IGBT数字化焊机网络和自动化焊接

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

一个理想的 igbt 驱动器应具有以下基本性能: (1)动态驱动能力强 ,能为 igbt 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当 igbt 在硬开关方式下工作时 ,会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。这个过程越长 ,开关损耗越大。器件工作频率较高时 ,开关损耗甚至会大大超过 igbt 通态损耗 ,造成管芯温升较高。 这种情况会大大限制 igbt 的开关频率和输出能力 ,同时对 igbt的安全工作构成很大威胁。 igbt的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。igbt 的栅源特性呈非线性电容性质 ,因此 ,驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力 ,才能使 igbt 栅源电压建立或消失得足够快 ,从而使开关损耗降至较低的水平。 另一方面 ,驱动器内阻也不能过小 ,以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时 ,过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰 ,这既对主回路安全不利 ,也容易在控制电路中造成干扰。 ( 2) 能向 igbt提供适当的正向栅压 。 igbt导通后的管压降与所加栅源电压有关 ,在漏源电流一定的情况下 , u 越高 , u 就越低 ,gs ds器件的导通损耗就越小 ,这有利于充分发挥管子的工作能力。但是 并非越高越好 一般, ugs ,不允许超过 原因是一旦发生过流或短路20v , ,栅压越高 则电流幅值越高 损坏的可能, ,igbt性就越大。通常 ,综合考虑取 +15v 为宜。 (3) 能向 igbt 提供足够的反向栅压。在igbt关断期间 ,由于电路中其它部分的工作 ,会在栅极电路中产生一些高频振荡信号。这些信号轻则会使本该截止的 igbt 处于微通状态 ,增加管子的功耗 ,重则将使逆变电路处于短路直通状态。因此 ,最好给应处于截止状态的igbt加一反向栅压(幅值一般为 5~15v) ,使igbt在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。 (4)有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中 与工频电网有直接电联系 而,igbt ,控制电路一般不希望如此。另外许多电路(如桥式逆变器)中的 的工作电位差别很大igbt ,也不允许控制电路与其直接耦合。因此 驱动,器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作 ,同时有利于维修调试人员的人身安全。但是 ,这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。 (5) 具有栅压限幅电路 ,保护栅极不被击穿。igbt栅极极限电压一般为 ±20v ,驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。(6)输入输出信号传输无延时。这一方面能够减少系统响应滞后 ,另一方面能提高保护的快速性。 (7)电路简单 ,成本低。 (8) igbt损坏时 ,驱动电路中的其它元件不会随之损坏。igbt烧毁时 ,集电极上的高电压往往会通过已被破坏的栅极窜入驱动电路 ,从而破坏其中的某些元件。 由于 igbt 承受过流或短路的能力有限 ,故 igbt驱动器还应具有如下功能: (9)当 igbt处于负载短路或过流状态时 ,能在 igbt允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流 ,实现 igbt 的软关断。其目的是避免快速关断故障电流造成过高的 di/ dt。 在杂散电感的作用下 ,过高的 di/ dt 会产生过高的电压尖峰 ,使 igbt 承受不住而损坏。同理 ,驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响 ,即应具有定时逻辑栅压控制的功能。当出现过流时 ,无论此时有无输入信号 ,都应无条件地实现软关断。 在各种设备中 ,二极管的反向恢复、电磁性负载的分布电容及关断吸收电路等都会在igbt开通时造成尖峰电流。驱动器应具备抑制这一瞬时过流的能力 ,在尖峰电流过后 ,应能恢复正常栅压 ,保证电路的正常工作。 (10)在出现短路、过流的情况下 ,能迅速发出过流保护信号 ,供控制电路进行处理。