1 引言
逆變焊機與傳統(tǒng)焊機相比較有如下優(yōu)點:高效節(jié)能、體積小、重量輕、具有良好的動特性和弧焊工藝性能、可用微機或單旋鈕控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)、設(shè)備費用較低.因此逆變焊機是當(dāng)今世界焊接技術(shù)的重大進(jìn)步,是發(fā)展的新潮流.
逆變焊機電源的主電路基本工作原理為:工頻交流—直流—逆變?yōu)橹懈哳l交流—降壓—二次整流—直流輸出.
金屬化薄膜電容器以其優(yōu)越有高頻特性在逆變焊機電源的電路中得到了廣泛的應(yīng)用,在逆變焊機電源中金屬化薄膜電容器主要用于IGBT吸收、逆變高頻濾波、諧振選頻、換向、隔直和輸出濾波等電路.
2 金屬化薄膜電容器在逆變焊機電源中的應(yīng)用
圖1是目前常用的大功率逆變焊機電源的主電路基本原理圖,逆變焊機電源中金屬化薄膜電容器以其優(yōu)越有高頻特性得到了廣泛的應(yīng)用.如圖1所示,C1為濾波用電解電容,C2~C8均為金屬化薄膜電容器,其中C2作高頻濾波用、C3~C6作IGBT吸收保護(hù)用、C7作諧振選頻用、C8作輸出濾波用.下面就以金屬化薄膜電容器應(yīng)用較多的IGBT吸收保護(hù)電路作詳細(xì)介紹:.
圖1 大功率逆變焊機電源的主電路基本原理圖
2．1 IGBT吸收電路
IGBT器件的損壞,不外乎是器件在開關(guān)過程中遭受了過量di/dt、dv/dt或瞬時功耗的危害而造成的.吸收電路的作用,就是改變器件的開關(guān)軌跡,控制各種瞬態(tài)過電壓,降低器件開關(guān)損耗,保護(hù)器件安全運行.
圖2 IGBT的開關(guān)波形
圖2所示為IGBT驅(qū)動感性負(fù)載時的開關(guān)波形.不難看出,在開通和關(guān)斷過程中,GTR集電極電壓uc和集電極電流ic將同時出現(xiàn),因而開關(guān)功耗大.加入緩沖電路,可將部分開關(guān)功耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路上,達(dá)到保證器件安全運行的目的.
IGBT吸收電路分為二種:一種是在所有的元件上以一對一安裝吸收電路的個別吸收電路,另一種是在直流母線間集中安裝的集中式吸收電路.個別吸收電路的代表實例,有以下幾種電路:①RC型吸收電路,②充放電型RCD吸收電路,③放電阻止型RCD吸收電路;集中式吸收電路的代表實例,有以下幾種電路: ①C吸收電路,②RCD吸收電路.連接電路圖如圖3所示.
圖3 主要IGBT吸收電路實例接線圖
如圖3所示, a)RC型吸收電路,對關(guān)斷浪涌電壓抑制效果明顯,適合于小功率斬波電路,其RC時間常數(shù)應(yīng)設(shè)計為開關(guān)周期的1/3,即τ=T/3=1/3f,應(yīng)用于大容量IGBT時,緩沖電阻必須位于低值,結(jié)果使開通時集電極電流增大,IGBT負(fù)荷加重;b)充放電型RCD吸收電路,對關(guān)斷浪涌電壓有抑制效果,適合于中小功率斬波電路,由于外加了緩沖二極管,緩沖電阻能夠變大,有回避開通時IGBT的負(fù)擔(dān)問題,緩沖電阻的損耗可以通過下式求出:P=L*Io2*f/2+Cs*Ed*f/2 (其中L為主電路的寄生電感,Io為IGBT關(guān)斷時的集電極電流,Cs為吸收電容的電容值,Ed為直流電源電壓,f為交換頻率); c)放電阻止型RCD吸收電路,對關(guān)斷浪涌電壓有抑制效果,適合于高頻交換用途,緩沖電阻的損耗可以通過下式求出:P=L*Io2*f/2 (其中L為主電路的寄生電感,Io為IGBT關(guān)斷時的集電極電流, f為交換頻率);d)C吸收電路,是最簡易的電路,因由主線電路電感與緩沖電容器產(chǎn)生LC諧振電路,母線電壓容易產(chǎn)生振蕩;e)RCD吸收電路,可以降低母線電壓的振蕩,母線配線長的情況下效果明顯,但如果緩沖二極管選擇錯誤,則會發(fā)生高的尖峰電壓,或者緩沖二極管的反向恢復(fù)時電壓可能產(chǎn)生振蕩.
2．2 下面就以最合理的IGBT吸收電路的放電阻止型RCD吸收電路的基本設(shè)計方法進(jìn)行說明:
IGBT采用吸收電路后典型關(guān)斷電壓波形如圖4所示.圖中,VCE起始部分的毛刺ΔV1是由緩沖電路的寄生電感和緩沖二極管的恢復(fù)過程引起的.因緩沖電路的配線產(chǎn)生的電感是發(fā)生尖峰電壓的原因,應(yīng)盡量在包括電路部品的配置等方面想方設(shè)法降低電感.ΔV1值由下式計算:
ΔV1=-L×di/dt (式中:L為緩沖電路的寄生電感)
關(guān)斷時的尖峰電壓值可以通過下式求出:
Vcesp=Ed+VFM+ΔV1= Ed+VFM+(-L×di/dt)
式中:Ed為直流電源電壓
VFM為緩沖二極管瞬態(tài)正向電壓下降(緩沖二極管一般瞬態(tài)正向電壓下降的參考值如下:600V級為20~30V,1200V級為40~60V)
di/dt為關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)瞬間的電流變化率,其最惡劣的值接近-0.02Ic(A/ns).
如果ΔV1已被設(shè)定,則可由式(1)確定緩沖電路允許的最大電感量.例如,設(shè)某IGBT電路工作電流峰值為400A,ΔV1≤100V, 則在最惡劣情況下,
di/dt=-0.02×400=-8A/ns
由式(1)得 :L=-ΔV1/(di/dt)=100/8=12.5nH
圖中ΔV2是隨著緩沖電容的充電,瞬態(tài)電壓再次上升的峰值,它與緩沖電容的值和母線寄生電感有關(guān),可用能量守恒定律求值.如前所述,母線電感以及緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感,在IGBT開通時儲存的能量要轉(zhuǎn)儲在緩沖電容中,因此有 :
L×I2/2=C×ΔV22/2 (2)
式中:L為母線寄生電感
I為工作電流
C為緩沖電容的值
ΔV2為緩沖電壓的峰值
圖4 采用緩沖電路后IGBT關(guān)斷電壓波形
2．2．1 吸收電容器的電容值的求法
吸收電容需要的電容由下式求出:
C=L×I2/ΔV22= L×I2/(Vcep-Ed)2
式中:L為母線寄生電感
I為工作電流
C為緩沖電容的值
Vcep為緩沖電容器電壓的最終達(dá)值
Ed為直流電源電壓
2．2．2 緩沖電阻值的求法
緩沖電阻要求的機能是在IGBT下一次關(guān)斷動作進(jìn)行前,將存儲在吸引電容器中的電荷放電.在IGBT進(jìn)行下一次關(guān)斷動作前,將存儲電荷的90%放電的條件下,求取緩沖電阻的方法如下:
Rs≤1/2.3*C*f
緩沖電阻值如果設(shè)定過低,由于緩沖電路的電流振蕩,IGBT開通時的集電極電流峰值也增加,請在滿足上式有范圍內(nèi)盡量設(shè)定為高值.緩沖電阻發(fā)生的損耗P(Rs)與電阻值無關(guān),可以由下式求出:
P(Rs)=LI2f/2
2．2．3 緩沖二極管的選定
緩沖二極管的瞬態(tài)正向電壓下降是關(guān)斷時發(fā)生尖峰電壓的原因之一.另外,一但緩沖二極管的反向恢復(fù)時間加長,高頻交換動作時緩沖二極管產(chǎn)生的損耗就變大,緩沖二極管的反向恢復(fù)急劇,并且級沖二極管的反向恢復(fù)動作時的IGBT的C-E間電壓急劇地大幅度振蕩.因此,應(yīng)選擇瞬態(tài)正向電壓低,反向恢復(fù)時間短,反向恢復(fù)平順的緩沖二極管．
