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1、主电路电气原理图1主控制板电器原理图：2逆变触发电路图：3脉冲及时序板原理图：本机采用三相交流 380V 电压经三相桥式整流、滤波后给予以新型 IGBT 为功率开关器件的逆变器进行变频（ 20KC）处理后,由中频变压器降压,再经整流输出可供焊接所需的电源,通过集成电路组成的逻辑控制电路对电压、电流信号的反馈进行处理,实现整机闭环控制,采用脉宽调制 PWM为核心的控制技术,从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊接工艺效果。4IGBT 逆变电焊机工作原理及输出特性这里介绍的逆变器（见图）主要由 MOS场效应管,普通电源变压器组成。其输出功率取决于 MOS场效应管和电源变压器的功率, 免除了烦琐的
2、变压器绕制, 适合电子爱好者业余制作中采用。下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。 - 拓普电子1. 电路图2. 工作原理这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。方波信号发生器（见图 3） 这里采用六反相器 CD4069组成方波信号发生器。电路中 R1是补偿电阻,用于改善图 35由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。电路的振荡是通过电容 C1 充放电完成的。其振荡频率为 f=1/2.2RC 。图示电路的最大频率为： fmax=1/2.2 3.3 103 2.2 10 -6=62.6Hz; 最小频率 fmin=1/2.2 4.3 103 2.2 10 -6=48.0Hz 。由于元件的误差, 实
3、际值会略有差异。 其它多余的反相器,输入端接地避免影响其它电路。场效应管驱动电路。由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为 05V,为充分驱动电源开关电路,这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至 012V。如图 4 图 4所示。MOS场效应管电源开关电路。这是该装置的核心,在介绍该部分工作原理之前,先简单解释一下 MOS场效应管的工作原理。MOS场效应管也被称为 MOS FET, 既Metal Oxide图 5 Semiconductor FieldEffect Transistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型 MOS场效应管,其
4、内部结构见图 5。它可分为 NPN型 PNP型。NPN型通常称为N沟道型, PNP型也叫 P沟道型。由图可看出,对于 N沟道的场效应管其源极和漏极接在 N型半导体上,同样对于 P 沟道的场效应管 其源极和漏极则接在 P 型半导体上。 我们知道一般三极管是由输入的电流 控制输出的电流。但对于场效应管,其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制,可以认为输入电流极小或图 6没有输入电流,这使得该器件有很高的输入阻抗,同时这也是我们称之为场效应管的原因。6为解释 MOS场效应管的工作原理,我们先了解一下仅含有一个 PN结的二极管的工作过程。如图 6 所示,我们知道在二极管加上正向电压（ P 端接正极,
5、 N端接负极）时,二极管导通,其 PN结有电流通过。 这是因为在 P 型半导体端为正电压时, N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的 P型半导体端, 而 P型半导体端内的正电子则朝 N型半导体端运动,从而形成导通电流。同理, 当二极管加上反向电压（P端接负极, N端接正极）时,这时在 P 型半导体端为负电压, 正电子被聚集在 P型半导体端, 负电子则聚集在 N型半导体端, 电子不移动,其 PN结没有电流通过,二极管截止。 图 7a 图 7b对于场效应管（见图 7）,在栅极没有电压时,由前面分析可知,在源极与漏极之间不会有电流流过,此时场效应管处与截止状态 （图7a）。当有一个正电压加在
6、N 沟道的 MOS场效应管栅极上时,由于电场的作用,此时 N 型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向图 8栅极,但由于氧化膜的阻挡,使得电子聚集在两个 N沟道之间的 P型半导体中（见图 7b）,从而形成电流,使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个 N型半导体之间为一条沟,栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁, 该桥的大小由栅压的大小决定。 图 8 给出了 P 沟道的 MOS场效应管的工作过程,其工作原理类似这里不再重复。下面简述一下用 C-MOS场效应管 （增强型 MOS场效应管） 组成的应用电路的工作过程 （见图9）。电路将一个增强型 P 沟道 MOS场效应管和一个增强型 N
7、 沟道 MOS场效应管组合在一起使用。当输入端为低电平时, P 沟道 MOS场效应管导通, 输出端与电源正极接通。 当输入端为高电平时, N沟道 MOS场效应管导通,输出端与电源地接通。在该电路中, P 沟道 MOS场效应管和 N沟道 MOS场效应管总是在相反的状态下工作, 其相位输入端和输出端相反。 通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。 同时由于漏电流的7影响,使得栅压在还没有到 0V,通常在栅极电压小于 1 到 2V 时, MOS场效应管既被关断。不同场效应管其关断电压略有不同。也正因为如此,使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。由以上分析我们可以画出原理图中MOS场效应管
8、图 10电路部分的工作过程（见图 10）。工作原理同前所述。这种低电压、大电流、频率为 50Hz 的交变信号通过变压器的低压绕组时,会在变压器的高压侧感应出高压交流电压,完成直流到交流的转换。这里需要注意的是,在某些情况下,如振荡部分停止工作时,变压器的低压侧有时会有很大的电流通过,所以该电路的保险丝不能省略或短接。3. 制作要点电路板见图 11。所用元器件可参考图 12。逆变器用的变压器采用次级为 12V、电流为 10A、初级电压为 220V 的成品电源变压器。 P 沟道 MOS场效应管（ 2SJ471）最大漏极电流为 30A,在场效应管导通时,漏 - 源极间电阻为 25 毫欧。此时如果通过
9、 10A电流时会有 2.5W 的功率消耗。 N沟道 MOS场效应管（ 2SK2956）最大漏极电流为 50A,场效应管导通时,漏 - 源极间电阻为 7 毫欧,此时如果通过 10A电流时消耗的功率为 0.7W。由此我们也可知在同样的工作电流情况下, 2SJ471的发热量约为 2SK2956的 4 倍。所以在考虑散热器时应注意这点。图 13 展示本文介绍的逆变器场效应管在散热器（100mm 100mm 17mm）上的位置分布和接法。尽管场效应管工作于开关状态时发热量不会很大,出于安全考虑这里选用的散热器稍偏大。图 118图 12图 134. 逆变器的性能测试9测试电路见图 14。这里测试用的输入电
10、源采用内阻低、 放电电流大（一般大于 100A）的 12V汽车电瓶, 可为电路提图 14供充足的输入功率。测试用负载为普通的电灯泡。测试的方法是通过改变负载大小,并测量此时的输入电流、电压以及输出电压。其测试结果见电压、电流曲线关系图（图15a）。可以看出,输出电压随负荷的增大而下降,灯泡的消耗功率随电压变化而改图 15a 图 15b 变。我们也可以通过计算找出输出电压和功率的关系。但实际上由于电灯泡的电阻会随受加在两端电压变化而改变,并且输出电压、电流也不是正弦波,所以这种的计算只能看作是估算。以负载为60W的电灯泡为例：假设灯泡的电阻不随电压变化而改变。因为 R灯=V2/W=2102/60=735,所以在电压为 208V时,W=V2/R=2082/735=58.9W。由此可折算出电压和功率的关系。通过测试,我们发现当输出功率约为 100W时,输入电流为 10A。此时输出电压为 200V。逆变器电源效率特性见图 15b。图 16图 16、17 为逆变器连续 100W负载时, 场效应管的温升曲线图。图 17 为不同负载时输出波形图,供大家制作是参考。10科教兴国
