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1、大功率直流弧焊电源设计编号南京工程学院 毕业设计（论文）题目：大功率直流弧焊电源控制电路部分南京工程学院（系）电气工程及其自动化专业学 号： 0531150844 学生姓名： 指导教师： 摘要软开关技术是解决逆变弧焊电源可靠性的核心技术。本文提出了一种软开关逆变弧焊电源的设计方案，设计主要分为两个部分：主电路和控制回路。计算出了主电路各个部分元件的参数，以及几个主要谐振参数的设计方法。本文分析了超前臂的关断功耗与并联电容之间的关系，串联电容及回路电感对环流期的电流变化的影响。在实践中采用本方案表明，降低了开关应力及损耗，提高了整机可靠性，降低了弧焊电镐的成本。为减小开关器件的开关损耗，提高开关
2、频率，减小开关电源的体积、重量，提高效率，介绍了新型移相控制零电压开关PWM变换器(PSZVSPWM)工作原理，实现零电压开关的条件，并给出了由控制芯片UC3875构成的实用高频开关电源电路。本文也对目前在电力电子技术中广泛使用的IGBT驱动模块EXB841的使用方法进行了改进，克服了EXB841本身的缺陷，提高了保护的可靠性和延长模块的使用寿命，对使用好新型电力模块有一定的借鉴作用。关键词：逆变电源；移相控制；UC3875;驱动电路;弧焊电源AbstractSoft switch is the key technology to solve the problem of invert wel
3、ding power source.This article introduces a design plan of soft switch invert welding power source,there are two part:the main circuit and the control loop.It also analyzes the parameter of the main circuit,and the design methods about the main resonance parameter,and the cost of the leading arms an
4、d the parallel C, series C and loop L affect the loop current.It shows that can lower the switch stress，wastage, and cost and even improves the reliability.It also introduce the control loop .reducing the switching loss of transistors and increasing the switching frequency，So that the volume and wei
5、ght of switching power supply can be reduced and the efficiency of the switching power supply can be improved，by introducing the operation principle of shifting phase，zero voltage switching，the condition for realizing the ZVS and a practical high frequency switching power supply with UC3875 were giv
6、enthe improvement of IGBT driving module EXB841 widely used to current electric power and electronic technologiesIt overcomes the limitation of EXB841 itself，enhances the reliability of protection and prolongs the service life of the module，which provides a reference at a certain extend to use new e
7、lectric power modules.Key word:inverter;arc welding;soft switch;UC3875目录摘要IIABSTRACTIII目录IV第1章 绪论11.1 电源发展的历程11.2 弧焊电源的分类、特点及运用11.3 弧焊电源技术的现状与发展21.3.1 弧焊电源技术的现状21.3.2 弧焊电源技术的发展4第2章 大功率直流弧焊电源的设计52.1 逆变式弧焊电源的基本组成52.2 逆变式弧焊电源的结构及原理6第3章 控制回路的设计83.1移相控制电路的设计983.1.1 相移脉冲宽度调制谐振控制器UC38751283.1.2 UC3875外围电路设
8、计113.2 驱动电路的设计10113.2.1 EXB841的构成及特点12123.2.2 EXB841高速型驱动器它的典型应用电路133.3 PI调节器的设计13143.4 电流检测元件的设计143.5 辅助电源的设计153.5.1 UC3875的电源的设计153.5.2 EXB841的电源的设计15结束语17致谢17参考文献18附录19图 控制电路图19I第1章 绪论弧焊技术是现代焊接技术的重要组成部分，其应用范围几乎涵盖了所有的焊接生产领域。电弧焊作为一种基本的金属处理方法,被广泛地运用于国民经济的各部门，为电弧焊提供能量的弧焊电源从诞生起已取得了很大的进展。弧焊逆变电源是七十年代末发展
9、起来的一种新型电源，它采用了DCACDC变换技术，把低频交流电转换成数万赫兹的高频交流电，从而去除了笨重的工频变压器，大大的减轻了重量，并提高了效率。通过对电流及电压的闭环控制，能得到任意外特性输出，可以分别满足不同焊接方法的需求。1.1 电源发展的历程电弧作为一种气体导电的物理现象是在19世纪初被发现的，但1885年俄国人别那尔道斯发明碳极电弧可看作是电弧作为热源应用的创始，而电弧真正用于工业则是在1892年发明金属极电弧后，特别是1930年前后出现了薄皮和厚皮焊条以后才开始的。上个世纪40年代研究成功了埋弧焊，而随着航天与原子能工业的发展出现了氩弧焊。50年代又出现了CO2与各种气体保护焊
10、并研究出了等离子弧焊，到60年代，由于大容量硅整流元件、晶闸管的问世，为发展硅整流器、晶闸管式的弧焊整流器等提供了条件。到70、80年代，弧焊电源的发展更是出现飞跃：多种形式的弧焊整流器相继出现和完善，研制成功多种形式的脉冲弧焊电源，为进一步提高焊接质量和适应。全位置焊接自动化提供了性能优良的弧焊电源。此外，还先后研制成功了高效节能，性能好的晶闸管式、晶体管式、场效应管式的IGBT弧焊逆变器。随着新型弧焊技术的发展，弧焊电源也不断地得到发展。1.2 弧焊电源的分类、特点及运用无论是国内还是国外弧焊电源都有不同的分类方法，因此其结果也不尽相同，笔者采用了陈祝年的分类方法。(1) 弧焊变压器 它把
11、网络电压的交流电变成适用于弧焊的低压交流电，由主变压器及所需的调节部分和指示装置等组成。具有结构简单、易造易修、成本低、效率高等优点，但其电流波形为正弦波，输出为交流下降外特性，电弧稳定性较差，功率因数低，但磁偏吹现象很少产生，空载损耗小，一般应用于焊条电弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊等方法。(2) 矩形波交流弧焊电源 它采用半导体控制技术来获得矩行波，电弧稳定性好，可调参数多，功率因数高。除了用于交流钨极氩弧焊(TIG)外，还可用于埋弧焊，甚至可代替直流弧焊电源用于碱性焊条电弧焊。(3) 直流弧焊发电机 一般由特种直流发电机及已获得的所需外特性的调节装置等组成，优点是过载能力强、输出脉动小，可用于
12、各种弧焊方法的电源，也可用柴油机驱动及用于没有电源的野外施工。但空载损耗较大、磁偏吹现象较明显、效率低、噪声大、造价高、维修难。(4) 弧焊整流器 它是把交流电经降压整流后获得直流电，外特性可以是平的或下降的，它由主变压器、半导体整流元件以及获得所需外特性的调节装置等组成。与直流弧焊发电机比较，它具有制造方便、价格低、空载损耗小、噪声小等优点，而且大多数可以远距离调节，能自动补偿电网电压波动对输出电压、电流的影响，但有磁偏吹现象。可作为各种弧焊方法的电源。(5) 弧焊逆变器 它把单相(或三相)交流电经整流后，由逆变器转变为几百至几万赫的中频交流电，经降压后输出交流或直流电。整个过程由电子电路控
13、制，使电源具有符合需要的外特性和动特性。具有高效节电、质量轻、体积小、功率因数高、控制性能好、动态响应快易于实现焊接过程的实时控制、焊接性能好等独特的优点，可用于各种弧焊方法，是一种最有发展前途的普及型弧焊电源。(6) 脉冲弧焊电源 其焊接电流以低频调制脉冲方式馈送，一般是由普通的弧焊电源与脉冲发生电路组成，也有其他结构形式。具有效率高、热输入较小、可在较宽范围内控制热输入等优点。这种弧焊电源用于对热输入比较敏感的高合金材料薄板和全位置焊接，具有独特的优点。1.3 弧焊电源技术的现状与发展1.3.1 弧焊电源技术的现状传统的弧焊电源，如在占焊机总产量90的焊条电弧焊焊机的生产中，以技术落后的矩
14、形动铁式和大量耗材的动圈式交流弧焊机为主。在我国直流弧焊电源生产中，经国家三令五申，虽已逐步减少了电力拖动的旋转式直流弧焊发电机的生产，但未能完全禁绝。对整流式弧焊电源的推广，也是较为困难，由于老式的硅整流弧焊电源的性能难以与旋转式直流弧焊电源相匹敌，而国家重点推广的晶闸管整流电源ZX5250，ZX5400初期性能并不稳定，使用户无所适从，这一局面直到上世纪90年代中期才得到改变。逆变式弧焊电源出现于上世纪70年代。1970年晶闸管逆变焊机问世，但受电子技术发展的限制，到上世纪9O年代才兴旺起来。它的出现立即解决了几个重要问提，所以得到飞速的发展。20世纪90年代后期，一些富有远见的企业家，再
15、次推出了逆变焊机。这是由于人们对可靠性有了科学的认识，同时电力电子技术、控制技术、半导体器件技术和磁性元件等都有了长足的进步，使得逆变焊机的可靠性问题基本上得到了解决，主要表现在以下几个方面：(1) 器件质量高是可靠性的保证。功率开关器件由晶闸管、GTR和MOS管发展到IGBT管， 由于IGBT为电压型控制压降低而显示出极大的优越性。随后IGBT器件的制造工艺又进一步完善，采用了NPN制作工艺。从而使其具有更好的耐过流冲击能力，非常适合焊接电源应用。另一重要部件是变压器，其磁芯材料由铁氧体发展到超微晶材料，它具有饱和磁感应强度高、温度稳定性好和居里点高等特点。(2) 设计合理是提高可靠性的根本。从前逆变焊机的设计只重视焊机性能设计而忽略了焊机的可靠性设计。可靠性设计是考虑到逆变焊机的整个工作过程，为降低功率器件的开关损耗，可采用谐振技术、软开关技术和无损耗吸收网络设计技术等。(3) 焊机的通用设计和结构设计。为减少器件的温升，片面增大散热器的热容收效甚
