第３８卷第１２期 ２００８年１２月 雹晖墩 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖ０ｌ－３８ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．２００８ 有限双极性软并 美 ＷＭ控制和 ｌ Ｇ参Ｔ驱动电路设计 熊敬清 ，蒙万俊 ，陈小峰 ，薛家祥 ，姚 屏 ２ （１．华南理工大学机械与汽车学院，广东广州５１０６４０；２．广东技术师范学院，广东广州５１０６３５） Ｂｉｐｏｌａｒ ｌｉｍｉｔｅｄ ｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ＩＧＢＴ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ ＸＩＯＮＧ Ｊｉｎｇ—ｑｉｎｇ ，ＭＥＮＧ Ｗａｎ－ｊｕｎ ，ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ—ｆｅｎｇ ，ＸＵＥ Ｊｉａ—ｘｉａｎｇ ，Ｙａｏ Ｐｉｎｇ ＇ （１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ａｕｔｏｍｏｖｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １ ０６３５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰＷＭ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ＩＧＢＴ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ＩＧＢＴ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｓｏ ａ ｎｏｖｅｌ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ’Ｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏｓｓｅｓ．Ｃｈｏｏｓｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ ＰＷＭ ｃｈｉｐｓ ＵＣ３８４６．Ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｌｉｍｉｔｅｄ ｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ ｍａｋｅ ｐｕｌｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ． Ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｄｒｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｉｓｏｌａｔｅ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎａｌｓ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ａｍｐｌｉｉｆｃａｔｉｏｎ，ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｅｔ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）；ＵＣ３８４６；ＩＧＢＴ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ Ｕ 刖罱 驱动电路进行全方面的考虑。因此，在逆变主电路已 经确定的条件下，ＰＷＭ调制电路、ＩＧＢＴ驱动电路 和控制电路的设计是ＣＯ：焊接过程控制的关键，直 接决定着焊接的质量＿１Ｊ。 ＩＧＢＴ（绝缘栅双极型晶体管Ｉｓｏｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）是一种新型复合电力电子器件，它集ＭＯＳＦＥＴ 与ＧＴＲ的优点于一身，具有输入阻抗高、速度快、 热稳定性好、电压驱动型，又具有通态压降低、高电 压、大电流的优点，广泛地应用于各种开关电源等。 软开关技术在ＣＯ：焊电源中得到越来越广泛 的应用，采用ＩＧＢＴ作为功率器件来提高功率主电 １ ＰＷＭ控制 软开关变换器的非线性、离散和变结构的特点， 负载性质又是多变的，故软开关变换器的控制是复 杂的。目前来说，ＰＷＭ控制模式主要为电压控制和电 路中的控制性和可靠性。根据ＣＯ 焊的特点充分发 挥弧焊逆变器的输出反应速度快和有限双极性软 开关控制技术实现变换器不受负载范围的零 电压零电流软开关控制。这需要从主电路、控制电路、 收稿日期：２００８—１０—０８ 作者简介：熊敬清（１９８２一），女，江西南昌人，硕士，主要从事 数字焊接电源及智能控制方面的研究工作。 流控制类型。如果电压升高，则开关管的电流增加速 度变快。对电压控制型而言，检测电路对电流的变化 没有直接的反映，一直等到输出电压发生变化后才 去调节脉宽，由于滤波电路的滞后效应，这种变化 需要多个周期后才能表现出来，显然动态响应速度 要慢得多，且输出电压的稳定性也受到一定的影响。 ・７３’ 研究与设计 雹珲墩 第３８卷 对电流控制型而言，只要电流脉冲达到设定的幅值， 脉宽比较器就动作，开关管关断，保证了输出电压 的稳定。故在此采用峰值电流控制模式。 １．１ ＰＷＭ控制芯片 ＵＣ３８４６是一种双端输出的电流控制型脉宽调 制器芯片，它具有固定频率、同定输出电压电流型 控制电路所必须的全部功能。 ＵＣ３８４６采用的是峰值电流模式控制法，电流 型控制方式有以下优点［２＿ １： ｆ１）逐个脉冲控制，动态响应快，调节性能好。因 为检测的是一次电流，所以不会出现电压型控制电 路中由于滤波电感的存在而导致响应速度慢的问 题。故电流型控制有输出精度高、稳定性好的优点。 ｆ２）具有瞬态的保护能力，能迅速对电子电力器 件进行保护。因为内环逐个脉冲控制，当变压器的一 次电流过电流时，能迅速对电力电子器件进行保护。 （３）能防止高频变压器偏磁的发生。高频变压器 发生偏磁时，励磁电流增加，容易烧毁变压器。电流 型控制中采用检测一次电流的方法，能自动对称变 压器的动态磁平衡。 （４）有利于并联均流。在多个电源模块关联时可 提供自动均流功能。 电流型控制方式有以下缺点： （１１占空比大于５Ｏ％时，控制电路不稳定。 （２）控制调节电路基于从电感电流取得的信号， 因此功率部分的振荡容易引入噪声。 可以通过改变ＵＣ３８４６外部参数，使输出脉宽 占空比小于５０％，相位差为１８０￣ｏ合理选择外接电容 和外接电阻的大小来减小噪声对振荡器的影响，最 终克服这两个缺点。 １．２ ＰＷＭ电路设计 有限双极性软开关控制方式是让一个桥臂的 两个管子（前臂Ｕ，，Ｕ ）为ＰＷＭ工作，另一桥臂（后 臂Ｕ ，Ｕ４）轮流导通半个周期。有限双极性软开关控 制电路时序如图１ａ所示，从图中可知，斜对角的两 只开关管（Ｕ。、Ｕ 或Ｕ 、Ｕ，）的关断时间相互错开，导 通时间相同。从变压器一次电压（ 的值正、零、负的 状态定义工作状态＋ｌ，０，一１。超前臂的开关是＋１／０ 和一１／０切换方式，能实现ｚｖｓ（零电压开关１，当０工 作状态为电流复位模式时，滞后臂的开关是 １和 Ｏ／＋ｌ切换方式，能实现ｚｃｓ（零电流开关） 。 ＰＷＭ的电路原理如图１ｂ所示。电流电压反馈 信号经过运算处理，输入到ＵＣ３８４６的５脚，（在电 流检测前加入ＲＣ滤波卜一次电流反馈信号输入到 ＵＣ３８４６的４脚，共同调节输出电压；Ｉ１、ｌ４脚为两 路完全反相的ＰＷＭ信号输出；１６脚为保护信号输 入脚，当电压超过３５０ ｍＶ时，关断输出脉冲，保护 ＩＧＢＴ过电流损坏；Ｃ 、Ｒ。可设定逆变Ｔ作频率。 ： Ｕ ： ， ｉ：ｔ ＼：． ： ．－ｔ ２ ｌ ３‘ ，５ ａ有限双极性软开关控制电路时序 ｂ ＰＷＭ电路原理 图１ ＰＷＭ电路设计 通过ＵＣ３８４６与外部电路相结合这种设计方 法，对脉冲逐个精细控制，实现了ＰＷＭ控制。 ２ ＩＧＢＴ驱动电路设计 ＩＧＢＴ的驱动电路是ＩＧＢＴ与控制电路之间的 接口，实现对ＰＷＭ信号的隔离、放大和保护，驱动 电路对ＩＧＢＴ的正常工作及其保护起着非常重要 的作用，它直接控制ＩＧＢＴ的开关工作过程。因此驱 动电路的设计显得尤为重要。 ＩＧＢＴ是电压控制型开关器件，控制ＩＧＢＴ的栅 极电压就可以控制其导通和关断。ＩＧＢＴ的驱动电路 设计要求与ＩＧＢＴ的特性密切相关，设计驱动电路 时，应特别注意开通特性，负载电路能力和电压变 化率（ｄｕ／ｄｔ）￣Ｉ起的误触发等。一般来说，对驱动电路 的要求主要有如下几点： （１）向栅极提供所需要的栅射极间电压，以保证 开关管的可靠开通和关断。ＩＧＢＴ容量一般比较大， 为确保电路稳定工作，通常采用具有正负值的电 研究与设计 熊敬清等：有限双极性软开关ＰＷＭ控制和ＩＧＢＴ驱动电路设计 第１２期 压。 区时间，保证ＩＧＢＴ关断完成后，才使另一组ＩＧＢＴ 开通。如图３ａ所示，死区时间约为５ ｓ。可保证ＩＧＢＴ 可靠的开通、关断，有效地防止产生直通现象。 ．（２）减小开通和关断时间有利于提高工作频率， 减小开关损耗。但开关频率也不宜过大，以防高速开 通和关断产生很高的尖峰电压造成ＩＧＢＴ自身或 其他元件击穿。 兰 ≥ ０ Ｐ＿ （３）ＩＧＢＴ是电压型驱动功率器件，对栅极电荷 非常敏感，因此要有低阻抗的放电回路，驱动电路 ＞ 的电源内阻要尽量小，驱动电路与ＩＧＢＴ的连线应 尽量短。 ｆ４）驱动电路应提供足够的电压、电流幅值。 （５）具有严格的输入输出电气隔离性能，使信号 电路与栅极驱动电路很好地隔缘，以防止逆变主电 路的强电串人控制电路，造成损坏。 （６）简单可靠，有良好的检测及保护功能，有较 强的抗干扰能力，因为ＩＧＢＴ的工作频率与输人阻 抗较高，易受干扰。 与电流控制型开关器件比较，ＩＧＢＴ具有驱动 功率小、开关速度快的特点，而脉冲变压器又有传 递信号和功率的特点，不需要额外的驱动电源。本研 究使用的ＩＧＢＴ型号为ＳＫＭｌ００ＧＢ１２８ＳＤ，额定电流 １００ Ａ、耐压１ ２００ Ｖ。直接驱动时，由于其脉冲前沿 与后沿不够陡，使得ＩＧＢＴ开通和关断速度受到一 定影响。根据驱动电路设计要求，ＵＣ３８４６的驱动能 力不够，需用场效应管构成的桥式驱动脉冲变压器。 驱动电路过程示意如图２所示。 ＰＵｗＣＭ３８信号４６ＰｗＭ信号 ＩＨ Ｍ’ ｌ。ｓＦＥＴ放大 Ｉ ＩＧＢＴ驱动信号Ｈ脉冲变压器隔离 图２驱动电路过程示意 ３实验与分析 ３．１实验系统和条件 本实验系统由ＩＧＢＴ有限双极性软开关ＣＯ： 焊逆变电源、送丝系统、三维行走机构、焊接动态小 波分析仪、工业控制计算机等构成。 实验条件：Ｑ２３５钢，厚３ｍｍ，平板堆焊，景泰焊 丝 １．２ｒａｍ，工业ＣＯ 保护气体；接触调压器；焊接 速度０．３～０．６ ｍ／ｍｉｎ。 ３．２实验结果与分析 逆变主电路中ＩＧＢＴ的一个桥臂上两个开关 管同时导通，会造成开关管的损坏，为了避免这种情 况，ＩＧＢＴ驱动的占空比小于５０％，要设置一定的死 Ｈ￣ｆｌｈ＇］ｔ／ｔｘｓ ａ ＰＷＭ输出波形 出 时问ｆ／ｕｓ ｂ ＩＧＢＴ同相驱动波形 ｃ ＩＧＢＴ反相驱动波形 图３ ＰＷＭ输出和ＩＧＢＴ同相、反相波形 ＩＧＢＴ驱动波形具有脉冲前、后沿的特点，正向 栅极电压为１６ Ｖ，负栅极电压为一ｌ６ Ｖ，符合ＩＧＢＴ 的应用要求。图３ｂ同相驱动波形重合度较好，能保 证两个ＩＧＢＴ同时开通、同时关断。 由图３ｃ可知，驱动电路能很好地放大ＵＣ３８４６ 产生的ＰＷＭ脉冲信号，两组ＰＷＭ驱动波形相差 １８０。，且输出脉宽相等，这样可以避免主电路中功 率变压器偏磁造成的磁芯饱和。同时，栅极驱动脉冲 没有振荡产生ｌ５Ｊ。实验结果也表明ＩＧＢＴ驱动电路工 作正常。 通过测试功率开关管ＩＧＢＴ上的波形，可以判断 所研制焊机实现ｚｖｚｃｓ（零电压零电流）的情况［６１。 如图４ａ所示，超前臂开通（即驱动信号为高）时，开 关管反并二极管续流，管压为零。超前臂关断（即驱 ｇ 白 ・７５’ 研究与设计 雹珲梭 ４ 结论 第３８卷 动信号为低）时，超前臂上并联电容起作用，管压 Ｌ 升缓慢，基本实现超前臂ＺＶＳ。 在ＣＯ 焊逆变电源焊接系统的计算机测试分 析平台上，利用测试平台对所设计的焊机进行了各 项调试 实验结果表明： 如图４ｈ所示，滞后臂电流南电流感应板采样， 经过电阻分压后，绘电压图，再转化为电流图。滞后 臂开通（即驱动信号为高）时，由于饱和电感的存在， 电流推迟一段时问再上升，实现零电流开通。而滞后 （１）通过ＵＣ３８４６与外部电路相结合，设置有效 死区时间，对脉冲逐个精细控制，实现有限双极性 软开关ＰＷＭ控制。 （２）根据１ＧＢＴ的应用要求，设计的ＩＧＢＴ驱动 电路输出驱动波形具有脉冲前、后沿的特点，正向 栅极电压最大为１６ Ｖ，负栅极电压最小一１６ Ｖ，保汪 开关管的可靠开通和关断。 （３）通过测试功率开关管ＩＧＢＴ卜的波形，证明 该ＩＧＢＴ逆变电源能够在超前臂实现ＺＶＳ，滞后臂实 现ＺＣＳ。 桥臂关断（即驱动信号为低）时，南于隔直电容的存 在，电流迅速衰减至零，为滞后臂的零电流关断提 供了条件。滞后桥臂基本实现ＺＣＳ。 参考文献： ［１】黄桂才．高可靠性ＩＧＢＴ逆变ＣＯ 焊接电源驱动电路【Ｊ１ ．ａ超前臂的ＺＶＳ 滞后臂巾流 电焊机，２００５，３５（６）：５９—６０． 【２】 李远波，黄石生，王振民，等．基于模糊一峰值控制模式的 软开关弧焊逆变器Ｉ Ｊｌｌ电焊机，２００３，３３（８）：２１—２４． 【３】刘 岩，常估，田屯欣．电流控制型开关电源ｌＪ１．现代电 子技术，２００１（１０）：６０—６２． ． ； ｆ４］ 阮新波．脉宽调制ＤＣ／ＤＣ全桥变换器的软开关技术【Ｍ】． 北京：科学Ｈ｛版社，２００１：ｌｌ一２０． ［５】Ｓｅｏｎｇ—Ｊｅｕｂ Ｊｅｏｎ．Ａ Ｚｅｒｏ－Ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｇｅｍ－Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｆｕｌｌ Ｂｒｉｄｇｅ ＤＣ－ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ［Ｊ］． ｂ滞后臂的ＺＣＳ 图４ ＺＶＺＣＳ驱动波形 ＩＥＥＥ ｔｒａｎ￣ｃｔｉｏｎ Ｏｉｌ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００１，１６（５）：５７３－５８０． 【６］ 韩成功．有限双极性软开关榨制ＣＯ：焊波控电源的研究【Ｄ】． 华南理工大机械工程学院，２００７． 不锈钢焊接接头的脆化现象 不锈钢的焊缝在高温加热一段时间后，出现冲击韧性下降的现象称为脆化。 （１）４７５℃脆性。含有较多铁素体相（超过ｌ５％～２Ｏ％）的双相焊缝金属，经过３５０屯～５００屯加热后，塑性和韧 性会显著降低，即性质脆化。 由于在４７５℃时脆化速度最快，故称为“４７５℃脆性”。铁素体越多，这种脆化越严 重。已产生４７５ ｑｃ脆化的焊缝ｊ可经９ＯＯ℃淬火消除。 － （２）Ｏｒ相脆化。不锈钢焊接接头在３７５￣Ｚ８７５℃内长期使用，会产生一种Ｆｅ￣Ｃｒ金属间化合物，称为“盯相”。 Ｏｔ＂相硬而脆，硬度大于６０ＨＲＣ时，由于 相析出的结果，焊缝的冲击韧性急剧下降，这种现象称为“Ｏｒ相脆 化”。通常认为， 相是由铁索体演变而来，当铁素体的质量分数超过５％时，很快会形成 相。因此，对于高温 ≯下使用的不锈钢材料，为了防止出现仃相，必须控制铁素体的含量。为了消除已经生成的Ｏｒ相，恢复焊接接头 的韧性，可以把焊接接头加热到１ ０００ 一Ｉ ｏｓｏ ，然后快速冷却。 （３）熔合线脆断。不锈钢焊件在高温下长期使用，在沿焊缝熔合线处几个晶粒的地方，会发生脆断现象，此现 。 象称为熔合线脆断。钢中加入Ｍｏ元素能提高钢材抗脆断的能力。 ７６・誊 籍
