IGBT数字化焊机

数字化焊机采用高速DSP控制，能够及时发现和纠正主变偏磁，有效避免了焊机因主变偏磁而损坏，大大提高了其可靠性;具备欠压、过压及过热保护功能;IGBT与风道隔离，避免了淋雨、灰尘等损坏焊机。此外，由于采用数字化技术，大大减少了元器件数量，提高了电路的可靠性。

模拟控制的精度一般由元件参数值引起的误差和运算放大器非理想特性参数引起的误差所决定，很难做到高精度控制。而数字化控制的精度仅仅与模-数转化的量化误差及系统有限字长有关，因此数字化控制可以获得很高的精度。特别是对于像脉冲气保这样先进的焊接方式，对电弧能量控制要求非常严格，要实现无飞溅、短弧、低热输入量的目的，必须精确控制每个脉冲的电流电压，真正实现一脉一滴基值过渡。Nebula 500D系列焊机的电流误差<1A,电压误差<1V,时间误差<1微秒，很好地实现了脉冲过渡。

传统焊机的构成特点决定了它的性能特点完全依靠各元器件的参数，元器件参数的不一致直接导致焊机性能的不一致，而任何厂家生产的元器件都不可能保证其参数完全一致，所以经常出现同一品牌的焊机一台和一台不一样的问题。另外，元器件的参数都会随温度、湿度等环境的变化而变化，所以焊机性能会出现时好时坏的现象。

数字化电路的特点是对元器件参数变化不敏感，比如一个输入或输出电阻从1K变化到10K都不会影响焊机的性能。所以数字化焊机的一致性、稳定性远比传统焊机要好。

传统焊机的功能是靠许多模拟和逻辑电路来实现的，每增加一种功能都要增加很多元器件，要具备两种以上的功能就需要很多电路板，这样不仅会大幅度提高焊机成本，而且焊机的性能和可靠性会随元器件的增加而急剧下降，所以传统焊机很难将多种焊接功能综合的一台焊机中。

数字化焊机的功能是靠软件来实现的，增加焊机功能只需改变其软件即可，各功能模块相互独立，增加新功能完全不影响原有功能和性能，所以数字化焊机功能可以做的很丰富。比如Nebula系列焊机具有药皮手工焊、直流氩弧焊、脉冲氩弧焊、氩弧点焊、气保焊(CO2,MIG,MAG)、脉冲气保焊、双脉冲气保焊和碳弧气刨八种焊接方式。每种功能都具有很多可调参数，用户既可以采用系统默认的参数非常方便地设置焊机，也可以根据不同的焊接要求精细地调整焊机，使之达到最佳焊接效果。

对于如何提高焊接性能国内外专家作了很多工作，提出了很多优秀的数学控制模型，但这些复杂的数学模型很难在传统模拟焊机上实现，因为这需要非常复杂的电路，所以长期以来一直停留在理论阶段。数字化焊机的出现使得这些数学模型很容易在焊机上实现。NEBULA系列数字化焊机采用了世界最先进的控制模型，焊接性能达到了世界先进水平。

随着网络和自动化技术的发展，越来越多的企业要求其各类设备能连接成一个网络，能集中监测和控制，实现自动化作业。这两年焊接领域用机器人替代人工焊接的趋势发展得很快，这种应用场合只有数字化焊机才可能胜任。星云的500D数字化焊机是世界上唯一一家内部集成现场总线DEVICENET的焊机，由于省去了外接DEVICENET转换模块，其通讯速度至少比FRONIUS快20倍，而且可以直接对焊机内部的几百个参数和变量直接读取和设置，大大提高了机器人焊接的应用水平。它完整地支持DEVICENET协议，可与世界上绝大多数厂家的机器人直接通讯。

数字化技术的应用使得焊机成为了一台智能设备，可以象计算机一样具有数据库功能，能把很多焊接专家的经验存储到数据库中，使普通焊工很容易焊出专家的焊接水平。尤其是一些先进的焊接方式，需要调节的参数很多，如果由用户自己去匹配这么多参数是一件很困难的是，所以专家数据库已经成为了数字化焊机最突出的优点。Nebula 500D系列焊机内置100套专家数据库，适应的材料有铝、铝镁合金、铝硅合金、铜硅合金、铜铝合金、不锈钢307、不锈钢308、不锈钢药芯焊丝、碳钢、碱性药芯焊丝、酸性药芯焊丝、铁粉芯药芯焊丝等，特别适合于焊接质量要求高的军工、机车、钢结构、造船、有色金属焊接等领域。

新型的数字化焊机大都采用了高频软开关技术，大大提高了焊机的动态相应速度，比如FRONIUS的TPS5000焊机逆变频率高达70KHZ，动态相应速度很快，动态速度的提高极大地提升了焊机的焊接性能，使FRONIUS成为全世界公认的焊接性能最好的数字化焊机。星云最新研制的NEBULA 500D系列焊机采用了100KHZ的高频软开关技术和自适应控制技术，其动态相应速度大大提高，脉宽调节从最小到最大只需20微秒，是目前世界上调节速度最快的焊机。

焊机具有LVO功能，能有效节约电能，避免空载电压电击伤人，符合欧洲危险场合作业安全要求。

IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。

IGBT Modules 在使用中的注意事项

由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20~30V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点:在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸;在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块;尽量在底板良好接地的情况下操作。

在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

此外，在栅极-发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。

在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态)，若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。

在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近 IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。

将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT 的集电极(C)，红表笔接IGBT 的

发射极(E)，此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极(G)和集电

极(C)，这时IGBT 被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住

指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极(G)和发射极(E)，这时

IGBT 被阻断，万用表的指针回零。此时即可判断IGBT 是好的。

1 确定igbt门极容量 在设计和选购igbt 驱动器之前,必须首先知道igbt 的门极负荷q,这是一个十分重要的参数,但在igbt 的技术参数中生产厂家一般并不直接给出,而需要我们借助其它参数得到。igbt 具有mosfet 的输入级,在igbt的技术资料中往往有一个参数ciss,一般我们把它叫作输入电容,该电容的测试往往是在ugs=0,uos=25v,f=1mhz 的情况下进行,由于密勒效应, 该值往往比在ugs= o v 时要小,根据实践经验,igbt 的输入电容一般满足下面的公式 cin≈5ciss 一般simens 和 eupec 公司的igbt 满足上述公式。 知道了igbt 的输入电容cin,门极的负荷可以由下面公式得到 q=∫oidt= cin △ u。 △ u 代表门极的驱动电压, 大多数的igbt 开通电压+15v,关断电压-5v,因而△u= 2 0 v , 如应用十分广泛的e x b 8 4 1 系列。高电压、大电流igbt 往往开通关断均为15v,因而△ u= 3 0 v 。 2 开关频率确定 开关频率的大小不仅影响系统的控制精度,而且影响系统的整体性能,如运行效率,噪声指标。开关频率是所有电力电子变换器的一个重要参数。 根据igbt 的门极容量,储存在igbt 输入电容中的能量可以计算得到 每个脉冲周期栅极充放电各一次,因而驱动一只igbt 的功率为: f 为开关频率。驱动器的平均输出电流iout可以这样得到: p=iout * △u 比较上面两式q=iout / f 驱动器的平均电流在数据文档可以找到,则igbt的最大允许开关频率可以得到: 。 3 门极驱动电阻rg的选取 igbt 的开关时间是由驱动器对igbt 的输入电容的充放电来控制, 增加门极输出电流,igbt 开通时间和关断时间会相应缩短,开关损耗也会降低, rg主要是用来限制门极输出的降值电流, rg可由下式确定: rg = △u / ipeak ipeak一般可以在驱动器数据文档中找到。有些情况下,充放电峰值电流不同,门极电阻可以分别选取。 4 igbt驱动器的比较选择 4.1 光电耦合和变压器耦合式比较 光电耦合隔离式采用直流电源,输出脉冲宽度可调。通过检测集电极电压实现过电流保护。具有使用方便稳定性好的优点。缺点是双侧均采用电源,电路复杂。比如exb841驱动器,光电耦合器输入与输出之间耐压一般较低为交流2500v,但实际使用中设备承受力不符合其条件,给使用带来限制。另外,一旦igbt 烧坏,驱动器受到损坏给维修带来不便且不经济。 变压器耦合隔离式不用专设的电源,线路简单, 输入输出间耐压高, 成本低、响应快.缺点是igbt 关断期间得不到持续的反向门极电压,抗干扰能力差,且输出脉冲宽度不可调,不能实现过电流保护,并且由于漏感的存在使绕组的绕制工艺复杂容易出现振荡。 4.2 igbt 驱动器选择 目前市场上可见的驱动器:光电耦合隔离驱动器有日本富士exb841,国内落木源电子ka101,日本英达hr065等。变压器隔离式驱动器有美国unitrode公司uc3724-3725系列,还有专用的用来驱动一个桥臂上2个igbt的美国ir公司的ir2110及国内落木源电子的kd303，还有德国西门子公司的skh121等。可供选用的范围很广,应用方便。但使用时应注意过电流问题, 比如exb841 系列驱动器,采用era34-10 型快速二极管, 导通电压为3v , 反向耐压采用与igbt 相同的等级.可以实现自身过电流保护,但若igbt 过电流对其寿命是有影响的。解决办法是: ①反串稳压管, 限制igbt 的电流为200a,使工作稳定可靠且电路简单;②采用电流传感器进行直接限流.上述几种驱动器由窄脉冲过电流无法限制,应采用别的措施,在此不一一论述。