓進行調節。3) 開關管Q5-Q8進行前沿調節，讓Qs， Qs比Ch， Q3延遲時間Wus關斷； Q6、 Q7比Q2、 Q4延遲時間T^l"s關斷，這樣通過電容C3、 二極管D2， 。3的箝 位作用，讓Q廠Q8分別起到不同效果的軟開關作用。4)單片機通過A/D模塊把采樣電流、采樣電壓、給定電流和給點電壓的 模擬量轉化為數字量，根據反饋的誤差和誤差變化率，實時選擇合適的PI參 數，進行PI計算，達到調節的目的。與現有技術相比，本發明專利具有以下優點1) 由于Qi Q4串連在540V電壓之間，并且任何時刻最多保持兩個IGBT 開通，所以Q' Q4的最大承受電壓為270V，由于Q,、 Q3和Q2、 Q4輪流導通， 所以G,兩端最大電壓為270V， Qs Q8上的最大承受電壓也為270V,成功地把 IGBT最高承受電壓降為傳統的全橋弧焊電源上IGBT最高承受電壓的一半，有 效地降低了開關管的熱損耗，從而可以大幅度逆變弧焊電源的工作頻率，達 到提高電源的輸出精度的目的。2) 箝位電容C3、續流二極管D2、 D3起到一定的軟開關作用，進一步降 低IGBT上的關斷和開通壓降。3) 通過提高逆變電源的頻率，可以減小變壓器、電抗器的體積，從而 降低成本。


圖1傳統的全橋主功率拓撲結構框圖 圖2本發明的系統框3三電平數字逆變弧焊電源的主功率拓撲結構框4三電平數字逆變弧焊電源的開關管工作時序及開關管上的電壓圖5三電平數字逆變弧焊電源的主電路工作模式具體實施方式
下面結合圖1 圖5對本發明作進一步說明。本系統包括有三相整流濾波電路A、三電平數字逆變弧焊電源的主功率電 路B、電流檢測電路C、電壓檢測電路D、數字控制系統E、保護電路F和IGBT 驅動電路G。其中，主功率電路B是采用飛跨型三電平拓撲結構級聯全橋拓撲 結構，主功率結構中，Q廣Q8是分別具有柵極、發射集和集電極的IGBT。其中，三相整流濾波電路A整流之后的540V電壓的正端接的集電極，負端接IGBT Q4的發射極。第一電阻Ri和第二電阻R2串聯接在整流后的540V直流電之間， 第一電容d和第二電容C2串聯接在整流后的540V直流電之間。第一電阻R, 和第二電阻R2的串聯點與第一電容d和第二電容C2串聯點相連，并且與第二 開關管IGBT 02的發射極相。第一開關管IGBT (^的發射極與第二開關管IGBT 02的集電極、第五開關管IGBT Qs的集電極和第七開關管IGBT <37的集電極相 連。第二開關管IGBT Q2的發射極與第三開關管IGBT <33的集電極相連。第三 開關管IGBT Q3的發射極與第四開關管IGBT 04的集電極、第六開關管IGBT Qs 的發射極、第八開關管IGBT Q8的發射極相連。第五開關管IGBT 05的發射極 與第六開關管IGBT Qs的集電極相連，第七開關管IGBT 07的發射極與第八開 關管IGBT Q8的集電極相連。第三電容G連接在第二開關管IGBT 02的集電極 和第三開關管IGBT Q3的發射極之間。二極管D, D8分別并聯在開關管IGBT Q「Q8上面，二極管的陽極與IGBT的發射極相連，陰極與IGBT的集電極相連。 Qi—Q8上的柵極、發射極分別接到IGBT驅動電路上，柵極和發射極接驅動脈 沖信號。驅動變壓器L初級兩端分別接第五開關管IGBT Q5的發射極和第七開 關管IGBT Q7的發射極，電流檢測電路C、電壓檢測電路D和保護電路F分別 與數字控制系統E相連；驅動電路G與三電平數字逆變弧焊電源的主功率電 路B連接。三相整流濾波電路A的輸入電壓為380V的三相交流電，經過AC-DC-AC 變換，轉化成供電焊機使用的電源。圖3為三電平數字逆變弧焊電源的主功 率拓撲結構，為分析其工作模式，先做如下假設a、 電路中所有開關管、二極管、電感、電容都為理想器件，在分離出等 效漏感的情況下，變壓器T也為理想變壓器，設變壓器原初級、次級匝比為 N;b、 電感L足夠大，輸出電流是連續的。電容d、 C2足夠大，其上電壓 近似為不變的，均為l^270V，此時d、 G可以近似為電壓源；c、設電容C3的大小為C，電源的最大輸出電流為400A。 開關模態a[t。-t山在t。時刻以前，開關管QrQ8都處于關斷狀態。t。時亥ij，開關管Q^ Q3導通，電流流向為Q C3—Q3—d,給電容C3充電，當t時刻，G上的電壓達到270V; 開關模態a[t2-13]:在t2時刻，開關管Qs、 Qs導通，電流流向為d—Qi—Q5—Q8—Q3—d,給變壓器次級供電，初級等效電流大小為I。此刻，變壓器原邊電壓為270V，副邊電壓為270/N; 開關模態a[t3-14]:在t3時刻，開關管Qi、 03關斷，電流流向為C3—Q5—Q8—C3，給變壓器次級供電。由于電容C3放電，電容C3的電壓逐漸減小，U。3 =270-IX (t-t3)/C; 開關模態a[tft5]:在t4時刻，U。3 =270-1X (t4-t3)/C;開關管Q5、 Qs關斷，由于變壓器初級電流不能突變，所以電流流向為C3—Ds—D7—C3，給電容C3充電。(Tftft3，即為開關管Q5、 Q8比開關管Qh Q3的延遲關斷時間)； 開關模態a[te-t7]:在t6時刻，開關管(32、 Q4導通，電流流向為C2—Q2—C:i—Q4—C2，給電容C3充電，當t7時刻，C3上的電壓又達到270V; 開關模態a[ts-"]:在ts時刻，開關管Qe、 Q7導通，電流流向為C2—Q2—Q7—Q6—Q4—C2，給變壓器次級供電，初級等效電流大小為I。此刻，變壓器原邊電壓為-270V，副邊電壓為-270/N; 開關模態a[t9-tlfl]:在"時刻，開關管02、 Q4關斷，電流流向為C:,—Q7—Qfi—C3，給變壓器次級供電。由于電容C3放電，電容C3的電壓逐漸減小，U。3 二270-IX(t-t9)/C; 開關模態a[turtn]:在U時刻，U。3 =270-1X (turt》/C;開關管Q7、 Qe關斷，由于變壓器初級電流不能突變，所以電流流向為C3—D8—D5~>C3，給電容G充電。(T產U-19,即為開關管Q7、 Q6比開關管02、 Q4的延遲關斷時間)。
權利要求
1.一種高頻逆變弧焊電源主功率系統，其特征在于包括有八個開關管IGBT，八個開關管IGBT分別具有柵極、發射集和集電極；其中整流之后的540V電壓的正端接第一開關管IGBT(Q1)的集電極，負端接第四開關管IGBT(Q4)的發射極；第一電阻(R1)和第二電阻(R2)串聯接在整流后的540V直流電之間；第一電容(C1)和第二電容(C2)串聯接在整流后的540V直流電之間；第一電阻(R1)和第二電阻(R2)的串聯點與第一電容(C1)和第二電容(C2)的串聯點相連，并且與第二開關管IGBT(Q2)的發射極相連；第一開關管IGBT(Q1)的發射極與第二開關管IGBT(Q2)的集電極、第五開關管IGBT(Q5)的集電極和第七開關管IGBT(Q7)的集電極相連；第二開關管IGBT(Q2)的發射極與第三開關管IGBT(Q3)的集電極相連；第三開關管IGBT(Q3)的發射極與第四開關管IGBT(Q4)的集電極、第六開關管IGBT(Q6)的發射極、第八開關管IGBT(Q8)的發射極相連；第五開關管IGBT(Q5)的發射極與第六開關管IGBT(Q6)的集電極相連，第七開關管IGBT(Q7)的發射極與第八開關管IGBT(Q8)的集電極相連；第三電容(C3)連接在第二開關管IGBT(Q2)的集電極和第三開關管IGBT(Q3)的發射極之間；每個開關管IGBT都并聯有一個二極管，二極管的陽極與開關管IGBT的發射極相連，二極管陰極與開關管IGBT的集電極相連；八個開關管IGBT上的柵極、發射極分別接到IGBT驅動電路上；驅動變壓器L初級線圈的兩端分別接第五開關管IGBT(Q5)的發射極和第七開關管IGBT(Q7)的發射極。
全文摘要
本發明是一種高頻逆變弧焊電源主功率系統，屬于焊接設備及自動化領域。整流之后的540V電壓的正端接Q₁的集電極，負端接Q₄的發射極；由于Q₁～Q₄串連在540V電壓之間，并且任何時刻最多保持兩個IGBT開通，所以Q₁～Q₄的最大承受電壓為270V，由于Q₁、Q₃和Q₂、Q₄輪流導通，所以C₃兩端最大電壓為270V，Q₅～Q₈上的最大承受電壓也為270V，成功地把IGBT最高承受電壓降為傳統的全橋弧焊電源上IGBT最高承受電壓的一半；開關管Q₅-Q₈進行前沿調節，通過電容C₃、二極管D₂、D₃的箝位作用，讓Q₁-Q₈分別起到不同效果的軟開關作用，可以進一步降低了開關管的熱損耗。
文檔編號H02M7/5387GK101264546SQ20081010614
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月9日 優先權日2008年5月9日
發明者盧振洋, 璋 閆, 黃鵬飛 申請人:北京工業大學