設計IGBT點焊逆變電源的資料和與仿真研究

　　電阻焊機門類繁多，具有其獨特的工藝特征，并在諸如汽車、家電、電子、航天航空等諸多工業(yè)領域發(fā)揮著重要的作用。其中，次級整流焊機具有效率高，工作頻率相對較高，次級電流穩(wěn)定，加熱相對集中等特征。但這類焊機存在著諸如器件價格昂貴，元件使用條件嚴格，安全隱患多，易向電網(wǎng)中引入高次諧波等缺點。另外，逆變電源的工作過程復雜，電路參數(shù)對性能的影響很大，工作過程不易把握，依靠傳統(tǒng)的設計方法會造成設計任務繁重、精度低，周期長等不良后果。因而，應使用更為實效的設計方法以減輕設計者的勞動強度，提高設計精度。 計算機仿真是通過對被研究的對象建立數(shù)學模型來進行仿真研究的。仿真時首先建立應用系統(tǒng)的仿真模型，然后即可利用計算機去求解，故而其具有快捷、方便、經(jīng)濟、安全等特點，這些優(yōu)點是實物試驗等研究方法所不具有的。目前，計算機仿真技術已廣泛應用于電力電子系統(tǒng)的設計中，并帶來了較好的實際效果。將這項技術應用于點焊逆變電源不僅具有很大的優(yōu)越性，而且無疑會改進點焊電源的設計方法。 一般來講，點焊電源的次級回路對其性能有著不容忽視的影響。該點焊逆變電源的次級等效電路結構主要由交變電源、大功率二極管、回路電阻以及回路電感組成，且各參數(shù)對次級電流的有效值影響都很大。分析表明，次級電流的有效值與次級輸出電壓、二極管的導通壓降、占空比與回路電阻有關；而次級電流對占空比變化的靈敏程度與次級輸出電壓呈正比，與回路電阻成反比。 電源逆變電路形式的選擇是點焊逆變電源設計的重要內(nèi)容。廣泛應用于弧焊逆變器的移相軟開關式全橋電路，因?qū)﹄娐分心承┢骷膮?shù)要求苛刻及其脈沖控制芯片UC3875不支持點焊電源的工作頻率，故而不適于在點焊逆變逆變中采用。 WP=70 低頻硬開關模式下，開關管的發(fā)熱量不會太大，故常被采用。在逆變電路中接入緩沖電路，可減小開關管的開關應力，改善工作過程。采用管并RCD緩沖電路的硬開關逆變方式可以滿足點焊逆變器的工作要求。分析表明，不同的緩沖電容值會導致不同的關斷狀態(tài)；開通過程中，流過開關管的電流值較大，有一較高的尖峰。為減小緩沖電路的延遲，RCD回路應選擇快速軟恢復二極管、無感電容和無感電阻。若兩路IGBT的驅(qū)動信號脈寬不等寬會引起直流偏壓，嚴重時會導致變壓器發(fā)生磁飽和，在原級回路中串聯(lián)一個無極性電容，可將引起不平衡的直流偏壓濾掉。 構成逆變電路的各種元器件的模型是逆變電路模型的基礎，而某些點焊逆變電源中用到的元器件在Matlab的軟件包沒有或不理想。本文以點焊過程中焊接區(qū)體動態(tài)電阻為現(xiàn)實依據(jù)建立隨時間變化的非線性電阻模型，模擬了金屬鋁點焊過程中的電阻變化；從DG310-35的磁特性出發(fā)， 與非線性電感的機理出發(fā)，以電感類元件的電磁性原理為理論依據(jù)，建立非線性電感的模型，并揭示了該類元件在正常工作與飽和工作時的不同電流狀態(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對外部所表現(xiàn)出來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)動信號、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足傳輸特性的約束，根據(jù)這種關系建立的宏模型不僅能滿足IGBT的靜態(tài)特性，也能表達動態(tài)工作時的特征。 變壓器是逆變點焊功率傳輸?shù)臉屑~。本文根據(jù)通用的變壓器設計方法，結合中頻大功率變壓器的工作特點，設計了一臺逆變點焊變壓器。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焊變壓器的工作模型。并測試了在與點焊逆變器相似的條件下電流波形，并對結果進行了原理性探討。 用已有的元件模型建立點焊逆變器的仿真模型。為了得到較為完整的點焊過程，應設計適合的門極驅(qū)動波形。仿真結果顯示，次級電流在上升到有效 WP=71 值并穩(wěn)定后，在有效值周圍上下波動，關斷后次級電感自然放電；原級電流波形與次級波形相符合。測試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果相符。 設置不等寬的驅(qū)動脈沖可得到電路不平衡工作時的特性，仿真波形顯示，隔直電容通過降低大電流方向上的的有效電壓來消除主回路中的直流分量。