采用DSP的大功率中频逆变电阻焊电源设计

      电阻焊是一种重要的焊接工艺，具有生产效率高、成本低、节省材料和易于自动化等特点，被广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车、轻工等工业。近年来，随着汽车和制罐等制造业的迅速发展，专用电阻焊机也得到了空前的发展，逐步趋向自动化和机器人化。焊接控制电源是电阻焊机系统中的一个重要组成部分，由于电力电子技术的快速进步，中频直流逆变电阻焊接电源作为一种新型的控制电源，以其显著的高质低耗的特点成为电阻焊电源的发展方向[1][2]。

      逆变控制型大功率直流电源，是一种节能，高效，结构简单的电源。但是，目前功率过小，焊接技术不是很好，焊接质量得不到保证等问题[2]。其关键是功率开关管的开关损耗大。既浪费了电能，又影响了逆变电路工作的可靠性。因此，在大功率电阻点焊直流电源中如何克服和减小开关损耗成了一个重要问题[6]。当前国内的逆变电源电阻焊机多用模拟控制,控制电路相当复杂,维修困难,且整机体积大[1]。而国外许多厂家研制的数字化电阻焊机,焊接自动化水平高,质量可靠,但是价格非常昂贵。针对这个问题,本文将DSP（TMS320LF2407A）控制技术应用于逆变电阻焊机的研究中,以保证逆变电阻焊机的静、动特性品质,同时进一步体现逆变电阻焊机的轻巧、节能，安全、可靠的保护等特点。本文介绍的基于DSP的大功率中频逆变电阻焊电源设计是一个很好的问题解决方案。

2 中频逆变电源

      中频逆变直流电阻焊机的供电电源是由三相工频交流电源经整流电路和滤波电容变成直流电源，再经由功率开关器件组成的逆变电路变成中频方波电源，然后输入变压器降压后经低管压降的大功率二极管整流成直流电源，供给焊机的电极对工件进行焊接（图1所示）。逆变器通常采用电流反馈实现脉宽调制（PWM）获得稳定的恒定电流输出。电路原理和波形如图1所示。图中U电源为电源电压，U初级逆变器输出中频电压，变压器次级工作电流I次级，控制PWM的脉宽即可以控制工作电流I次级的大小。

图1 中频逆变电源主电路总体框图

Fig.1 Medium Frequency Inverter Electrical Source Theory Frame

      根据变压器基本公式U = kfNSBm ,其中：U－变压器输入电压，f－输入电压的频率，N－变压器匝比，S－变压器有效导磁面积，Bm－磁芯最高工作磁密。可以看出，当变压器输入电压及磁感应强度最大值一定时，提高输入电压的频率可以减少绕组匝数与减小铁芯截面积，而变压器的体积主要由 N 及 S 决定，因此，提高逆变器的频率可以使电源大幅度缩小体积和重量，从而节约大量铜和磁性材料[1]。同时由于逆变频率的提高使二次整流输出的脉动频率提高，可以使用更小的滤波电抗就能达到较好的效果，从而可以减小输出滤波电抗体积和输出回路的时间常数，配合控制回路，就可以大大提高逆变电源的动态响应速度，满足不同的焊接工艺的要求。逆变直流电源具有优越的技术经济指标，因而成为逆变电源最具有发展前途的方向[1]。

3 中频逆变电源电路设计

      逆变电源电路部分由DSP及其相应外围电路组成和驱动和保护电路组成，如图1所示。逆变电源的初级、次级保护信号以及IGBT的保护信号通过传感器和检测电路实现适时的保护功能。DSP产生PWM波和外面检测信号、保护信号和PWM经驱动芯片驱动IGBT逆变器。驱动芯片采用了M57962AL。M57962AL具有驱动能力好，功率大，保护性能好等特点满足设计的需要。驱动电路如图3所示。驱动电路中有驱动电源、检测保护和驱动芯片。驱动动芯片内部电路结构图为图2所示。

      IGBT大功率管子通常只能承受10us的短路电流、退饱和或过流，所以必须有快速保护，M57962AL在被驱动IGBT出现这些现象时，进行软关断的保护。电路M57962AL驱动器内部设有电流保护电路。如图2中，典型的应用电路，实现隔离和保护功能。M57962AL的第1脚与IGBT集电极C相连，用外接的稳压管（图2中DZ5）代替M57962AL内部的稳压管。为了防止门极驱动电路出现高压尖峰，损坏IGBT，在栅极和发射极之间反向串联两个稳压二极管（图2中DZ16和DZ17）。

      从图1，图2和图3可以知道IGBT驱动工作原理为:图1中DSP产生的PWM传给图2中的B1，经过三级管放大反相，进入M57962AL芯片的第13脚（图2中驱动芯片的信号输入引脚），在M57959AL的第5脚产生+15V开栅和-10V关栅电压,驱动IGBT导通与关断[6]。

      同理，IGBT的保护原理为：当过流发生时,IGBT的Uce会显著高于正常导通时,饱和压降一般为7V以上,就发生所谓的器件/退饱和现象,M57962AL的第1脚起到保护作用。M57959AL内置定时器启动,通过关栅电路和降压电路将短路电流钳制在较低的值,同时检测电路把M57962AL的第8脚拉为低电平光耦（图2中所示）响应,产生短路保护信号short1（图2中所示）为低电平，short1送给DSP，立即关闭PWM的输出。驱动信号关断，从而起到保护IGBT的保护电路作用。

 
图2 IGBT驱动电路图

Fig.2 IGBT Driver Circuit Frame

                
图3 M57962AL内部结构图

Fig.3 M57962AL Inside Construct Frame

4 控制程序流程图

    软件程序主要是DSP产生PWM的程序。整个软件编程以C语言和汇编语言编程为主，在CCS2000环境下进行调试后下载到DSP外围FLASH里面，运行良好，达到了预期目标，主程序流程图和中断程序流程图如图4.图4中，系统初始化包括A/D口、PWM口等的初始设定。A/D转换采用定时器产生中断方式完成，用软件定时器T4定时启动A/D转换，产生中断信号，然后DSP进行相应操作。

图4 主程序流程图和中断流程图

Fig.4 Main and Interrupt Program Flow Chart

5 实验波形与结论

      把程序烧写到DSP芯片外围Flash里面后，给控制电路和驱动模块加上电压，这里只对一路IGBT的驱动波形进行分析。图5是IGBT工作状态的驱动信号波形，IGBT的E极（栅极）和G极（门极）之间的PWM波形，即+15V开栅和-10V关栅电压，这里采用5Khz的PWM频率。图6是在过流情况或者检测来的信号不对时，驱动信号关断，使得IGBT不工作情况。分析发现，G极信号的尖波，最大值20V左右，关断时间Tc<10us,保证了IGBT的安全性。

图5 正常工作的波形                  图6 短路情况波形                            

Fig.5 The Waves of Work Situation       Fig.6 The Waves of Short Circuit Situation

      图5和图6实验波形可知，本设计电路具有中频控制5Khz的开关频率，有很好的可靠性，对IGBT有及时的保护功能。利用DSP控制的驱动电路能实现可控的中频逆变，频率可调，PWM脉宽可调，有快速及时的保护动作。M57962AL芯片和外围的电路，具有良好的保护性能、能及时对IGBT起到保护作用和隔离保护作用。

      实验结果表明，该控制电路短路保护动作可立即关闭PWM,紧急保护,满足了性能指标的要求。利用DSP设计的控制电路和M57962AL的驱动电路使得控制电路大为简化。器件少、体积小,降低了成本。中频控制，提高了系统的控制精度。性能优良，响应时间为微秒级，控制速度快，可方便的根据需要设计出合适的外特性。中频逆变电源的发展是现代焊接领域的一个重要发展方向，高效节能、更高的能量输入、精确的参数调整、能减少电极的热量和机械压力等优点得到大家的青睐[1][2][5]。本电源电路设计思想对数字化中频逆变直流电阻焊提供了一个可靠且可行的设计方案。

      本文作者创新点：提出了一种新的基于数字信号处理器的中频逆变电源总体设计方案，并具体分析了电路设计的硬件和软件的实现。5年的经济效益为5000万元，根据目前国内市场需求和目前国外电阻焊机的价格得出的估计。