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华南理工大学开关电源论文
本科毕业设计（论文）说明书
开关电源在IGBT逆变焊机中的应用
学院
专业机械与电子工程
学生姓名
学号
指导教师
提交日期2015年6月15日
摘要
随着现代电力电子技术的不断发展,功率元件从电子管、可控硅、MOSFET到IGBT等得到了广泛应用;再加上成熟的自动化控制技术,变频领域取得了日新月异的变化。
作为变频领域一支异军,高频焊机感应电源也取得了长足发展,感应设备的功率和频率都在逐步提高[1,2]。
本文阐述的高频感应电源基于IGBT功率元件,用于直缝焊管工艺,其大功率和高频率值证明其在感应电源领域达到了较高的技术水平。
另外,该电源系统参数优化空间大,工艺适应性强,可用于较宽直径范围焊管的焊接。
介绍了用于中口径直缝焊管线焊接的高频大功率焊接电源,其采用基于IGBT功率元件的串联谐振式感应电源技术。
从电源系统电路结构、启动方法、IGBT驱动、相位锁定和功率调节方式及其控制策略等方面进行了剖析;同时结合设备系统在启动和运行中的波形进行了分析,并对用于负载阻抗匹配的高频变压器进行了阐述。
另外,为了方便设备维护,系统采用了自动检测与诊断技术。
综合设备现场运行实践,该电源
系统可以满足工艺上对功率和频率的要求。
关键词：
IGBT，高频焊机感应源，参数优化，直缝焊管线焊接
目录
第一章高频开关电源行业4
1.1国内外研究及应用现状4
1.2存在的主要问题与发展趋势5
1.3应用前景6
第二章ZX7系列IGBT逆变焊机7
2.1开关电源的基本组成7
2.2ZX7系列IGBT逆变焊机工作原理8
2.3主要性能指标9
2.4特色与创新10
第三章结束语11
参考文献12
第一章高频开关电源行业
1.1国内外研究及应用现状
自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。
随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。
近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。
第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。
1977年国外首先研制成脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国Motorola公司、SiliconGeneral公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。
近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。
第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。
1994年，美国电源集成公司（PowerIntegrations）在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。
之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。
意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。
单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。
与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。
目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。
但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。
目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫。
为提高开关频率，必须采用高速开关器件。
对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。
它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。
采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。
开关电源被誉为高效能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。
采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高等特性，是今后电源的发展趋势。
1.2存在的主要问题与发展趋势
1.存在的主要问题
对开关电源来说，开关电路产生的电磁骚扰是开关电源的主要骚扰源之一。
开关电路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。
它产生的dv/dt是具有较大辐度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。
这种脉冲骚扰产生的主要原因是
1）开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。
在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。
这种电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输入输出端，形成传导骚扰，重者有可能击穿开关管。
2）脉冲变压器初级线圈，开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。
如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导骚扰。
2.发展趋势
1、小型化、薄型化、轻量化、高频化———开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。
因此，高频化是开关电源的主要发展方向。
2、高可靠性———开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。
从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。
所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。
这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。
3、低噪声———开关电源的缺点之一是噪声大。
单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。
采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。
所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。
4、采用计算机辅助设计和控制———采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。
在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。
开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。
高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。
发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。
开关电源被誉为高效能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。
采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高等特性，是今后电源的发展趋势。
1.3应用前景
生活里处处可以看到开关电源，照明灯的开关，工业遥控器的开关，机械设备的开关，电子产品的开关等等。
随着高科技的发展，开关的需求也在逐步的提高，人们对开关电源的要求也在不断提高。
据相关资料显示，我国每年开关设备的年增长率基本为百分之七到百分之十一，算起来是一个很庞大的数字了。
如果仅仅把传统开关的百分之三换成智能开关那么全年的总需求量要达到三万台，还不包括新上项目的需求开关。
随着电力设备的不断创新，研发人员的不断开发，开关电源行业必将拥有更加广泛的前景。
目前开关电源的发展方向是高频、低噪声、低耗、高可靠、抗干扰。
高频化是开关电源发展的方向，低噪声、低耗、高可靠、抗干扰都是开关电源的发展目标。
在如此良好的机遇下，中国的开关电源生产企业更应该抓住这个的机遇，在技术创新的前提下，走出产学研同行的发展路线，为企业的高速发展创造出一片新天地。
其中IGBT逆变焊机是开关电源的一个应用方向。
ZX7系列IGBT逆变直流弧焊电源，适用于手工电弧焊、TIG氩弧焊，广泛用于电建、化建、冶金、军工、航天、锅炉、船舶、机械制造等行业，特别适用基建施工、设备维修等需频繁移动焊接的场合。
第二章ZX7系列IGBT逆变焊机
2.1开关电源的基本组成
开关电源大致由主电路、开关电源控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。
1、主电路
冲击电流限幅：
限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。
输入滤波器：
其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。
整流与滤波：
将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。
逆变：
将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。
输出整流与滤波：
根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
图1主电路图
2、控制电路
一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。
图2MCU控制电路图
3、检测电路
提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。
4、辅助电源
实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。
2.2ZX7系列IGBT逆变焊机工作原理
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。
图3IGBT逆变电焊机电气工作原理图
建丰ZX7系列IGBT逆变电焊机（IGBT逆变式直流弧焊电源），采用国外最新大功率IGBT作为逆变器件和国外先进PWM控制逆变技术，是一种新型、高效、节能的多功能直流弧焊电源，性能指标优于可控硅逆变焊机，更是工频可控硅弧焊电源和直流弧焊发电机电源无法相比的，是电焊机更新换代的新产品，是高质量焊接的理想设备。
其产品与主电路图如下面图示。
图4ZX7-315产品外观图
图5ZX7系列电路原理图
2.3主要性能指标
表1ZX7-IGBT逆变焊机主要技术参数
2.4特色与创新
IGBT逆变焊机与其他类焊机的区别
一、与可控硅整流焊机的区别
1、可控硅整流焊机是将50HZ的交流电整流成直流电输出，通过改变可控硅的导通角来改变输出大小，输出波形不平滑，所以焊接效果不好，引弧及其他一些控制功能差。
IGBT焊机是将交流电整流后，经过IGBT逆变，再经中频变压器降压，经过二次整流后输出，输出波形好，通过脉宽调制控制IGBT逆变器的导通时间改变输出的大小。
引弧及推力电流易于控制。
2、可控硅整流焊机体积大，较为笨重，不便于搬运和移动，而IGBT焊机由于逆变频率高达20-30KHZ，所以变压器体积小，重量轻，易于搬运。
3、逆变焊机比整流焊机省电约30%左右。
4、IGBT逆变焊机控制及主电路较为简单。
加之北京时代焊机采用软开关的逆变技术，所以可靠性高，故障点少，易于维修。
二、与SCR逆变焊机的区别
1、可控硅是电流型控制元件，控制较复杂，也是半控元件，一般采用调频方式来控制；IGBT是电压型控制元件，易于控制，一般采用脉宽调制。
2、逆变频率不同：
由于SCR的开关时间较长，所以频率不能太高，一般在3-5KHZ左右，而IGBT器件的开关频率较高。
IGBT模块可达30KHZ左右，IGBT单管开关频率更高，达50KHZ以上。
3、由于频率提高，焊机的输出特性及波形更易于控制，可以得到更好输出特性，同时变压器的体积也比SCR焊机小，减轻了焊机重量，更易于搬运。
4、逆变焊机比普通可控硅整流焊机，焊机省电30%左右。
5、由于IGBT焊机控制及主电路较SCR焊机简单，我公司又采用软开关逆变技术，所以产品可靠性高，故障点较少，易于维修。
ZX7系列IGBT逆变焊机产品特性：
采用国外最新IGBT功率模块作为逆变器件；
小型轻量，操作简便；
采用PWM控制逆变技术，焊接电流稳定；
变频设计，节能，高效；
工艺特性好，焊接质量高；
遥控焊接控制；
引弧易，飞溅小，燃弧稳；
遥控焊接电流调节；
焊接工艺选择（TIG/MMA）
遥控电流缓降时间调
第三章结束语
开关电源技术目前在国内研究领域较为广泛，受到电子界的重点关注。
随着科学技术的飞速发展，电子产品的更新更是日新月异，因此对电力、电子产品的开关电源就提出了更高的要求，原始的低频开关电源，功率损耗大、传输速率慢，本篇论文研究的高频开关电源技术就突破了传统开关电源的这些技术难题，
本文通过查阅国内外相关文献资料，了解了电源技术的基本理论、性能、缺陷、需要改进的方面。
又通过网络了解了很多关于IGBT逆变焊机的技术指标、特性、参数等相关内容。
展示国家对IGBT逆变焊机发展的重视。
开关电源技术的发展在国内外都有广阔的前景，我们对这项技术的研究也不会停止，会秉承着热爱科研，坚持理论与实践结合的精神继续将电源技术的研发进行到底，并且我们坚信在不久的将来，电源技术会发展到更先进的水平，广泛地应用于军事、生产设备、生活电器中，使人们的生活更加便利、更加安全、更加快速，使其在国内外能处于领先的地位。
让我们共同期待软开关电源的新时代，为它能为我们创造更加便利的生活而喝彩。
参考文献
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