逆變焊機(jī)IGBT炸管的原因及保護(hù)措施

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1、 逆變焊機(jī)IGBT炸管的原因及保護(hù)措施 限于對開關(guān)器件及主電路結(jié)構(gòu)工作原理的理解及檢測手段的缺 乏，大功率逆變焊機(jī)開關(guān)器件工作的可靠性是整機(jī)設(shè)計(jì)的重中之 重，是國產(chǎn)IGBT焊機(jī)的返修率居高不下，不能大量推廣的主要 原因。希望各位高手能為指點(diǎn)一二。 1電壓型PWM控制器過流保護(hù)固有問題 目前國內(nèi)常見的IGBT逆變弧焊機(jī)PWM控制器通常采用T L494、SG3525等電壓型集成芯片，電流反饋信號一般取自整流 輸出端。當(dāng)輸出電流信號由分流器檢出電流與給定電流比較后， 經(jīng)比例積分放大器大，控制輸出脈沖寬度。 IGBT導(dǎo)通后，即使 產(chǎn)生過電流，PWM控制電路也不可能及時(shí)關(guān)斷正在導(dǎo)通的過流 脈沖

2、。由于系統(tǒng)存在延遲環(huán)節(jié)，過流保護(hù)時(shí)間將延長。 2電流型過流保護(hù) 電流型PWM控制電路反饋電流信號由高頻變壓器初級端通 過電流互感器取得。由于電流信號取自變壓器初級， 反應(yīng)速度快， 保護(hù)信號與正在流過IGBT的電流同步，一旦發(fā)生過流， 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)脈沖檢測瞬時(shí)電流值的控制方式對輸入電壓和負(fù)載 變化響應(yīng)快，系統(tǒng)穩(wěn)定性好. 同意老兄的觀點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中電壓型 PWM確實(shí)占了大多數(shù) 但 過流保護(hù)取樣也可以從變壓器初級取 ，通過互感線圈或霍爾傳感 器取得過流信號，比如控制3525的8腳.這點(diǎn)深圳瑞凌的焊機(jī)做的不錯(cuò)，可以很好保護(hù)

3、開關(guān)管過流. 如何通過檢測手段判斷一種逆變電源的主電路是否可靠 ，我認(rèn)為 可以從開關(guān)器件和主變壓器的空載和負(fù)載狀態(tài)下的電流電壓波 形來分析?從而針對性的調(diào)整開關(guān)器件參數(shù)及過流過壓緩沖元件 參數(shù)以及高頻變壓器的參數(shù)，難點(diǎn)在于如何選擇匹配. 其實(shí)用的都是很普通的元件， 關(guān)鍵是線路設(shè)計(jì)和制作工藝精良才 保證了品質(zhì)，這臺焊機(jī)在一家防盜門廠用了九年，每天兩班 16 個(gè)小時(shí)在用，標(biāo)稱130A的小機(jī)器比現(xiàn)在標(biāo)稱 200A的都好用， 飛濺極少。電焊條都可以燒到 4mm的，空載電壓才48V而已。 暫載率100%，重量也才10.5KG。當(dāng)年我設(shè)計(jì)時(shí)是很保守的， 光散熱器就用了 4.5KG,還有輸入濾波電

4、感，也有1.6KG重，對 電網(wǎng)一點(diǎn)干擾都沒有。 當(dāng)時(shí)應(yīng)用的PWM IC是國內(nèi)罕見的UC3846J,陶瓷封裝的，工 作頻率100KHZ。線路板頗難制作，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)，過快的響應(yīng)速度反而會(huì)使電弧特性變硬。 但是，

5、一臺逆變焊機(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)主開關(guān)元件和 輸出整流二極管的特點(diǎn)來作調(diào)整， 緩沖電路的配置也很重要。 一 臺成功的焊機(jī)每一個(gè)環(huán)節(jié)都要做到完美，并不一定要花很多錢， 關(guān)鍵還是一個(gè)配合問題。 國內(nèi)的工程師知識面太窄， 又缺乏技術(shù) 交流，這樣子會(huì)繼續(xù)拉大與進(jìn)口產(chǎn)品的差距， 本人愿意把自己所 知道的全部提供給大家，以推動(dòng)我國電力電子技術(shù)的發(fā)展。 給出一種典型的設(shè)計(jì)方法。 例如：400A手工焊機(jī)。 手工焊機(jī)在所有逆變焊機(jī)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

6、定焊機(jī)容量，按公式計(jì)算有載電壓=20+ 0.04* 400= 36V , 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 變匝比9 （以輸入380V三相計(jì)算） 2。 估算初級峰值電流以確定主開關(guān)元件容量，取最大電流/匝 比* 120% = 53A，查參數(shù)手冊應(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22- 28KHZ 之間選擇。 3。 主變的計(jì)算，過程略。大家都知道。 4。 主控電路的確定，剛才說了，為保證主開關(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的資料請上 網(wǎng)查尋。反饋還是老

7、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 電壓不是很高的場合根本沒必要， 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?還是后沿，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，前沿尖峰過高表明 IGBT關(guān)斷速度過快，也 應(yīng)該降低關(guān)斷速度。 7。 緩

8、沖電路。初級用 RC回路直接接入主變兩端，接入點(diǎn)盡量 靠近IGBT，次級也用RC回路，接于二極管兩端。 一般來講，大功率最好選擇全橋電路，主開關(guān)元件開關(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 3000/f(KHz)=微亨來計(jì)算。例如1 OOKHz , 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。 120-170微亨， 400A的電感采用60 * 60 * 200

9、的矩形鐵芯，用4 * 10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，起弧容易，電流不過沖。最大程度的保證了焊 接工藝的穩(wěn)定。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C02焊機(jī)，只要把送絲機(jī)的速度控制改成弧長反饋就可以 得到變速送絲C02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)無過沖電流而得到的。 改變U C3846放大器的參數(shù)，甚至還可以做到短路過渡時(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)過程。 最頂級的做法就是像我一樣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

10、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，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。 我曾經(jīng)仿制過威特力 ZX7-500焊機(jī)， 可是經(jīng)常炸IGBT，它采 用全橋電路，2只SIMENS 100A IGBT,整流二極管是 MUR200 40.主變壓器材用4對EE55 core,（有點(diǎn)記不清了）。 電抗器采 用矽鋼片。？？PWM IC是3525， 驅(qū)動(dòng)使用4個(gè)57959。 能否幫我分析一下可能的原因？ 如果需要， 我把原理圖傳上 來??！ 再請教一個(gè)問題

11、， 主變壓器一般怎樣設(shè)計(jì)， 包括計(jì)算和制作工 乙。 你是從里到外全部仿照威特力的嗎？包括工藝？主變壓器的計(jì) 算方法和普通工頻變壓器一樣，只是因?yàn)槭欠讲ǎ禂?shù)不是 4.4 4,要改為4而已。公式為：最少匝數(shù)=｛最高電源電壓*最大占 空比（常取90%）* 10-e8}/（4*頻率*磁感應(yīng)強(qiáng)度（20KHz常 取2000Gs）*磁芯截面積）。主變的尺寸主要是看暫載率。它 決定了線包的的截面積。一般來講有風(fēng)冷的主變電流密度取 4 - 5A/mm2,截面積確定以后根據(jù)暫載率的高低再進(jìn)行調(diào)整。乘 以系數(shù)，其值為暫載率的平方根。初級線包通常繞在里面，以使 用銅箔為最方便。次級線包由于高頻大電流

12、的集膚效應(yīng)和鄰近效 應(yīng)，用銅箔并不是很合適，即使用多層相互絕緣的銅箔也無濟(jì)于 事。威特力的主變工作于滿載時(shí)，只要 5分鐘，次級銅板溫度就 可以超過130度。此時(shí)用絲包線成為最佳選擇。 絲包線其實(shí)不很 貴，貴只是貴在多股細(xì)絲絞合線。用 0.2mm以上的漆包線絞制 的絲包線比漆包線貴不了多少。 逆變焊機(jī)里面軟件最重要的是控 制方式，硬件里面最重要的就是主變了。 另外，20KHz的主變其 尺寸不宜太小，過小的磁芯將會(huì)造成功率無法輸出。象 500A級 的主變通常要用到EE128的磁芯兩副才有較好的性能。 暫載率是指工作周期內(nèi)工作時(shí)間占的比例， 按國家標(biāo)準(zhǔn)工作周期 是按10分鐘計(jì)算，實(shí)際工作幾分鐘就說暫載率是百分之幾十。 實(shí)際上這個(gè)指標(biāo)當(dāng)初是針對工頻焊機(jī)的。逆變焊機(jī)的熱容量不 大，按暫載率去減少原料不是很合適，尤其是主變壓器。工人可 不會(huì)按你的標(biāo)稱暫載率去使用，例如標(biāo)稱 60 %暫載率的焊機(jī)， 你不能指望工人用6分鐘，再休息4分鐘。所以縮小的主變和散 熱器很容易過熱。經(jīng)常有這樣的情況，焊機(jī)作負(fù)載試驗(yàn)沒問題， 一到實(shí)際場合就出洋相，多少都有這個(gè)原因。 關(guān)于絕緣柵類的開關(guān)元件其驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷速度均需很快， 開關(guān) 元件的開關(guān)速度靠調(diào)整柵級電阻來調(diào)整。 其典型驅(qū)動(dòng)電路請參照 MOTOROLA公司的專著――TMOS功率場效應(yīng)管一書，他是采 用二極管單向整流，PNP晶體管放電關(guān)