关键词：增衰减电路；反馈运算电路；可靠性
7.5.3.3焊接电流增衰减电路
图7-32的上面部分为焊接电流递增衰减电路。
TIG焊时，对一些热敏感的材料，为了保证焊接质量，开始需要工件温度缓慢上升，可利用焊接电流递增电路来实现。焊接结束时，为填满弧坑，要求焊接电流逐渐减小，利用焊接电流衰减电路来实现。
电源主开关KM合上，则输出控制电压。未按下焊矩上开关S前，K1，K2未动作(图7-31)，则图7-32中O点为-15V电压，积分器N1输出1点为＋15V。此时通过N1使RP3+得电，给加法器N3提供一基值输入电压。当按下焊矩上开关S后，随即K1得电，此时O点电压仍为－15V，但由于K1-3动作，V1断电使RP3+输出消失，而加法器N3通过RP4+得一基值输入电压Ub1。此时由于1点电压为＋15V，且R2=R3，则运放N2的输入端为0，故3点亦为0。K1接通后，延时K2接通。此时O点电压由－15V跃变为＋15V，则使积分器N1上的C1、C2放电，运放反向积分，反向放电时间常数由RP1+，R1，C1，C2决定。故调节RP1+即可调节1点电压的下降斜率。由于C1，C2两端并有二极管VD3，因此它不能反向充电，所以，可以用电解电容，随着C1，C2放电，1点电压由＋15V逐渐下降到0。使RP4+上电压也下降至0，使Ub1，也线性下降至0。与此同时，由于U1下降，运放N2的输入电压由0变负，最后使N2输出点3的电压逐渐上升至＋15V。当直流焊接时，由于从导通而使RP5+上无电压。而RP6+上通过V4通电，在加法器N3输入正常给定电压，即完成电流递增转入正常焊接阶段。
当焊接结束时，打开焊矩开关S，K1，K2均换电，此时O点电压由＋15V跃变到－15V。输入给积分器N1经VD2，RP2+，R1向C1，C2充电，结果使1点电压由0逐渐上升到＋15V，充电时间常数由RP2+调节。即调节电流衰减斜率。由于K1已断开，V1通，则RP3+得电，给加法器N3输入衰减基值给定Ub2。由于1点电压由0上升至＋15V，运放N2输入端又将由负值变为零。最后给定电压完全由Ub2单独决定。此时的焊接电流为结束电流。即已实现了电流衰减过程。以上过程各点电压波形见图7-33。
7.5.3.4脉冲给定电路
当需要弧焊电源输出脉冲电流时，脉冲基值电流由RP3+提供给定电压(图7-32)。由于S1置于脉冲位置，此时555芯片上3点处于高电位＋15V，V3由于基极没有通道而被截止，则V2导通，给RP5+提供电源，即获得脉冲基值给定。
分析图7-32，只有V5的基极端能提供一方波脉冲，使V5时通时断，则可获得脉冲峰值电流。因为V5通，则点3的＋15V高电压导通V3，从而切断RP5+上电源，基值信号不提供，而此时V4导通，由RP6+提供脉冲峰值给定电压。因此关键在于V5基极提供方波脉冲。方波发生电路很多。图7-32中采用555定时器集成芯片为核心组成的方波发生器，其电路简单可靠。此方波发生器电路原理只要从555芯片等效逻辑图说明就容易清楚，如图7-34所示。由图可知，555芯片包括2个电压比较器、1个分压器、1个RS触发器、1个功率输出级和1个放电晶体管：其中分压器是3个严格相等的5kΩ电阻组成。
方波脉冲发生原理如下：由图7-34可知，合S1刚接通电源瞬间，定时电容C两端电压为0，触发端2脚电位低于Uoc/3，比较器N2输出高电平，使RS触发器置位，故定时器3脚输出高电平。接着电源Uoc经电阻R1，VLD1，RP7+对电容C充电，当电容上电压Uc上升到大于N1比较器的基准电压2Uoc/3时，N1输出高电平，使RS触发器复位，Q端输出低电平，即定时器3脚输出低电平。此时，
端为高电平，故晶体管V0导通，电容C通过RP8+，R3，V0放电，使电容两端电压逐渐下降，当电容电压降到低于Uoc/3时，比较器N2输出翻转，变为高电平，即3脚输出为高电平。此时
端变为低电平，放电管V0截止，电源Voc又通过R1，VLD1，R2，RP7+充电，电容电压由Uoc/3开始上升，当上升到大于2Uoc/3时，输出发生翻转、如此重复上述过程，即在定时器3脚输出方波脉冲电压，调RP7+即可调脉冲峰值电流时间，调RP8+即可调脉冲基值时间。
7.5.3.5电流反馈运算电路及电源外特性形成
目前IGBT逆变弧焊电源中采用的PWM脉宽调制芯片一般多为3525芯片。电流反馈运算电路可利用3525内的误差放大器为核心组成。图7-35中将3525芯片功能框图与电流反馈运算电路一起画出。由图可知，给定电压Ug和反馈电压Uf接成差动输入方式，则控制触发脉宽的电压Uk由下式表示：
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方波脉冲发生原理如下：由图7-34可知，合S1刚接通电源瞬间，定时电容C两端电压为0，触发端2脚电位低于Uoc/3，比较器N2输出高电平，使RS触发器置位，故定时器3脚输出高电平。接着电源Uoc经电阻R1，VLD1，RP7+对电容C充电，当电容上电压Uc上升到大于N1比较器的基准电压2Uoc/3时，N1输出高电平，使RS触发器复位，
端为高电平，故晶体管V0导通，电容C通过RP8+，R3，V0放电，使电容两端电压逐渐下降，当电容电压降到低于Uoc/3时，比较器N2输出翻转，变为高电平，即3脚输出为高电平。此时端变为低电平，放电管V0截止，电源Voc又通过R1，VLD1，R2，RP7+充电，电容电压由Uoc/3开始上升，当上升到大于2Uoc/3时，输出发生翻转、如此重复上述过程，即在定时器3脚输出方波脉冲电压，调RP7+即可调脉冲峰值电流时间，调RP8+即可调脉冲基值时间。7.5.3.5电流反馈运算电路及电源外特性形成
目前IGBT逆变弧焊电源中采用的PWM脉宽调制芯片一般多为3525芯片。电流反馈运算电路可利用3525内的误差放大器为核心组成。图7-35中将3525芯片功能框图与电流反馈运算电路一起画出。由图可知，给定电压Ug和反馈电压Uf接成差动输入方式，则控制触发脉宽的电压Uk由下式表示：
Uk=-R2(Uf-Ug)/R1。
当Uf＜Ug时，Uk＞4V，触发脉宽为最大值；随焊接电流增加，电源输出电压只受回路阻抗压降影响，呈一略微下斜的直线(图7-26中1-2曲线段)。当Uf随焊接电流增加到Uk=4V，随焊接电流增加，认急剧下降(因放大倍数R2/R1很大)，触发脉宽急剧缩小，电源输出电压迅速下降直至接近为0V(恒电流特性)。改变给定电压Ug就可获得不同的电流输出，如图7-26中3，4，5曲线，即不同Ug所得。
7.5.4提高IGBT逆变焊机可靠性的几种方法
IGBT逆变焊机现已成为焊机发展的方向之一，但在可靠性方面还不尽人意。我们研制的ZX7-400 IGBT逆变焊机由于采用了一些措施使可靠性大大提高。现将这些方法提出来与大家共同探讨。
7.5.4.1主电路形式的选择
目前逆变焊机主电路形式主要有半桥、全桥、单端正激3种形式。其中单端正激电路由于无上、下桥臂直通及高频变压器动态偏磁问题，因此可靠性比较高。通过合理的并联，还可以进一步增大焊机容量。ZX7-400 IGBT选用了图7-36所示的主电路形式。从图7-36可以看出、逆变回路由2路200A单端正激式逆变电路并联而成。在二次侧整流滤波后并联输出。
7.5.4.2电流反馈电路的设计
1台焊机的性能好坏，在很大程度上取决于电流反馈回路。该焊机控制电路以使用比较成熟的电压型脉宽调制器3525为核心构成。但在用法上吸收了电流型脉宽调制器的一些优点，反馈控制信号是电流脉冲信号。SG3525的原理方框图如图7-37所示。
从图7-37可知，通过误差放大器输出端9脚与锯齿波比较得到PWM信号，再经触发器分相后经11脚、14脚输出相位相差180°的触发脉冲信号。9脚电压可以是模拟的电压信号，9脚电压越高，输出脉冲占空比越大，反之越小。9脚也可以是脉冲信号，此时在锯齿波的1个周期中，当脉冲为高电平(5V)时，11，14脚输出高电平触发脉冲，而当脉冲为低电平时(0V)时，11，14脚触发脉冲复位。
当Uf＜Ug时，Uk＞4V，触发脉宽为最大值；随焊接电流增加，电源输出电压只受回路阻抗压降影响，呈一略微下斜的直线(图7-26中1-2曲线段)。当Uf随焊接电流增加到Uk=4V，随焊接电流增加，认急剧下降(因放大倍数R2/R1很大)，触发脉宽急剧缩小，电源输出电压迅速下降直至接近为0V(恒电流特性)。改变给定电压Ug就可获得不同的电流输出，如图7-26中3，4，5曲线，即不同Ug所得。
7.5.4提高IGBT逆变焊机可靠性的几种方法
IGBT逆变焊机现已成为焊机发展的方向之一，但在可靠性方面还不尽人意。我们研制的ZX7-400 IGBT逆变焊机由于采用了一些措施使可靠性大大提高。现将这些方法提出来与大家共同探讨。
7.5.4.1主电路形式的选择
目前逆变焊机主电路形式主要有半桥、全桥、单端正激3种形式。其中单端正激电路由于无上、下桥臂直通及高频变压器动态偏磁问题，因此可靠性比较高。通过合理的并联，还可以进一步增大焊机容量。ZX7-400 IGBT选用了图7-36所示的主电路形式。从图7-36可以看出、逆变回路由2路200A单端正激式逆变电路并联而成。在二次侧整流滤波后并联输出。
7.5.4.2电流反馈电路的设计
1台焊机的性能好坏，在很大程度上取决于电流反馈回路。该焊机控制电路以使用比较成熟的电压型脉宽调制器3525为核心构成。但在用法上吸收了电流型脉宽调制器的一些优点，反馈控制信号是电流脉冲信号。SG3525的原理方框图如图7-37所示。
从图7-37可知，通过误差放大器输出端9脚与锯齿波比较得到PWM信号，再经触发器分相后经11脚、14脚输出相位相差180°的触发脉冲信号。9脚电压可以是模拟的电压信号，9脚电压越高，输出脉冲占空比越大，反之越小。9脚也可以是脉冲信号，此时在锯齿波的1个周期中，当脉冲为高电平(5V)时，11，14脚输出高电平触发脉冲，而当脉冲为低电平时(0V)时，11，14脚触发脉冲复位。
图7-38是ZX7-400 IGBT逆变焊机控制原理中电流反馈部分示意图。
当V1，V2导通时，主变压器一次电流逐渐上升，互感器T1也感应出一个逐步上升的电压，当这个电压超过给定电压Ug时，N1翻转，输出低电平，经VD3使9脚为低电平，使触发脉冲复位，V1，V2截止，直到下一个脉冲周期。通过改变给定电压认的大小，可以改变比较器翻转的时间。如增加认则变压器一次电流更大时比较器才翻转，所以触发脉冲加宽，反之减小Ug则触发脉冲变窄。由于变压器一次电流与二次电流成比例关系，通过改变电流给定信号的大小，决定了输出电流的大小，采用这种电流取样方法，类似于电流型PWM脉宽调制器的控制原理，由于是逐个比较电流脉冲，所以动态反应速度极快，不会发生过电流现象，整机可靠性大大提高。
7.5.4.3短路过程控制
在焊机短路或接近短路时，由于给定电流是一定的，所以此时输出电压极低，IGBT的工作脉冲宽度很小，由于导通期间吸收电容未充分放电，IGBT要在较高的反电压下关断。同时，器件功耗大而输出功率小，因此在3525脉冲输出端设置了一最小脉宽限制电路。同时采样焊机输出电压，当电压低于5V时，即认为发生短路，分频控制电路使输出脉冲三分频。使逆变频率降低，形成PWM+PFM控制方式，限制短路电流，大大减少了焊机短路时过电流现象，提高了焊机可靠性。
7.5.4.4空载过程控制
逆变焊机在空载时，由于无电流反馈信号，所以输出最大脉冲宽度。同时由于分布电容和吸收电容的作用，IGBT关断后励磁电流释放缓慢，其结果是动态过程中励磁电流逐渐升高，直到导通和关断期间“伏-秒”数相等。电路达到稳态，籍位二极管在关断期间泄放励磁电流，IGBT在开通时，因二极管发生反向恢复，对短路过程有不利的影响，相当于另一种形式的直通，所以有必要采取措施。
在该焊机中，输出端并联有一储能电容，同时检测输出电压与一固定给定电压比较，当输出电压高于这一值时比较器翻转，输出低电平，3525的9脚变成低电平，关闭输出脉冲，输出端电压下降，当低于固定给定电压时，比较器又输出高电平。9脚为高电平，允许脉冲输出，从而形成间歇振荡形式。不仅避免最大脉宽时的直通，而且降低了整机空载损耗，提高了整机可靠性。
7.5.4.5综合保护电路
在整机综合保护电路中采取了过电流、欠电压、缺相、过热等综合保护措施。其中过电流保护也是通过互感器检测直流脉冲电流大小，与比较器比较，一旦出现过电流，比较器翻转。通过自锁电路使3525的10脚为高电平，从而封锁脉冲。该过电流保护极灵敏可靠，我们在试验时故意使高频变压器二次侧短路，该电路都能可靠保护，不致损坏主管，其他欠电压、缺相、过热保护措施比较简单，在此不再赘述。
7.5.4.6结论
a.单端正激电路是一种可靠性较高的焊机主电路形式，通过并联还可以扩大输出容量。
b.电流反馈信号通过在高频变压器一次侧取电流信号，可以达到逐个脉冲控制目的，动态响应快，不易过电流。
c.通过控制短路过程，空载过程和综合保护电路，极大提高了器件和整机可靠性。
当V1，V2导通时，主变压器一次电流逐渐上升，互感器T1也感应出一个逐步上升的电压，当这个电压超过给定电压Ug时，N1翻转，输出低电平，经VD3使9脚为低电平，使触发脉冲复位，V1，V2截止，直到下一个脉冲周期。通过改变给定电压认的大小，可以改变比较器翻转的时间。如增加认则变压器一次电流更大时比较器才翻转，所以触发脉冲加宽，反之减小Ug则触发脉冲变窄。由于变压器一次电流与二次电流成比例关系，通过改变电流给定信号的大小，决定了输出电流的大小，采用这种电流取样方法，类似于电流型PWM脉宽调制器的控制原理，由于是逐个比较电流脉冲，所以动态反应速度极快，不会发生过电流现象，整机可靠性大大提高。
7.5.4.3短路过程控制
在焊机短路或接近短路时，由于给定电流是一定的，所以此时输出电压极低，IGBT的工作脉冲宽度很小，由于导通期间吸收电容未充分放电，IGBT要在较高的反电压下关断。同时，器件功耗大而输出功率小，因此在3525脉冲输出端设置了一最小脉宽限制电路。同时采样焊机输出电压，当电压低于5V时，即认为发生短路，分频控制电路使输出脉冲三分频。使逆变频率降低，形成PWM+PFM控制方式，限制短路电流，大大减少了焊机短路时过电流现象，提高了焊机可靠性。
7.5.4.4空载过程控制
逆变焊机在空载时，由于无电流反馈信号，所以输出最大脉冲宽度。同时由于分布电容和吸收电容的作用，IGBT关断后励磁电流释放缓慢，其结果是动态过程中励磁电流逐渐升高，直到导通和关断期间“伏-秒”数相等。电路达到稳态，籍位二极管在关断期间泄放励磁电流，IGBT在开通时，因二极管发生反向恢复，对短路过程有不利的影响，相当于另一种形式的直通，所以有必要采取措施。
在该焊机中，输出端并联有一储能电容，同时检测输出电压与一固定给定电压比较，当输出电压高于这一值时比较器翻转，输出低电平，3525的9脚变成低电平，关闭输出脉冲，输出端电压下降，当低于固定给定电压时，比较器又输出高电平。9脚为高电平，允许脉冲输出，从而形成间歇振荡形式。不仅避免最大脉宽时的直通，而且降低了整机空载损耗，提高了整机可靠性。
7.5.4.5综合保护电路
在整机综合保护电路中采取了过电流、欠电压、缺相、过热等综合保护措施。其中过电流保护也是通过互感器检测直流脉冲电流大小，与比较器比较，一旦出现过电流，比较器翻转。通过自锁电路使3525的10脚为高电平，从而封锁脉冲。该过电流保护极灵敏可靠，我们在试验时故意使高频变压器二次侧短路，该电路都能可靠保护，不致损坏主管，其他欠电压、缺相、过热保护措施比较简单，在此不再赘述。
7.5.4.6结论
a.单端正激电路是一种可靠性较高的焊机主电路形式，通过并联还可以扩大输出容量。
b.电流反馈信号通过在高频变压器一次侧取电流信号，可以达到逐个脉冲控制目的，动态响应快，不易过电流。
c.通过控制短路过程，空载过程和综合保护电路，极大提高了器件和整机可靠性。
