逆變電焊機原理圖的講解[共12頁]

1、主電路電氣原理圖1主控制板電器原理圖：2逆變觸發(fā)電路圖：3脈沖及時序板原理圖：本機采用三相交流 380V 電壓經(jīng)三相橋式整流、濾波后給予以新型 IGBT 為功率開關(guān)器件的逆變器進行變頻（ 20KC）處理后,由中頻變壓器降壓,再經(jīng)整流輸出可供焊接所需的電源,通過集成電路組成的邏輯控制電路對電壓、電流信號的反饋進行處理,實現(xiàn)整機閉環(huán)控制,采用脈寬調(diào)制 PWM為核心的控制技術(shù),從而獲得快速脈寬調(diào)制的恒流特性和優(yōu)異的焊接工藝效果。4IGBT 逆變電焊機工作原理及輸出特性這里介紹的逆變器（見圖）主要由 MOS場效應(yīng)管,普通電源變壓器組成。其輸出功率取決于 MOS場效應(yīng)管和電源變壓器的功率, 免除了煩瑣的

2、變壓器繞制, 適合電子愛好者業(yè)余制作中采用。下面介紹該逆變器的工作原理及制作過程。 - 拓普電子1. 電路圖2. 工作原理這里我們將詳細介紹這個逆變器的工作原理。方波信號發(fā)生器（見圖 3） 這里采用六反相器 CD4069組成方波信號發(fā)生器。電路中 R1是補償電阻,用于改善圖 35由于電源電壓的變化而引起的振蕩頻率不穩(wěn)。電路的振蕩是通過電容 C1 充放電完成的。其振蕩頻率為 f=1/2.2RC 。圖示電路的最大頻率為： fmax=1/2.2 × 3.3 × 103× 2.2 × 10 -6=62.6Hz; 最小頻率 fmin=1/2.2 × 4.

3、3 × 103× 2.2 × 10 -6=48.0Hz 。由于元件的誤差, 實際值會略有差異。 其它多余的反相器,輸入端接地避免影響其它電路。場效應(yīng)管驅(qū)動電路。由于方波信號發(fā)生器輸出的振蕩信號電壓最大振幅為 05V,為充分驅(qū)動電源開關(guān)電路,這里用TR1、TR2將振蕩信號電壓放大至 012V。如圖 4 圖 4所示。MOS場效應(yīng)管電源開關(guān)電路。這是該裝置的核心,在介紹該部分工作原理之前,先簡單解釋一下 MOS場效應(yīng)管的工作原理。MOS場效應(yīng)管也被稱為 MOS FET, 既Metal Oxide圖 5 Semiconductor FieldEffect Transist

4、or （金屬氧化物半導體場效應(yīng)管）的縮寫。它一般有耗盡型和增強型兩種。本文使用的為增強型 MOS場效應(yīng)管,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖 5。它可分為 NPN型 PNP型。NPN型通常稱為N溝道型, PNP型也叫 P溝道型。由圖可看出,對于 N溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極接在 N型半導體上,同樣對于 P 溝道的場效應(yīng)管 其源極和漏極則接在 P 型半導體上。 我們知道一般三極管是由輸入的電流 控制輸出的電流。但對于場效應(yīng)管,其輸出電流是由輸入的電壓（或稱電場）控制,可以認為輸入電流極小或圖 6沒有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗,同時這也是我們稱之為場效應(yīng)管的原因。6為解釋 MOS場效應(yīng)管的工作原理,我們先

5、了解一下僅含有一個 PN結(jié)的二極管的工作過程。如圖 6 所示,我們知道在二極管加上正向電壓（ P 端接正極, N端接負極）時,二極管導通,其 PN結(jié)有電流通過。 這是因為在 P 型半導體端為正電壓時, N型半導體內(nèi)的負電子被吸引而涌向加有正電壓的 P型半導體端, 而 P型半導體端內(nèi)的正電子則朝 N型半導體端運動,從而形成導通電流。同理, 當二極管加上反向電壓（P端接負極, N端接正極）時,這時在 P 型半導體端為負電壓, 正電子被聚集在 P型半導體端, 負電子則聚集在 N型半導體端, 電子不移動,其 PN結(jié)沒有電流通過,二極管截止。 圖 7a 圖 7b對于場效應(yīng)管（見圖 7）,在柵極沒有電壓時

6、,由前面分析可知,在源極與漏極之間不會有電流流過,此時場效應(yīng)管處與截止狀態(tài) （圖7a）。當有一個正電壓加在 N 溝道的 MOS場效應(yīng)管柵極上時,由于電場的作用,此時 N 型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來而涌向圖 8柵極,但由于氧化膜的阻擋,使得電子聚集在兩個 N溝道之間的 P型半導體中（見圖 7b）,從而形成電流,使源極和漏極之間導通。我們也可以想像為兩個 N型半導體之間為一條溝,柵極電壓的建立相當于為它們之間搭了一座橋梁, 該橋的大小由柵壓的大小決定。 圖 8 給出了 P 溝道的 MOS場效應(yīng)管的工作過程,其工作原理類似這里不再重復。下面簡述一下用 C-MOS場效應(yīng)管 （增強型 MOS

7、場效應(yīng)管） 組成的應(yīng)用電路的工作過程 （見圖9）。電路將一個增強型 P 溝道 MOS場效應(yīng)管和一個增強型 N 溝道 MOS場效應(yīng)管組合在一起使用。當輸入端為低電平時, P 溝道 MOS場效應(yīng)管導通, 輸出端與電源正極接通。 當輸入端為高電平時, N溝道 MOS場效應(yīng)管導通,輸出端與電源地接通。在該電路中, P 溝道 MOS場效應(yīng)管和 N溝道 MOS場效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)下工作, 其相位輸入端和輸出端相反。 通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。 同時由于漏電流的7影響,使得柵壓在還沒有到 0V,通常在柵極電壓小于 1 到 2V 時, MOS場效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不

8、同。也正因為如此,使得該電路不會因為兩管同時導通而造成電源短路。由以上分析我們可以畫出原理圖中MOS場效應(yīng)管圖 10電路部分的工作過程（見圖 10）。工作原理同前所述。這種低電壓、大電流、頻率為 50Hz 的交變信號通過變壓器的低壓繞組時,會在變壓器的高壓側(cè)感應(yīng)出高壓交流電壓,完成直流到交流的轉(zhuǎn)換。這里需要注意的是,在某些情況下,如振蕩部分停止工作時,變壓器的低壓側(cè)有時會有很大的電流通過,所以該電路的保險絲不能省略或短接。3. 制作要點電路板見圖 11。所用元器件可參考圖 12。逆變器用的變壓器采用次級為 12V、電流為 10A、初級電壓為 220V 的成品電源變壓器。 P 溝道 MOS場效應(yīng)

9、管（ 2SJ471）最大漏極電流為 30A,在場效應(yīng)管導通時,漏 - 源極間電阻為 25 毫歐。此時如果通過 10A電流時會有 2.5W 的功率消耗。 N溝道 MOS場效應(yīng)管（ 2SK2956）最大漏極電流為 50A,場效應(yīng)管導通時,漏 - 源極間電阻為 7 毫歐,此時如果通過 10A電流時消耗的功率為 0.7W。由此我們也可知在同樣的工作電流情況下, 2SJ471的發(fā)熱量約為 2SK2956的 4 倍。所以在考慮散熱器時應(yīng)注意這點。圖 13 展示本文介紹的逆變器場效應(yīng)管在散熱器（100mm× 100mm× 17mm）上的位置分布和接法。盡管場效應(yīng)管工作于開關(guān)狀態(tài)時發(fā)熱量不

10、會很大,出于安全考慮這里選用的散熱器稍偏大。圖 118圖 12圖 134. 逆變器的性能測試9測試電路見圖 14。這里測試用的輸入電源采用內(nèi)阻低、 放電電流大（一般大于 100A）的 12V汽車電瓶, 可為電路提圖 14供充足的輸入功率。測試用負載為普通的電燈泡。測試的方法是通過改變負載大小,并測量此時的輸入電流、電壓以及輸出電壓。其測試結(jié)果見電壓、電流曲線關(guān)系圖（圖15a）?？梢钥闯?輸出電壓隨負荷的增大而下降,燈泡的消耗功率隨電壓變化而改圖 15a 圖 15b 變。我們也可以通過計算找出輸出電壓和功率的關(guān)系。但實際上由于電燈泡的電阻會隨受加在兩端電壓變化而改變,并且輸出電壓、電流也不是正弦波,所以這種的計算只能看作是估算。以負載為60W的電燈泡為例：假設(shè)燈泡的電阻不隨電壓變化而改變。因為 R燈=V2/W=2102/60=735,所以在電壓為 208V時,W=V2/R=2