逆变电焊机原理图的讲解

1 主电路电气原理图主电路电气原理图 2 主控制板电器原理图 主控制板电器原理图 3 逆变触发电路图 逆变触发电路图 4 脉冲及时序板原理图 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 滤波后供给以新型 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 集成电路构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 5 IGBT 逆变电焊机工作原理及输出特性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 普通电源变压器构成 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 构成方波信号发生器 电路中 R1 是补偿电阻 用于改善 图 3 6 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 0 5V 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 0 12V 如图 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 Semiconductor Field Effect 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 图 4 图 5 图 6 7 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 P N 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 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 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 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 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 图 8 8 同时由于漏电流的影响 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 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 1 7mm 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 10 图 11 9 4 逆变器的性能测试 图 13 图 12 10 测试电路见 图 14 这里测试 用的输入电源采 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 5