ZX7-400逆变电源系统研究-材料成型及控制工程专业毕业设计-毕业论文.doc

毕 业 论 文

学生姓名： 学 号：
学 院： 材料科学与工程学院
专 业： 材料成型及控制工程
题 目： ZX7-400逆变电源系统研究
指导教师：
评阅教师：

2012 年 6 月

河北科技大学毕业论文成绩评定表
姓 名

学 号

成 绩

专 业
材料成型及控制工程
题 目
ZX7-400逆变电源系统研究
指导教师评语及成绩

指导教师：
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评阅教师评语及成绩

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年 月 日
答辩小组评语及成绩

答辩小组组长：
年 月 日
答辩委员会意见

学院答辩委员会主任：
年 月 日
注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书（论文）中。
毕 业 论 文 中 文 摘 要

与传统焊接电源相比，逆变焊接电源具有体积小、重量轻、节能省材、可实现熔滴的精细化控制等诸多优点，是电焊机的主要发展方向之一。通过对逆变焊接电源各部分的理论分析与计算，设计了基于IGBT的ZX7-400逆变焊接电源的主电路和控制电路。
主电路部分设计了三相桥式整流电路、电解电容滤波电路、基于IGBT的全桥逆变主电路、以非晶合金为磁芯的中频变压器、基于快恢复二极管的全波整流电路以及直流电抗器等；控制电路部分设计了基于SG3525的PWM控制电路、基于EXB840的驱动电路以及过流、过热电路等。最后，通过对不同负载情况下的驱动波形以及相应的IGBT的管压降的检测，证明所设计焊机性能良好，符合使用要求。

关键词 ZX7-400 全桥逆变 IGBT SG3525 EXB840

毕 业 论 文 外 文 摘 要

Title Study on ZX7-400 Inverter Welding Power Source

Abstract
Compared with the traditional welding power source, inverter welding power source with a small size, light weight, saving energy and materials, melt-droplet fine control and many other advantages becomes one of the main development directions of the welding machine. Based on the theoretical analysis and calculations of the inverter welding power source, the main circuit and control circuit of ZX7-400 which is based on IGBT are designed.
On the one hand, the three-phase bridge rectifier circuit, the electrolytic capacitor filter circuit, the full-bridge inverter circuit based on IGBT, intermediate frequency transformer with an amorphous alloy core, full-wave rectifier circuit based on fast recovery diodes and a DC rector of the main circuit are designed; on the other hand, the PWM control circuit based on SG3525, driving circuit based on EXB840, over-current and over-heart circuit of control circuit are designed. Finally, it is proved that the good performance of the welder designed and it meets the use requirements by the detection of the drive waveform and corresponding tube voltage drop of the IGBT under various load conditions.

Key Words ZX7-400 full-bridge inverter IGBT SG3525 EXB840

本 科 毕 业 论 文 第 Ⅰ 页 共 Ⅰ 页

目 录

1 绪论 1
1.1 焊接的发展及其在现代工业中的应用 1
1.2 逆变弧焊机及发展应用现状 1
1.3 本论文选题的意义及目的 4
2 ZX7-400逆变电源主电路的设计 6
2.1 总体设计 6
2.2 主电路的设计与计算 9
3 ZX7-400逆变电源控制电路的设计 21
3.1 控制电路的组成 21
3.2 外特性控制 21
3.3 脉宽调制电路 22
3.4 驱动电路 26
3.5 保护电路 28
4 逆变焊机的实验分析 31
4.1 实验仪器与设备 31
4.2 实验步骤 31
4.3 实验结果及分析 31
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35

本 科 毕 业 论 文 第 37 页 共 36 页
1 绪论
1.1 焊接的发展及其在现代工业中的应用
现代焊接方法的发展是以电弧焊和压力焊为起点的。电弧作为一种气体放电的物理现象，于19世纪被人们发现。而电弧焊真正应用于工业是在1892年发明了金属极电弧之后，特别是在20世纪30年代前后发明了薄皮焊条、厚板焊条、氩弧焊及埋弧焊以后。如今的焊接技术是一种现代化的传统加工技术，同时已发展成为一种将材料永久性连接并使焊接接头具有给定功能的先进加工技术。几乎所有的产品，从不足1g的微型电子元器件到几十万吨级的巨型轮船，在生产过程中都不同程度地依赖着焊接技术。焊接技术已然渗透到了制造业的各个领域，焊接与金属切削加工、压力加工、热处理、铸造等其它方法一起构成的金属加工技术，已经成为汽车、船舶、飞机、航天、石油、化工电子等工业部门的基本生产手段，而且直接影响着产品的质量、可靠性、寿命、生产的效率、成本以及市场的反应速度等[1]。
在21世纪，焊接技术作为先进制造技术的一个重要组成部分，仍将在制造业中起着举足轻重的作用[2]。焊接电源是实现焊接的最重要的设备，工业发达国家每生产1万吨钢就需要相应的生产20~25台电焊机。因此，焊接电源性能的好坏、是否先进是一个国家工业发达与否的决定因素之一[3]。
1.2 逆变弧焊机及发展应用现状
1.2.1 逆变基本概念
把交流电转换成直流电的过程叫做整流，完成整流转换过程的电路叫做整流电路，把实现整流转换过程的设备叫做整流器。与此相对，把直流电转换为交流电的过程叫做逆变，完成逆变转换过程的电路叫做逆变电路，而把实现逆变转换过程的设备叫做逆变器[4,5]。
1.2.2 逆变的分类
现代逆变技术的种类很多，如表1.1所示为根据不同的形式，所进行的分类[6,7]。
为了满足不同的负载需求，有如下几种逆变体制[8]：
（1）AC→DC→AC
把工频交流电整流成直流电后，再逆变成为交流电，不过后者的交流频率已不是原来的工频，而是中频或高频，其输出可以通过变压器进行降压或升压提供给负载，也可
表1.1 逆变技术的主要分类

分类方式
类别
逆变器输出交流频率
工频逆变、中频逆变和高频逆变
逆变器输出的相数
单相逆变、三相逆变和多相逆变
逆变器输出能量的去向
有源逆变和无源逆变
逆变主电路的形式
单端式、推挽式、半桥式和全桥式
逆变主开关器件的类型
晶闸管逆变式、晶体管逆变、场效应管式和IGBT式
输出能量的稳定的参量
电压型逆变和电流型逆变
输出电压或电流的波形
正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变
控制方式
调频式（PFW）逆变、调脉宽式（PWM）逆变和混合调节式逆变
逆变开关电路的工作方式
谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变

以直接接入负载。由直流电逆变回来的交流电同样可以是低频的，但它的频率或占空比可以进行比较大范围的调节，从而满足负载的需要。
（2）AC→DC→AC→DC
将上述逆变成的交流电再次整流成直流电。此逆变体制可以用作直流驱动电机、电镀电源、稳压电源或电弧电源等。此逆变过程并非多此一举的，总的来说，就是要同时达到两个目的：一是变压，二是节能。即利用逆变原理把50Hz工频交流电逆变成高频交流电再进行变压（借助高频变压器）和整流，较直接把工频交流电进行变压（借助工频变压器）和整流，要节电得多。
（3）AC→DC→AC→DC→AC
此种逆变体制主要用于提供矩形波交流电的场合，其它场合应用比较少。
1.2.3 逆变焊机的优点
逆变焊机的优点如下[9]：
（1）体积小、重量轻
由于逆变焊机的逆变频率较高，变压器重量降低。现在逆变焊机变压器铁芯材料主要采用铁氧体材料和非晶材料，小功率逆变焊机已作为工具进入家庭。传统焊机中变压器的重量占焊机重量的80%以上，逆变焊机中变压器的重量占焊机重量的1/5~1/10。逆变焊机的重量是同容量整流焊机的1/2~1/4。
（2）节能
表1.2 逆变焊机与传统焊机参数对照表
逆变焊机的节能体现在两方面：空载时节能和负载时节能。空载时逆变焊机可使主电路、风扇等全部进入停止状态，空载功耗只有几瓦。表1.2为输出电流为350A的某款IGBT逆变焊机和晶闸管整流焊机效率的对比。

焊机参数
逆变焊机
传统的晶闸管整流焊机
额定输入电压
三相AC 380V/50Hz
额定输入功率/有功功率
13.7kVA/12kW
15.7kVA/14.1kW
额定输入电流/A
21
24
输出电流/A
DC 60~350
DC 60~350
输出电压/V
DC 14~40
DC 16~40
满载效率
0.916
0.78
额定负载持续率（%）
60
60
外形尺寸（长×宽×高）/㎜
636×322×584
675×436×762
重量/㎏
42
100

（3） 可实现熔滴过渡的精细控制
由于逆变焊机的工作频率在20kHz以上，从而可以对熔滴过渡细分为多个阶段来进行控制。对于CO2气体保护焊，可大幅度降低飞溅；对于脉冲熔化极惰性/活性气体保护焊（MIG/MAG）而言，可有效地控制射流过渡的稳定性，此外还能将熔滴过渡与送丝机构的运动结合起来，从而进一步控制熔滴过渡的过程。这些都是传统整流焊机无法比拟的。
1.2.4 逆变焊机的发展现状
20世纪70年代末堪称焊接电源发展史上具有突破性的时期——逆变弧焊整流器问世。弧焊逆变整流器在构造、性能和工作原理上均颠覆了传统的焊接电源。因为它具有节能省材，效率高，稳定性能与可靠性能高等优势，一经面世就备受全球各机械加工部门的认可，被冠以“革命性焊接电源”的美名。
我国的逆变焊机技术起源于20世纪70年代，真正得到有效的发展是在20世纪80年代。随着对国际上焊机市场的发展状况的研究，我国的逆变焊机经历了以下三个发展时期[6]：
（1）第一个时期：晶闸管（SCR）时期，这个时期的逆变焊机所用的逆变频率较低，一般为2~5kHz，主要以晶闸管作为开关元器件；
（2）第二个时期：随着功率开关元器件的发展，出现了以晶体管（GTR）和场效应管（MOSFET）为主的新型功率开关器件，它们克服了晶闸管逆变频率低的缺点，把逆变频率提高到30～100kHz；
（3）第三个时期：目前，以绝缘栅双极性晶体管（IGBT）作为开关元器件的逆变焊机已然成为了焊机市场的主导，很多科研部门、企业单位、高校等成功研制出新的焊机产品，其性能、结构、质量均已达到世界先进水平。
1.3 本论文选题的意义及目的
1.3.1 本论文选题的意义
焊接作为一种基本的加工方法应用非常广泛。目前，工业发达国家的钢产量有一半以上是以焊接结构的形式应用的。焊接与国民经济各个部门的发展，如冶金、矿山、国防工业、造船工业、机械加工工业、航空航天工业等都有着极其密切的关系。焊接水平的高低将直接影响到一个国家工业品的质量水平、竞争力以及经济效益。焊接在国民经济的发展中起着举足轻重的作用。因此，对焊接电源的研究具有非常重要的意义。
长期以来，国外的焊机产品占据着我国电焊机市场的半壁江山，国产焊机由于设计水平低、制造工艺落后和可靠性差等诸多原因，在市场竞争中处于劣势。改革开放以来，我国引进和研制了一些先进的焊接设备与技术，既提高了我国焊接设备的设计和制造水平，又使设备的品种、规格得到了丰富和发展。虽然我国焊机行业取得了长足的进步，但是与工业发达国家相比，仍有很大差距。要想改变这种现状，赶上国际先进水平，就必须学习并掌握先进焊机的设计与控制技术，开发出适合我国国情、价位低、质量优的国产焊机。因此，对焊接电源的研究具有非常重要的意义。
本论文选题为“ZX7-400逆变电源系统研究”。以“奥太ZX7系列逆变弧焊机”为例，该系列逆变弧焊机包括S（直流弧焊机）、ST（焊条电弧/氩弧焊机）、STG（焊条电弧/氩弧焊机）3种型号。采用IGBT作为逆变器件，工作频率达20kHz，无噪声。既能用于碳钢和低合金钢的焊接，又能用于不锈钢、高合金钢、铜、银、钼、钛等金属的焊接，是一种新型高效节能的直流弧焊机[9]。由此可见，在能源日趋紧张，国际竞争日趋激烈的今天，研究此系列焊机显然具有现实意义和实际应用价值。
1.3.2 本论文选题的目的
通过本课题的研究，应达到以下目的：
（1）运用所学的专业知识，解决实际问题的能力；
（2）掌握开展科学研究的工作步骤和基本方法；
（3）锻炼和提高学生的科技论文写作能力；
（4）锻炼和提高学生的实际动手能力；
（5）掌握逆变焊接电源设计的特点；
表1.3 奥太ZX7-400逆变焊机参数规格
如表1.3所示为奥太ZX7-400逆变焊机参数规格，作为本课题的参考[9]。
项 目
参 数
电源电压/频率
三相380(L10%)V/50Hz
额定输出功率/kW
14.4
额定输入电流/A
26
额定负载持续率(%)
60
输出电流调节范围/A
20~400
输出空载电压/V
728
满载效率(%)
89
功率因数
0.95

2 ZX7-400逆变电源主电路的设计
逆变弧焊机通常由两部分组成：
（1）主电路部分，它的作用是完成电能的转换和传输，是逆变电源的主要部分；
（2）控制电路部分，它的作用是对逆变主电路进行控制，实现电源外特性输出控制、焊接工艺参数调节及其它功能，如参数预置、保护功能与显示功能等。
因为控制电路的研究是在逆变主电路的基础上进行的，所以本论文先对逆变主电路进行分析和讨论。
2.1 总体设计
如图2.1所示为逆变焊机工作原理框图。
图2.1 逆变焊机工作原理框图

图2.1中，主电路由输入整流滤波电路、逆变器、中频变压器、输出整流滤波电路组成，其余部分为控制电路。三相380V交流电源通过输入整流器和电容滤波后变成540V左右的直流，然后通过全桥逆变器变成20kHz的占空比可调的中频交流电，因为中频交流电压的幅值比较高，所以采用中频变压器降到焊接电压，该电压再通过输出整流器和滤波电抗器滤波后转变成直流电压用于焊接。
2.1.1 逆变频率的确定
选择逆变频率时应考虑[10]:
（1）有效地减少焊接变压器的重量和体积；
（2）所选用的开关元器件的频率特性；
（3）尽可能提高焊机效率；
（4）对焊接性能的影响；
（5）经济性。
普通弧焊电源的重量和体积主要集中在变压器和电抗器上，两者所占的比例可达80%以上。在变压器设计中，根据有关电磁定律，可以推出电压U与变压器工作频率f、铁心截面积S、铁心材料最大磁感应强度Bm以及绕组匝数N之间的关系：
（2.1）
由此式可得：
(2.2)
Bm的大小与变压器铁心的磁性材料有关，当确定磁性材料以后，Bm也就确定了。当输入电压一定时，大幅度增大f，NS就会大幅度下降，相应的变压器重量和体积也大幅度减小。工作频率从50Hz增大到20kHz时，NS减少了400倍，铁和铜的损耗也将大幅度减少。同理，工作频率大幅度提高，电抗器的重量和体积也将大幅度减小。同时，工作频率越高，du/dt，di/dt等动态参数的影响也越明显。逆变电源的电子功率开关等元件被击穿、烧穿的可能性越大。为保证焊机电源的可靠性，不仅需要高品质、高性能的元器件，而且需要设计、应用许多保护电路，使得弧焊电源的控制电路非常复杂。而且较高的工作频率是开关器件的开关损耗和通态损耗都大大增加，这将大大增加散热器的体积，不利于降低焊机整体重量和体积。
综上所述，结合常用的功率开关器件的使用频率，本论文所选开关频率为20kHz。
2.1.2 逆变电路拓扑结构选择
逆变弧焊机主电路拓扑结构通常有以下几种形式：推挽式、半桥式、全桥式以及单端正激、单端反激式等。各种形式逆变主电路的比较，如表2.1所示[1]。
由表2.1可以看出，全桥式逆变电路的开关管数量（4个）较其它电路多一倍外，其开关管集-射极电压最小（与半桥式同），相同输出功率时集电极电流Ic最小（与推挽式同），相同集电极电流的输出功率最大（与推挽式同），能获得最大的输出容量。对于较大容量的逆变弧焊机，应主选全桥式和推挽式电路，但后者的开关管集-射极电压是
前者的二倍以上，安全性较差。由于本次设计的逆变焊机是额定电流高达400A的大功率电源，故本设计中采用全桥式逆变主电路。

表2.1 各种形式逆变主电路比较

项目与形式
单 端
半 桥
全 桥
并联（推挽）
开关管承受电压
Umax>2U
≤U
<U
>2U
相同输出功率时Ic
Ic
2Ic
Ic
Ic
中频变压器施加电压
U
0.5U
U
U
高压开关管基数
1
2
4
2
输入滤波电容数量
1
2
1
1
驱动电路复杂程度
简单
中等
复杂
简单
宜于获得输出功率
小
中
大
大

如图2.2所示为全桥式逆变主电路，VI1~VI4为功率开关元器件，它们构成了全桥式逆变结构的四个桥臂，VI1、VI4为一组，VI2、VI3为一组。在驱动电路中产生的驱动信号的激励下四个桥臂两两导通、截止。当VI1、VI4导通时，VI2、VI3截止；当VI2、VI3导通时，VI1、VI4截止。若当VI1、VI4未完全截止时，VI2、VI3开始导通，这一瞬间四组开关元器件同时处于导通状态，即发生直通，将会把功率开关器件击穿。因此在设计全桥式逆变电路时要保证四组功率开关器件的型号相同，电参数一致，而且要设置死区时间，死区时间要大于开关器件关断的延迟时间。
图2.2 全桥式逆变主电路

2.1.3 功率开关器件的选择
如表2.2为晶闸管、晶体管、MOSFET和IGBT四种功率开关元器件各方面性能和参数的对比[6]。
通过表2.2可以看出与其它元器件相比，晶闸管开关的速度最慢，工作频率最低，
表2.2 不同开关元件性能与参数对比

器件特性
晶闸管
晶体管
MOSFET
IGBT
开关速度/μs
25~100
1~5
0.1~0.5
0.5~1
安全工作区
大
小
大
大
额定电流密度
/(A/cm2)

20~30
5~10
50~100
驱动功率
大
大
小
小
驱动方式
电流
电流
电压
电压
高压化
易
易
难
易
大电流化
易
易
难
易
高速化
难
难
较易
易
饱和压降
低
较低
高
低
并联使用
难
较易
易
易

由于其频率在音频范围内，所以工作噪音是不能避免的。
晶体管与晶闸管相比，在开关速度上与逆变器工作频率上有了很大的提高，而且工作起来噪声小，其电流、电压容量大，可以应用在大容量的逆变器中。晶体管的缺点是晶体管驱动功率较大，因此驱动电路设计起来较复杂而且要求高。
场效应管（MOSFET）开关速度很高，工作频率可提高到100kHz，以它作为开关器件的逆变电源噪声小，其驱动方式是电压型驱动，驱动功率低，驱动容易。但场效应管获得大容量的逆变器较为困难，由于其电压、电流容量小，因此在使用时常采用多个场效应管的并联来满足大容量的要求。
IGBT实质是场效应管和晶体管的复合，近年来在逆变电源中得到广泛的应用，它同时兼备场效应管和晶体管的优点，电压、电流容量大，可应用于大容量的逆变器中，驱动电路采用电压驱动，易于驱动且驱动功率小，工作频率为10kHz~40kHz。
结合本论文所选课题“ZX7-400逆变电源系统研究”以及所选逆变频率（20kHz），本论文选用IGBT作为开关器件。
2.2 主电路的设计与计算
本论文设计的电源为ZX7-400逆变电源，通过前文的对比分析，选用绝缘栅双极性晶体管（IGBT）作为功率开关元器件，逆变频率为20kHz，并采用全桥式逆变电路。
全桥式逆变主电路，是逆变焊接电源的重要组成部分，在其内部完成整流、滤波，逆变，再整流、滤波的工作。其工作原理如下：三相工频交流电（380V，50Hz）输入到主电路中，首先通过输入整流滤波电路，经过由二极管组成的整流器以及由滤波电容组成的滤波器的整流、滤波过程，转变为直流电。直流电进入到全桥式逆变主电路中，该电路有四个桥臂，每个桥臂中有一组绝缘栅双极性晶体管（IGBT），为了保证绝缘栅双极性晶体管（IGBT）正常工作，每个桥臂上均并联有电容、电阻起到阻容保护作用。逆变结束后获得中频或高频的交流电，经由变压器降压到所需电压，最后进入到输出整流滤波电路，通过整流、滤波过程转换为焊接所需要的直流电。通过上述分析可知，逆变焊接电源主电路主要包括四个部分，即输入整流滤波电路、全桥式逆变主电路、变压器和输出整流滤波电路。下面将对这四部分进行分析。
2.2.1 中频变压器的设计与参数计算
变压器是逆变电路的重要组成部分，具有电网与负载的隔离、功率传输、降压的功能，对逆变器的效率和工作的可靠性以及输出的电气性能起着重要作用。中频变压器工作在20kHz，而且为矩形波脉冲，因此要在磁芯材料，尺寸，绕组匝数，集肤效应等方面认真考虑。
（1） 磁芯材料
表2.3 焊机用非晶铁芯性能表（摘自北京安泰公司技术资料）
逆变焊接电源中常用的磁芯材料主要有硅钢片、铁氧体和非晶合金三种。对于20kHz的弧焊电源，普通硅钢片的厚度不能超过几十微米，加工难度相当大；铁氧体的饱和磁感应强度较低(一般仅为0.4T)，居里温度仅为120℃左右，而且易碎易裂。与以上两种材料相比，非晶态磁性材料的饱和磁感应强度较高(0.6~1.5T)，居里温度可达350~700℃，电阻率可达120~150μΩ•cm，为硅钢片的3倍，尤其是它的矫顽力(Hc)很小，所以其铁损小，故磁芯材料选用非晶合金。表2.3为电焊机常用的非晶铁芯的性能表[9]。

基本参数
纳米晶铁芯
基本参数
纳米晶铁芯
饱和磁感BS/T
1.25
矫顽力Hc/(A/m)
<1.60
剩余磁感Br/T(20kHz)
<0.20
饱和磁致伸缩系数(×10-6)
<2
铁损(20kHz/0.2T)/(W/kg)
<3.4
电阻率(μΩ•cm)
80
铁损(20kHz/0.5T)/(W/kg)
<35
居里温度/℃
570
铁损(50kHz/0.3T)/(W/kg)
<40
铁芯叠片系数
>0.70
导磁率(20kHz)/(GS/Oe)
>20000

表2.4 ONL-1308040参数表（摘自北京安泰公司技术资料）
根据焊机的额定输出电流400A和额定输出功率14.4kW，选用环形铁芯ONL-1308040，其参数如表2.4所示。

产品牌号
铁芯尺寸(mm)
保护盒尺寸(mm)
S
(cm2)
L
(cm)
M
(g)
P
(kW)
适用焊机电流
OD
ID
HT
OD
IT
HT
ONL-1308040
130
80
40
136
76
45
7
33
1660
15~20
400A
500A

（2）匝数计算
如图2.2所示，中频变压器一次侧为一组绕组N1，二次侧设计为对称串联的两组绕组N2、N3。变压器一次侧电压为方波电压，其幅值为电网输人电压Ui经整流滤波后输出的电压U1，按电网正常电压Ui=380V计算,则有：
(2.3)
此式中U1为中频变压器输入电压的幅值，取540V。
为保证焊条电弧焊能够引弧容易，焊机空载电压U0取70V，并留有一定调节空间，将变压器二次侧电压U2取为80V，则变压器的匝数比为:
（2.4）
本设计中选用ONL-1308040型非晶合金磁芯，有效截面积S为7cm2，工作频率f为20kHz，则其PWM周期为50μs，半周期为25μs。为防止IGBT上下桥臂直通，要求IGBT的一个周期内导通时间满足Ton<25μs，即有一定死区时间。选取矩形波最大占空比D为0.8，则每次导通的最大时间为。为防止磁芯饱和，取最大工作磁感应强度B为饱和磁感应强度Bs的1/3，即。则变压器一次侧匝数[10]为：
（2.5）
此处取N1=20匝。
二次侧匝数为：
（2.6）
则变压器实际匝数比为：
（3） 导线线径及股数计算
1）求原、副边电流有效值Ie1和Ie2
当输出电流I0=400A时，计算变压器一、二次侧绕组电流有效值Ie1和Ie2如下[11]：
（2.7）
（2.8）
2） 求绕组导线线径
根据公式[12]： （2.9）
其中ρ为电流密度，取ρ=350A/cm2；S1和S2为导线截面积。代入Ie1和Ie2数值，得：
，。
3）集肤效应
交变电流通过导线时，导体中的电流密度会由导体表面向中心逐渐减小，并呈指数规律下降，称为集肤效应。交变电流的频率越高，这种效应越明显。也就意味着导线的有效截面积减小，导通电阻增大。集肤效应的强度可用穿透深度Δ来表征，其含义为：交变电流从导线表面开始，向内所能达到的径向深度，它所具有的横截面即是导线的有效截面。为了减小集肤效应，要求绕组铜线的直径d<2Δ。有经验公式[13]：
（2.10）
此式中，Δ的单位是mil，f的单位是Hz。
则当f=20kHz时，。结合生产实际，选择d=0.4mm的漆包线。则对于初级绕组，需要漆包线
并绕；对于次级绕组，需要漆包线并绕。
2.2.2 输入整流滤波电路的设计与参数计算
（1）输入整流滤波电路的设计
输入整流滤波电路的作用主要是将交流电转变为直流电，这部分与常规焊接电源相同。它还需要具有一定电压输出的保持能力，既要能防止电网的干扰侵入电源，又要能防止电源产生的谐波污染电网，即具有抗干扰性。本论文采用的是三相全桥式整流滤波电路，其拓扑结构如图2.3所示。
图2.3 输入整流滤波电路示意图

图2.3中K1为逆变弧焊机的电源开关。通过风扇的强迫风冷，可有效地冷却逆变弧焊机内部的发热元器件，并保证其负载持续率。当合上电源开关K1后，冷却风扇开始工作。工频交流电经整流桥整流后，再经电解电容C1滤波，最终得到纹波系数较小的540V直流电，输入到逆变主电路中。R1为均压电阻。控制变压器二次输出端14V-0V-14V的交流电接到控制电路中，风扇输入端电压为220V。
本论文在设计时为了获得波纹较小的滤波电压，输入滤波电容会较大，合闸时由于电容充电往往会引起较大的浪涌电流且持续时间较长，浪涌电流不仅会造成电源开关节点的溶解或输入熔断器的熔断，还会因为电容器和整流器反复经受大电流冲击，使其性能逐渐劣化，因此必须设法加以抑制。其方法就是在输入回路中串入限流电阻R2，如图2.3中所示，此电阻为热敏电阻，只有在合闸瞬间才有必要，在逆变电源正常工作时，会产生很大的功率损耗，所以在主回路向负载提供功率时需要设法将R2短接。短接方法通常有无触点和有触点两种，有触点电路一般用普通继电器或接触器通过简单延时来实现，无触点电路一般用晶闸管来短接。本论文采用有触点延时继电器J1短接限流电阻R2的方法来实现上述目的。
图2.4 软启动电路原理图
如图2.4所示为软启动电路原理图，其中继电器触点J1-1接到图2.3输入整流滤波电路中热敏电阻R2两端，当主电源开关K1关闭时，+24V电压经过电阻R3向电解电

容C3充电，形成充电回路。当电解电容C3两端的充电电压达到场效应管Q1的导通电压时，Q1导通，使得24V电压接到继电器J1两端，J1导通，继电器触点J1-1闭合，将热敏电阻R2短接。稳压管WD1并联于电容两端，将场效应管的栅极电压箝位在小于12V，以防Q1由于栅极电压过大而被击穿。
（2） 重要参数的计算
1） 输入整流管的参数计算
整流模块的整流管是轮流工作的，每个整流管导通1/3周期。整流管的电流有效值为： （2.11）
其中，Id为直流母线上的电流有效值，ID为整流管的电流有效值。由于电流脉动较小，取，I1为变压器原边电流。
中频变压器原边电流： （2.12）
从有效值相等的原则，并考虑选取1.5~2倍的安全裕量α折算到整流管的额定平均电流IN，则有：
（2.13）
考虑10%的网压波动，整流二极管最高承受电压：
（2.14）
整流二极管承受电压值考虑2~3倍的安全裕量后，可取额定电压值为1200V。
综上所述，结合实际生产，选取额定值40A、1200V的二极管6只。
2） 输入滤波电容的参数计算
三相380V/50Hz的交流电Vline经过全桥整流后得到脉动的直流电压Vin，输入滤波电容C1，用来平滑这一直流电压，使其脉动减小。滤波电容C1的选择是比较关键的，如果C1太小，直流电压Vin的脉动就会比较大。那么为了得到所要求的输出电压，就需要过大的占空比调节范围；同时，直流电压Vin的最小值Vin(min)也比较小，要求高频变压器的原副边匝比变小，以致于开关管的电流增大，输出整流二极管的反向电压增大。如果C1太大，其充电电流脉冲宽度变窄，幅值增高，以致于输入功率因数降低，过高的输入电流(有效值)使得输入整流管和滤波电容的损耗增加；此外，电容过大，成本也会增加。一般而言，用下述经验算法[2,12]：
线电压有效值：
线电压峰值：
整流滤波后直流电压的最大脉动值：
整流滤波后直流电压：
为了保证整流滤波之后的直流电压最小值Vin(min)符合要求，每个周期中C1所提供的能量约为：
（2.15）
式中A为交流电的相数，f为其频率，η为满载效率，P0为额定输出功率，Pin为额定输入功率。
每半个周期输入滤波电容所提供的能量为：
（2.16）
由此可得输入滤波电容容量为：
（2.17）
由于电容承受的电压峰值为591V，结合实际应用，选用4个560μF/630V的电解电容并联使用。电解电容并不是理想的电容，其本身的阻抗对电容上的电压会产生影响，所以为了稳定电解电容两端的电压，使每组电容上的分压相等，分别在每组电容两端并联了均压电阻R，选择阻值R=10kΩ，额定功率为10W。有时为了滤波除去高频干扰，需要在滤波电容组前并联电容。一般来说，只要该电容能够经受电压的冲击即可。
2.2.3 逆变主电路设计与参数计算
由前文分析可知，本论文逆变主电路选用开关元件为IGBT的全桥逆变主电路，其电路拓扑如图2.4所示。
图2.4 全桥逆变主电路

（1）IGBT的参数计算
IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，它既有MOSFET易驱动又有功率晶体管电压、电流容量大的特点，频率特性介于MOSFET和功率晶体管之间，一般在10kHz~40kHz之间，在较高频率的大中功率应用中占据了主导地位。并且IGBT为电压驱动，开通和关断容易，开关速度快，单个器件的载流容量大，电流密度高，开关和通态功耗小，饱和压降低，安全工作区宽，无二次击穿现象，其输入阻抗高，驱动电路功率小且简单，是目前较为理想的功率开关器件。IGBT参数的正确选择是逆变电路能够可靠工作的关键，如果选择不好，会导致焊机可靠性下降，安全性下降。因此，IGBT选择的参数必须在IGBT安全工作区内，并留有一定安全裕量。
工频交流电（380V/50Hz）经整流滤波后，考虑10%的网压波动，输出直流电压的最大值为：
（2.18）
式子中，Udm为IGBT承受的最大稳态电压，Ui为网压有效值。在此基础上考虑一定的安全裕量，一般选α=1.5~2倍，则IGBT耐压值应为：
（2.19）
IGBT的额定电压值应高于此值，选取1200V。
由式（2.12）可知中频变压器原边电流I1=60A，则单个IGBT上的平均电流为：