高可靠性IGBT逆变CO2焊接电源驱动电路

     摘要：介绍了一种简单的驱动电路，它能有效改善焊接电源的动态性能，降低产品制造成本，满足GB15579的安全要求。

　　前言

　　IGBT全桥逆变CO2焊机以其良好的动态性能，优良的焊接效果，较低的制造成本，越来越得到市场的认可，但其耐用性一直没有晶闸管整流焊机好。在焊接过程中，IGBT一直处于快速的开关状态，驱动电路的性能直接关系到IGBT的安全。因此，驱动电路是IGBT逆变CO2焊机安全可靠工作的关键技术之一。

　　1.常见驱动电路的形式

　　CO2焊机的常见外特性曲线如图1所示。要得到稳定的焊接效果，通常焊机工作在恒电压状态，即在控制电路中必须引入电弧电压负反馈，同时由于焊接时不断地进行熔滴过渡，为了保证IGBT在20KHZ工作过程中不超过管子的承受电流，必须引入电流负反馈环节以限制电流峰值。

　　GB15579明确规定：焊接电源输入端与输出端之间必须能承受4000V/1min的安全要求。焊接电源主电路示意图如图2所示，不难看出，功率变压器实现高耐压隔离很容易实现，但在引入电压、电流负反馈后，负反馈电路与焊接回路的隔离和驱动电路与输入电路的隔离，成为解决安全要求的主要课题。目前，一般采用如下的方式：

　　A、 采用电压、电流霍尔传感器对电压&电流进行采样，驱动电路采用EXB841或M57962驱动厚膜电路#优点"电路结构简单，驱动电路在IGBT关断时提高负偏压，提高IGBT抗干扰能力。

　　缺点：1）电压&电流传感器响应速度慢，一般都大于1uS，不能完全真实地反映焊接电源的工作状态,对短路电流峰值不能很好地控制,对IGBT的安全是一种潜在威胁。2)成本较高。电压、电流传感器在200 元左右，驱动厚膜电路300元左右。

　　B、电压、电流直接从焊接回路采样，驱动电路采用脉冲变压器。

　　优点：电路的响应速度快，成本低廉。

　　缺点：1）因驱动采用脉冲变压器，在IGBT关断时很难提供稳定的负偏压。2）脉冲变压器一#二次侧间必须设计承受, 4000V的耐压，而且加工一致性很难保证。

　　3. 设计方案

　　根据上述两类驱动电路形式，经过试验，对驱动电路重新进行整合，采用电压、电流直接采样和光耦驱动的方式，设计了如图3 所示的IGBT驱动电路。

　　PWM控制器件输出的脉冲信号经T1隔离，驱动光电耦合器PC1。其输出信号经V1、V2构成的推挽放大电路放大后输入到IGBT 的门极，提供门极的驱动信号。

　　PC1采用TOSHIBA公司生产的TLP250，该器件应用领域广，购买比较容易而且价格较低。TLP250的内部原理如图4所示。脉冲信号由1、3脚输入，经内部光电耦合器提供2500V的电压隔离，再经内置推挽放大电路放大从6、7脚输出1A左右的电流，可直接驱动50A/1200V以下的IGBT元件。 外加V1、V2组成的推挽放大电路可以驱动电流容量更大的IGBT 元件。TLP250的5 脚输入-VCC。用于在IGBT 关断时给门极提供负的偏置，提高IGBT的抗干扰能力。

　　由于TLP250只能提供2500V的电压隔离，不能满足GB15579对整机的要求，因此在PWM与TLP250加大于1500V的隔离电路。该隔离电路由T1、C1、R1、VD1、VD2、VD3构成，VD1~VD3为保护器件；T1为脉冲变压器；R1为PC1的限流电阻。

　　要让该电路不失真地将PWM的脉冲信号传递到光耦，一定要降低脉冲变压器的漏感，脉冲变压器的绕制方法很有讲究TLP250要可靠工作，内置发射管必须工作于可靠发射区，R1决定发射管工作电流的大小，因此要合理选择R1的大小。

　　3.结论

　　通过采用上述电路，脉宽调制信号能够不失真地传递给IGBT，而且驱动电路、采样电路的制造成本非常低廉，整机的响应速度快。