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逆變焊機電源安全要求及IGBT可靠性研究

文檔作者：喬立強文檔來源：威海職業(yè)學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月31日
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上海電器技術(shù)(2006 No．1) 逆變焊機電源安全要求及IGBTn-T~性研究·工藝·設(shè)■ ·髓斟
逆變焊機電源安全要求及IGBT可靠性研究
喬立強威海職業(yè)學(xué)院
摘 要： 介紹了逆變焊機的機械安全要求和逆變器中IGBT模塊的必須的保護措施，前者包括電纜同定
裝置、耐沖擊能力、吊運裝置、耐跌落能力、傾斜穩(wěn)定性。后者包括驅(qū)動電路的典型安全措施；過流保護、
過熱、網(wǎng)壓過／欠壓電路設(shè)計；吸收電路。
關(guān)鍵詞：逆變焊機機械安全驅(qū)動電路IGBT 保護
M echanical S afety Requirement of Welder Inverter and
Typical S afeguards of Drive Circuit Protection
Abstract：The mechanical safety requirement of welder inverter and the safeguard of IGBT module in inverter are
introduced．The former includes cable setting mechanism，impact resistance，traveling device，drop resistance and dip
stability．The latter includes，typical safeguards of drive circuit；protection against over current，over heat and overunder
·voltage；absorb circuit．
Keywords：inverter welder mechanical safety drive circuit IGBT protection
近年來，逆變焊機電源以其所具有的效率高、
節(jié)能顯著、體積小、重量輕、動靜態(tài)特性好等優(yōu)點
已成為焊接電源的主流產(chǎn)品。由于焊機屬耐用品，用
戶選購焊機時往往是在注重焊機的使用性能、可靠性
和安全性的前提下，才注重焊機技術(shù)先進性的，所
以必須對焊機工作的安全性和可靠性進行研究。
1 機械安全要求¨
逆變焊機屬于電T產(chǎn)品，其機械結(jié)構(gòu)比較簡
單，故焊機的安全性和可靠性主要取決于焊機的電
源。也正因為如此，其安全性往往被忽略，以至造
成一些事故。因此，有必要進行認真研究，按照國
家有關(guān)逆變焊機設(shè)備安全要求的標(biāo)準進行產(chǎn)品設(shè)計、
制造和檢驗，這對提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證操作者人身
安全具有重要意義。
1．1 電纜固定裝置
一5O一
由于焊機的電源屬于非同定式設(shè)備，使用場所
又比較惡劣，有意或無意的帶電移動設(shè)備在所難免，
這就為拉脫輸入電纜，造成短路或觸電埋下了禍根。
焊機電源的電源輸入端不僅要有符合標(biāo)準規(guī)定的接線
端子，而且還要有符合要求的電纜同定裝置。
在一定拉力下，電纜固定裝置應(yīng)保證電纜既不
能被拉脫，又不能被推進到焊機電源的內(nèi)部，同時
也不應(yīng)損壞電纜的絕緣護套。為此，供應(yīng)商應(yīng)對電
纜固定裝置進行考核：即按規(guī)定裝配的最大截面積和
最小截面積的電纜應(yīng)分別做拉力試驗和扭矩試驗。其
拉力和扭矩數(shù)值見表1。
表1 拉力和扭矩數(shù)值
導(dǎo)線截面／111111 拉力／N 扭矩／Nm
5 6O O．25
2．5 60 O．345
4．0以上 2OO O．5
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工藝·設(shè)置·啊麒·逆變焊機電源安全要求及IGBT可靠性研究 上海電器技術(shù)f2006 No．1)
試驗時，先將電纜連結(jié)到接線端子，然后固定
于電纜同定裝置。在張緊的電纜上距電纜固定裝置
20 mm 處作一標(biāo)記，將力逐步施加到距電纜固定裝置
約250 1-nn-i處的電纜上。其力應(yīng)基本垂直于固定裝置
的側(cè)面，每次拉伸持續(xù)時間為1 ms，如此試驗1 min。
實驗后，在同樣張緊的情況下檢測電纜上的標(biāo)記，其
位移不應(yīng)超過2 mm；接線端子不應(yīng)變形，其固定的
導(dǎo)線不應(yīng)有明顯的位移。上述試驗后，對裝有電纜
的固定裝置擰緊、松開試驗10次，電纜固定裝置不
應(yīng)損壞或損傷。
1．2 耐沖擊能力
由于焊機電源的外殼負有與帶電部分相隔離的作
用，而把手、按鈕等屬于手工操作的部件，一旦損
壞，將危及安全。這些部件如果是由非金屬材料制
作的，其中如有雜質(zhì)或氣泡自在，則存在著薄弱點，
或者南于結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理，不能經(jīng)受住正常使用條
件所需要的強度，因此這些部件也應(yīng)進行機械沖擊試
驗。
試驗時，用沖擊試驗器對外殼、手把、按鈕等
部件的任何一個薄弱點或易出故障的部位垂直其表面
沖擊三次，其沖擊能量為(0．5±0．05)N·m。試
驗后，這些部件應(yīng)無裂痕、損傷或損壞等現(xiàn)象。
1．3 吊運裝置
每臺焊機電源都應(yīng)有吊運裝置，以供機械吊運
或手工搬運。對焊機電源吊運裝置的考核，不僅是
吊運裝置本身，如吊環(huán)、吊耳、提手等。而且還
包括與之固定的整體結(jié)構(gòu)。因此在產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)
全面考慮其機械結(jié)構(gòu)，使之能承受自由下落所產(chǎn)生的
沖擊力。
試驗時，將剛性繩索的一端系在吊運裝置上，
另一端則固定在剛性的懸掛組件上，使弧焊電源處于
自然下垂?fàn)顟B(tài)。調(diào)整脫鉤機構(gòu)的繩索流量，使之提
供150“~omm的下落距離。自由下落試驗應(yīng)重復(fù)j次，
而后檢查吊運裝置及整體結(jié)構(gòu)是否有明顯變形、損傷
或損壞。
1．4 耐跌落能力
輕便的焊機電源多以手工方式搬運，故在搬運
中有可能發(fā)生偶爾失手而跌落的情況，因此重量不超
過25kg的焊機電源要做跌落試驗。
試驗時，將焊機電源從250“3 mm高度自由跌落
到剛性地面上，如水泥地面或厚度10 mm 以上的鋼
板。試驗應(yīng)進行三次，每次應(yīng)安排在弧焊電源的不
同邊上。試驗后，焊機電源的外形結(jié)構(gòu)允許有些變
形，但以不增加觸電危險為條件。
1．5 傾斜穩(wěn)定性
配備氣瓶、送絲機、冷卻裝置等附件的焊機電
源，其重心會有很大變化，因此，焊機電源應(yīng)具有足
夠的傾斜穩(wěn)定性。考核的辦法是以它最不穩(wěn)定的位
置。即將其放置在與水平成15。的傾斜面上。不傾倒
為合格。
2 IGBT模塊的安全保護措施
IGBT逆變焊機已日益受到各逆變焊機廠家的重視。
然而，“燒管子”的問題一直困擾著人們．這嚴重影
響了IGBT的推廣使用。研究結(jié)果表明，要保證IGBT
的可靠使用，驅(qū)動、保護電路的設(shè)計非常關(guān)鍵。
2．1 驅(qū)動電路的典型安全措施犯
逆變器主電路的開關(guān)器件選用日本富士生產(chǎn)的
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊，并采用其
專用驅(qū)動模塊EXB841。驅(qū)動電路的作用是，將脈寬
調(diào)制器SG3525輸出的兩路觸發(fā)脈沖進行功率放大。
本文介紹以下幾種典型的保護措施。
2．1．1 “死區(qū)”時間的設(shè)定
IGBT的驅(qū)動是其安全使用的關(guān)鍵，所以必須為
其提供合適的驅(qū)動信號。在半橋和全橋式弧焊逆變器
中，為防止“直通”現(xiàn)象發(fā)生，一般是通過在PWM
控制電路中設(shè)定一“死區(qū)” 來防止“直通”。
如圖1所示。全橋式逆變主電路中。在兩臂
IGBT交替導(dǎo)通之間設(shè)定一“死區(qū)”時間 ，即在
丁 和 關(guān)斷后延遲 時間，再開通 和 。否則，
有可能由于IGBT的關(guān)斷延遲導(dǎo)致同一橋臂的兩只
IGBT同時導(dǎo)通， 以致逆變顛覆。
一5l一
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上海電器技術(shù)f2006 No．1) 逆變焊機電源安全要求及IGBT~7靠性研究·工藝·設(shè)蔫·啊斟
U 1，4
O
Ug2,3
O
(a)全橋逆變式主電路
，什
l
『0
r_] 廠_] 廠_]一
一
(b)死區(qū)時間的設(shè)定
罔1 死區(qū)時間的設(shè)定
2．1．2負柵射極電壓的設(shè)置
在逆變電路中，兩只IGBT串聯(lián)(如全橋式)
交替導(dǎo)通，與IGBT反向并聯(lián)的續(xù)流二極管D1 D4
有開通延遲。在關(guān)斷尖峰電壓形成的最初一段時間有
尖峰電壓漏出，使柵射極間的電壓提高到閾值電壓以
上，從而發(fā)生IGBT 的“誤導(dǎo)通”。為防止誤導(dǎo)通．
關(guān)斷時必須施加反偏壓～ (一般都在一5V以
上)，以確保IGBT及時關(guān)斷。如國內(nèi)常用的日本
FuJI公司生產(chǎn)的EXB 840，841就可提供一5V的關(guān)柵
電壓，從而提高了IGBT運行的可靠性。IGBT驅(qū)動
電路如罔2所示 】。
R1 Vfc
- 52-
圖2 EXB841~動電路
2．1．3 柵極串聯(lián)電阻
為了改善IGBT驅(qū)動脈沖的前沿陡度和防止振蕩，
在柵極串聯(lián)了電阻 ，如圖2所示。當(dāng)R 增大時，
會使IGBT的通斷時間延長，能耗增加；而減少R 又
會使di／dt增高，可能引起觸發(fā)誤導(dǎo)通而損壞IGBT。
因此R。應(yīng)根據(jù)電路的情況折中考慮，可按照表2所推
薦的阻值選擇H】。
表2 推薦的柵極電阻阻值
額定電流 額定電壓／600V 額定電壓／1200V
／A 50 l00 l50 200 300 400 600 800 25 50 75 l00 l50 200 300
尺sI高頻 5l 25 l5 lO 62 4．7 3．0 2 2 5l 25 l5 l0 6．2 4．7 3．O
／nl低頻 l50 75 5l 30 20 l5 l0 6．8 l50 75 51 30 20 l5 l0
表2中，高頻一般為大于15kHz的工作頻率，
低頻為小于lkHz的工作頻率，如 作頻率在兩者之
間，可取折中值。
2．1．4柵射并聯(lián)電阻
由于IGBT為壓控器件，當(dāng)集射極之間加有高壓
時，很容易受外界干擾而使柵射電壓超過U (開啟
電壓)而引起誤導(dǎo)通，尤其在橋式變換器中易造成
同臂連通短路。為避免這種情況的發(fā)生，在柵射間
并聯(lián)一個電阻R R 的取值一般為(1—5)X 10 R 。
如圖2所示。
2．1．5柵射并聯(lián)反串穩(wěn)壓管
在柵射間并聯(lián)兩只功率較大的反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二
極管DW1和DW2，如圖2所示。其可以吸收柵極驅(qū)
動電路出現(xiàn)的高壓尖峰，對IGBT有很大的保護作用。
2．2 過流保護
當(dāng)IGBT過流時，其集射極電壓 會高于正常
導(dǎo)通時的電壓值，EXB841即可根據(jù)這一原理檢測
IGBT是否過流。因其自身具有過流檢測及保護功能，
在其過流檢測6腳(見圖2)E接一超快恢復(fù)二極
BT 管，當(dāng)IGBT正常丁作時。該二極管處于正向?qū)?
態(tài)，一旦IGBT過流，該二極管截至，于是，EXB841
自動將驅(qū)動電壓降低，以增加IGBT過流能力。若在
l0 s之內(nèi)，過流仍未消失，EXB841將關(guān)斷IGBT，
同時在其5腳輸出低電平報警。通過在5腳上接一高
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工藝·設(shè)置·唧料·逆變焊機電源安全要求及IGBT可靠性研究 上海電器技術(shù)(2006 No．1)
速光耦，當(dāng)過流時。高速光耦導(dǎo)通，過流保護信號
從分壓電阻處得到，加至SG3525的lO腳，關(guān)斷PWM
輸出．同時申請單片機中斷。
2．3 過熱。網(wǎng)壓過、欠壓電路設(shè)計
過熱，網(wǎng) 過、，人樂的電路如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)
壓發(fā)生過、欠壓時，比較器輸出高電平，該高電平
一
‘面加到SG3525的10腳，關(guān)閉觸發(fā)脈沖；另一
方面．經(jīng)過或門向單片機申請捕捉中斷。由于單片
機具有獨特的捕捉中斷功能，它能捕捉到外部中斷信
號的上升沿或下降沿，從而引起中斷。
當(dāng)電源輸入整流塊、IGBT 模塊溫度、變壓器
副邊整流二極管三者中任一元件的溫度超過規(guī)定的溫
度值時，常閉過熱繼電器動作，使SG3525關(guān)閉觸發(fā)
脈沖，同時申請單片機中斷。另外，將熱保護繼電
器緊靠元件安裝在元件的散熱器上，以便于檢測IGBT
是否過熱。
2．4 吸收電路
在設(shè)計過程中，吸收電路和驅(qū)動電路是緊密相
關(guān)的，必須綜合考慮開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力du／di、di／
df。在一些PWM 硬開關(guān)方式下，較為常用的吸收電
路是：(a)類RCD吸收電路、(b)類RC 吸收電路和(a)
類C 吸收電路。如圖4所示。
以RCD吸收電路為例，其T作原理是：在IGBT
開通瞬間，電容通過阻值較大的尺放電，減小di／dt，
CT3I
P1．5
Pl 4
CTl1
減輕IGBT開通時的負擔(dān)，同時將開關(guān)損耗從IGBT
轉(zhuǎn)移到電阻上。在IGBT 關(guān)斷時，通過二極管D
給電容充電，以降低IGBT集電極的電壓上升率du／
d (集電極電壓上升率取決于電容C的充電速率)。
他們的共同特點是：既可以減小IGBT 開關(guān)時
的du／di、di／dt應(yīng)力，又可減小開關(guān)損耗。缺點是
(a)類尺功耗特別大；(b)類吸收慢，尺功耗大；
(c)類開通時有浪涌電流沖擊IGBT。
世 (a)類 (b)類 (c)類
罔4 i種吸收電路
3 結(jié)論
為了保證IGBT逆變弧焊機的安全、可靠運行，
在保證機械安全的前提下，完善驅(qū)動、保護電路至
關(guān)重要。同時，在實際工作中，過流、過熱、過
壓、欠壓等保護電路的設(shè)計也不可或缺。此外，還
應(yīng)注意其外嗣電路的設(shè)計及裝配工藝的改進，以減小
干擾，提高可靠性。
網(wǎng)3 過熱．網(wǎng) 過、欠壓保護電路
參考文獻
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機械安全要求．電焊
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20o0．1l
- 53-

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