一种单管IGBT的逆变手弧焊机的电路及其电路板结构

1.一种单管IGBT的逆变手弧焊机的电路及其电路板结构，主要包括三块电路板及焊接或安装在电路板上的控制电路，其特征在于：电路板设计为三个部分，在焊机内部分为上、中、下三层安装；上层主要是焊机输出性能的控制电路部分；中层板则为交流输入、上电电流缓冲、整流、直流滤波、IGBT单管双单端逆变主电路、电流检测电路部分；下层板主要是逆变变压器的中频交流降压和整流，以及输出电流滤波部分。
2.如权利要求1所述的一种单管IGBT的逆变手弧焊机的电路及其电路板结构，其特征在于：所述控制电路包括电源开关K1，电风扇M1，电阻R3，继电器K1和K2，单相整流桥PD1和PD2，滤波电解电容C4～C7，Q1～Q6 IGBT，快恢复二极管D5～D9，逆变变压器T1和T2组成的双单端逆变主电路；逆变变压器的次级整流、滤波电路则由D5～D9、电流滤波电感L1和L2组成。
3.如权利要求1所述的一种单管IGBT的逆变手弧焊机的电路及其电路板结构，其特征在于：在所述的上层电路板上设计有三端集成稳压器U1，集成PWM电路U2，运算放大器U3，脉冲驱动变压器T4，可变电位器RD2，场效应管Q8、IGBT管的驱动电路以及大量贴片式封装的电容、电阻、二极管、稳压管、三极管电子元器件。
4.如权利要求1所述的一种单管IGBT的逆变手弧焊机的电路及其电路板结构，其特征在于：在中层电路板上设计有两个单相整流器PD1和PD2，继电器K1和K2，电解电容C4、C5、C6、C7，电流检测互感器AT，快速恢复二极管D1、D2、D3、D4，IGBT单管Q1～Q6，电阻R3、R4、R5，电容C8、C08、C9、C10，连接接头J1～J10，通过J1～J4接头连接到上层电路板；通过J7和J8连接到供电电源开关；通过J6连接到下板的逆变主变压器绕组；通过J5连接到温度保护继电器插头；通过J9和J10连接到下板的逆变主变压器初级绕组。
5.如权利要求1所述的一种单管IGBT的逆变手弧焊机的电路及其电路板结构，其特征在于：在下层电路板上设计有D5、D6、D7、D8、D9快速恢复二极管，逆变变压器T1和T2，连接在变压器输出端的电阻R06、R6和电容C11，电流滤波电感L1和L2，以及两个输出端对机架“地”的电容C12和C13，输出端之间的负载电阻R13电子元器件，铝散热器。紧贴快速恢复二极管的散热面。

一种单管IGBT的逆变手弧焊机的电路及其电路板结构\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及一种IGBT逆变式弧焊机，是电子控制的产品，具体是一种采用多个单管IGBT的双单端逆变主电路、两个主变压器及其两套输出整流器、及其控制电路构成的直流电弧焊机电路的结构。\n背景技术\n[0002] 当前，电焊机产品市场的竞争十分激烈，不仅体现在技术的先进性和优势上，还在很大程度上取决于生产制造工艺的先进性、生产效率的高低、生产成本的多少，产品的一致性和可靠性等方面。\n[0003] 目前，一般的电流/电压等级的逆变焊机，通常都采用单块电路板的设计形式，一些电焊机的生产企业，由于实力弱，产品的生产数量很少，没有能力采用大量的SMT贴片器件及其技术，也不可能实现自动化或规模化的生产，因此生产效率低下，工艺水平相对落后。\n[0004] 采用单管IGBT双单端逆变主电路和控制电路构成的逆变焊机种类是比较多的，它们的电路和结构形式也是多种多样，不同的电路及其结构设计思路，所采用的具体电路形式和整个电路布置的方式是不同的，不仅如此，焊机的性能指标，包括输出的电流/电压范围及其对应的负载持续率、绝缘等级、温升等也会表现出一些差距，即使是在相同的产品性能指标下，由于具体电路及其结构设计方面的不同，或者所采用的电子元器件的封装形式不同，因而元器件的装配、焊接和检测工艺水平、自动化程度、生产的效率等也会明显不同。这就会使电子产品电路板的尺寸、生产时安装的方便性、生产效率、生产成本、产品的成本等也会显著不同，例如，如果采用大量的SMT贴片器件或集成电路，由于这种器件的体积小，因而会使电路板的尺寸减小，降低PCB材料的成本；另外，由于装焊这些器件通常采用先进、高效、适合于大批量自动化生产和检测的设备，因而可极大地提高电路板或电子产品的生产效率，降低生产成本，增加产品的市场竞争力。\n发明内容\n[0005] 本实用新型提供弧焊机的控制电路结构主要分为上、中、下三层电路板，其中，上层板焊装在中层板上；在下层电路板上，由于只有两个逆变主变压器、两个电抗器和快速恢复二极管组及其铝散热器、少量电阻和电容等器件，故生产和安装十分方便、快捷；在中层电路板上，同样由于只有电阻、整流器、继电器、电流检测互感器、电解电容器、多个单管IGBT及其散热器、温度控制器、电容、快速恢复二极管、插接件等少数元器件，故生产和安装时也十分方便、快捷；在上层电路板上，尽管电子元器件的数量很多，但由于它们的尺寸和功率小，在设计上采用SMT器件进行自动贴片安装、检验和焊接，因此上层电路板的生产效率很高，出错率极低，避免了手工装配和焊接元器件容易出错的问题，最终可使本实用新型电焊机产品生产时的一次合格率很高，生产效率大大提高。\n[0006] 本实用新型是这样实现的：\n[0007] 一种单管IGBT的逆变手弧焊机的电路及其电路板结构，主要包括三块电路板及焊接或安装在电路板上的控制电路，其特征在于：电路板设计为三个部分，在焊机内部分为上、中、下三层安装；上层主要是焊机输出性能的控制电路部分；中层板则为交流输入、上电电流缓冲、整流、直流滤波、IGBT单管双单端逆变主电路、电流检测电路等部分；下层板主要是逆变变压器的中频交流降压和整流，以及输出电流滤波部分。\n[0008] 所述控制电路包括电源开关K1，电风扇M1，电阻R3，继电器K1和K2，单相整流桥PD1和PD2，滤波电解电容C4～C7，Q1～Q6 IGBT，快恢复二极管D5～D9，逆变变压器T1和T2等组成的双单端逆变主电路；逆变变压器的次级整流、滤波电路则由D5～D9、电流滤波电感L1和L2等组成，上层电路板上的三端集成稳压器U1及其附属电路构成直流稳压电路，可在U1的输出端获得稳定的＋15V直流电压，该电压供给控制模块电路，电阻R3、继电器K1和K2及其控制电路构成传统的上电缓冲电路；D15是发光二极管，当安装在IGBT铝散热器上的温度继电器因温度过高或焊机长时间输出大电流而动作时，该发光二极管会发光，可指示焊机进入保护工作状态，同时，防止焊机因过热或过流而损坏。\n[0009] 在所述的上层电路板上设计有三端集成稳压器U1，集成PWM电路U2，运算放大器U3，脉冲驱动变压器T4，可变电位器RD2，场效应管Q8、IGBT管的驱动电路以及大量贴片式封装的电容、电阻、二极管、稳压管、三极管等电子元器件。\n[0010] 由于很多的元器件采用了SMT贴片式封装，因而上层电路板的尺寸大大缩小了。\nSMT器件采用专用的设备进行自动贴片安装、检验和焊接，因此上层电路板的生产效率很高，出错率极低，避免了手工装配和焊接元器件容易出错的问题，最终可使本实用新型电焊机产品生产时的一次合格率很高，生产效率大大提高。\n[0011] 在中层电路板上设计有两个单相整流器PD1和PD2，继电器K1和K2，电解电容C4、C5、C6、C7，电流检测互感器AT，快速恢复二极管D1、D2、D3、D4，IGBT单管Q1～Q6，电阻R3、R4、R5，电容C8、C08、C9、C10，连接接头J1～J10，通过J1～J4接头连接到上层电路板；通过J7和J8连接到供电电源开关；通过J6连接到下板的逆变主变压器绕组；通过J5连接到温度保护继电器插头；通过J9和J10连接到下板的逆变主变压器初级绕组。\n[0012] 由于这些元器件或零部件尺寸大，无法自动安装，故采用手工装配，自动焊接的工艺，其次，为使此电路板的IGBT管有良好的散热，防止管子烧坏，还设计有IGBT管的铝散热器，利用散热器紧贴IGBT管的散热面，以使IGBT管有良好的散热条件。另外，在散热器上还安装有温度保护继电器，当铝散热器温度过高时，温度继电器会动作，使上层电路产生相应的控制，最终使焊机的电流大幅度降低到很小的数值，从而保护焊机或IGBT管不会因过热或过流而损坏。\n[0013] 在下层电路板上设计有D5、D6、D7、D8、D9快速恢复二极管，逆变变压器T1和T2，连接在变压器输出端的电阻R06、R6和电容C11，电流滤波电感L1和L2，以及两个输出端对机架“地”的电容C12和C13，输出端之间的负载电阻R13电子元器件，铝散热器。紧贴快速恢复二极管的散热面。\n[0014] 本实用新型之所以采用两个继电器、单相整流器和6只IGBT管、两个逆变主变压器等部分电路的设计，是考虑到焊机需要输出较大的电流以及通过一定的变化形成多电流等级的系列产品的需要；本实用新型不仅采用了先进的逆变控制技术，而且还采用了大量的SMT贴片生产、检测等高新技术和工艺，因而焊机产品具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、生产效率高、制造技术先进等优点；其次，在中层电路板上，可通过改变IGBT管的数量或者单个IGBT管的电流等级，以及调整输出快速恢复二极管的电流等级，并结合修改上层电路板上少量电阻的参数值，即可改变焊机的输出电流或功率的大小，容易形成符合国家和国际标准要求的系列化产品，例如，制成140A、160A、180A、200A、230A、250A等电流等级的手工电弧焊机产品。\n附图说明\n[0015] 图1是本实用新型焊机的电路原理框图；\n[0016] 图2是本实用新型焊机的上层电路板元器件布置结构图；\n[0017] 图3是本实用新型焊机的中层电路板元器件布置结构图；\n[0018] 图4是本实用新型焊机的下层电路板元器件布置结构图。\n[0019] 具体实施方式：\n[0020] 在图1中，有电源开关K1，电风扇M1，电阻R3，继电器K1和K2，单相整流桥PD1和PD2，滤波电解电容C4～C7，Q1～Q6 IGBT，快恢复二极管D5～D9，逆变变压器T1和T2等组成的双单端逆变主电路，逆变变压器的次级整流、滤波电路则由D5～D9、电流滤波电感L1和L2等组成，之所以采用两个继电器、单相整流器和6只IGBT管、两个逆变主变压器及其快恢复二极管D5～D9组成的输出整流器等部分电路的设计，是考虑到焊机需要输出较大的电流以及通过一定的变化形成多电流等级的系列电焊机产品的需要。\n[0021] 本焊机电路没有采用控制电源变压器作为电源的变压器，而是采用逆变主变压器附加次级绕组的形式来产生控制电路所需要的直流＋15V电压，方法是：逆变变压器的次级绕组c和d端获得交流电压，经整流后变为直流电压，再通过上层板的三端集成稳压器U1及其附属电路，在U1的输出端获得稳定的＋15V直流电压，该电压供给控制模块电路，使其能够正常工作。\n[0022] 电阻R3、继电器K1和K2及其控制电路构成传统的上电缓冲电路，当电源开关K1合上和接通220V或230V交流供电电压时的一段时间内，由于＋24V直流电压还没有产生，因此，继电器K1和K2的动作时间会落后于电源开关K1的动作时间，在这段时间内，继电器K1和K2的触头还没有闭合，电流只能够通过电阻R3给整流器PD1和PD2供电，进而给滤波电解电容C4～C7充电。当C4～C7充电达到稳定的时候，继电器K1和K2才会动作，K1和K2的常开触点闭合，从而短接电阻R3，如果没有R3、K1和K2及其控制电路，则接通K1和K2后，由于电解电容C4～C7上的电压为零，相当于整流器PD1的输出端处于短路状态，因此，会在PD1和PD2的输入端产生很大的电流，甚至会烧坏整流器PD1和PD2，可见，电阻R3的延时被短路，可起到减少启动电流或者说上电缓冲的作用，进而保护整流器PD1和PD2、开关K1和K2不致于被过大的电流烧坏；当然，如果进入正常的逆变输出，而由于某种原因使继电器K1和K2没有动作，则电阻R3会因流过较大的电流而烧坏，这是应该避免的电路故障。\n[0023] WK为温度保护继电器，安装在IGBT的铝散热器上。当散热器的温度达到其动作温度时，在控制模块电路的作用下，过热指示灯D15会亮，指示焊机进入保护工作状态，同时，控制模块电路输出的驱动Q1~Q6 IGBT工作的脉冲宽度调制信号会使逆变变压器T1和T2的输出电流和电压很低，从而保护焊机不会因为过热或过流而损坏IGBT。\n[0024] 控制模块电路的作用是：在该部分控制电路的作用下，可获得60KHz左右的脉冲宽度调制（PWM）信号，通过该信号可使Q8场效应管处于高频通、断的控制状态，再通过控制模块上的脉冲驱动变压器等电路部分，获得按一定规律变化可驱动Q1～Q3与Q4～Q6 IGBT管组交替导通的控制信号；Q1～Q3与Q4～Q6 IGBT管组的交替导通，可在逆变主变压器T1和T2的初级绕组中产生高频交变电流和电压，通过T1和T2的降压作用，获得一定的高频交流电压和电流，经快速恢复二极管D5～D8的整流、电感L1和L2的滤波作用，从而获得满足手工电弧焊接工艺要求的直流电压和电流。\n[0025] 在图2的上层电路板上，有大量的电子元器件采用了SMT贴片器件，这些元器件主要组成两个电路部分，一个是IGBT的驱动电路部分，另外一个主要是电流负反馈控制和PWM脉冲宽度调制电路部分，当然，还有电源电路等其它一些辅助电路。\n[0026] IGBT的驱动电路主要由驱动脉冲变压器T4、场效应管Q8、电阻R29和R30、二极管D22、稳压管D20和D21、三极管Q9和Q10以及它们外围的电阻、电容、二极管、稳压管等组成，Q9和Q10三极管及其外围元器件组成的电路在结构上是基本一致的，即D23～D27、R31～R37、C28、Q9组成的电路与D28～D30、R38～R44、C29、Q10组成的电路在器件数量和接线方式上都是一样的，具有对称性；驱动电路的作用主要是根据其它控制电路产生的PWM脉冲宽度调制信号形成两路IGBT的驱动控制脉冲信号，使主电路中的Q1～Q3和Q4～Q6 IGBT导通或关断，从而在逆变主变压器T1和T2的初级绕组中获得交流电流和电压。\n[0027] 上层电路板上的三端集成稳压器U1及其附属电路构成直流稳压电路，可在U1的输出端获得稳定的＋15V直流电压，该电压供给控制模块电路，使控制电路能够正常工作，控制模块电路的作用是：在该部分控制电路的作用下，可获得60KHz左右的脉冲宽度调制（PWM）信号，通过该信号可使Q8场效应管处于高频通、断的控制状态，再通过控制模块电路板上的驱动电路部分，获得按一定规律变化、可驱动Q1～Q3与Q4～Q6 IGBT管组导通的控制信号，Q1～Q3与Q4～Q6 IGBT管组的导通，可在逆变主变压器T1和T2的初级绕组中产生高频交变电流和电压，通过T1和T2的降压作用，获得一定的高频交流电压和电流，经快速恢复二极管D5～D8的整流、电感L1和L2的滤波作用，从而获得满足手工电弧焊接工艺要求的直流电压和电流。\n[0028] 焊机输出下降外特性的控制电路主要由可调电位器RD2、集成运算放大器U3（LM393）和脉冲宽度调制器U2（UC3844），以及它们周围的很多SMT贴片工艺的电阻、电容、三极管等元器件组成，外特性的控制电路的主要作用是控制电焊机的输出特性，图3中的AT为电流检测互感器，可检测变压器T1的初级电流，该电流的大小与本焊机输出的焊接电流成正比，输出电流大，则AT检测到电流信号也较大，该电流检测信号作为电流负反馈信号，通过图1中的a、b两端输入到图2的控制模块电路，并与调节焊接电流大小的电位器RD1产生的电流给定信号进行比较，通过控制模块电路的控制，可获得驱动Q8场效应管工作的脉冲宽度调制信号，该信号的频率是固定的，可达60KHz左右，但是，其脉冲的宽度则是会改变的，其变化规律是：焊接时，当电位器RD1产生的电流给定信号增大时，输出的焊接电流也会随之增加，反之，则会减小；当电位器RD1产生的电流给定信号不变时，随着焊接电流的增加，电流负反馈信号增大，由于它的极性与给定信号的极性相反，因此，通过控制模块电路的控制，会使驱动Q8工作的脉冲宽度减小，于是产生的驱动IGBT的脉冲宽度也随之减小，IGBT的导通时间缩短，这就会使输出的电压降低，即在给定不变的情况下，焊接电流增大，输出电压降低。这也就是获得了所谓的满足手工电弧焊要求的下降外特性。\n[0029] 由图3可见，在本实用新型的中层电路板上采用的电子元器件和零部件较多，主要有有两个单相整流器PD1和PD2，继电器K1和K2，电解电容C4、C5、C6、C7，电流检测互感器AT，快速恢复二极管D1、D2、D3、D4，IGBT单管Q1～Q6，电阻R3、R4、R5，电容C8、C08、C9、C10，连接接头J1～J10，通过J1～J4接头连接到上层电路板；通过J7和J8连接到供电电源开关；通过J6连接到下板的逆变主变压器绕组；通过J5连接到温度保护继电器插头；\n通过J9和J10连接到下板的逆变主变压器初级绕组；由于这些元器件或零部件尺寸大，无法自动安装，故采用手工装配，自动焊接的工艺；其次，为使此电路板的IGBT管有良好的散热，防止管子烧坏，还设计有IGBT管的铝散热器，该散热器的设计特点是：多片式结构，每片的厚度较小，总的铝合金表面积比较大；试验结果表明：这种散热器相比每片厚度大的、表面积小的散热器具有更加良好的散热效果，这也是本实用新型的一个特点。\n[0030] 由图1和图4可见，本实用新型的下层电路板上布置有：D5～D9快速恢复二极管、逆变变压器T1和T2的磁芯材料为铁氧体，双E形磁芯，尺寸可为73型和70B型等，不同电流等级的电焊机产品，配置的磁芯尺寸不同、连接在变压器输出端的电阻R6、R06和电容C11，滤波电感L1和L2以及两个输出端对机架“地”的电容C12和C13、输出端之间的负载电阻R13电子元器件，同时，为使快速恢复二极管有良好的散热条件，防止管子烧坏，还设计有快速恢复二极管的铝散热器；本实用新型焊机下层电路板的主要作用是将高频变压器T1和T2的交流电流和电压，通过快速恢复二极管组的整流变成直流输出的电流和电压，满足焊接的需要，设置两个输出端对机架“地”电容C12和C13的目的是抗干扰，以提高焊机的工作可靠性。\n[0031] 良好的电路及其结构设计是本实用新型的优势所在，也是满足高效、大电流输出和低成本生产、高可靠性、制造技术先进性的重要保障。