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智能功率模块(IPM)在弧焊 机逆变器的应用——众齐科技(武汉)有限公司

发表时间:2018-01-25 18:20
当前,弧焊机 逆变器采用的开关器件主要有MOSFET、GTR和IGBT三种,一般说来,以GTR或MOSFET为主开 关器件的逆变器,其逆变频率为20kHz-50kHz,早期IGBT逆变器 的逆变频率仅为20kHz-30kHz。
随着技术的不断进步,基于穿通(PT)型结构制造的IGBT工作频率远远超过20kHZ,向50kHz、100kHz及更高频率发展,可以满 足硬开关及软开关的高频率使用要求,IGBT已经逐步取代MOSFET和GTR。
由于在 高频率的应用中还存在一些问题,因此在IGBT基础上 引申出智能功率模块IPM(Intelligent Power Module),它是以IGBT为功率 器件的新型模块,既有GTR高电流密度、低饱和 电压和耐高压的优点,又有MOSFET高输入阻抗、高开关 频率和低驱动功率的优点,广泛应用于逆变器、UPS系统和 伺服控制器等设备上。
当今弧 焊机向着大容量、小型化、高效率、智能化趋向发展,进一步 提高可靠性和安全性能。弧焊机 逆变器的高频化和减少器件的功耗是实现高效率和高功率密度的关键技术,IPM在逆变 器的应用正是符合这些要求,并将引 领弧焊机今后的发展。
逆变焊 机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电 经全桥整流变成直流, IPM内部的IGBT组成的PWM高频变 换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频 变压器降压到几十伏通过快速恢复二极管整流,整流滤 波后成为稳定的直流电,作为弧焊机电源使用。
弧焊机 电源的工作要求高,在短路、燃弧、开路等 多种状态之间频繁交替变化,因此它 能否可靠工作成为最关键的问题。比如最 常用的手工电弧焊接,它采用 短路起弧的方法,焊接过 程中经常出现熔滴与工件短路现象,这样频繁发生短路,如果没 有可靠的保护措施,很容易 引起逆变器主功率开关器件IGBT的过流损坏。
为了提 高弧焊机的工作可靠性,逆变电 源朝着全数字化的控制技术方向发展,国内外 先进逆变器都是采用IPM智能模块技术。图3是典型 的数字化控制的逆变电路框图,数字信 号处理控制系统TMS320F240控制PWM的输出,PWM 信号送 入触发信号隔离驱动模块,这样减 小功率模块对前级的干扰。
IPM的应用 使控制电路结构更简单,IPM本身内 置的多种保护功能需要外围软硬件的辅助电路的支持,把内部保护产生的FO故障信号转换为封锁IPM的控制信号,关断IPM,最终实现保护IPM的目的。
这样的 关断方式有两种:硬关断和软关断。硬关断是指IPM有故障时,FO输出低电平,通过高 速光耦到达硬件电路,关断PWM输出保护IPM。软关断是指IPM有故障时,FO输出低电平,FO信号通 过高速光耦送到控制器进行处理,处理器确认后,利用中断或软件关断IPM的PWM控制信号,从而达到保护目的。
图3 基于IPM的逆变电路框图
IPM的应用效果
(1)电流波 形控制性能大大提高,焊接电流十分稳定,且脉动系数非常小,可在很 宽的电流范围内实现无级调节,同时电 流动态响应速度快,引弧性能好,冲击电流小,焊接品质稳定可靠。
(2)逆变电源具有电流、电压和 过热等多种保护功能,工作十分可靠。
(3)体积小,重量轻,便于携带,高效节能,耗电量 仅为传统焊机的60%。
(4)减小了 开关电源容量和驱动功率容量,节省了元器件,提高了 综合性能和性价比,具有很好的经济性。
总之,IPM具有高 度的集成性和完善的保护功能,配合先 进的数字化控制技术,通过各 种模块的优化组合,逆变焊 焊机具有功能全面、性能优异、安全可靠、操作性好等优点,为焊接 行业提供了最有效的焊接设备,达到优良的焊接效果。


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