設(shè)計(jì)IGBT點(diǎn)焊逆變電源的資料和與仿真研究

　　電阻焊機(jī)門(mén)類(lèi)繁多，具有其獨(dú)特的工藝特征，并在諸如汽車(chē)、家電、電子、航天航空等諸多工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。其中，次級(jí)整流焊機(jī)具有效率高，工作頻率相對(duì)較高，次級(jí)電流穩(wěn)定，加熱相對(duì)集中等特征。但這類(lèi)焊機(jī)存在著諸如器件價(jià)格昂貴，元件使用條件嚴(yán)格，安全隱患多，易向電網(wǎng)中引入高次諧波等缺點(diǎn)。另外，逆變電源的工作過(guò)程復(fù)雜，電路參數(shù)對(duì)性能的影響很大，工作過(guò)程不易把握，依靠傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法會(huì)造成設(shè)計(jì)任務(wù)繁重、精度低，周期長(zhǎng)等不良后果。因而，應(yīng)使用更為實(shí)效的設(shè)計(jì)方法以減輕設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)精度。 計(jì)算機(jī)仿真是通過(guò)對(duì)被研究的對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行仿真研究的。仿真時(shí)首先建立應(yīng)用系統(tǒng)的仿真模型，然后即可利用計(jì)算機(jī)去求解，故而其具有快捷、方便、經(jīng)濟(jì)、安全等特點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)是實(shí)物試驗(yàn)等研究方法所不具有的。目前，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，并帶來(lái)了較好的實(shí)際效果。將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于點(diǎn)焊逆變電源不僅具有很大的優(yōu)越性，而且無(wú)疑會(huì)改進(jìn)點(diǎn)焊電源的設(shè)計(jì)方法。 一般來(lái)講，點(diǎn)焊電源的次級(jí)回路對(duì)其性能有著不容忽視的影響。該點(diǎn)焊逆變電源的次級(jí)等效電路結(jié)構(gòu)主要由交變電源、大功率二極管、回路電阻以及回路電感組成，且各參數(shù)對(duì)次級(jí)電流的有效值影響都很大。分析表明，次級(jí)電流的有效值與次級(jí)輸出電壓、二極管的導(dǎo)通壓降、占空比與回路電阻有關(guān)；而次級(jí)電流對(duì)占空比變化的靈敏程度與次級(jí)輸出電壓呈正比，與回路電阻成反比。 電源逆變電路形式的選擇是點(diǎn)焊逆變電源設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。廣泛應(yīng)用于弧焊逆變器的移相軟開(kāi)關(guān)式全橋電路，因?qū)﹄娐分心承┢骷膮?shù)要求苛刻及其脈沖控制芯片UC3875不支持點(diǎn)焊電源的工作頻率，故而不適于在點(diǎn)焊逆變逆變中采用。 WP=70 低頻硬開(kāi)關(guān)模式下，開(kāi)關(guān)管的發(fā)熱量不會(huì)太大，故常被采用。在逆變電路中接入緩沖電路，可減小開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)應(yīng)力，改善工作過(guò)程。采用管并RCD緩沖電路的硬開(kāi)關(guān)逆變方式可以滿(mǎn)足點(diǎn)焊逆變器的工作要求。分析表明，不同的緩沖電容值會(huì)導(dǎo)致不同的關(guān)斷狀態(tài)；開(kāi)通過(guò)程中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流值較大，有一較高的尖峰。為減小緩沖電路的延遲，RCD回路應(yīng)選擇快速軟恢復(fù)二極管、無(wú)感電容和無(wú)感電阻。若兩路IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈寬不等寬會(huì)引起直流偏壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致變壓器發(fā)生磁飽和，在原級(jí)回路中串聯(lián)一個(gè)無(wú)極性電容，可將引起不平衡的直流偏壓濾掉。 構(gòu)成逆變電路的各種元器件的模型是逆變電路模型的基礎(chǔ)，而某些點(diǎn)焊逆變電源中用到的元器件在Matlab的軟件包沒(méi)有或不理想。本文以點(diǎn)焊過(guò)程中焊接區(qū)體動(dòng)態(tài)電阻為現(xiàn)實(shí)依據(jù)建立隨時(shí)間變化的非線(xiàn)性電阻模型，模擬了金屬鋁點(diǎn)焊過(guò)程中的電阻變化；從DG310-35的磁特性出發(fā)， 與非線(xiàn)性電感的機(jī)理出發(fā)，以電感類(lèi)元件的電磁性原理為理論依據(jù)，建立非線(xiàn)性電感的模型，并揭示了該類(lèi)元件在正常工作與飽和工作時(shí)的不同電流狀態(tài)。常用的IGBT等效模型有靜態(tài)等效模型和動(dòng)態(tài)等效模型。后者考慮器件中寄生電容的影響，能夠模擬IGBT的交流和瞬態(tài)特性。若只考慮IGBT對(duì)外部所表現(xiàn)出來(lái)的電特性所建立的模型為IGBT的宏模型。柵源極的電壓由柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)、柵極電阻和柵源、柵漏寄生電容決定，而柵源極電壓，源極電流與源漏極間壓降滿(mǎn)足傳輸特性的約束，根據(jù)這種關(guān)系建立的宏模型不僅能滿(mǎn)足IGBT的靜態(tài)特性，也能表達(dá)動(dòng)態(tài)工作時(shí)的特征。 變壓器是逆變點(diǎn)焊功率傳輸?shù)臉屑~。本文根據(jù)通用的變壓器設(shè)計(jì)方法，結(jié)合中頻大功率變壓器的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)逆變點(diǎn)焊變壓器。闡述了變壓器的工作原理，并以此為理論依據(jù)，忽略次要因素建立了點(diǎn)焊變壓器的工作模型。并測(cè)試了在與點(diǎn)焊逆變器相似的條件下電流波形，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了原理性探討。 用已有的元件模型建立點(diǎn)焊逆變器的仿真模型。為了得到較為完整的點(diǎn)焊過(guò)程，應(yīng)設(shè)計(jì)適合的門(mén)極驅(qū)動(dòng)波形。仿真結(jié)果顯示，次級(jí)電流在上升到有效 WP=71 值并穩(wěn)定后，在有效值周?chē)舷虏▌?dòng)，關(guān)斷后次級(jí)電感自然放電；原級(jí)電流波形與次級(jí)波形相符合。測(cè)試IGBT的電壓與電流可以看出，電路工作正常并與理論分析的結(jié)果相符。 設(shè)置不等寬的驅(qū)動(dòng)脈沖可得到電路不平衡工作時(shí)的特性，仿真波形顯示，隔直電容通過(guò)降低大電流方向上的的有效電壓來(lái)消除主回路中的直流分量。