基于高频逆变技术弧焊电源的研制

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3.0 侯斌 2025-01-09 6 4 3.12MB 53 页 15积分

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摘要

目前很多工业发达国家对焊接电源的研究都给予了很高的研发投入，随着逆变

技术和电子控制技术的发展，逆变焊接电源正逐步取代传统焊接电源。逆变焊接

电源是一种高效、节能、省材、优质的小型化焊接电源，已被广泛应用于制造业。

本文首先对焊机行业的发展前景以及发展方向做了简要的阐述，指出了本次研制

的MMA 高频逆变弧焊电源的重要意义。

然后在对主电路的拓扑结构和控制电路的芯片详细了解之后，对主电路和控

制电路进行了设计。其中包括逆变主电路设计（全桥）、元器件的选择（采用 IGBT

为功率开关元器件）、EMI 电磁抗干扰电路等等。在控制电路的选择上，由于系统

稳定性的要求，采用频率 50kHz 的逆变方式，使用 PWM 控制方式，用 SG3525

作为输出 PWM 波形的芯片，采用 TC4420 驱动 IGBT 芯片。

此外，本次主电路变压器经过计算，设计出高频变压器的具体参数，在辅助

电路中使用了 TOPSWITCH244 脉宽调制来调节辅助电压。本次设计大大减小了逆

变焊机的体积和重量，使得焊机的工作更有保证。

最后，根据以上的理论设计，研制出了一台 MMA 手工焊高频逆变电源。由

于本次设计中较多的使用了成熟的 PWM 芯片，大大提高了焊接电源工作的可靠性、

效率及焊接的质量。经过福禄克三相电能分析仪的测试，满足了设计的外特性和

输入特性测试，此次设计达到了预期的要求。

关键字：高频全桥逆变 IGBT TOPSWITCH

ABSTRACT

Today in industry developed countries effort invested in welding power supply’s

research and development has a very high expense. Meanwhile inversion power supply

is gradually overtaking traditional arc welding power source along with the

development of inverter technology and electronic control technology. Inversion power

supply is a small welding power source with the characteristics of high efficiency,

energy saving, material saving and good quality. It has been widely used in

manufacturing industry. In this paper the development and prospects of the welding

machine industry is firstly briefly discussed, pointing out the great importance of

developing MMA arc welding power supply in high-frequency.

After a detailed understanding of main circuit topological structure and IC chip,

main circuit and control circuit are designed accordingly in the paper. It mainly includes

main circuit (Full-Bridge Converter), the choice of component, auxiliary circuit system,

driver circuit, anti-interference circuit design.

Furthermore, the design of transformer is carried out according to calculations.

Specific parameters of high-frequency transformer is figured out, This design is reduced

largely in number and gross weight by adopting inverter technology., the design of

welding machine is proved to meet the expected requirement.

Lastly the development of MMA is finished according to the previous research. As

the result of extensive use of mature control chip, the reliability and efficiency of

welding power supply is greatly improved as well as the welding quality. According to

the test of Fluke three-phase power quality analyzer, the analyzing result of external and

input characteristic is proved to satisfy the designing demand.

Key Word：High-frequency, Inverter, Full-Bridge-Converter, IGBT,

TOPSWITCH

III

摘要 ............................................................................................................................... I

ABSTRACT ..................................................................................................................... II

第一章绪论 .................................................................................................................. 1

1.1 焊接电源的发展及应用现状 ............................................................................. 1

1.1.1 弧焊逆变技术的发展方向 ........................................................................... 2

1.1.2 弧焊电源的应用现状 .................................................................................. 2

1.2 课题的意义及目的 ............................................................................................. 3

1.3 论文主要研究内容及关键技术 ......................................................................... 4

1.3.1 本课题的主要研究内容如下 ....................................................................... 4

1.3.2 主要关键技术 ............................................................................................... 4

第二章电磁干扰（EMI）滤波电路的设计 ................................................................. 5

2.1 电磁干扰产生的机理 ......................................................................................... 5

2.1.1 电磁干扰的传输方式 ................................................................................... 5

2.1.2 电磁干扰的产生方式 ................................................................................... 5

2.1.3 电源噪声及其抑制方法 ............................................................................... 6

2.2 电磁干扰滤波器的设计 ..................................................................................... 7

2.2.1 EMI 滤波器的基本电路 .............................................................................. 7

2.2.2 几种简易 EMI 滤波器的性能比较 ............................................................ 8

2.3 弧焊逆变电源 EMI 的设计 .............................................................................. 10

2.4 本章小结 ........................................................................................................... 10

第三章逆变焊接电源主电路的设计 ........................................................................... 11

3.1 逆变焊接电源的设计参数 ................................................................................ 11

3.2 逆变弧焊电源主电路拓扑结构的比较与选型 ................................................ 11

3.2.1 逆变的概念 .................................................................................................. 11

3.2.2 逆变弧焊电源主电路拓扑结构的比较与选型 ......................................... 12

3.2.3 主电路设计拓扑结构 ................................................................................. 16

3.2.4 逆变弧焊电源主电路开关器件的选择 ..................................................... 16

3.2.5 逆变焊接电源系统及控制系统 ................................................................. 19

3.3 开机防浪涌电路的设计 ................................................................................... 20

3.4 高频变压器的设计 ........................................................................................... 22

3.4.1 磁芯材料的选择 ......................................................................................... 22

3.4.2 磁芯的结构选择 ......................................................................................... 23

3.4.3 性能要求 ..................................................................................................... 24

3.4.4 变压器的设计要求及用 Ap法设计变压器 ............................................... 25

3.4.5 输出整流电路与二极管选择 ..................................................................... 29

3.5 本章小结 ........................................................................................................... 29

第四章功率器件散热器的设计 .................................................................................. 31

4.1 功率器件散热系统的等效电路 ....................................................................... 31

4.2 IGBT 模块散热器的设计 ................................................................................. 33

4.3 UFRD 散热器的设计 ........................................................................................ 36

4.4 本章小结 ........................................................................................................... 36

第五章辅助回路与驱动电路的设计 .......................................................................... 37

5.1 脉宽调制(PWM)电路 ...................................................................................... 37

5.2 控制芯片选型及驱动电路设计 ....................................................................... 38

5.2.1 SG3525 型PWM 控制电路芯片 ............................................................... 38

5.2.2 TC4420 的运用 ........................................................................................... 39

5.2.3 驱动电路的设计 ........................................................................................ 40

5.3 辅助回路的设计 ............................................................................................... 40

5.4 本章小结 ........................................................................................................... 42

第六章实验分析 .......................................................................................................... 43

6.1 实验仪器及设备 ............................................................................................... 43

6.2 特性测试分析图表 ........................................................................................... 43

6.2.1 测试输入情况分析 ..................................................................................... 43

6.2.2 电源外特性分析 ......................................................................................... 45

6.3 本章小结 ........................................................................................................... 46

第七章结论 ................................................................................................................ 47

参考文献 ........................................................................................................................ 48

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 50

致谢 ............................................................................................................................ 51

第一章绪论

1978 年，第一台弧焊逆变电源的诞生，弧焊逆变电源获得了迅猛快速的发展，

使得弧焊逆变电源的发展步入了崭新的阶段。逆变弧焊电源有如下的特点：第一，

工作频率高，响应速度较快，动特性好，很容易实现多功能的焊接；第二，由于

用到开关管及一些电路变换而变得效率高；第三，高频电源与以前的相比体积变

小了；第四，高频电源的重量变的更轻了。目前在欧、美、日等工业发达的国家，

逆变焊接电源被公认为是最有发展前途的焊接电源[1]。

焊接装备行业的发展是为制造业服务的，以焊接工艺为主导的国内重型机械、

冶金机械、船舶制造、矿山工程机械、电站锅炉、压力容器、石油化工、机车车

辆、汽车等行业已进人世界同行业的先进行列, 给焊接装备行业带来了机会。受到

上述制造业的发展, 国内焊接智能化开始进人了高速发展的阶段。2011 年度电焊

机行业相较前几年的走势, 仍然保持了可持续的发展。电焊机行业(上报统计数据

的57 家企业) 共完成工业总产值 1262130 万元, 比去年同期增长 11% ; 工业销售

产值 l160326 万元；工业增加值 348462 万元；电焊机产量 5039820 台; 利润总额

141637 万元[3]。

弧焊电源从一开始的交流弧焊电源、然后的直流弧焊电源以及脉冲弧焊电源

一步步的发展后。因为电力电子技术、材料加工技术和计算机技术等的不断发展,

电源的逆变技术开始出现并逐渐走向市场。在我国, 研究逆变式电源从 1980 年逐

渐开始,目前已然形成了三代产品。第一代以晶闸管为主要的开关电子元器件(1982

年),逆变频率为 2k~5kHz;第二代以 GTR 或MOSFET 为主开关器件,逆变频率为

20~30kHz;第三代以绝缘栅双极型晶体管为主的开关器件(1990 年),开关频率为

20~50kHz[4]。到 1990 年初,多种类型规格的第一、第二、第三代的弧焊逆变电源已

在多家高校或者研究所研制。因此，对焊接电源的研究具有非常重要的意义，逆

变焊接电源是保证高质量焊接的首要必备的条件。通过调研，目前很多发达国家

和发展中国家都对焊接电源的研究都给予了非常高的研发投入。我们中国为了不

落后其他国家，也对焊接电源的研究投入了大量的科研力量、高校学生和研究所

人员，以赶上和超过国际的先进水平。

1.1 焊接电源的发展及应用现状

现代焊接的非常重要组成部分是弧焊技术,其应用范围基本上覆盖了大部分的

焊接生产领域。目前我们熟知的三大焊接方法(分别是熔焊、压焊、钎焊)之中,熔焊

所占比重最大,而弧焊占熔焊的比例超过 80%，由此可见弧焊在焊接生产中的重要

的地位。因此，弧焊电源不断研发的方向与发展一直很受到电焊机生产厂家、使

上海理工大学硕士学位论文

用者以及研究单位的关注。逆变焊接电源不只拥有高效、节能、体积小、重量轻、

多功能、多用途的优点,而且还具有良好的动、静态特性。对生产电源的厂商来说，

逆变电源节约材料、技术的附加值高,经济效益较好。对使用者来说，逆变电源的

重量轻而所以搬起来方便、并且由于性能好用起来顺手。对国家发展来说，发展

逆变电源，不仅可以推动节能工程的发展，还能带动制造业步入更高的发展阶段。

因此，投入人力物力研究和开发弧焊逆变电源的意义相当大。

目前在工业相对发达的国家，MMA 焊、TIG 焊和 MIG/MAG 焊等大部分都

使用了逆变电源；中国的一些焊机生产商也开始大范围大产生量的投入到逆变电

源焊机中。从二十一世纪的发展观点来看，逆变弧焊电源是弧焊电源的发展方向[4]。

逆变焊接电源的总发展趋向是往着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发

展并以提高产品的可靠性、高性能及提高用途的使用面为主旨，越来越广泛的应

用于各种弧焊方法、电阻焊、切割等等的工艺中。高效率以及高功率密度(小型化)

是工业发达国家中弧焊逆变电源追求的重要发展方向之一。电源的高频化和降低

主要开关功率器件的损耗是实现这一目标的主要的解决方法和技术途径。目前，

在工业高发达的国家和地区，二十千赫兹左右的弧焊逆变技术已经趋于成熟，产

品的质量相对较高，而且产品已经能满足多种用途。

1.1.1 弧焊逆变技术的发展方向

1.以二十千赫兹的技术为基础，开发研究更高频率的弧焊逆变器。这当然要依

靠于开关功率管的不断升级和进化。

2.分析和研究能够降低电子元件开关的功耗，提高开关频率的零电压，零电流

开关(软开关)技术，其中也包括电路拓扑结构和实际应用中的实现。在往后的很长

时间内，弧焊逆变器将依然以硬开关技术为主流，但是软开关技术也会逐步的得

到开发和应用。

3.国内外正在研发和生产容量大的逆变焊机，以满足制造业的不断发展。

4.逆变焊接电机目前往智能控制的方向发展。为了满足市场需要的高质量、高

性能的焊接电机，最近智能控制的逆变式焊接机出现井喷式发展开发和生产。

5.研究功率因数的校正，以及研究减少电网谐振干扰的方法。目前逆变焊接电

机的输入整流滤波单元都采用不可控二极管整流和大容量滤波电容，它会导致有

的逆变电源功率因数变得很低，随着逆变焊机的不断的向市场推出并应用，电网

的谐振问题变得越来越严重，提高功率因数并改善输入电流的波形已然成为当前

主要的研究方向。本系统采用单极 EMC 滤波电路。

1.1.2 弧焊电源的应用现状

近些年国内电焊机行业有以下几个特征：

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