逆变电源缓冲电路与隔直电容的参数计算
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采用 RC 缓冲电路后 , VCE将逐渐升高 ,从而 避免 IC和 VCE同时达到最大值 的不 利情 况 。所 以 ,缓冲电路可以减小 IGBT的关断损耗 。
a 无缓冲电路 b 有缓冲电路
图 2 IGBT电流 、电压关断波形
(3)限制电压上升率
实际选用 C = 0. 01μF。
9
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
逆变电源缓冲电路与隔直电容的参数计算
电容的方法来隔直纠偏 ,隔直电容的参数可采用
如下计算方法 [ 3 ] 。
C
=
106 4π2 fR2
LR
式中 LR —变压器二次侧折算到一次侧的等
IGBT逆变式手弧焊电源是一种新型弧焊电 源 ,由主电路 、控制电路和驱动与保护电路三部分 组成 。其中逆变主电路采用全桥式 ,如图 1所示 。 本电源的设计要求为输出空载电压 70 V ,频率 25 kHz,额定功率 10 kW ,效率 85%。全桥式逆变器 由功率开关管 IGB T1 ～ IGB T4和高频变压器等主
= 313 ×10 - 8
F
PR
=
1 2
CV2CE f
=
1 2
×0101 ×10 - 6
×537142
×
25 ×103 = 3611 W
故电阻 R 采用 12个 360Ω10 W 的电阻并联
而成可满足要求 。
2 隔直电容的参数计算
对于全桥逆变电路 ,偏磁是一个必须认真解 决的问题 ,偏磁的积累将引起变压器的磁饱和 ,从 而导致逆变“颠覆 ”。本电源采用串联耦合隔直
IGBT关断后 ,缓冲电容 C 上贮存电能 ,当下 次 IGBT开通后 ,这部分能量以热能形式消耗在 R 上。
Ts —开关周期 , Ts
= 25
1 ×103
= 40μs
R
≤Ton 3C
=
014 ×40 3 ×0101
×10 - 6 ×10 - 6
= 533Ω
计算电阻值时 ,还必须限制放电电流 ,使放电
收稿日期 : 2005202225 作者简介 :陈长江 ,男 ,副教授 ,主要从事焊接方面的教学和科研工作 。
8
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
武汉船舶职业技术学院学报 2005年第 2期 Journal of W uhan Institute of Shipbuilding Technology 2005年 4月
极与发射极之间的电压以及流过管子的电流瞬时 值 ,两者乘积的积分值越小越好 。使用缓冲电路 可以改变 IGBT关断过程中的电压 、电流波形 ,从 而减小 IGBT的功率损耗 。由图 2 可知 ,当无缓 冲电路时 ,电压 VCE瞬间升至最大值 ,而此时 IGB T
的电流 IC也是最大值 ,这种情况下功率损耗最严 重。
是所谓的动态擎住现象 。 IGBT两端并联的 RC 过 3倍时间常数可以放完电 ,则 :
缓冲电路能够限制 duCE / d t的大小 ,有效地解决 IGBT的动态擎住问题 。
( 4 )消除电磁干扰
3RCRC≤Ton 式中 Ton =D T D — IGB T导通占空比 , D = 40% = 0. 4;
(责任编辑 :谭银元 )
10 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
电流 Idis小于集电极电流 IC的 1 /4,即 :
Id is
= VCE R
< 0125 IC
式中 IC —集电极电流 (A ) ,本电源 IC = 75 A;
所以 R
>
VCE
0125
Ic
=
53714 0125 ×75
= 2817Ω
实际选取 R = 30Ω。
电阻 R 的功耗为 :
实际电阻功率为 :
要器件组成 ; IGBT的 4 个缓冲电路由 RC 组成 , 是为了避免 4个 IGBT在关断时产生过高的电压 上升速率和减少 IGBT的关断损耗 ; 为了克服变 压器因不平衡造成的偏磁 ,提高变压器抗不平衡 的能力 ,在变压器的一次侧串联耦合隔直电容 C[1] 。
图 1 电源主电路框图
1 缓冲电路的设计
效电感与一次侧电感之和 (单位 :μH ) ;
fR —LR与 C组成的串联谐振电路的谐振频率 (单位 : kHz) 。
为了使耦合电容线性 ,一般选 fR = 0. 1 f。因 为 f = 25 kHz,故 fR = 2. 5 kHz;实验测得 LR = 200 μH。
算得 C = 20. 3μF。
源自文库
此外 ,电容充电电压不宜过大 ,一般以 5% ～
于 d iL / d t很大 ,使 IGBT的 C、E极之间形成很高
1. 1 缓冲电路的作用
的过电压 。当过电压大于 IGBT所能承受的极限
RC缓冲电路并联在 IGBT两端 。其作用包 电压时 ,会损坏器件 。所以 ,为了使 IGBT可靠工
括抑制过电压 、减小开关损耗 、限制电压上升速率 作 ,必须为电感中的贮能提供一条释放回路 ,以大
过大的电压上升率 duCE / d t会在 IGB T的 PN 结中形成很大的位移电流 ,它可能误使 IGBT内
IGBT开通后 ,电容 C必须在再次关断前放电 完毕 ,以确保电容电压的初始状态始终为零 。为
部寄生晶闸管开通 ,导致栅极失去控制作用 ,这就 此 , RC放电时间常数必须受到限制 。一般假设超
以及消除电磁干扰等几个方面 [ 2 ] 。
幅度降低关断瞬间电感的电流变化率 ,避免因过
( 1 )抑制过电压
电压损坏 IGB T。
IGBT关断时 ,线路电感会产生与直流电压同
( 2 )减小功率开关管损耗
向的感应电压 L ×d iL / d t,当没有缓冲电路时 ,由
IGB T关断时 , IGB T的功率损耗取决于集电
Abstract: This paper p resents a param eter calculation method of the buffer circuits and capacitance by an examp le of parameter calculation of buffer circuits and capacitance for IGBT inverter based on full bridge for SMAW. Key words: SMAW inverter; IGB T; buffer circuit; capacitance1
在设备调试运行过程中 ,当无缓冲电路时 , IGBT管两端的电压会产生高频振荡 ,造成电磁干 扰 。采用缓冲电路即可抑制 VCE的高频振荡 ,起 到消除和减少电磁干扰的作用 。 1. 2 缓冲电路的参数计算
缓冲电路中 ,缓冲电阻 R 越小 ,电容 C 越大 , 则缓冲电路的作用越明显 。但同时要考虑功率损 耗等因素 。
PR
=
1 2
CVC2 E
f
式 中 VCE —最 大 的 集 电 极 - 发 射 极 电 压 (V ) ,本电源 VCE = 537. 4 V;
为了减少功率损耗 ,一般要求 PR ≤120 W ,即
1 2
CVC2 E
f≤120
因此 ,缓冲电容为 :
C
≤240
VC2 E f
=
537142
240 ×25
×103
Param eter Ca lcula tion of Buffer C ircu its and Capac itance for Inverter
CHEN Chang2jiang1 , J IANG Y ou2q ing2 (1. W uhan Institute of Shipbuilding Technology, W uhan 430050, China; 2. Huazhong University of Science and Technology, W uhan 430074, China)
逆变电源缓冲电路与隔直电容的参数计算
逆变电源缓冲电路与隔直电容的参数计算
陈长江 1 ,姜幼卿 2
(1. 武汉船舶职业技术学院船舶工程系 ,湖北武汉 430050; 2. 华中科技大学 ,湖北武汉 430074)
摘 要 :通过对一台全桥式 IGBT逆变手弧焊电源缓冲电路和隔直电容的参数计算 ,介绍了缓冲电路和隔直 电容的参数计算方法 。 关键词 :手弧焊逆变电源 ; IGBT;缓冲电路 ;隔直电容. 中图分类号 : TG434. 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 - 8100 (2005) 02 - 0008 - 03
=
75 01075 ×53714
×014
×40
=
2918 μF
隔直电容 C实际选用耐压 630 V ,容量为 40
μF的电容 (由两只 20μF的电容并联而成 ) ,即可
满足要求 。
3 结论
(1)由 RC组成的缓冲电路能够抑制过电压 、 减小开关损耗 、限制电压上升率以及消除电磁干 扰。
(2)经实验验证 ,选用缓冲电容 0. 01 μF,电 阻 30Ω ,实际吸收效果良好 。
10% Vs为好 ,即需满足如下不等式 :
VC
=
ICΔt =
C
IC C
·D
TS
≤5%
～10%
Vs
式中 VC —充电电压 ; IC —充电电流 ; Δt—充电时间 ,
D — IGBT导通占空比 ;
Ts —开关周期 ; Vs —电源电压 。 按 VC = 7. 5% Vs进行计算 ,则
C ≥ IC
VC
·D TS
(3)隔直电容 C 选用耐压 630 V ,容量为 40 μF的电容 ,能可靠地抑制偏磁 ,提高变压器抗不 平衡的能力 。
参考文献
[ 1 ] 赵家瑞. 逆变焊接与切割电源 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 1995. [ 2 ] 黄石生. 新型弧焊电源及其智能控制 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 2000. [ 3 ] 熊腊森 ,刘长友 ,刘松. 逆变式电弧喷涂电源的研究 [ J ]. 电焊机 , 2001 (6) : 11～12.
a 无缓冲电路 b 有缓冲电路
图 2 IGBT电流 、电压关断波形
(3)限制电压上升率
实际选用 C = 0. 01μF。
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© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
逆变电源缓冲电路与隔直电容的参数计算
电容的方法来隔直纠偏 ,隔直电容的参数可采用
如下计算方法 [ 3 ] 。
C
=
106 4π2 fR2
LR
式中 LR —变压器二次侧折算到一次侧的等
IGBT逆变式手弧焊电源是一种新型弧焊电 源 ,由主电路 、控制电路和驱动与保护电路三部分 组成 。其中逆变主电路采用全桥式 ,如图 1所示 。 本电源的设计要求为输出空载电压 70 V ,频率 25 kHz,额定功率 10 kW ,效率 85%。全桥式逆变器 由功率开关管 IGB T1 ～ IGB T4和高频变压器等主
= 313 ×10 - 8
F
PR
=
1 2
CV2CE f
=
1 2
×0101 ×10 - 6
×537142
×
25 ×103 = 3611 W
故电阻 R 采用 12个 360Ω10 W 的电阻并联
而成可满足要求 。
2 隔直电容的参数计算
对于全桥逆变电路 ,偏磁是一个必须认真解 决的问题 ,偏磁的积累将引起变压器的磁饱和 ,从 而导致逆变“颠覆 ”。本电源采用串联耦合隔直
IGBT关断后 ,缓冲电容 C 上贮存电能 ,当下 次 IGBT开通后 ,这部分能量以热能形式消耗在 R 上。
Ts —开关周期 , Ts
= 25
1 ×103
= 40μs
R
≤Ton 3C
=
014 ×40 3 ×0101
×10 - 6 ×10 - 6
= 533Ω
计算电阻值时 ,还必须限制放电电流 ,使放电
收稿日期 : 2005202225 作者简介 :陈长江 ,男 ,副教授 ,主要从事焊接方面的教学和科研工作 。
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© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
武汉船舶职业技术学院学报 2005年第 2期 Journal of W uhan Institute of Shipbuilding Technology 2005年 4月
极与发射极之间的电压以及流过管子的电流瞬时 值 ,两者乘积的积分值越小越好 。使用缓冲电路 可以改变 IGBT关断过程中的电压 、电流波形 ,从 而减小 IGBT的功率损耗 。由图 2 可知 ,当无缓 冲电路时 ,电压 VCE瞬间升至最大值 ,而此时 IGB T
的电流 IC也是最大值 ,这种情况下功率损耗最严 重。
是所谓的动态擎住现象 。 IGBT两端并联的 RC 过 3倍时间常数可以放完电 ,则 :
缓冲电路能够限制 duCE / d t的大小 ,有效地解决 IGBT的动态擎住问题 。
( 4 )消除电磁干扰
3RCRC≤Ton 式中 Ton =D T D — IGB T导通占空比 , D = 40% = 0. 4;
(责任编辑 :谭银元 )
10 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
电流 Idis小于集电极电流 IC的 1 /4,即 :
Id is
= VCE R
< 0125 IC
式中 IC —集电极电流 (A ) ,本电源 IC = 75 A;
所以 R
>
VCE
0125
Ic
=
53714 0125 ×75
= 2817Ω
实际选取 R = 30Ω。
电阻 R 的功耗为 :
实际电阻功率为 :
要器件组成 ; IGBT的 4 个缓冲电路由 RC 组成 , 是为了避免 4个 IGBT在关断时产生过高的电压 上升速率和减少 IGBT的关断损耗 ; 为了克服变 压器因不平衡造成的偏磁 ,提高变压器抗不平衡 的能力 ,在变压器的一次侧串联耦合隔直电容 C[1] 。
图 1 电源主电路框图
1 缓冲电路的设计
效电感与一次侧电感之和 (单位 :μH ) ;
fR —LR与 C组成的串联谐振电路的谐振频率 (单位 : kHz) 。
为了使耦合电容线性 ,一般选 fR = 0. 1 f。因 为 f = 25 kHz,故 fR = 2. 5 kHz;实验测得 LR = 200 μH。
算得 C = 20. 3μF。
源自文库
此外 ,电容充电电压不宜过大 ,一般以 5% ～
于 d iL / d t很大 ,使 IGBT的 C、E极之间形成很高
1. 1 缓冲电路的作用
的过电压 。当过电压大于 IGBT所能承受的极限
RC缓冲电路并联在 IGBT两端 。其作用包 电压时 ,会损坏器件 。所以 ,为了使 IGBT可靠工
括抑制过电压 、减小开关损耗 、限制电压上升速率 作 ,必须为电感中的贮能提供一条释放回路 ,以大
过大的电压上升率 duCE / d t会在 IGB T的 PN 结中形成很大的位移电流 ,它可能误使 IGBT内
IGBT开通后 ,电容 C必须在再次关断前放电 完毕 ,以确保电容电压的初始状态始终为零 。为
部寄生晶闸管开通 ,导致栅极失去控制作用 ,这就 此 , RC放电时间常数必须受到限制 。一般假设超
以及消除电磁干扰等几个方面 [ 2 ] 。
幅度降低关断瞬间电感的电流变化率 ,避免因过
( 1 )抑制过电压
电压损坏 IGB T。
IGBT关断时 ,线路电感会产生与直流电压同
( 2 )减小功率开关管损耗
向的感应电压 L ×d iL / d t,当没有缓冲电路时 ,由
IGB T关断时 , IGB T的功率损耗取决于集电
Abstract: This paper p resents a param eter calculation method of the buffer circuits and capacitance by an examp le of parameter calculation of buffer circuits and capacitance for IGBT inverter based on full bridge for SMAW. Key words: SMAW inverter; IGB T; buffer circuit; capacitance1
在设备调试运行过程中 ,当无缓冲电路时 , IGBT管两端的电压会产生高频振荡 ,造成电磁干 扰 。采用缓冲电路即可抑制 VCE的高频振荡 ,起 到消除和减少电磁干扰的作用 。 1. 2 缓冲电路的参数计算
缓冲电路中 ,缓冲电阻 R 越小 ,电容 C 越大 , 则缓冲电路的作用越明显 。但同时要考虑功率损 耗等因素 。
PR
=
1 2
CVC2 E
f
式 中 VCE —最 大 的 集 电 极 - 发 射 极 电 压 (V ) ,本电源 VCE = 537. 4 V;
为了减少功率损耗 ,一般要求 PR ≤120 W ,即
1 2
CVC2 E
f≤120
因此 ,缓冲电容为 :
C
≤240
VC2 E f
=
537142
240 ×25
×103
Param eter Ca lcula tion of Buffer C ircu its and Capac itance for Inverter
CHEN Chang2jiang1 , J IANG Y ou2q ing2 (1. W uhan Institute of Shipbuilding Technology, W uhan 430050, China; 2. Huazhong University of Science and Technology, W uhan 430074, China)
逆变电源缓冲电路与隔直电容的参数计算
逆变电源缓冲电路与隔直电容的参数计算
陈长江 1 ,姜幼卿 2
(1. 武汉船舶职业技术学院船舶工程系 ,湖北武汉 430050; 2. 华中科技大学 ,湖北武汉 430074)
摘 要 :通过对一台全桥式 IGBT逆变手弧焊电源缓冲电路和隔直电容的参数计算 ,介绍了缓冲电路和隔直 电容的参数计算方法 。 关键词 :手弧焊逆变电源 ; IGBT;缓冲电路 ;隔直电容. 中图分类号 : TG434. 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 - 8100 (2005) 02 - 0008 - 03
=
75 01075 ×53714
×014
×40
=
2918 μF
隔直电容 C实际选用耐压 630 V ,容量为 40
μF的电容 (由两只 20μF的电容并联而成 ) ,即可
满足要求 。
3 结论
(1)由 RC组成的缓冲电路能够抑制过电压 、 减小开关损耗 、限制电压上升率以及消除电磁干 扰。
(2)经实验验证 ,选用缓冲电容 0. 01 μF,电 阻 30Ω ,实际吸收效果良好 。
10% Vs为好 ,即需满足如下不等式 :
VC
=
ICΔt =
C
IC C
·D
TS
≤5%
～10%
Vs
式中 VC —充电电压 ; IC —充电电流 ; Δt—充电时间 ,
D — IGBT导通占空比 ;
Ts —开关周期 ; Vs —电源电压 。 按 VC = 7. 5% Vs进行计算 ,则
C ≥ IC
VC
·D TS
(3)隔直电容 C 选用耐压 630 V ,容量为 40 μF的电容 ,能可靠地抑制偏磁 ,提高变压器抗不 平衡的能力 。
参考文献
[ 1 ] 赵家瑞. 逆变焊接与切割电源 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 1995. [ 2 ] 黄石生. 新型弧焊电源及其智能控制 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 2000. [ 3 ] 熊腊森 ,刘长友 ,刘松. 逆变式电弧喷涂电源的研究 [ J ]. 电焊机 , 2001 (6) : 11～12.