逆变焊机中开关管的选择与应用

冷金属过渡（Ｃｏｌｄ Ｍｅｔａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ， 简称 ＣＭＴ）等。
的要求就是拥有足够高的动态响应速度。
一脉一滴过渡利用一个脉冲过渡一个熔滴， 电弧 指向性好， 可在小电流的条件下实现稳定的喷射过 渡； 表面张力过渡控制， 熔滴短路前电流已经降为 最低值， 熔滴依靠表面张力完成过渡， 基本没有飞
件
通时间差 ΔＴ２ 减少到最小。对该电路进行仿真， 结果
的 选
如图 ４ 所示。Ｑ１、Ｑ２ 的开通存在时间差 ΔＴ２， 就是由
择
阀值电压差 ΔＵ 引起的。但先期开通的管子在这段
与
时间里电流只上升到不足 ５０ Ａ， 远远小于额定电流
应
值， 再考虑 ＭＯＳＦＥＴ 具有一定的过电流能力， 该电路
用
基本消除了输入电容 Ｃｉｎ 和阀值电压 Ｕｔ 对 ＭＯＳＦＥＴ
与
以应用先进的控制技术对焊接过程做出快速响应，
达 ４００ Ａ 以上， 而基值电流只有 ４０ Ａ 左右， 焊机必
应
焊接质量得到大幅提高。
用
为了适应新型材料特别是异型异种材料的焊接
须在 １ ｍｓ 内将电流从 ４００ Ａ 降低到 ４０ Ａ， 电路中的 电流变化率 ｄｉ／ｄｔ 达到了 ３６０ ｋＡ／ｓ。ＳＴＴ 和 ＣＭＴ 过渡
点， 认为 ＭＯＳＦＥＴ 焊机可以获得较好的动态响应速度。分析了 ＭＯＳＦＥＴ 应用时存在的问题， 并提出并 联栅极强脉冲同步触发的解决方案。仿真显示， 该方法可以有效提高 ＭＯＳＦＥＴ 的并联效果。
关键词： 功率开关管； 动态响应速度； ＭＯＳＦＥＴ 并联
中图分类号： ＴＧ４３４．１； ＴＭ５６
文献标识码： Ａ
题
电流为 Ｉｇ２， Ｉｇ１＞Ｉｇ２。
讨 论
——
度的最根本措施就是选用频率更高的功率开关管。
１．２ 两种功率开关管的比较
焊
当前用于逆变焊机中的开关管主要是绝缘栅
机
中
双极晶体管（ＩＧＢＴ）和电力场效应管（ＭＯＳＦＥＴ）。ＩＧＢＴ
电
瞬时过电流能力强， 额定电压和电流都可以做得很
子
高， 但频率一般只能达到 ２０～３０ ｋＨｚ， 且具有擎住效
脉冲触发时， 栅源电压达到阀值电压的时间从 ｔ４ 减
小到 ｔ２（或从 ｔ３ 减小到 ｔ１）。当阀值电压 Ｕｔ、输入电容
Ｃｉｎ 和驱动电流 Ｉｇ 都不同时， 开通时间会相差更大：
术后， ＭＯＳＦＥＴ 焊机 的 开 关 损 耗 并 没 有 明 显 增 加 。
对 Ｕｔ 稍高、Ｃｉｎ 稍大的 ＭＯＳＦＥＴ 采用一般 触 发 电 流
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３０２２， Ｃｈｉｎａ） 专
题
Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｓ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｈａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｂｏｏｓｔｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ
着 重 讨 论 输 入 电 容 Ｃｉｎ 和 阀 值 电 压 Ｕｔ 对 ＭＯＳＦＥＴ
并联的影响。输入电容 Ｃｉｎ 充电曲线以及栅极电压与
时间的关系如图 ２ 所示。Ｕｔ１、Ｕｔ２ 表示不同 ＭＯＳＦＥＴ 有
不同的阀值电压； 曲线 １ 表示采用门极强脉冲触发，
专
触发电流为 Ｉｇ１； 曲线 ２ 表示用一 般 驱 动 触 发 ， 触 发
文章编号： １００１－ ２３０３（２００７）０５－ ００２０－ ０３
Ｃｈｏｉｃｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｎ ｉｎｖｅｒ ｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒ ｃｅ
ＹＡＯ Ｈｅ－ｑｉｎｇ， ＦＡＮ Ｘｉｎｇ－ｈｕｉ， ＷＡＮＧ Ｓｈｏｕ－ｙａｎ， ＹＩＮ Ｙｏｎｇ－ｚｈｅｎ
元
应； ＭＯＳＦＥＴ 热稳定性好、驱动电路简单、驱动功率
器
件
小、导通电阻 Ｒ 具 ＤＳ（ｏｎ） 有正温度系数、能通过瞬时过
的
电压、不存在二次击穿等。ＭＯＳＦＥＴ 最突出的优点是 开关频率可以达到 １００ ｋＨｚ 以上［１］。
１．３ 开关管的选择
国内大都使用 ＩＧＢＴ 作为开关管， 技术比较成熟， 但由于频率不高， 无法应用 ＳＴＴ、ＣＭＴ 等新技术。比较 ＩＧＢＴ 和 ＭＯＳＦＥＴ 的特性参数， 在当前技术条件下， 选用 ＭＯＳＦＥＴ 作为开关管显然是最佳选择。ＭＯＳＦＥＴ 焊机逆变频率高， 动态响应速度快， 可以灵活选用 先 进 技 术 ， 焊 接 质 量大幅提高。在综合了软开关技
控制芯片， ＤＳＰ 内置乘法器和 Ａ／Ｄ 采样口， 频率达到
制作工艺的不同， 以上参数也会存在细微差异。在此
４０ ＭＨｚ 以上， 因此控制系统的响应时间很短。随着频 率的提高， 变压器体积相应减小， 二次侧也只需很 小的电感就可以满足滤波效果， 主电路的电磁惯性 减小， 变压器和输出滤波电感的响应时间随频率的 提高反而减小了。因此提高逆变频率可以有效减少焊 机的响应时间， 加快动态响应。但开关管的开关速度 制约了逆变频率的提高， 因此提高焊机动态响应速
·２０· Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍ ａｃｈｉｎｅ
专题讨论
姚河清等： 逆变焊机中开关管的选择与应用
第５期
间越短， 焊机的动态响应速度越快。
流容量小， 耐压低。通过并联 ＭＯＳＦＥＴ 可以提高电流
容量， 满足大功率焊接的要求。
ＭＯＳＦＥＴ 的导通电阻 Ｒ 具 ＤＳ（ｏｎ） 有正温系数， 并联 使用时能自动均衡。但在逆变焊机中， ＭＯＳＦＥＴ 工作
同步开通的影响， 并联效果得到很大改善。
· ２２ ·
图 ４ 电路仿真波形 Ｆｉｇ．４ Ｗａｖｅｆｏｒ ｍ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍ ａｃｈｉｎｅ
注意： （１）触发电流 Ｉｇ 的选择要适当。ＭＯＳＦＥＴ 导 通初期， 漏极电流 ＩＤ 随栅源电压 Ｕｇｓ 的上升而线性 上升， Ｉｇ 越大， Ｕｇｓ 上升越快， ＩＤ 上升也越快。当开通时 间差 ΔＴ２ 一定时， 先期导通的管子在 ΔＴ２ 内获得的 电流 ΔＩ 随触发电流 Ｉｇ 的增大而增大， 因此过大的 Ｉｇ 反而会影响 ＭＯＳＦＥＴ 的并联效果， 但触发电流过 小， 导致导通时间差 ΔＴ２ 加大， 同样降低了并联效 果。实际 ＭＯＳＦＥＴ 并联时， 必须根据工作频率， 通过 多次试验获得适当的强脉冲触发电流； （２）电路中若 需要多管并联， 可以在每个 ＭＯＳＦＥＴ 的漏极都串入 小电感， 并使阀值电压小的 ＭＯＳＦＥＴ 串入的电感值 稍大些， 阀值电压大的串入电感稍小些。但电抗器的 引入增加了开关时间， 不利于高频使用， 因此电抗 器不宜过大（几个 ｎＦ）。
由于 Ｃｉｎ１ 和 Ｃｉｎ２ 属于并联关系， Ｕｇｓ１（ｔ）＝Ｕｇｓ２（ｔ）， 栅源
专 题
电压完全同步， 从而消除了输入电容 Ｃｉｎ 不同带来的
讨
开通时间差异， 阀值电压 Ｕｔ 也就成为影响同步开通
论
的主要因素。设栅极电压从阀值电压 Ｕｔ１ 上升到 Ｕｔ２
——
的时间为 ΔＴ２， 显然
焊
ΔＴ２＝ΔＵ·Ｃ／Ｉｇ，
国外高档次焊机都是选用 ＭＯＳＦＥＴ 作为开关管。
Ｉｇ２， 开通时间为 ｔ４， 对 Ｕｔ 和 Ｃｉｎ 都稍低的 ＭＯＳＦＥＴ 采
２ 使用 ＭＯＳＦＥＴ 带来的问题及解决
用强脉冲 Ｉｇ１ 触发， 开通时间为 ｔ１； 则开通时间差 ΔＴ１ 达到最大， ΔＴ１ｍａｘ＝ｔ４－ ｔ１。可见， Ｃｉｎ 和 Ｕｔ 对 ＭＯＳＦＥＴ 并
在高频状态， 开通时间不一致， 导致动态电流不均
衡， 先开通的管子会出现过电流现象， 严重时会烧
坏 ＭＯＳＦＥＴ 甚至焊机［２］。
图 １ 逆变焊机的总体框架 Ｆｉｇ．１ Ｆｒ ａｍｅｗｏｒ ｋ ｏｆ ｉｎｖｅｒ ｓｉｏｎ
逆变焊机中大都采用数字信号处理器（ＤＳＰ）作为
影 响 ＭＯＳＦＥＴ 开 关 时 间 的 参 数 有 通 态 电 阻 ＲＯＮ、阀值电压 Ｕｔ、输入电容 Ｃｉｎ 等， 其中输入电容 Ｃｉｎ 的影响最大。并联时虽然选用同型号的管子 ， 但因
——
ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＭＯＳＦＥＴ．
焊
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ； ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ； ＭＯＳＦＥＴ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
机
中 ０ 前言
溅， 成形好； ＣＭＴ 过渡， 将焊丝的运动控制包含进系
件
泛采用逆变技术， 促进了电焊机从模拟焊机向数字
技术， 特别适用于异种异型材料以及超薄板的焊接。
的 选 择
逆变焊机的转变。数字化逆变焊机频率高、体积小、 质 量 轻 、控 制 性 能 好， 尤 其 是 动 态 响 应 速 度 快 ， 可
但这些方法都对焊机的动态响应速度提出了 很高要求。一脉一滴过渡时， 喷射过渡临界电流值高
选
图 ２ 输入电容充电曲线
择
Ｆｉｇ．２ Ｃｈａｒ ｇｉｎｇ ｃｕｒ ｖｅ ｏｆ ｉｎｐｕｔ ｃａｐａｃｉｔｏｒ
与
输入电容 Ｃｉｎ 充电时间 Ｔ＝Ｕ·Ｃｉｎ／Ｉ， 当触发电流 Ｉｇ
应
用
一定时， Ｃｉｎ 相差越大， 充电到阀值电压的时间相差
越大， 加剧了开通不同步 ； 当 Ｃｉｎ 一 定 ， 采 用 门 极 强
方法
联的同步性影响很大。
２．１ ＭＯＳＦＥＴ 的并联
在 此 设 计 了 一 种 ＭＯＳＦＥＴ 的 并 联 电 路－ 并 联
虽然 ＭＯＳＦＥＴ 开关频率高， 但相比 ＩＧＢＴ， 其电
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栅极强脉冲同步触发电路， 如图 ３ 所示。图中以两
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍ ａｃｈｉｎｅ ·２１·
专题讨论
电焊机
第 ３７ 卷
个 ＭＯＳＦＥＴ 管 Ｑ１ 和 Ｑ２ 并联为例， 实际电路中可以 并入多个 ＭＯＳＦＥＴ。Ｃｉｎ１ 和 Ｃｉｎ２ 分别代表 Ｑ１ 和 Ｑ２ 的 输入电容。将 ＭＯＳＦＥＴ 的栅极和源极分别并联在一 起， 在漏极间串入可调电抗器 Ｌ， 然后接入电路。
图 ３ 并联栅极强脉冲同步触发电路 Ｆｉｇ．３ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｔｒｉｇｇｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌｉｎｇ ｇｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ－ ｐｏｗｅｒ ｐｕｌｓｅ
需要， 跟踪焊接的瞬态过程， 获得更好的焊接效果， 在
中都存在电流快速下降， 接着又快速上升的现象， 电
焊接中引入了多种先进的控制方法， 如一脉一滴过渡、 流的变化率更高。因此， 相比于以往的焊接控制技
表面张力过渡控制（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ， 简称 ＳＴＴ）、 术， 一脉一滴、ＳＴＴ 和 ＣＭＴ 过渡技术对焊机最显著
机
式 中 ΔＵ＝Ｕｔ１－ Ｕｔ２； Ｃ 为 Ｃｉｎ１ 和 Ｃｉｎ２ 并 联 后 的 电 容
中
值； Ｉｇ 表示驱动电流。通过增大驱动电流 Ｉｇ 可以有效
电 子
减小 ΔＴ２。串入漏极的小电抗器可以阻止电流的变
元
化， 进一步减少了时间 ΔＴ２。阀值电压一般相差较小，
器
ΔＵ 不 到 １ Ｖ， 通 过 以 上 措 施 ， 并 联 ＭＯＳＦＥＴ 的 开
电 子 元
自 ２０ 世纪 ６０ 年代， 随着 ＭＯＳＦＥＴ（场效应管）、 ＩＧＢＴ（绝缘栅双极晶体管）等器件的相继出现， 以及
统的闭环控制， 熔滴短路前将电流降至接近零， 熔滴 短路后送丝机回抽焊丝， 帮助熔滴脱落， 完成过渡。
器
集成电路技术和控制技术的发展， 电焊机中开始广
这三种焊接方法无飞溅、焊接性能优越， 尤其是 ＣＭＴ
收稿日期： ２００７－ ０４－ ２４ 作者简介： 姚河清（１９５１—）， 男， 湖南华容人， 教授， 硕士， 主要
从事焊接设备和焊接过程自动控制方面的教学与 科研工作。
１ 开关管的选择
１．１ 系统的响应速度分析
数字化逆变焊机的总体框架如图 １ 所示。系统 （ＤＳＰ）采 集 电 弧 信 号 ， 根 据 控 制 要 求 ， 产 生 相 应 的 ＰＷＭ 信号控制开关管的开通和关闭， 再经中频变压 器降压和输出滤波电感滤波后进行焊接， 完成以上 动作所需时间称为焊机的响应时间。显然， 响应时
第 ３７ 卷 第 ５ 期 ２００７ 年 ５ 月
电焊机 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２００７
逆变焊机中开关管的选择与应用
姚河清， 范兴辉， 王守艳， 尹永珍
（河海大学 机电工程学院， 江苏 常州 ２１３０２２）
摘要： 开关管的开关速度是影响逆变焊机频率提高的主要因素， 通过比较 ＩＧＢＴ 和 ＭＯＳＦＥＴ 的优缺
讨
ＩＧＢＴ， ＭＯＳＦＥＴ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｑｕｅｓｔｉｏｎ ｏｆ ａｐｐｌｙｉｎｇ ＭＯＳＦＥＴ， ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｔｒｉｇｇｅｒ
论
ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌｉｎｇ ｇｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｐｕｌｓｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｎ ａｖａｉｌａｂｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ