1 引言
逆变焊机与传统焊机相比较有如下优点:高效节能、体积小、重量轻、具有良好的动特性和弧焊工艺性能、可用微机或单旋钮控制调节焊接工艺参数、设备费用较低.因此逆变焊机是当今世界焊接技术的重大进步,是发展的新潮流.
逆变焊机电源的主电路基本工作原理为:工频交流—直流—逆变为中高频交流—降压—二次整流—直流输出.
金属化薄膜电容器以其优越有高频特性在逆变焊机电源的电路中得到了广泛的应用,在逆变焊机电源中金属化薄膜电容器主要用于IGBT吸收、逆变高频滤波、谐振选频、换向、隔直和输出滤波等电路.
2 金属化薄膜电容器在逆变焊机电源中的应用
图1是目前常用的大功率逆变焊机电源的主电路基本原理图,逆变焊机电源中金属化薄膜电容器以其优越有高频特性得到了广泛的应用.如图1所示,C1为滤波用电解电容,C2~C8均为金属化薄膜电容器,其中C2作高频滤波用、C3~C6作IGBT吸收保护用、C7作谐振选频用、C8作输出滤波用.下面就以金属化薄膜电容器应用较多的IGBT吸收保护电路作详细介绍:.
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图1 大功率逆变焊机电源的主电路基本原理图
2．1 IGBT吸收电路
IGBT器件的损坏,不外乎是器件在开关过程中遭受了过量di/dt、dv/dt或瞬时功耗的危害而造成的.吸收电路的作用,就是改变器件的开关轨迹,控制各种瞬态过电压,降低器件开关损耗,保护器件安全运行.
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图2 IGBT的开关波形
图2所示为IGBT驱动感性负载时的开关波形.不难看出,在开通和关断过程中,GTR集电极电压uc和集电极电流ic将同时出现,因而开关功耗大.加入缓冲电路,可将部分开关功耗转移到缓冲电路上,达到保证器件安全运行的目的.
IGBT吸收电路分为二种:一种是在所有的元件上以一对一安装吸收电路的个别吸收电路,另一种是在直流母线间集中安装的集中式吸收电路.个别吸收电路的代表实例,有以下几种电路:①RC型吸收电路,②充放电型RCD吸收电路,③放电阻止型RCD吸收电路;集中式吸收电路的代表实例,有以下几种电路: ①C吸收电路,②RCD吸收电路.连接电路图如图3所示.
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图3 主要IGBT吸收电路实例接线图
如图3所示, a)RC型吸收电路,对关断浪涌电压抑制效果明显,适合于小功率斩波电路,其RC时间常数应设计为开关周期的1/3,即τ=T/3=1/3f,应用于大容量IGBT时,缓冲电阻必须位于低值,结果使开通时集电极电流增大,IGBT负荷加重;b)充放电型RCD吸收电路,对关断浪涌电压有抑制效果,适合于中小功率斩波电路,由于外加了缓冲二极管,缓冲电阻能够变大,有回避开通时IGBT的负担问题,缓冲电阻的损耗可以通过下式求出:P=L*Io2*f/2+Cs*Ed*f/2 (其中L为主电路的寄生电感,Io为IGBT关断时的集电极电流,Cs为吸收电容的电容值,Ed为直流电源电压,f为交换频率); c)放电阻止型RCD吸收电路,对关断浪涌电压有抑制效果,适合于高频交换用途,缓冲电阻的损耗可以通过下式求出:P=L*Io2*f/2 (其中L为主电路的寄生电感,Io为IGBT关断时的集电极电流, f为交换频率);d)C吸收电路,是最简易的电路,因由主线电路电感与缓冲电容器产生LC谐振电路,母线电压容易产生振荡;e)RCD吸收电路,可以降低母线电压的振荡,母线配线长的情况下效果明显,但如果缓冲二极管选择错误,则会发生高的尖峰电压,或者缓冲二极管的反向恢复时电压可能产生振荡.
2．2 下面就以最合理的IGBT吸收电路的放电阻止型RCD吸收电路的基本设计方法进行说明:
IGBT采用吸收电路后典型关断电压波形如图4所示.图中,VCE起始部分的毛刺ΔV1是由缓冲电路的寄生电感和缓冲二极管的恢复过程引起的.因缓冲电路的配线产生的电感是发生尖峰电压的原因,应尽量在包括电路部品的配置等方面想方设法降低电感.ΔV1值由下式计算:
ΔV1=-L×di/dt (式中:L为缓冲电路的寄生电感)
关断时的尖峰电压值可以通过下式求出:
Vcesp=Ed+VFM+ΔV1= Ed+VFM+(-L×di/dt)
式中:Ed为直流电源电压
VFM为缓冲二极管瞬态正向电压下降(缓冲二极管一般瞬态正向电压下降的参考值如下:600V级为20~30V,1200V级为40~60V)
di/dt为关断瞬间或二极管恢复瞬间的电流变化率,其最恶劣的值接近-0.02Ic(A/ns).
如果ΔV1已被设定,则可由式(1)确定缓冲电路允许的最大电感量.例如,设某IGBT电路工作电流峰值为400A,ΔV1≤100V, 则在最恶劣情况下,
di/dt=-0.02×400=-8A/ns
由式(1)得 :L=-ΔV1/(di/dt)=100/8=12.5nH
图中ΔV2是随着缓冲电容的充电,瞬态电压再次上升的峰值,它与缓冲电容的值和母线寄生电感有关,可用能量守恒定律求值.如前所述,母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感,在IGBT开通时储存的能量要转储在缓冲电容中,因此有 :
L×I2/2=C×ΔV22/2 (2)
式中:L为母线寄生电感
I为工作电流
C为缓冲电容的值
ΔV2为缓冲电压的峰值
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图4 采用缓冲电路后IGBT关断电压波形
2．2．1 吸收电容器的电容值的求法
吸收电容需要的电容由下式求出:
C=L×I2/ΔV22= L×I2/(Vcep-Ed)2
式中:L为母线寄生电感
I为工作电流
C为缓冲电容的值
Vcep为缓冲电容器电压的最终达值
Ed为直流电源电压
2．2．2 缓冲电阻值的求法
缓冲电阻要求的机能是在IGBT下一次关断动作进行前,将存储在吸引电容器中的电荷放电.在IGBT进行下一次关断动作前,将存储电荷的90%放电的条件下,求取缓冲电阻的方法如下:
Rs≤1/2.3*C*f
缓冲电阻值如果设定过低,由于缓冲电路的电流振荡,IGBT开通时的集电极电流峰值也增加,请在满足上式有范围内尽量设定为高值.缓冲电阻发生的损耗P(Rs)与电阻值无关,可以由下式求出:
P(Rs)=LI2f/2
2．2．3 缓冲二极管的选定
缓冲二极管的瞬态正向电压下降是关断时发生尖峰电压的原因之一.另外,一但缓冲二极管的反向恢复时间加长,高频交换动作时缓冲二极管产生的损耗就变大,缓冲二极管的反向恢复急剧,并且级冲二极管的反向恢复动作时的IGBT的C-E间电压急剧地大幅度振荡.因此,应选择瞬态正向电压低,反向恢复时间短,反向恢复平顺的缓冲二极管．
