專利名稱：一種單管igbt的逆變手弧焊機的電路及其電路板結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種IGBT逆變式弧焊機，是電子控制的產品，具體是一種采用多 個單管IGBT的雙單端逆變主電路、兩個主變壓器及其兩套輸出整流器、及其控制電路構成 的直流電弧焊機電路的結構。
背景技術：
當前，電焊機產品市場的競爭十分激烈，不僅體現在技術的先進性和優勢上，還在 很大程度上取決于生產制造工藝的先進性、生產效率的高低、生產成本的多少，產品的一致 性和可靠性等方面。目前，一般的電流/電壓等級的逆變焊機，通常都采用單塊電路板的設計形式，一 些電焊機的生產企業，由于實力弱，產品的生產數量很少，沒有能力采用大量的SMT貼片器 件及其技術，也不可能實現自動化或規模化的生產，因此生產效率低下，工藝水平相對落后。采用單管IGBT雙單端逆變主電路和控制電路構成的逆變焊機種類是比較多的， 它們的電路和結構形式也是多種多樣，不同的電路及其結構設計思路，所采用的具體電路 形式和整個電路布置的方式是不同的，不僅如此，焊機的性能指標，包括輸出的電流/電壓 范圍及其對應的負載持續率、絕緣等級、溫升等也會表現出一些差距，即使是在相同的產品 性能指標下，由于具體電路及其結構設計方面的不同，或者所采用的電子元器件的封裝形 式不同，因而元器件的裝配、焊接和檢測工藝水平、自動化程度、生產的效率等也會明顯不 同。這就會使電子產品電路板的尺寸、生產時安裝的方便性、生產效率、生產成本、產品的成 本等也會顯著不同，例如，如果采用大量的SMT貼片器件或集成電路，由于這種器件的體積 小，因而會使電路板的尺寸減小，降低PCB材料的成本；另外，由于裝焊這些器件通常采用 先進、高效、適合于大批量自動化生產和檢測的設備，因而可極大地提高電路板或電子產品 的生產效率，降低生產成本，增加產品的市場競爭力。
發明內容本實用新型提供弧焊機的控制電路結構主要分為上、中、下三層電路板，其中，上 層板焊裝在中層板上；在下層電路板上，由于只有兩個逆變主變壓器、兩個電抗器和快速 恢復二極管組及其鋁散熱器、少量電阻和電容等器件，故生產和安裝十分方便、快捷；在中 層電路板上，同樣由于只有電阻、整流器、繼電器、電流檢測互感器、電解電容器、多個單管 IGBT及其散熱器、溫度控制器、電容、快速恢復二極管、插接件等少數元器件，故生產和安裝 時也十分方便、快捷；在上層電路板上，盡管電子元器件的數量很多，但由于它們的尺寸和 功率小，在設計上采用SMT器件進行自動貼片安裝、檢驗和焊接，因此上層電路板的生產效 率很高，出錯率極低，避免了手工裝配和焊接元器件容易出錯的問題，最終可使本實用新型 電焊機產品生產時的一次合格率很高，生產效率大大提高。本實用新型是這樣實現的[0007]—種單管IGBT的逆變手弧焊機的電路及其電路板結構，主要包括三塊電路板及 焊接或安裝在電路板上的控制電路，其特征在于電路板設計為三個部分，在焊機內部分為 上、中、下三層安裝；上層主要是焊機輸出性能的控制電路部分；中層板則為交流輸入、上 電電流緩沖、整流、直流濾波、IGBT單管雙單端逆變主電路、電流檢測電路等部分；下層板 主要是逆變變壓器的中頻交流降壓和整流，以及輸出電流濾波部分。所述控制電路包括電源開關K1，電風扇M1，電阻R3，繼電器Kl和K2，單相整流橋 PDl和PD2，濾波電解電容C4 C7，Ql Q6 IGBT，快恢復二極管D5 D9，逆變變壓器Tl 和T2等組成的雙單端逆變主電路；逆變變壓器的次級整流、濾波電路則由D5 D9、電流濾 波電感Ll和L2等組成，上層電路板上的三端集成穩壓器Ul及其附屬電路構成直流穩壓電 路，可在Ul的輸出端獲得穩定的+ 15V直流電壓，該電壓供給控制模塊電路，電阻R3、繼電 器Kl和K2及其控制電路構成傳統的上電緩沖電路；D15是發光二極管，當安裝在IGBT鋁 散熱器上的溫度繼電器因溫度過高或焊機長時間輸出大電流而動作時，該發光二極管會發 光，可指示焊機進入保護工作狀態，同時，防止焊機因過熱或過流而損壞。在所述的上層電路板上設計有三端集成穩壓器Ul，集成PWM電路U2，運算放大器 U3，脈沖驅動變壓器T4，可變電位器RD2，場效應管Q8、IGBT管的驅動電路以及大量貼片式 封裝的電容、電阻、二極管、穩壓管、三極管等電子元器件。由于很多的元器件采用了 SMT貼片式封裝，因而上層電路板的尺寸大大縮小了。 SMT器件采用專用的設備進行自動貼片安裝、檢驗和焊接，因此上層電路板的生產效率很 高，出錯率極低，避免了手工裝配和焊接元器件容易出錯的問題，最終可使本實用新型電焊 機產品生產時的一次合格率很高，生產效率大大提高。在中層電路板上設計有兩個單相整流器PDl和PD2，繼電器Kl和K2，電解電容C4、 C5、C6、C7，電流檢測互感器AT,快速恢復二極管D1、D2、D3、D4，IGBT單管Ql Q6，電阻R3、 R4、R5，電容C8、C08、C9、C10，連接接頭Jl J10，通過Jl J4接頭連接到上層電路板；通 過J7和J8連接到供電電源開關；通過J6連接到下板的逆變主變壓器繞組；通過J5連接到 溫度保護繼電器插頭；通過J9和JlO連接到下板的逆變主變壓器初級繞組。由于這些元器件或零部件尺寸大，無法自動安裝，故采用手工裝配，自動焊接的工 藝，其次，為使此電路板的IGBT管有良好的散熱，防止管子燒壞，還設計有IGBT管的鋁散熱 器，利用散熱器緊貼IGBT管的散熱面，以使IGBT管有良好的散熱條件。另外，在散熱器上 還安裝有溫度保護繼電器，當鋁散熱器溫度過高時，溫度繼電器會動作，使上層電路產生相 應的控制，最終使焊機的電流大幅度降低到很小的數值，從而保護焊機或IGBT管不會因過 熱或過流而損壞。在下層電路板上設計有05、06、07、08、09快速恢復二極管，逆變變壓器Tl和T2， 連接在變壓器輸出端的電阻R06、R6和電容Cll，電流濾波電感Ll和L2，以及兩個輸出端對 機架“地”的電容C12和C13，輸出端之間的負載電阻R13電子元器件，鋁散熱器。緊貼快速
恢復二極管的散熱面。本實用新型之所以采用兩個繼電器、單相整流器和6只IGBT管、兩個逆變主變壓 器等部分電路的設計，是考慮到焊機需要輸出較大的電流以及通過一定的變化形成多電流 等級的系列產品的需要；本實用新型不僅采用了先進的逆變控制技術，而且還采用了大量 的SMT貼片生產、檢測等高新技術和工藝，因而焊機產品具有結構簡單、體積小、重量輕、成本低、生產效率高、制造技術先進等優點；其次，在中層電路板上，可通過改變IGBT管的數 量或者單個IGBT管的電流等級，以及調整輸出快速恢復二極管的電流等級，并結合修改上 層電路板上少量電阻的參數值，即可改變焊機的輸出電流或功率的大小，容易形成符合國 家和國際標準要求的系列化產品，例如，制成140A、160A、180A、200A、230A、250A等電流等 級的手工電弧焊機產品。
圖1是本實用新型焊機的電路原理框圖；圖2是本實用新型焊機的上層電路板元器件布置結構圖；圖3是本實用新型焊機的中層電路板元器件布置結構圖；圖4是本實用新型焊機的下層電路板元器件布置結構圖。
具體實施方式
在圖1中，有電源開關K1，電風扇M1，電阻R3，繼電器Kl和K2，單相整流橋PDl和 PD2，濾波電解電容C4 C7，Ql Q6 IGBT,快恢復二極管D5 D9，逆變變壓器Tl和T2等 組成的雙單端逆變主電路，逆變變壓器的次級整流、濾波電路則由D5 D9、電流濾波電感 Ll和L2等組成，之所以采用兩個繼電器、單相整流器和6只IGBT管、兩個逆變主變壓器及 其快恢復二極管D5 D9組成的輸出整流器等部分電路的設計，是考慮到焊機需要輸出較 大的電流以及通過一定的變化形成多電流等級的系列電焊機產品的需要。本焊機電路沒有采用控制電源變壓器作為電源的變壓器，而是采用逆變主變壓器 附加次級繞組的形式來產生控制電路所需要的直流+ 15V電壓，方法是逆變變壓器的次 級繞組c和d端獲得交流電壓，經整流后變為直流電壓，再通過上層板的三端集成穩壓器Ul 及其附屬電路，在Ul的輸出端獲得穩定的+ 15V直流電壓，該電壓供給控制模塊電路，使其 能夠正常工作。電阻R3、繼電器Kl和K2及其控制電路構成傳統的上電緩沖電路，當電源開關Kl 合上和接通220V或230V交流供電電壓時的一段時間內，由于十24V直流電壓還沒有產生， 因此，繼電器Kl和K2的動作時間會落后于電源開關Kl的動作時間，在這段時間內，繼電器 Kl和K2的觸頭還沒有閉合，電流只能夠通過電阻R3給整流器PDl和PD2供電，進而給濾 波電解電容C4 C7充電。當C4 C7充電達到穩定的時候，繼電器Kl和K2才會動作，Kl 和K2的常開觸點閉合，從而短接電阻R3，如果沒有R3、K1和K2及其控制電路，則接通Kl和 K2后，由于電解電容C4 C7上的電壓為零，相當于整流器PDl的輸出端處于短路狀態，因 此，會在PDl和PD2的輸入端產生很大的電流，甚至會燒壞整流器PDl和PD2，可見，電阻R3 的延時被短路，可起到減少啟動電流或者說上電緩沖的作用，進而保護整流器PDl和PD2、 開關Kl和K2不致于被過大的電流燒壞；當然，如果進入正常的逆變輸出，而由于某種原因 使繼電器Kl和K2沒有動作，則電阻R3會因流過較大的電流而燒壞，這是應該避免的電路 故障。WK為溫度保護繼電器，安裝在IGBT的鋁散熱器上。當散熱器的溫度達到其動作溫 度時，在控制模塊電路的作用下，過熱指示燈D15會亮，指示焊機進入保護工作狀態，同時， 控制模塊電路輸出的驅動QfQ6 IGBT工作的脈沖寬度調制信號會使逆變變壓器Tl和T2 的輸出電流和電壓很低，從而保護焊機不會因為過熱或過流而損壞IGBT。[0024]控制模塊電路的作用是在該部分控制電路的作用下，可獲得60KHZ左右的脈沖 寬度調制(PWM)信號，通過該信號可使Q8場效應管處于高頻通、斷的控制狀態，再通過控 制模塊上的脈沖驅動變壓器等電路部分，獲得按一定規律變化可驅動Ql Q3與Q4 Q6 IGBT管組交替導通的控制信號；Ql Q3與Q4 Q6 IGBT管組的交替導通，可在逆變主變 壓器Tl和T2的初級繞組中產生高頻交變電流和電壓，通過Tl和T2的降壓作用，獲得一定 的高頻交流電壓和電流，經快速恢復二極管D5 D8的整流、電感Ll和L2的濾波作用，從 而獲得滿足手工電弧焊接工藝要求的直流電壓和電流。在圖2的上層電路板上，有大量的電子元器件采用了 SMT貼片器件，這些元器件 主要組成兩個電路部分，一個是IGBT的驅動電路部分，另外一個主要是電流負反饋控制和 PWM脈沖寬度調制電路部分，當然，還有電源電路等其它一些輔助電路。IGBT的驅動電路主要由驅動脈沖變壓器T4、場效應管Q8、電阻似9和R30、二極 管D22、穩壓管D20和D21、三極管Q9和QlO以及它們外圍的電阻、電容、二極管、穩壓管等 組成，Q9和QlO三極管及其外圍元器件組成的電路在結構上是基本一致的，即D23 D27、 R31 R37、C28、Q9組成的電路與擬8 D30、R38 R44、C29、QlO組成的電路在器件數量 和接線方式上都是一樣的，具有對稱性；驅動電路的作用主要是根據其它控制電路產生的 PWM脈沖寬度調制信號形成兩路IGBT的驅動控制脈沖信號，使主電路中的Ql Q3和Q4 Q6 IGBT導通或關斷，從而在逆變主變壓器Tl和T2的初級繞組中獲得交流電流和電壓。上層電路板上的三端集成穩壓器Ul及其附屬電路構成直流穩壓電路，可在Ul的 輸出端獲得穩定的+ 15V直流電壓，該電壓供給控制模塊電路，使控制電路能夠正常工作， 控制模塊電路的作用是在該部分控制電路的作用下，可獲得60KHz左右的脈沖寬度調制 (PWM)信號，通過該信號可使Q8場效應管處于高頻通、斷的控制狀態，再通過控制模塊電路 板上的驅動電路部分，獲得按一定規律變化、可驅動Ql Q3與Q4 Q6 IGBT管組導通的 控制信號，Ql Q3與Q4 Q6 IGBT管組的導通，可在逆變主變壓器Tl和T2的初級繞組 中產生高頻交變電流和電壓，通過Tl和T2的降壓作用，獲得一定的高頻交流電壓和電流， 經快速恢復二極管D5 D8的整流、電感Ll和L2的濾波作用，從而獲得滿足手工電弧焊接 工藝要求的直流電壓和電流。焊機輸出下降外特性的控制電路主要由可調電位器RD2、集成運算放大器U3 (LM393)和脈沖寬度調制器U2 (UC3844)，以及它們周圍的很多SMT貼片工藝的電阻、電容、 三極管等元器件組成，外特性的控制電路的主要作用是控制電焊機的輸出特性，圖3中的 AT為電流檢測互感器，可檢測變壓器Tl的初級電流，該電流的大小與本焊機輸出的焊接電 流成正比，輸出電流大，則AT檢測到電流信號也較大，該電流檢測信號作為電流負反饋信 號，通過圖1中的a、b兩端輸入到圖2的控制模塊電路，并與調節焊接電流大小的電位器 RDl產生的電流給定信號進行比較，通過控制模塊電路的控制，可獲得驅動Q8場效應管工 作的脈沖寬度調制信號，該信號的頻率是固定的，可達60KHz左右，但是，其脈沖的寬度則 是會改變的，其變化規律是焊接時，當電位器RDl產生的電流給定信號增大時，輸出的焊 接電流也會隨之增加，反之，則會減小；當電位器RDl產生的電流給定信號不變時，隨著焊 接電流的增加，電流負反饋信號增大，由于它的極性與給定信號的極性相反，因此，通過控 制模塊電路的控制，會使驅動Q8工作的脈沖寬度減小，于是產生的驅動IGBT的脈沖寬度也 隨之減小，IGBT的導通時間縮短，這就會使輸出的電壓降低，即在給定不變的情況下，焊接電流增大，輸出電壓降低。這也就是獲得了所謂的滿足手工電弧焊要求的下降外特性。由圖3可見，在本實用新型的中層電路板上采用的電子元器件和零部件較多，主 要有有兩個單相整流器PDl和PD2，繼電器Kl和K2，電解電容C4、C5、C6、C7，電流檢測互感 器 AT，快速恢復二極管 D1、D2、D3、D4，IGBT 單管 Ql Q6，電阻 R3、R4、R5，電容 C8、C08、C9、 C10，連接接頭Jl J10，通過Jl J4接頭連接到上層電路板；通過J7和J8連接到供電 電源開關；通過J6連接到下板的逆變主變壓器繞組；通過J5連接到溫度保護繼電器插頭； 通過J9和JlO連接到下板的逆變主變壓器初級繞組；由于這些元器件或零部件尺寸大，無 法自動安裝，故采用手工裝配，自動焊接的工藝；其次，為使此電路板的IGBT管有良好的散 熱，防止管子燒壞，還設計有IGBT管的鋁散熱器，該散熱器的設計特點是多片式結構，每 片的厚度較小，總的鋁合金表面積比較大；試驗結果表明這種散熱器相比每片厚度大的、 表面積小的散熱器具有更加良好的散熱效果，這也是本實用新型的一個特點。由圖1和圖4可見，本實用新型的下層電路板上布置有D5 D9快速恢復二極管、 逆變變壓器Tl和T2的磁芯材料為鐵氧體，雙E形磁芯，尺寸可為73型和70B型等，不同 電流等級的電焊機產品，配置的磁芯尺寸不同、連接在變壓器輸出端的電阻R6、R06和電容 C11，濾波電感Ll和L2以及兩個輸出端對機架“地”的電容C12和C13、輸出端之間的負載 電阻R13電子元器件，同時，為使快速恢復二極管有良好的散熱條件，防止管子燒壞，還設 計有快速恢復二極管的鋁散熱器；本實用新型焊機下層電路板的主要作用是將高頻變壓器 Tl和T2的交流電流和電壓，通過快速恢復二極管組的整流變成直流輸出的電流和電壓，滿 足焊接的需要，設置兩個輸出端對機架“地”電容C12和C13的目的是抗干擾，以提高焊機 的工作可靠性。良好的電路及其結構設計是本實用新型的優勢所在，也是滿足高效、大電流輸出 和低成本生產、高可靠性、制造技術先進性的重要保障。
權利要求1.一種單管IGBT的逆變手弧焊機的電路及其電路板結構，主要包括三塊電路板及焊 接或安裝在電路板上的控制電路，其特征在于電路板設計為三個部分，在焊機內部分為 上、中、下三層安裝；上層主要是焊機輸出性能的控制電路部分；中層板則為交流輸入、上 電電流緩沖、整流、直流濾波、IGBT單管雙單端逆變主電路、電流檢測電路部分；下層板主 要是逆變變壓器的中頻交流降壓和整流，以及輸出電流濾波部分。
2.如權利要求1所述的一種單管IGBT的逆變手弧焊機的電路及其電路板結構，其特征 在于所述控制電路包括電源開關K1，電風扇M1，電阻R3，繼電器Kl和K2，單相整流橋PDl 和PD2，濾波電解電容C4 C7，Ql Q6 IGBT,快恢復二極管D5 D9，逆變變壓器Tl和T2 組成的雙單端逆變主電路；逆變變壓器的次級整流、濾波電路則由D5 D9、電流濾波電感 Ll和L2組成。
3.如權利要求1所述的一種單管IGBT的逆變手弧焊機的電路及其電路板結構，其特征 在于在所述的上層電路板上設計有三端集成穩壓器Ul，集成PWM電路U2，運算放大器U3， 脈沖驅動變壓器T4，可變電位器RD2，場效應管Q8、IGBT管的驅動電路以及大量貼片式封裝 的電容、電阻、二極管、穩壓管、三極管電子元器件。
4.如權利要求1所述的一種單管IGBT的逆變手弧焊機的電路及其電路板結構，其特 征在于在中層電路板上設計有兩個單相整流器PDl和PD2，繼電器Kl和K2，電解電容C4、 C5、C6、C7，電流檢測互感器AT,快速恢復二極管D1、D2、D3、D4，IGBT單管Ql Q6，電阻R3、 R4、R5，電容C8、C08、C9、C10，連接接頭Jl J10，通過Jl J4接頭連接到上層電路板；通 過J7和J8連接到供電電源開關；通過J6連接到下板的逆變主變壓器繞組；通過J5連接到 溫度保護繼電器插頭；通過J9和JlO連接到下板的逆變主變壓器初級繞組。
5.如權利要求1所述的一種單管IGBT的逆變手弧焊機的電路及其電路板結構，其特征 在于在下層電路板上設計有D5、D6、D7、D8、D9快速恢復二極管，逆變變壓器Tl和T2，連 接在變壓器輸出端的電阻R06、R6和電容C11，電流濾波電感Ll和L2，以及兩個輸出端對機 架“地”的電容C12和C13，輸出端之間的負載電阻R13電子元器件，鋁散熱器。緊貼快速恢 復二極管的散熱面。
專利摘要本實用新型涉及一種單管IGBT的逆變手弧焊機的電路及其電路板結構，控制電路電路板結構主要分為上、中、下三層電路板，其中，上層板焊裝在中層板上；在下層電路板上，由于只有兩個逆變主變壓器、兩個電抗器和快速恢復二極管組及其鋁散熱器、少量電阻和電容等器件，故生產和安裝十分方便、快捷；在中層電路板上，同樣由于只有電阻、整流器、繼電器、電流檢測互感器、電解電容器、多個單管IGBT及其散熱器、溫度控制器、電容、快速恢復二極管、插接件等少數元器件，故生產和安裝時也十分方便、快捷；在上層電路板上，盡管電子元器件的數量很多，但由于它們的尺寸和功率小，在設計上采用SMT器件進行自動貼片安裝、檢驗和焊接，因此上層電路板的生產效率很高，出錯率極低，避免了手工裝配和焊接元器件容易出錯的問題，最終可使本實用新型電焊機產品生產時的一次合格率很高，生產效率大大提高。
文檔編號B23K9/10GK201900364SQ201020637810
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月2日 優先權日2010年12月2日
發明者朱宣東, 朱宣輝, 陳法慶 申請人:浙江肯得機電股份有限公司