一种单板单管igbt逆变手弧焊机的电路板结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型是关于一种单板单管IGBT逆变手弧焊机的电路板结构，包括焊机的外壳体以及设在该外壳体内部的，构成逆变焊机的各个部分电路及其元器件、除了参数调节和显示等极少数零部件或组件外，焊机电路的器件几乎都在这块主控制单板上，电路板都采用了大量的表面贴片电子元器件和SMT表面贴装工艺方法进行自动加工，故焊机的生产效率高、制作成本低，此外，焊机设计有独特的输出电流参数触摸式调节和数字显示电路组件，在焊机的电路板结构和输出电流调节及显示方式设计方面，所述焊机具有自己的特色，有显著的设计创新性。
【专利说明】一种单板单管IGBT逆变手弧焊机的电路板结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种电子控制的焊接设备，具体是一种单板单管IGBT逆变手弧焊机的电路板结构。
【背景技术】
[0002]IGBT是一种功率开关电子器件，IGBT的封装(或外形结构)形式是比较多的，可详见一些相关技术资料的说明，粗略地说，主要有模块式IGBT和单管IGBT等形式，前者体积大，电流和电压等级高，价格贵，主要用于工业大电流电器产品的制造，而后者则体积小，电流和电压等级低，价格低，主要用于小功率和低电流等级电器产品的制造，如小型和家用逆变焊机等。
[0003]当前，电焊机市场产品的竞争十分激烈，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水平、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。
[0004]目前，160A以下电流等级的逆变电弧焊机，采用单管IGBT组成的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的，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也是不同的，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、焊机的工作可靠性、制造成本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、自动化程度等也会有明显的不同，这就会使逆变焊机电子产品电路板的尺寸、生产时器件安装的方便性、生产效率、生产成本、最终产品的成本等也会有显著的不同，例如，如果采用大量的SMT贴片器件或集成电路，由于器件的体积小，因而会使电路板的尺寸减小，降低PCB材料的成本，另外，由于装焊这些贴片器件通常采用先进、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产品的生产效率，降低生产成本，增加产品的市场竞争力。
[0005]传统的电子控制式电焊机等电器产品，其输出电流的大小是采用旋钮式的电位器进行调节，其调节量(例如，10A100A)多少，只能根据电位器上的指示点与产品控制面板上电位器刻度线的对应关系大致了解，不直观，此外，这种方式比较传统，显得产品技术或档次低；目前，高档次的电焊机等电器产品都是采用触摸键式调节控制量，以及采用数码或液晶屏等实现调节量数字显示的，然而，这些高档的产品，尽管可实现调节量的数字显示和触摸式增或减的调节，但是，所采用的器件(如数显表、液晶屏等)、电路和成本都比较高，不利于降低电焊机等拟开发产品的成本。
实用新型内容
[0006]本实用新型焊机的电流调节和参数显示电路，其结构设计显著不同于市场上现有传统焊机产品的实现方式和结构，其电路板的结构设计和连接有自己独特的方式，本实用新型焊机的显示和参数调节电路板组件上有两个排式插针接口 Xl和X2，Xl接口为MCU内部控制程序的烧写接口，利于此接口，通过它与程序编写和烧写电脑系统进行连接，即可把程序写入本实用新型电路的MCU内部，以实现本实用新型电路的功能；X2接口则与所控制的电焊机产品其它电路进行电气间的连接，主要是向此电路进行供电(即提供+15V和-15V电源)；进行过热或电器产品输出电压等信号采样；以及把此电路转化的控制或调节量供给电焊机产品相应的控制输入端子，以实现产品输出电流大小的控制或调节，不仅是整机电路板的设计方面，还是焊机输出电流参数调节和显示方面，本实用新型焊机都有自己的创新点和新颖性。
[0007]为实现上述目的采用以下技术方案:
[0008]一种单板单管IGBT逆变手弧焊机的电路板结构，其特征在于:采用四个单管IGBT、四个快速恢复二极管组成的逆变主电路及其控制电路，逆变主电路及其控制电路包括输入上电缓冲电路、单管IGBT组成的逆变主电路、IGBT的驱动电路、PWM脉冲宽度调制电路、整流电路、焊机输出特性控制电路、电源电路、焊机输出电流触摸式调节和显示电路；除了焊机输出电流触摸式调节和显示电路组件外，其它所有的这些电路部分和元器件都布置在一块大电路板上，电路板上采用贴片电子元器件和SMT表面贴装工艺的元件设置电路板的其中一面，而继电器、整流器、滤波电解电容、IGBT及其散热器、逆变主变压器、输出整流的快速恢复二极管及其散热器、冷却电风扇、电流检测互感器、脉冲驱动变压器和少数电阻和电容采用手工焊接在电路板另一面。
[0009]电路板纵向布置焊机机箱外体内并靠近其中一侧壁，电路板布置有贴片电子元器件和SMT表面贴装工艺的元件的一面正对机箱壳体的该侧壁，电路板上采用手工焊接的元器件处于机箱外壳内部通风道上。
[0010]所述的焊机输出电流触摸式调节和显示电路组件上有两个排式插针接口 Xl和X2，Xl接口为焊机输出特性控制电路的MCU内部控制程序的烧写接口，利于此接口，通过它与程序编写和烧写电脑系统进行连接，即可把程序写入本实用新型电路的MCU内部，以实现本实用新型电路的功能；X2接口则与所控制的电焊机产品其它电路进行电气间的连接，主要是向此电路进行供电；进行过热或电器产品输出电压等信号采样；以及把此电路转化的控制或调节量供给电焊机产品相应的控制输入端子，以实现产品输出电流大小的控制或调节。
[0011]本实用新型逆变焊机主板电路部分采用单管IGBT组成的逆变主电路和控制电路构成，整个主电路部分布置在一块电路板上，并采用大量的贴片电子元器件和SMT表面贴装工艺方法来生产产品，在电路板上，由于只有继电器、整流器、滤波电解电容、IGBT及其散热器、逆变主变压器、输出整流的快速恢复二极管及其散热器、冷却电风扇、电流检测互感器、脉冲驱动变压器、少数电阻和电容等少量尺寸大的元器件需要手工装配和焊接，其它大量的电子元器件都采用SMT贴片器件进行自动安装和焊接；此外，焊机输出电流触摸式调节和显示电路也采用一块特有设计的电路板组件，这种电路组件是一种尺寸非常小、结构紧凑、重量非常轻，可进行焊机产品的输出控制量触摸式调节和数字显示的电路装置，利用它可不使用传统电位器调节输出电流方式，而是采用触摸式按键“ + ”和调节焊接电源产品输出电流的大小，并进行调节参数的数字显示。因此，无论是焊机的电路板，还是整机的生产和安装十分方便、快捷，产品的合格率和生产效率高，最终使产品的生产成本低，市场竞争力强。
[0012]该组件电路板上有两个排式插针接口 Xl和X2。Xl接口为MCU内部控制程序的烧写接口，利用此接口，通过它与程序编写和烧写电脑系统进行连接，即可把程序写入电路的MCU内部，以实现此电路的功能；X2接口则与所控制的电焊机产品电路进行电气间的连接。主要是向该电路进行供电(即提供+15V和-15V电源)；进行过热或电器产品输出电压等信号采样；以及把该电路转化的控制或调节量供给电焊机产品相应的控制输入端子，以实现焊机输出电流的控制或调节。
[0013]该组件电路板的尺寸和体积小，器件也少，并且，电路板采用表面贴片电子元器件和SMT表面贴装工艺方法进行自动加工，因而其制作成本低。不仅可实现调节量的触摸式增加或减少，还可实现调节量的数字显示，比较直观。配合电焊机或电器产品的面板设计，可使产品更加美观，提升产品的档次；如果要改变调节和显示的数值范围，可通过改变烧写到MCU单片机的软件，即可改变焊机显示或输出电流的大小，该组件电路与传统电子控制式电焊机等产品的电路接口(X2)连接线很少，非常方便用于改造这些产品。通常，已有的电焊机产品的电路都有+15V和-15V电源。因此，无需再外配供电电源。只要把这些已有产品的可调电位器去掉，适当修过产品的操作面板界面设计，即可采用该电路组件把产品升级为带有触摸键式调节按钮，并且能够实现调节参数数字显示的高档次产品，提升产品的技术附加值。
[0014]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；在电路板上，可通过改变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，并结合修改电路板上少量电容、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多规格的产品，例如，制成120AU40A、160A等电流等级的逆变手工电弧焊机产品。具有良好的生产灵活性，此外，良好的焊机输出电流调节和操作(触摸式控制)界面方式，以及电流的数字显示，大为改善了焊机产品的外观，更加使焊机接近于家用电器的制作水平，显著提升了焊机产品的技术附加值。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型焊机的结构示意图；
[0016]图2是本实用新型焊机的电路板元器件布局示意图；
[0017]图3是本实用新型焊机的输出电流参数调节和显示电路的组成原理框图；
[0018]图4是本实用新型焊机的输出电流参数显示器和触摸式电流增加或减小按钮布局图；
[0019]图5是本实用新型焊机的输出电流参数和显示电路贴片面主要元器件的布局图；
[0020]结构示意图主要零部件清单如下:1、带塑料扣背带；2、自攻螺丝；3、机箱外壳；4、线路板固定支架；5、线路板固定支架；6、电路板；7、电解电容；8、电解电容；9、继电器；10、热敏电阻；11、电阻；12、电解电容；13、IGBT ;14、IGBT散热器A;15、IGBT驱动小板；16、驱动变压器；17、IGBT散热器B ;18、IGBT ;19、电流检测环；20、直流风机；21、整流桥散热器；22、逆变变压器；23、温度继电器；24、整流桥；25、开关电源变压器；26、焊机触摸式面板贴膜；27、过热保护和电源指示LED灯；28、快速接头；29、参数调节和显示电路板；30、风机；31、螺丝、绝缘垫柱；32、机箱底板；33、开关；34、拉不脱；35、电源线；36、风机网罩；37、垫片；38、螺丝。
【具体实施方式】
[0021]在附图1和附图2中，单相整流器(见附图1中的24)及其散热器(见附图1中的21)、滤波电解电容DJDRl?DJDR3、IGBTl?IGBT4及其散热器(见附图1中的13，14，17，18)、快恢复二极管KHl?KH4、逆变变压器NBZB、保护阻容电路等组成逆变主电路。逆变主电路的次级整流由快恢复二极管KHl?KH4来完成，OUTPUT ( + )和OUTPUT (—)为电路板的输出端，分别连接到焊机的输出正、负快速接头端子。
[0022]附图2中的开关电源变压器KGDB及其周围的三端集成稳压器等附属电路构成直流稳压电路，可获得稳定的24V和15V的直流工作电压，这些电压供给控制电路，使这些电路能够正常工作。
[0023]在附图1和附图2中，电阻RT、继电器JDQ及其控制电路组成上电缓冲电路，可使继电器JDQ的动作时间滞后于焊机电源开关合上的时间，从而达到防止合闸浪涌电流冲击损坏电源开关等器件的目的，当接通供电电源(即接通220V或230V等交流电压)时，由于电源开关合上后的一段时间内，+ 24V电压还没有产生，因此，继电器JDQ的动作时间会落后于电源开关的动作时间，在这段时间内，继电器JDQ的触头还没有闭合，电流只能通过电阻RT给整流器供电，进而给滤波电解电容DJDRl?DJDR3充电，当DJDRl?DJDR3充电达到稳定的时候，继电器JDQ才会动作，JDQ的常开触点闭合，从而短接电阻RT，如果没有RT、JDQ及其控制电路，则接通电源开关后，由于电解电容DJDRl?DJDR3上的电压为零，相当于整流器(见附图1中的24)的输出端处于短路状态，因此，会在roi的输入端产生很大的电流，甚至会烧坏整流器(见附图1中的24)，可见，电阻RT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ro1、开关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JDQ没有动作，则电阻RT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。
[0024]在焊机输出特性控制电路部分的作用下，可获得几十KHz左右的脉冲宽度调制(PWM)信号，通过该信号和驱动控制电路部分，获得按一定规律变化可驱动IGBTl?IGBT4管组交替导通的控制信号，IGBTl?IGBT4管组的交替导通，可在逆变主变压器NBZB的初级绕组中产生高频交变电流和电压，通过逆变主变压器NBZB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KHl?KH4的整流作用，从而获得满足焊接要求的直流电压和电流，也就是说，在控制电路的作用下，焊机的输出特性为下降外特性，可获得满足手工电弧焊工艺的要求。
[0025]附图1中的19为电流检测互感器CT，可检测逆变主变压器NBZB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CT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，输入到相应的控制电路部分，并与(调节焊接电流大小的)电位器Ug产生的电流给定信号进行比较，通过控制电路可获得驱动IGBTl?IGBT4管工作的脉冲宽度调制信号，该信号的频率是固定的，可达几十KHz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Ug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Ug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，会使驱动IGBTl?IGBT4管工作的脉冲宽度减小，于是产生的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。
[0026]附图2中，IGBT的驱动电路主要由驱动变压器QDB、驱动小电路板(位于驱动变压器的上下两端，立着安装)等器件或电路组成，驱动电路的输出端分别连接到功率开关IGBTl?IGBT4管，目的是在控制信号的作用下，推动IGBTl?IGBT4的工作，原理是:在脉冲宽度调制芯片U4 (UC3846)输出信号的控制下，驱动变压器QDB可处于通或断的交替工作状态，其工作的频率由脉冲宽度调制芯片U4 (UC3846)的输出信号决定，同时，在驱动变压器QDB和驱动小电路板的作用下，可获得功率开关IGBTl?IGBT4管的驱动脉冲电压信号，在这一控制电压作用下，IGBTl?IGBT4管可按照控制的要求实现通或断的交替工作状态，最终完成焊机输出特性的控制等要求。
[0027]参看附图1和附图2，焊机输出特性控制电路主要由可调电位器Ug、脉冲宽度调制器U4 (UC3846)、集成电路Ul?U3、微调电位器WTl和WT2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，这些电路的主要作用是:1)控制电焊机的输出特性，当电位器Ug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Ug产生的电流给定信号不变时，随着焊接电流的增加，附图1中的19为电流检测互感器CT检测到的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，通过电路的控制，会使驱动IGBTl?IGBT4管工作的脉冲宽度减小，于是驱动电路产生的IGBT驱动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；2)通过调节微调电位器WTl和WT2，可校正焊机输出的额定最小和最大电流；3)当附图1中的温度继电器(23)检测到快速恢复二极管KHl?KH4的散热器处于过热状态时(例如，长时间最大电流焊接时容易发生此现象)，该温度继电器(23)动作，通过相应电路的控制，可使焊接处于过热保护状态，停止输出大电流，防止烧坏IGBTl?IGBT4管和快速恢复二极管KHl?KH4管；4)在焊接输出电流过程中，当检测到焊机的输出电压低于16V时，通过控制电路的作用，可使IGBT的脉冲宽度随着电压的降低而增加，从而实现随着焊机输出电压降低而输出电流增大的现象，这就是实现所谓的“推力电流”控制，满足手工电弧焊工艺的要求。
[0028]参见附图3飞，本实用新型焊机是采用了输出电流参数触摸式调节和显示电路组件(见附图1中的29)以及配套的控制面板贴膜(见附图1中的26)的电子类电焊机产品，焊机的输出参数调节和操作方式及界面发生了显著的改变，没有采用传统的可调电位器来改变焊机的输出电流，而是采用手按触摸式“ + ”、键进行输出电流参数的调节，并且，所调节的参数大小还可通过电路板组件的显示器进行数字显示，非常直观，产品也美观，提升了产品的技术档次。
[0029]本实用新型输出电流参数触摸式调节和显示电路(见附图1中的29)主要由MCU单片机(STM85003F3)或微处理器电路、供电电源电路、信号采集电路、数码显示器(CPS02832BR)电路和电流参数调整电路、SI和S2触摸键式按钮(KAN66)等部分组成，所设计的电路组件，其长X宽尺寸为38X37mm，含器件的高度大约为16mm (因器件大小和焊接位置差异会有一定的变化)，整体体积较小，重量仅为8.12g，电路组件板上有两个排式插针接口 Xl和X2，Xl接口为MCU内部控制程序的烧写接口，利用此接口，通过它与程序编写和烧写电脑系统进行连接，即可把程序写入本实用新型电路的MCU内部，以实现本实用新型输出电流参数触摸式调节和显示电路的功能；X2接口则与所控制的电焊机进行电气间的连接，主要是向本实用新型输出电流参数触摸式调节和显示电路进行供电(即提供+15V和-15V电源)；进行过热或电器产品输出电压等信号采样；以及把本电路组件转化的控制或调节量供给电焊机产品相应的控制输入端子，以实现产品输出电流的控制或调节，本实用新型输出电流参数触摸式调节和显示电路不仅可实现电流调节量的触摸式增加或减少，还可实现调节量的数字显示，比较直观，配合电焊机产品的面板设计，可使产品更加美观，提升产品的档次，如果要改变调节和显示的数值范围，可通过改变烧写到MCU单片机(STM85003F3)的软件，即可改变焊机显示或输出电流的大小，例如，调节范围为20A?160A、30A?250A等不同范围，应用十分方便，本实用新型输出电流参数触摸式调节和显示电路与电子控制式电焊机等产品的电路接口(X2)连接线很少，使用非常方便，采用本实用新型输出电流参数触摸式调节和显示电路组件不仅把焊机升级为带有触摸键式电流调节按钮的产品，并且还能够实现调节参数的数字显示，提升产品的档次和技术附加值。
[0030]附图4是本实用新型输出电流参数触摸式调节和显示电路(见附图1中的29)的数字显示器和触摸式电流增加或减小按钮布局图，此图中，Dl位置焊装数码显示器(CPS02832BR) ；S1和S2位置则焊装触摸键式按钮(KAN66)，S2对应调节量增加控制，SI对应调节量减小控制，还可以焊装两个LED指示灯，分别指示被控制产品的过热和供电电源正常与否的状态。
[0031]附图5是本实用新型输出电流参数触摸式调节和显示电路(见附图1中的29)的贴片面主要元器件的布局图，由图可见，电路板上的器件主要有:U1贴片式MCU单片机(STM85003F3)、U3贴片式稳压器78M05 ；U2运算放大器(LM358);安装在此图后面的插件式数码显示器(CPS02832BR)和触摸键式按钮(KAN66);另外，还有大量的贴片式电阻、电容、三极管等电子元器件，所设计的电路板，其长X宽尺寸为38X37mm，含器件的高度大约为16mm (因器件大小和焊接位置差异会有一定的变化)，电路板上有两个排式插针接口 Xl和X2，Xl接口为MCU内部控制程序的烧写接口，利用此接口，通过它与程序编写和烧写电脑系统进行连接，即可把程序写入本电路的MCU内部，以实现本电路的功能；X2接口则与所需要控制的电焊机产品进行电气间的连接，主要是向本电路进行供电(即提供+15V和-15V电源)；进行过热或电器产品输出电压等信号采样；以及把本电路转化的控制或调节量供给电焊机产品相应的控制输入端子，以实现焊机输出电流的控制或调节，如果要改变调节和显示的数值范围，可通过改变烧写到MCU单片机(STM85003F3)的软件，即可改变焊机显示或输出电流的大小，例如，调节范围为20A?160A、30A?250A等不同范围，应用十分方便。
[0032]附图6是本实用新型输出电流参数触摸式调节和显示电路组件的实物照片(显示器件和触摸式按键安装面)，此图中，电路板焊装了数码显示器(CPS02832BR)，以及S1、S2触摸键式参数“增加”、“减少”按钮(KAN66)，还有排式插针接口 XI，通过操作触摸式按键，可使需要调节的电器产品参数增加或减小，并且，参数值可通过数码管进行显示，以使操作者能够更加直观的进行参数调节，此外，还可看到所设计的电路板组件其长X宽尺寸是比较小的，当然，利用类似的设计原理，采用更大的数码显示器等器件，还可使同样作用的电路板组件尺寸增加，以适应更大焊机产品的使用要求。[0033]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】
1.一种单板单管IGBT逆变手弧焊机的电路板结构，其特征在于:采用四个单管IGBT、四个快速恢复二极管组成的逆变主电路及其控制电路，逆变主电路及其控制电路包括输入上电缓冲电路、单管IGBT组成的逆变主电路、IGBT的驱动电路、PWM脉冲宽度调制电路、整流电路、焊机输出特性控制电路、电源电路、焊机输出电流触摸式调节和显示电路；除了焊机输出电流触摸式调节和显示电路组件外，其它所有的这些电路部分和元器件都布置在一块大电路板上，电路板上采用贴片电子元器件和SMT表面贴装工艺的元件设置电路板的其中一面，而继电器、整流器、滤波电解电容、IGBT及其散热器、逆变主变压器、输出整流的快速恢复二极管及其散热器、冷却电风扇、电流检测互感器、脉冲驱动变压器和少数电阻和电容采用手工焊接在电路板另一面。
2.如权利要求1所述的一种单板单管IGBT逆变手弧焊机的电路板结构，其特征在于:电路板纵向布置焊机机箱外体内并靠近其中一侧壁，电路板布置有贴片电子元器件和SMT表面贴装工艺的元件的一面正对机箱壳体的该侧壁，电路板上采用手工焊接的元器件处于机箱外壳内部通风道上。
【文档编号】H05K1/18GK203610834SQ201320782868
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】朱宣东, 朱宣辉, 魏继昆, 陈法庆, 孙敏 申请人:浙江肯得机电股份有限公司