专利名称：一种igbt逆变式弧焊机控制电路及电路板的结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及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双单端逆变主电路及其控制电路构成的直流电弧焊机控制电路的结构。
背景技术：
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。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，这些电焊机生产企业，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，也不可能实现自动化或规模化的生产，因此生产的效率低下，工艺水平也相对落后；而采用单管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、温升等也可能会表现出一些差距，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。
发明内容本实用新型的控制电路板结构分为上、下两个电路板，在下层电路板上，由于只有逆变主变压器、电抗器和快速恢复二极管及其铝散热器等少量器件，故生产和安装十分方便、快捷；而在上层电路板上，尽管采用的电子元器件和零部件较多，但是，由于只有少数电阻、整流器、继电器、电流检测互感器、脉冲变压器，三端稳压器、散热器、IGBT，可调电位器，电容，快速二极管，二极管等少量尺寸大的元器件需要手工装配和焊接外，其它的电子元器件都采用SMT器件自动贴片安装和焊接，因此上层电路板的生产效率很高，出错率低， 最终电焊机产品生产时的一次合格率很高。一种IGBT逆变式弧焊机控制电路及电路板的结构，包括电路板及焊接或按装在电路板上的控制电路，控制电路由输入和输出控制部分以及输出整流和滤波部分组成，其特征在于电路板设计为两个部分，在焊机内部分为上、下两层安装，上层为输入和输出控制部分，下层为输出整流和滤波部分。所述控制电路包括电源开关KlOl、电风扇MlOl、电阻Rl、继电器Kl、单相整流桥PD1、滤波电解电容C4和C5、Ql Q4IGBT以及快恢复二极管Dl D2和逆变变压器Tl组成的双单端逆变主电路；另外，逆变变压器的次级整流、滤波电路则由D4 D7、电感Ll组成，三端集成稳压器Ul及其附属电路构成直流稳压电路，可在Ul的输出端获得稳定的+ 15V直流电压。该电压供给BK1、BK2等控制电路，使这些电路能够正常工作。电阻R1、继电器Kl及其控制电路构成上电缓冲电路，DlOl是发光二极管，当C12电容上+ 24V电压产生时，该发光二极管会发光，可指示焊机带电工作，BKl电路部分的作用是在BK2部分控制电路的作用下，可获得60KHz左右的脉冲宽度调制信号，通过该信号可使Q7场效应管处于高频通、断的控制状态。再通过BKl电路部分，获得按一定规律变化可驱动Q1、Q2与Q3、Q4管组交替导通的控制信号，QU Q2与Q3、Q4管组的交替导通，可在逆变主变压器Tl的初级绕组中产生高频交变电流和电压，通过Tl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D4 D7的整流、电感Ll的滤波作用，从而获得满足焊接要求的直流电压和电流。其中上层电路板有电阻Rl、R5、R6、Rll、R15、R4、R3，单相整流器PDl，继电器Kl， 电流检测互感器AT，脉冲变压器T2，三端稳压器Ul及其散热器，Ql Q4 IGBT,可调电位器 R10,电容 C6、C7、C9、C11、C13、C26，电解电容 C4、C5、C8、CIO、C12，快速恢复二极管 Dl、D2， 二极管D7，连接接头J8、IP2、J18、场效应管Q7这些尺寸大的元器件或零部件采用手工装配和焊接；其它电子元器件采用了 SMT贴片器件。在下层电路板上布置有D4、D5、D6、D7快速恢复二极管、逆变变压器Tl、连接在变压器输出端的电阻R42和电容C23、滤波电感Ll以及两个输出端对机架“地”的电容CM 和C25、输出端之间的负载电阻R43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；在上层电路板上，可通过改变IGBT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的系列化产品。例如，制成100A、120A、140A、160A电流等级的手工电弧焊机产品，可使焊机的输出功率大，额定输出电流高达160A/26. 4V 170A/26. 8V的水平。
图1是本实用新型焊机的电路原理框图；图2是本实用新型焊机的上层电路板元器件布置结构图；图3是本实用新型焊机的下层电路板元器件布置结构图。
具体实施方式
在图1中，有电源开关K101、电风扇M101、电阻R1、继电器K1、单相整流桥PD1、滤波电解电容C4和C5、Ql Q4IGBT以及快恢复二极管Dl D2和逆变变压器Tl组成的双单端逆变主电路。逆变变压器的次级整流、滤波电路由D4 D7、电感Ll组成。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。方法是通过逆变变压器Tl的次级绕组，在 J18插头两根导线之间获得交流电压。该交流电压经过D9整流后变为直流电压。通过三端集成稳压器Ul及其附属电路，在Ul的输出端获得稳定的十15V直流电压。该电压供给 BKU BK2等控制电路，使这些电路能够正常工作。电阻R1、继电器Kl及其控制电路构成上电缓冲电路。当J18两端获得交流电压时，该交流电压通过二极管D9整流为直流电压。通过电解电容C12滤波后，获得+ 24V左右的直流电压。这个+ 24V电压是继电器Kl的工作电压。DlOl是发光二极管。当+MV电压产生时，该发光二极管会发光，从而指示焊机带电工作。当接通供电电源时，由于电源开关KlOl合上后的一段时间内，十24V电压还没有产生，因此，继电器KlOl的动作时间会落后于电源开关KlOl的动作时间。在这段时间内，继电器KlOl的触头还没有闭合，电流只能够通过电阻Rl给整流器PDl供电，进而给滤波电解电容C4和C5充电。当C4和C5充电达到稳定的时候，继电器Kl才会动作。Kl的常开触点闭合，从而短接电阻R1。如果没有R1、K1及其控制电路，则接通KlOl后，由于电解电容C4和 C5上的电压为零，相当于整流器PDl的输出端处于短路状态，因此，会在PDl的输入端产生很大的电流，甚至会烧坏整流器PDl。可见，电阻Rl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、开关KlOl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Kl没有动作，则电阻Rl会因流过较大的电流而烧坏，这是应该尽量避免的电路故障。BKl电路部分的作用是在BK2部分控制电路的作用下，可获得60KHz左右的脉冲宽度调制信号。通过该信号可使Q7场效应管处于高频通、断的控制状态。再通过BKl电路部分，获得按一定规律变化可驱动Q1、Q2与Q3、Q4管组交替导通的控制信号。由于Ql、Q2与Q3、Q4管组交替的导通，因此，可在逆变主变压器Tl 的初级绕组中产生高频交变电流和电压。通过Tl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D4 D7的整流、电感Ll的滤波作用，从而获得满足焊接要求的直流电压和电流。图1中，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BK2电路的控制下，过热指示灯D102会亮。同时，BK2输出的驱动 Q7工作的脉冲宽度调制信号会使电焊机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。AT为电流检测互感器，可检测变压器Tl的初级电流。该电流的大小与流过滤波电感Ll的电流或者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 BK2电路部分，并与电位器RDlOl产生的电流给定信号进行比较，通过BK2电路的控制，可获得驱动Q7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， 脉冲的宽度则是会改变的。其变化规律是焊接时，当电位器RDlOl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RDlOl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BK2的控制，会使驱动Q7工作的脉冲宽度减小，于是BKl产生的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。由图1和图2可知，对于BKl控制电路，主要由驱动脉冲变压器T2、场效应管Q7、 电阻似8和R29、二极管D16、稳压管D17和18、三极管Q8和Q9以及它们外围的电阻、电容、 二极管、稳压管等组成。Q8和Q9三极管及其外围元器件组成的电路在结构上是基本一致的。BKl控制电路的作用主要是根据BK2电路产生的PWM脉冲宽度调制信号产生两路IGBT 的驱动控制脉冲信号，使Ql、Q2和Q3、Q4 IGBT导通或关断，从而在逆变主变压器的初级绕组中获得交流电流和电压。BK2控制电路主要由可调电位器R10、集成运算放大器U2和脉冲宽度调制器U3， 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。BK2电路的主要作用是控制电焊机的输出特性。当电位器RDlOl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RDlOl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BK2 电路的控制，会使驱动Q7工作的脉冲宽度减小，于是BKl产生的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。通过上述控制作用，可使焊接电源的输出特性满足电弧焊工艺的要求。由图2可见，在本实用新型的上层电路板上采用的电子元器件和零部件较多。主要有电阻Rl、R5、R6、Rl 1、R15、R4、R3，单相整流器PDl，继电器Kl,电流检测互感器AT，脉冲变压器T2，三端稳压器Ul及其散热器，Ql Q4 IGBT，可调电位器R10，电容C6、C7、C9、 Cll、C13、C26，电解电容C4、C5、C8、CIO、C12，快速恢复二极管Dl、D2，二极管D7，连接接头 J8、IP2、J18、场效应管Q7等少量尺寸大的元器件或零部件。这些电子元件，由于无法自动安装和焊接，所以需要手工装配和焊接。除此之外，在上层电路板上，还有大量的电子元器件采用了 SMT贴片器件；这些元器件大致可分为两个部分，一个是对应图1中的BKl控制电路，也可称为IGBT的驱动电路部分；另外一个对应图1中的BK2控制电路，也可称为电流负反馈控制和PWM脉冲宽度调制电路部分。由图3可见，本实用新型的下层电路板上布置有D4、D5、D6、D7快速恢复二极管、 逆变变压器Tl、连接在变压器输出端的电阻R42和电容C23、滤波电感Ll以及两个输出端对机架“地”的电容CM和C25、输出端之间的负载电阻R43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Tl的交流电流和电压，通过快速恢复二极管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CM和C25的目的是抗干扰，以提高焊机的工作可靠性。良好的电路及其结构设计是本实用新型的优势所在，也是满足高效和低成本生产、高可靠性、制造技术先进性的重要保障。
权利要求1.一种IGBT逆变式弧焊机控制电路及电路板的结构，包括电路板及焊接或安装在电路板上的控制电路，控制电路由输入和输出控制部分以及输出整流和滤波部分组成，其特征在于电路板设计为两个部分，在焊机内部分为上、下两层安装，上层为输入和输出控制部分，下层为输出整流和滤波部分。
2.如权利要求1所述的一种IGBT逆变式弧焊机控制电路及电路板的结构，其特征在于所述控制电路包括电源开关K101、电风扇M101、电阻R1、继电器K1、单相整流桥PD1、滤波电解电容C4和C5、Ql Q4IGBT以及快恢复二极管Dl D2和逆变变压器Tl组成的双单端逆变主电路；另外，逆变变压器的次级整流、滤波电路则由D4 D7、电感Ll组成，三端集成稳压器Ul及其附属电路构成直流稳压电路，可在Ul的输出端获得稳定的+ 15V直流电压，该电压供给BKl、BK2等控制电路，电阻Rl、继电器Kl及其控制电路构成上电缓冲电路，DlOl是发光二极管，当C12电容上+ 24V电压产生时，该发光二极管会发光，可指示焊机带电工作，BKl电路部分的作用是在BK2部分控制电路的作用下，可获得60KHz左右的脉冲宽度调制信号，通过该信号可使Q7场效应管处于高频通、断的控制状态，再通过BKl电路部分，获得按一定规律变化可驱动Q1、Q2与Q3、Q4管组交替导通的控制信号，Q1、Q2与Q3、 Q4管组的交替导通，可在逆变主变压器Tl的初级绕组中产生高频交变电流和电压，通过Tl 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D4 D7的整流、电感Ll 的滤波作用，从而获得满足焊接要求的直流电压和电流。
3.如权利要求2所述的一种IGBT逆变式弧焊机控制电路及电路板的结构，其特征在于其中上层电路板有电阻附、1 5、1 6、1 11、1 15、1 4、1 3，单相整流器PDl，继电器Kl，电流检测互感器AT，脉冲变压器T2，三端稳压器Ul及其散热器，Ql Q4 IGBT，可调电位器R10， 电容 C6、C7、C9、Cll、C13、C26，电解电容 C4、C5、C8、CIO、C12，快速恢复二极管 Dl、D2，二极管07，连接接头州、R218、场效应管Q7这些尺寸大的元器件或零部件采用手工装配和焊接；其它电子元器件采用了 SMT贴片器件。
4.如权利要求2所述的一种IGBT逆变式弧焊机控制电路及电路板的结构，其特征在于在下层电路板上布置有D4、D5、D6、D7快速恢复二极管、逆变变压器Tl、连接在变压器输出端的电阻R42和电容C23、滤波电感Ll以及两个输出端对机架“地”的电容CM和C25、 输出端之间的负载电阻R43电子元器件。
专利摘要本实用新型涉及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双单端逆变主电路及其控制电路构成的直流电弧焊机控制电路的结构，包括电路板及焊接或按装在电路板上的控制电路，控制电路由输入和输出控制部分以及输出整流和滤波部分组成，其特征在于电路板设计为两个部分，在焊机内部分为上、下两层安装，上层为输入和输出控制部分，下层为输出整流和滤波部分；本实用新型生产效率很高，出错率低，最终电焊机产品生产时的一次合格率很高。
文档编号B23K9/10GK201950342SQ20102057909
公开日2011年8月31日 申请日期2010年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者朱宣东, 朱宣辉, 陈法庆 申请人:浙江肯得机电股份有限公司