01
焊机的典型拓扑

焊机作为比较传统的行业,但是任何一个行业不可能是停滞不前的。俗话说:原地踏步就等于退步。所以,随着电子元器件的发展,各个行业也都在不停地迭代更新,推出新的设备,赢得行业地竞争。而今天我们主要聊聊焊机基本的一些知识。


首先,我们来聊聊焊机的总体结构,如下图:

 

 

今天我们主要还是针对其中的逆变器部分以及 IGBT 的选择方面进行讨论。逆变技术从一开始的硬开关技术,到移相软开关技术再到双零软开关技术的发展,对 IGBT 都有着各自不同的要求,也正因为如此,IGBT 的正确选择和使用显得很是重要。


➤硬开关拓扑
电路拓扑如下:

 

 

UDC 为直流母线电压,R1~R4 和 C1~C4 对应的串联组合形成 IGBT1~IGBT4 的 RC 吸收网络,TX1 为逆变中频变压器,VD1 和 VD2 为输出全波整流二极管,R5、R6 和 C5、C6 对应串联组成 VD1 和 VD2 的吸收网络,L 为输出滤波电感,R 为输出等效负载。


硬开关电路的工作方式如下:

 

 

IGBT1 和 IGBT4 同时开通和关断,IGBT2 和 IGBT3 同时开通和关断,在开关损耗中,关断损耗占比较大。因此在选择 IGBT 时,选择快速型 IGBT,尤其时关断时间较短的较好。因为时硬开关,我们开到开关部分的波形存在较为严重的振荡。


➤移相软开关拓扑
电路拓扑如下:

 

 

与硬开关电路不同,逆变主变压器的一次侧增加了谐振电感,使用负载特性时不会导致输出电压波形畸变。

 

移相软开关工作方式如下:

 

 

IGBT1 和 IGBT2 轮流导通,各导通 180°,IGBT3 和 IGBT4 也是如此。但是 IGBT1 和 IGBT4 不同时导通,若 IGBT1 先导通,则 IGBT4 后导通,两者之间存在一定的相位角,同组 IGBT 的开通和关断存在一定的相位。因此,开关损耗较小,但是导通损耗会大,且续流二极管的工作时间较长,选择 IGBT 时应选择低通态型 IGBT,并且续流二极管的通流能力要强。


➤双零软开关拓扑
电路拓扑如下:

 

 

在 AB 段串入饱和电感 Ls 和阻断电容 C,IGBT1 和 IGBT4 同时开通,不同时关断,IGBT2 和 IGBT3 亦是如此。根据双零软开关的电路特点,零电压开通和零电流关断,使得 IGBT 的开关损耗非常小,所以,在损耗中,通态损耗的占比较大,选择低通态型 IGBT 较好。

 

工作方式如下:

 


02
IGBT 选择的几点建议

下面聊聊焊机的中 IGBT 的选择,因为焊机的负载较为特殊,具体选型建议如下:


①快速热能响应


该特性反映了 IGBT 在单脉冲作用下将结温传递给外壳的能力,对散热器尺寸有重要意义;


②IGBT 寄生电容参数


输入电容 Ciss,米勒电容 Cres,输出电容 Coss,对于驱动功率,米勒效应等有着重要意义,所以选择较小的米勒电容,输入电容的 IGBT 较为有利;


③尽可能选择导通压降较小的;


④电压、电流等级


三相 380V 的输入电压,母线为√2*380=537V 左右,硬开关的情况下,IGBT 的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍,这是考虑到硬开关尖峰电压较高的原因;而软开关一般 1200V 就可以了;


电流:如输出电流为 400A,主变压器变比为 K=37/5,变压器一次侧的平均电流为 400A/K=54A。选择 IGBT 时,额定电流 Ic=100A,考虑到增强引弧和推力功能,输出电流最大值为 500A. 变压器一次侧为 500A/K=67.6A,这也是 IGBT 中流过的最大电流 ICM,而且维持时间小于 1ms,使用时考虑两倍的裕量,选用额定 ICM>150A 即可。


焊机的工作情况可能比较特殊,其工作在“空载——短路——负载”的变化中,因此比较在意电流参数方面。


关于其他的一些,如驱动电阻,保护电路等外部的今天我就不再这里再展开了。万变不离其宗,再结合具有情况具体分析才是正理。
目前好像部分厂家都在往高频率发展,有朋友跟我说他们正在考虑三电平的方案。高频率主要可以大大地减小主变压器的尺寸:


我们根据变压器的计算公式 U=4.44f*N*B*S


其中,f 为变压器的工作频率;N 为一次线圈的匝数;B 为磁通密度,S 为铁心的截面积。


可以看出,开关频率做的越高,可以减少一次侧线圈匝数和贴心的截面积,从而降低变压器的尺寸,提高焊机整体的功率密度。