采用DSP的大功率中頻逆變電阻焊電源設計

逆變控制型大功率直流電源，是一種節能，高效，結構簡(jiǎn)單的電源。但是，目前功率過(guò)小，焊接技術(shù)不是很好，焊接質(zhì)量得不到保證等問(wèn)題[2]。其關(guān)鍵是功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗大。既浪費了電能，又影響了逆變電路工作的可靠性。因此，在大功率電阻點(diǎn)焊直流電源中如何克服和減小開(kāi)關(guān)損耗成了一個(gè)重要問(wèn)題[6]。當前國內的逆變電源電阻焊機多用模擬控制,控制電路相當復雜,維修困難,且整機體積大[1]。而國外許多廠(chǎng)家研制的數字化電阻焊機,焊接自動(dòng)化水平高,質(zhì)量可靠,但是價(jià)格非常昂貴。針對這個(gè)問(wèn)題,本文將DSP（TMS320LF2407A）控制技術(shù)應用于逆變電阻焊機的研究中,以保證逆變電阻焊機的靜、動(dòng)特性品質(zhì),同時(shí)進(jìn)一步體現逆變電阻焊機的輕巧、節能，安全、可靠的保護等特點(diǎn)。本文介紹的基于DSP的大功率中頻逆變電阻焊電源設計是一個(gè)很好的問(wèn)題解決方案。

2 中頻逆變電源

中頻逆變直流電阻焊機的供電電源是由三相工頻交流電源經(jīng)整流電路和濾波電容變成直流電源，再經(jīng)由功率開(kāi)關(guān)器件組成的逆變電路變成中頻方波電源，然后輸入變壓器降壓后經(jīng)低管壓降的大功率二極管整流成直流電源，供給焊機的電極對工件進(jìn)行焊接（圖1所示）。逆變器通常采用電流反饋實(shí)現脈寬調制（PWM）獲得穩定的恒定電流輸出。電路原理和波形如圖1所示。圖中U電源為電源電壓，U初級逆變器輸出中頻電壓，變壓器次級工作電流I次級，控制PWM的脈寬即可以控制工作電流I次級的大小。

圖1 中頻逆變電源主電路總體框圖

Fig.1 Medium Frequency Inverter Electrical Source Theory Frame

根據變壓器基本公式U = kfNSBm ,其中：U－變壓器輸入電壓，f－輸入電壓的頻率，N－變壓器匝比，S－變壓器有效導磁面積，Bm－磁芯最高工作磁密?？梢钥闯?，當變壓器輸入電壓及磁感應強度最大值一定時(shí)，提高輸入電壓的頻率可以減少繞組匝數與減小鐵芯截面積，而變壓器的體積主要由 N 及 S 決定，因此，提高逆變器的頻率可以使電源大幅度縮小體積和重量，從而節約大量銅和磁性材料[1]。同時(shí)由于逆變頻率的提高使二次整流輸出的脈動(dòng)頻率提高，可以使用更小的濾波電抗就能達到較好的效果，從而可以減小輸出濾波電抗體積和輸出回路的時(shí)間常數，配合控制回路，就可以大大提高逆變電源的動(dòng)態(tài)響應速度，滿(mǎn)足不同的焊接工藝的要求。逆變直流電源具有優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟指標，因而成為逆變電源最具有發(fā)展前途的方向[1]。

3 中頻逆變電源電路設計

逆變電源電路部分由DSP及其相應外圍電路組成和驅動(dòng)和保護電路組成，如圖1所示。逆變電源的初級、次級保護信號以及IGBT的保護信號通過(guò)傳感器和檢測電路實(shí)現適時(shí)的保護功能。DSP產(chǎn)生PWM波和外面檢測信號、保護信號和PWM經(jīng)驅動(dòng)芯片驅動(dòng)IGBT逆變器。驅動(dòng)芯片采用了M57962AL。M57962AL具有驅動(dòng)能力好，功率大，保護性能好等特點(diǎn)滿(mǎn)足設計的需要。驅動(dòng)電路如圖3所示。驅動(dòng)電路中有驅動(dòng)電源、檢測保護和驅動(dòng)芯片。驅動(dòng)動(dòng)芯片內部電路結構圖為圖2所示。

IGBT大功率管子通常只能承受10us的短路電流、退飽和或過(guò)流，所以必須有快速保護，M57962AL在被驅動(dòng)IGBT出現這些現象時(shí)，進(jìn)行軟關(guān)斷的保護。電路M57962AL驅動(dòng)器內部設有電流保護電路。如圖2中，典型的應用電路，實(shí)現隔離和保護功能。M57962AL的第1腳與IGBT集電極C相連，用外接的穩壓管（圖2中DZ5）代替M57962AL內部的穩壓管。為了防止門(mén)極驅動(dòng)電路出現高壓尖峰，損壞IGBT，在柵極和發(fā)射極之間反向串聯(lián)兩個(gè)穩壓二極管（圖2中DZ16和DZ17）。

從圖1，圖2和圖3可以知道IGBT驅動(dòng)工作原理為:圖1中DSP產(chǎn)生的PWM傳給圖2中的B1，經(jīng)過(guò)三級管放大反相，進(jìn)入M57962AL芯片的第13腳（圖2中驅動(dòng)芯片的信號輸入引腳），在M57959AL的第5腳產(chǎn)生+15V開(kāi)柵和-10V關(guān)柵電壓,驅動(dòng)IGBT導通與關(guān)斷[6]。

同理，IGBT的保護原理為：當過(guò)流發(fā)生時(shí),IGBT的Uce會(huì )顯著(zhù)高于正常導通時(shí),飽和壓降一般為7V以上,就發(fā)生所謂的器件/退飽和現象,M57962AL的第1腳起到保護作用。M57959AL內置定時(shí)器啟動(dòng),通過(guò)關(guān)柵電路和降壓電路將短路電流鉗制在較低的值,同時(shí)檢測電路把M57962AL的第8腳拉為低電平光耦（圖2中所示）響應,產(chǎn)生短路保護信號short1（圖2中所示）為低電平，short1送給DSP，立即關(guān)閉PWM的輸出。驅動(dòng)信號關(guān)斷，從而起到保護IGBT的保護電路作用。

圖2 IGBT驅動(dòng)電路圖

Fig.2 IGBT Driver Circuit Frame

圖3 M57962AL內部結構圖

Fig.3 M57962AL Inside Construct Frame

4 控制程序流程圖

軟件程序主要是DSP產(chǎn)生PWM的程序。整個(gè)軟件編程以C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程為主，在CCS2000環(huán)境下進(jìn)行調試后下載到DSP外圍FLASH里面，運行良好，達到了預期目標，主程序流程圖和中斷程序流程圖如圖4.圖4中，系統初始化包括A/D口、PWM口等的初始設定。A/D轉換采用定時(shí)器產(chǎn)生中斷方式完成，用軟件定時(shí)器T4定時(shí)啟動(dòng)A/D轉換，產(chǎn)生中斷信號，然后DSP進(jìn)行相應操作。

圖4 主程序流程圖和中斷流程圖

Fig.4 Main and Interrupt Program Flow Chart

5 實(shí)驗波形與結論

把程序燒寫(xiě)到DSP芯片外圍Flash里面后，給控制電路和驅動(dòng)模塊加上電壓，這里只對一路IGBT的驅動(dòng)波形進(jìn)行分析。圖5是IGBT工作狀態(tài)的驅動(dòng)信號波形，IGBT的E極（柵極）和G極（門(mén)極）之間的PWM波形，即+15V開(kāi)柵和-10V關(guān)柵電壓，這里采用5Khz的PWM頻率。圖6是在過(guò)流情況或者檢測來(lái)的信號不對時(shí)，驅動(dòng)信號關(guān)斷，使得IGBT不工作情況。分析發(fā)現，G極信號的尖波，最大值20V左右，關(guān)斷時(shí)間Tc10us,保證了IGBT的安全性。

圖5 正常工作的波形 圖6 短路情況波形

Fig.5 The Waves of Work Situation Fig.6 The Waves of Short Circuit Situation

圖5和圖6實(shí)驗波形可知，本設計電路具有中頻控制5Khz的開(kāi)關(guān)頻率，有很好的可靠性，對IGBT有及時(shí)的