峰值電流模式控制逆變焊機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

1、峰值電流模式控制逆變焊機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 夏田 朱錦洪摘要：討論了峰值電流模式的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)UC3846設(shè)計(jì)了斜坡補(bǔ)償電路及焊機(jī)保護(hù)電路。關(guān)鍵詞：峰值電流模式 UC3846 斜坡補(bǔ)償 Abstract: the article discussed the merit and defect of the peak current mode control ,the slope compasation circuit and the protect circuit is designed for the welding machine.Key word: pea

2、k current mode UC3846 slope compasation0 前言：逆變焊機(jī)的最主要組成部分是逆變弧焊電源，它的功能是把工頻交流電整流，再通過功率晶體管的開關(guān)逆變成高頻交流方波，然后通過變壓器降壓，整流二極管整流，通過焊槍和工件產(chǎn)生焊接電弧，包括恒壓，恒流外特性。逆變弧焊電源一般采用脈寬調(diào)制（PWM）方式，通過調(diào)節(jié)直流電平來調(diào)節(jié)輸出電壓或電流，逆變電源PWM控制方式有電壓型和電流型兩種，電壓型只通過將輸出電壓反饋和給定電壓反饋比較來控制PWM脈沖變化從而控制逆變開關(guān)和電源的輸出。電流型PWM控制是用一個(gè)電流傳感器去檢測(cè)變壓器原邊的電流，反饋到PWM芯片，參與PWM調(diào)節(jié)，形成

3、電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。1電流型控制有許多的優(yōu)點(diǎn)：1.1逐個(gè)脈沖控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)節(jié)性能好：因?yàn)闄z測(cè)的是原邊電流，所以不會(huì)出現(xiàn)電壓型控制電路中由于濾波電感的存在而導(dǎo)致響應(yīng)速度慢的問題，因此電流型控制有輸出精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。1.2具有瞬態(tài)的保護(hù)能力，能迅速對(duì)電力電子器件進(jìn)行保護(hù)：因?yàn)閮?nèi)環(huán)逐個(gè)脈沖控制，當(dāng)變壓器原邊電流過流時(shí)，能迅速對(duì)電力電子器件進(jìn)行保護(hù)。1.3能防止高頻變壓器偏磁的發(fā)生：高頻變壓器發(fā)生偏磁時(shí)，勵(lì)磁電流增加，容易燒毀變壓器，電流型控制中采用檢測(cè)原邊電流的方法，能自動(dòng)對(duì)稱變壓器的動(dòng)態(tài)磁平衡。1.4有利于并聯(lián)均流：在多個(gè)電源模塊并聯(lián)時(shí)可提供自動(dòng)均流功能2控制電路的設(shè)計(jì)2.1 U

4、C3846電流控制芯片的工作原理電流模式控制分為峰值電流模式控制和平均電流模式控制。UC3846采用的是峰值電流模式控制法，即將實(shí)際的電感電流和電壓外環(huán)設(shè)定的電流值分別接收到PWM比較器的兩段進(jìn)行比較，如圖：變壓器一次側(cè)電流采樣信號(hào)被放大三倍后與電壓誤差放大信號(hào)比較，然后去控制PWM脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬。電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)同時(shí)起作用調(diào)節(jié)PWM脈寬，如果內(nèi)環(huán)變壓器一次側(cè)出現(xiàn)過流，而外環(huán)電壓信號(hào)由于存在輸出電感響應(yīng)速度比內(nèi)環(huán)慢，這個(gè)電流信號(hào)被霍爾傳感器檢測(cè)到后經(jīng)過放大與外環(huán)電壓誤差放大信號(hào)比較后會(huì)迅速調(diào)節(jié)PWM脈寬，因此UC3846比電壓型PWM控制芯片響應(yīng)速度更快，在變壓器磁芯偏磁時(shí)，能同時(shí)調(diào)節(jié)變

5、壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電流。但是同時(shí)，UC3846同時(shí)擁有電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，因此從控制上來說更為復(fù)雜，在占空比大于50%時(shí)容易造成工作電流擾動(dòng)，尖峰電流值和平均值誤差大，并且在二分之一開關(guān)頻率處容易發(fā)生次諧波振蕩，為了提高電路的穩(wěn)定性有必要進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。2.2斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)UC3846自身提供了良好的斜率補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，因?yàn)樵诙〞r(shí)電容CT上恰好有一個(gè)正的與振蕩器同步、同頻率的斜坡電壓，只要將該電壓信號(hào)分壓之后與峰值電流信號(hào)進(jìn)行疊加就可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。從UC3846的脈寬調(diào)制原理來看斜坡補(bǔ)償有兩種實(shí)現(xiàn)辦法，一種是將斜坡補(bǔ)償信號(hào)加到電流檢測(cè)信號(hào)中，另一種是將斜坡補(bǔ)償信號(hào)從誤差電壓信號(hào)中減去，第一種辦法

6、在實(shí)現(xiàn)電流限制功能時(shí)易產(chǎn)生誤差，第二種方法中，必須電壓放大器的增益，實(shí)現(xiàn)起來比較麻煩。因此采用改進(jìn)后的第一種辦法，如圖3接入射極跟隨器減小晶振端的輸出阻抗。射極電阻取R2的十分之一，為減少補(bǔ)償電路對(duì)CT上的斜坡電壓線性度和穩(wěn)定性的影響，R2的阻值要足夠大。圖3下面計(jì)算R2參數(shù)值： 1 計(jì)算輸出電感電流斜坡下降斜率：式中為輸出電壓，為濾波電感2 把輸出濾波電感電流下降斜率折算到變壓器一次側(cè)式中為變壓器一二次側(cè)的匝數(shù)之比3 計(jì)算折算到一次側(cè)的電流檢測(cè)信號(hào)電壓值4 計(jì)算振蕩鋸齒波斜坡電壓的斜率5 導(dǎo)出斜坡公式運(yùn)用疊加法（）為疊加后的電壓值）；(為振蕩斜坡產(chǎn)生的電壓，為電流反饋在上產(chǎn)生的電壓)。斜率補(bǔ)

7、償電壓信號(hào)的上升率愈大，則峰值電流控制電路對(duì)噪聲的敏感性愈小，系統(tǒng)的抗噪能力愈強(qiáng)。另一方面，如果增大斜率補(bǔ)償電壓信號(hào)的上升率，則電流注入控制系統(tǒng)的開環(huán)穿越頻率會(huì)減小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度將降低。綜合考慮上述因素，在控制工程實(shí)踐中，斜率補(bǔ)償電壓的上升率一般設(shè)計(jì)為輸出電感電流檢測(cè)信號(hào)下降率折算值的75%。，。和組成濾波電路，這個(gè)濾波電路用于降低開通時(shí)的電流尖峰，這個(gè)電流尖峰可能會(huì)導(dǎo)致電流檢測(cè)電路錯(cuò)誤工作。這個(gè)濾波電路的時(shí)間常數(shù)不能太小，太小濾波的效果不好，太大則導(dǎo)致電流檢測(cè)電路響應(yīng)速度變慢，一般濾波電路的時(shí)間常數(shù)應(yīng)該要遠(yuǎn)小于振蕩器的時(shí)鐘周期，一般取為1/50。，取1000。由此完成斜坡補(bǔ)償和濾波電路

8、的計(jì)算。2.3峰值電流限制電路設(shè)計(jì)電流模式控制中最有吸引力的地方就是它的電流限制能力，通過把誤差電壓放大器的輸出限制在一個(gè)最大值的辦法，簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了限制峰值電流的目的。如圖4，最大電流由和和決定，這個(gè)誤差放大器的輸出最大電壓和Q1 聯(lián)系緊密，Q1用于嵌位誤差放大器的最大輸出電壓。Q1的基極電壓和D1的前端電壓基本相等，所以PWM比較器的反向輸入端電壓被嵌位在，由此，最大峰值電流/圖42.4快速關(guān)斷電路設(shè)計(jì)UC3846的shutdown主要用于快速關(guān)斷保護(hù)功能，是對(duì)前面峰值電流限制等保護(hù)功能的一個(gè)補(bǔ)充，關(guān)斷電路輸入部分是一個(gè)比較器，如圖5。如果比較器的同相輸入端大于350mv，比較器輸出高電平，

9、小晶閘管導(dǎo)通，軟啟動(dòng)電容放電，使得pin1電位下降圖5本電源采用的是富士EXB841驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)到IGBT過流時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)過流信號(hào)，利用UC3846的shutdown的快速關(guān)斷功能，這個(gè)過流信號(hào)被送到shutdown來實(shí)現(xiàn)IGBT的快速過流關(guān)斷保護(hù)。因?yàn)閯?dòng)作電壓比較小，如果UC3846用于大功率焊機(jī)容易受到干擾，所以有必要設(shè)計(jì)一中可靠的輔助關(guān)斷電路，保證關(guān)斷電路不容易受到干擾。如圖6圖6如果過流信號(hào)為是低電平，模擬開關(guān)4066c導(dǎo)通，shutdown和負(fù)電壓接通，保證shutdown不被干擾電壓誤導(dǎo)通，如果過流信號(hào)是高電平shutdown和正電壓接通，模擬開關(guān)4066d開通，shu

10、tdown出現(xiàn)高電平，將UC3846可靠關(guān)斷輸出脈沖，保護(hù)開關(guān)管。2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過主電路和控制電路的設(shè)計(jì)制作，本文設(shè)計(jì)了基于全橋主電路的峰值電流模式控制氣體保護(hù)焊機(jī)，焊機(jī)工作時(shí)，斜坡補(bǔ)償信號(hào)和恒壓輸出如圖7：圖7焊機(jī)工作時(shí)的變壓器一次側(cè)通過霍爾傳感器檢測(cè)到的電流波形轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)加上斜坡補(bǔ)償后如圖7所示，斜坡補(bǔ)償電路增加了電路的穩(wěn)定性和抗干擾性能，彌補(bǔ)了峰值電流模式控制的不足，輸出電壓穩(wěn)定。2.6 結(jié)論峰值電流模式控制有很多優(yōu)點(diǎn)，特別在用于全橋式逆變焊機(jī)時(shí)，有利于防止主變壓器的偏磁，但是峰值電流模式也有抗干擾性能不好，且容易發(fā)生亞諧波振蕩的缺點(diǎn)，但是通過控制電路的合理設(shè)計(jì)，尤其是斜坡補(bǔ)償電路，充分利用UC3846的內(nèi)部資源，可以克服這些不足。1.7 參