DSP控制的IGBT逆变式GMAW焊接电源主电路设计(精)

第３９卷第１ｌ期２００９年１１月Ｅ１ｅｃｔｒｉｃ重珲俄ＷｅｌｄｊｎｇＭａｃｈｉＩｌｅＶ０１．３９Ｎｏ．１１Ｎｏｖ．２００９ＤＳＰ控制的ＩＧＢＴ逆变式ＧＭＡＷ焊接电源主电路设计王晓非，陈克选，肖笑，宋聚海（兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃兰州７３００５０）摘要：针对ＧＭＡｗ对焊接电源的要求，设计了一台ＤｓＰ控制的５００Ａ全桥式ＩＧＢＴ逆变ＧＭＡｗ焊接电源。

详细介绍了主电路的设计，包括输入整流电路、逆变功率开关ＩＧＢＴ的选型、中频变压器的设计、输出整流电路、电抗器。

以及功率开关ＩＧＢＴ的保护电路等的设计。

通过系统调试，所设计的主电路满足ＣＭＡＷ要求。

关键词：ＧＭＡｗ；ＤｓＰ；ｌＧＢＴ；逆变电源；主电路中图分类号：ＴＧ４３９．９Ｄ鸭ｉｇｎ文献标识码：Ａ，文章编号：１００ｌ一２３０３（２００９）１１瑚６５—０４ＧＭＡＷｗｅｌｄｉｎｇｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅｏｆｍａｉｎｃｉｒｃｔｌｉｔｏｆＤＳＰｃｏｎｔｒｏⅡｅｄＩＧＢＴｉＩｌＶｅｎｅｒ够ｐｅＷＡＮＧＸｉａｏ—ｆｅｉ，ＣＨＥＮＫｅ—ｘｕａｎ，ＸＩＡＯＸｉａｏ，ＳＯＮＧＪｕ—ｈａｉ§ｃｈ００ｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅＡｎｄＥｎ矛ｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｒＩｚｈｏｕＵｎｊｖｅｒｓ竹ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇ），，ＩＪａｎｚｈｏｕ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂ８ｎ甚ｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｎｅｅｄ“ｔｈｅｐｏｗｅｒ∞ｕｒｃｅｏｆＧＭＡＷｗｅｌｄｉｎｇ，ａＧＭＡＷｗｅｌｄｉｎｇｐｏｗｅｒｏｆＩＧＢＴｆｕｌｌｂ而ｄｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｔｒ０ＵｅｄｂｙｔｈｅＤＳＰ（５００Ａ）ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔ｝ｌｉｓｐ印ｅ。

ｐｒｅｓｅｎｔｓａｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｉ印ｏｆｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｉｎＶｅ毗ｒＧＭＡＷ．ｐｏｗｅｒ舳ｕｒｃｅ．Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｐｒｅ一肫ｌｅｃｔｉｏｎｏｆｒｅｃｔｉｆｉｅｒｄｉｏｄｅｓ，ｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒｐｏｗｅｒｓ访把ｈｅｓｏｐｔｉｏｎｓ，ｔＩ丑ｎｓｆ０丌Ｉｌｅｒｄｅｓｉｇｎ。

０ｕｔｐｕｔｒｅｒｔｉｆｉｅｒ，Ｒｅａｃｔｏｒ，ａｓｗｅｌｌ蚰山ｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆＩＧＢＴｐｏｗｅｒｓｗｉｌｃｈｉｎｇｃｉｒｃｕｉＩ．１１１ｍｕｇｈｃｈｅｓｙｓｔＰｍｔｅｓｔ，ｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｃａｎｍｅｅｔｓｔｈｅ肥ｅｄｏｆＫｅｙｗｏｒｄ８：ＧＭＡＷ；ＤＳＰ；ＩＧＢＴ；ｉｎｖｅｒｔｅｒｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅ；ｍａｉｎｃｉｒｃｕ“Ｕ刖吾逆变ＧＭＡＷ焊接电源具有体积小、质量轻、节主电路断电时，由Ｒ。

、Ｃ２和Ｒ２、Ｑ为Ｃ。

、Ｃ３提供放电回路。

（２）逆变器。

功率电子开关ＩＧ】时在以ｎ蚴脚Ａ为核心的控制回路的作用下，周期性的开／关，将输入整流滤波电路产生的直流电变换成频率为２０ｋＨｚ材、高效节能和适应性强等优点，已经逐步应用于汽车、船舶、金属结构和压力容器等制造业中。

逆变焊接电源由主电路、控制电路和保护电路三部分组成【ｌｌ，其主电路拓扑结构通常有推挽式、半桥式、全桥式等形式。

本研究设计的逆变电源输出电流５００Ａ，空载电压６７Ｖ，频率２０ｋＨｚ。

功率较大，因此选择ＩＧＢＴ全桥式逆变主电路。

的交流方波，之后经高频变压器降压输出。

输出电压采用ＤＳＰ输出的ＰＷＭ波进行调节，即改变驱动脉冲的占空比实现。

（３）输出整流滤波。

高频变压器输出的交流方波电压再经ＶＤ，、ＶＤｓ整流和电感滤波后，变为直流电压输出，为焊接提供能量。

１主电路组成和工作原理本研究设计的逆变焊接电源输出电流５００Ａ，２主电路设计２．１中频变压器设计中频变压器的作用是电压变换、功率传递和实空载电压６７Ｖ，频率２０ｋＨｚ，其主电路如图ｌ所示。

从图１中可以看出，主电路分为三部分：（１）输人整流滤波。

电网输入５０Ｈｚ，３８０Ｖ交流电，经大功率整流二极管整流，为逆变器提供直流电压。

Ｃ。

、Ｇ为滤波电容。

当收稿日期：２００９＿０７＿０８作者简介：王晓非（１９８２一）．男．河南商丘人，硕士．主要从事数字化逆变电源的研究工作。

现输入、输出之间的隔离。

对于逆变焊接电源中的中频变压器，由于工作频率高达２０ｋＨｚ，因此要求这种变压器磁心材料高频损耗尽可能小，此外更重要的是要求避免磁心饱和，因此选择磁通密度时按最恶劣条件来选择工作磁通密度。

原因是铁心的饱和意味着高频变压器励磁电流的急剧增加，这显然男盔，盔ｓ≥鳜乏么矽∥％么；．一・６５・万方数据研究与设计雹晖拽第３９卷图ｌＩＧＢＴ逆变焊接主电路原理会导致与之连接的功率开关承受极大的电压、电流而损坏。

考虑以上要求，本设计采用性价比较高的铁氧体材料作变压器磁心，其饱和磁通密度约０．４Ｔ。

工作磁通Ｂ取小于１／３曰。

本研究为全桥逆变，所以磁心中的磁通是交变的，口也是交变的，所以△Ｂ＝２×Ｂ＝０．２Ｔ。

此外变压器工作在低电压、大电流的条件下，高频变压器二次侧绕组电流较大，导线比较粗，因而选择Ｅ型铁心，便于绕制。

中频变压器一次侧绕组Ⅳ。

，二次侧两组绕组他，飓，对称串联。

由主电路可以计算出电网输入经整流滤波后输入到变压器输入端的电压Ｕ＝１．４１４ｘ３８０Ｖ＝５３７．４Ｖ（Ｕ１为电网输入电压）。

２．１．１磁心尺寸变压器磁心尺寸取决于输出功率和温升等，设计公式为［习：由辟Ｏ．５３×厂×ＳＷ×Ｓｃ×△Ｂ×Ａ１０。

２推出Ｄｓｗ烙Ｆ丽丽去丽而ｉ（１）式中Ｐ为功率（单位：Ｗ），辟５００Ａ×６７Ｖ＝３３．５ｋＷ；０．５３为经验系数；Ｉｓｗ为铁心窗口面积（单位：ｃｍ２）；Ｓｃ为铁心有效截面积（单位：ｃｍ２）；△日为磁通变化量（单位：ｒ１１）；Ⅳ为匝数（单位：匝）ｉ厂为逆变工作频率（单位：Ｈｚ）；．，为电流密度（单位：Ａ／ｍｍ２），铜导线扛３．５Ａ，ｍｍ２。

由式（１）可以算出Ｓ私｜ｓ一５１．５ｃｍ４。

考虑实际应用时通风和绕线留出的空间，窗口系数选择ｌ／３，实际选择的Ｓ谢＆≥３ｘ４５１５＝ｌ３５４．４５ｃｍ４。

查产品目录选择ＥＥ３２０型磁心两幅合并，其．ｓｗ＝１０６ｃｍ２，耻３２ｃｍ２。

验算瓣３３９２ｃｍ４，符合要求。

２．１．２匝数比在此设计的电焊机空载电压６７Ｖ，在设计变压器时适当取大，其幅值取７５Ｖ，ｎ＝Ⅳｌ，Ⅳ２＝Ｕｌ／以＝５４０Ｖ／７５Ｖ＿７．２，实际取７。

所以输出电压皓５４０Ｖ刀一７７Ｖ。

因为ＩＧＢＴ的开关频率为２０ｋＨｚ，周期殆５０斗ｓ，为防止ＩＧＢＴ直通，其导通时间小于２５斗ｓ。

实际电路乙＝（ＷＵ２）×Ⅳ２＝２１．７５斗ｓ，满足要求。

其中瓦。

是万方数据ＩＧＢＴ最大导通脉宽，玑焊机空载电压，以中频变压器二次侧电压幅值。

电网输入电压经整流滤波后，电压幅值为￡，ｉ。

Ｆ１．４１４×以×１．１＝１．４１４×３８０Ｖ×１．１＝５９１Ｖ（２）式中１．１为电网电压波动系数。

一次侧匝数至少为＾ｒｌ－以≯死皿×０．０１“０．２×Ｓｃ）＝２０．０８匝（３）实际应用Ｊ７ｖ。

＝２ｌ匝，峥Ⅳ３＝２１／７＝３匝。

中频变压器一次侧电流，ｌ－们＝７１．４Ａ，考虑到在２０ｋＨｚ下铜的集肤效应为０．４６８ｎ１｜Ｉｌ，选择铜皮厚度为０．８ｍｍ。

一次侧绕组截面积Ｓ。

＝，ｌ／Ｊ＝７１．４Ａ／３．５Ａ／ｍｍ２＝２０．４ｍｍ２，一次侧铜皮宽度形。

＝．ｓＩ／０．８＝ｍｍ２，宽度形２＝７１．４／ｍｍ。

实际应用中一次侧选用２５衄铜皮绕制，二次侧采用宽度５０ｍｍ的铜皮，取两股并联绕制。

ＩＧＢＴ选择ＩＧＢＴ是逆变弧焊电源中的关键核心元件，对它的设计、选择直接关系到整个焊机的安全、可靠。

因此在计算参数时应留有较大的裕量。

输入电网电压经整流、滤波后。

直流输出电压Ｕ×１．１×口＝、／２×３８０Ｖ×１．１×１．１＝６５０Ｖ（４）Ｕ为电网电压有效值；１．１为波动系数；口为安全系数，取１．１。

ＩＧＢＴ关断时的峰值电压以。

Ｕ。

＝（玑ｘ１．１５＋１５０）×口＝（６５０Ｖ×１．１５＋１５０Ｖ）×１．１＝９８７．２５Ｖ（５）１．１５为过电压系数；１５０为Ｌｄ池引起的尖峰电压（单位：Ｖ）。

实际中，额定电压向上靠，选择１２００Ｖ。

高频变压器一次侧电流：，１＝，２・Ｊ７、，，，ⅣＩ－５００Ａ×３÷２ｌ＝７１．４Ａ（６）２．１．３绕组铜皮尺寸２５Ｉ砌，中频变压器二次侧平均电流为５００／２＝２５０Ａ，铜皮截面积Ｓ２＝２５０／３．５＝７１．４０．８＝８９２．２２．２．１额定电压最大值玑（ＩＧＢＴ承受的稳态最大电压）为【３】：Ｕ＃、／２式中式中２．２．２额定电流，ｃ研究与设计王晓非等：ＤＳＰ控制的ｌＧＢＴ逆变式ＧＭＡＷ焊接电源主电路设计第ｌｌ期式中，ｌ为高频变压器一次侧电流；，２为高频变压器二次侧电流，按照额定输出电流５００Ａ计算；Ⅳ。

、Ⅳ２为高频变压器一、二次侧匝数。

每只ＩＧＢＴ管子上的平均电流为，。

的一半，即３５．７Ａ。

额定电流，ｃ是ＩＧＢＴ导通时能流过管子的最大持续电流（结温２５℃），因此，选择管子的电流等级为１５０Ａ。

综上所述，选择德国西门子１２００Ｖ标准系列ＢＳＭｌ５０ＧＢｌ２０ＤＮ２ＩＧＢＴ，其额定电压为１２００Ｖ，额定电流１５０Ａ。

２．２．３ＩＧＢＴ阻容吸收保护电路为了防止ＩＧＢＴ在关断时损坏，本设计中采用ＲＣＤ缓冲电路，其组成如图ｌ中ＶＤ¨Ｒ，，Ｃ。

所示。

其作用是在ＩＧＢＴ关断时，负载电流通过ＶＤ。

向Ｃ。

分流，减轻ＩＧＢＴ负担，抑制ｄ∥出和过电压。

本设计中电容选择０．１５“Ｆ／１ｋＶ，电阻１０Ｑ／２０Ｗ。

２．３输入电路设计电网输入交流电经整流器整流后，变成脉动直流电，需经输入滤波器进行滤波，将脉动直流电变成平滑直流电再送给逆变器。

２．３．１整流二极管选择二极管时是根据电流的有效值进行选择的，相应的正弦半波有效值为【４ＪＪ『ｂ＿１．５７，Ｎ（７）式中，ｂ为电流有效值（单位：Ａ）；，Ｎ为额定电流（单位：Ａ）。

由于是三相全桥整流，每个整流管导通１／３周期，因此每个周期内整流管电流发热量Ｑ＝聃Ｒ×刀３（８）．式中Ｑ为电流通过二极管的发热量；，ｄ为输入电流平均值；尺为负载；ｒ为周期。

由此可以推出，ｄ２斌×仍＝砰×Ｒ×ｒ，从而得出，ｂ＝０．５８，ｄ，即０．５８＾ｊ＝１．５７，Ｎ。

中频变压器一次电流，ｌ＿７１．４Ａ，额定电流厶＝０．３６９，＃０．３６９，１＝０．３６９×７１．４Ａ＝２６．３Ａ。

整流二极管最大承受电压‰＝１．４１４×Ｕｘｌ．１＝１．４１４×３８０Ｖ×１．１＝５９１Ｖ。

实际应用选择两倍安全余量，选择额定值为１６００Ｖ，７５Ａ。

实际焊机中选择的是ＭＤＳ７５—１６整流模块。