1 引言
逆變焊機與傳統焊機相比較有如下優點:高效節能、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節焊接工藝參數、設備費用較低.因此逆變焊機是當今世界焊接技術的重大進步,是發展的新潮流.
逆變焊機電源的主電路基本工作原理為:工頻交流—直流—逆變為中高頻交流—降壓—二次整流—直流輸出.
金屬化薄膜電容器以其優越有高頻特性在逆變焊機電源的電路中得到了廣泛的應用,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越有高頻特性得到了廣泛的應用.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用較多的IGBT吸收保護電路作詳細介紹:.
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軌跡,控制各種瞬態過電壓,降低器件開關損耗,保護器件安全運行.
圖2 IGBT的開關波形
圖2所示為IGBT驅動感性負載時的開關波形.不難看出,在開通和關斷過程中,GTR集電極電壓uc和集電極電流ic將同時出現,因而開關功耗大.加入緩沖電路,可將部分開關功耗轉移到緩沖電路上,達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時間常數應設計為開關周期的1/3,即τ=T/3=1/3f,應用于大容量IGBT時,緩沖電阻必須位于低值,結果使開通時集電極電流增大,IGBT負荷加重;b)充放電型RCD吸收電路,對關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的負擔問題,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生LC諧振電路,母線電壓容易產生振蕩;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,則會發生高的尖峰電壓,或者緩沖二極管的反向恢復時電壓可能產生振蕩.
2．2 下面就以最合理的IGBT吸收電路的放電阻止型RCD吸收電路的基本設計方法進行說明:
IGBT采用吸收電路后典型關斷電壓波形如圖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過程引起的.因緩沖電路的配線產生的電感是發生尖峰電壓的原因,應盡量在包括電路部品的配置等方面想方設法降低電感.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為緩沖二極管瞬態正向電壓下降(緩沖二極管一般瞬態正向電壓下降的參考值如下:600V級為20~30V,1200V級為40~60V)
di/dt為關斷瞬間或二極管恢復瞬間的電流變化率,其最惡劣的值接近-0.02Ic(A/ns).
如果ΔV1已被設定,則可由式(1)確定緩沖電路允許的最大電感量.例如,設某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,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部的雜散電感,在IGBT開通時儲存的能量要轉儲在緩沖電容中,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下一次關斷動作進行前,將存儲在吸引電容器中的電荷放電.在IGBT進行下一次關斷動作前,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盡量設定為高值.緩沖電阻發生的損耗P(Rs)與電阻值無關,可以由下式求出:
P(Rs)=LI2f/2
2．2．3 緩沖二極管的選定
緩沖二極管的瞬態正向電壓下降是關斷時發生尖峰電壓的原因之一.另外,一但緩沖二極管的反向恢復時間加長,高頻交換動作時緩沖二極管產生的損耗就變大,緩沖二極管的反向恢復急劇,并且級沖二極管的反向恢復動作時的IGBT的C-E間電壓急劇地大幅度振蕩.因此,應選擇瞬態正向電壓低,反向恢復時間短,反向恢復平順的緩沖二極管．
