CN105522256B - 用于交流氩弧焊机中的igbt保护电路及方法 - Google Patents

用于交流氩弧焊机中的igbt保护电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路，该IGBT保护电路连接一IGBT，包括：一检测电路，该检测电路与该IGBT的栅极连接，用于检测该IGBT的故障信号并输出一信号；一第一延时电路，该第一延时电路用于接收该检测电路的输出信号；一或门，该或门接收一低电平信号及该第一延时电路的输出信号；一反相电路，该反相电路接收该或门的输出信号并对该信号进行反相；一开关单元，该开关单元接收该反相电路的输出信号，并根据该输出信号导通；一第二延时电路，该第二延时电路接收该开关单元的输出信号；一驱动单元，该驱动单元接收该第二延时单元的输出信号，并输出一零电位驱动信号以断开该IGBT的栅极电压。本发明还提供一种用于交流氩弧焊机中的IGBT保护方法。

Description

用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路及方法
技术领域
本发明涉及一种交流氩弧焊技术，尤其涉及一种用于交流氩弧焊机的IGBT的过流保护技术领域。
背景技术
交流氩弧焊是交流钨极氩弧焊的简称，是指采用输出按一定周期交化的电流，用钨电极作为焊接电极，高纯度氩气作为保护气体的焊接工艺，简称交流氩弧焊（TIG），常用于有色金属（铝、镁、铜等）及黑色金属（不锈钢、碳钢等）的焊接。交流氩弧焊机不仅具有直流正焊接的诸多优点，还可以利用交流负极性半波的阴极破碎（雾化）作用，清除铝、镁及其金属表面的氧化膜，广泛应用于铝镁及其合金的焊接。当工件为负极时，表面生成的氧化膜逸出功小．易发射电子，所以阴极斑点总是优先在氧化膜处形成。工件为冷阴极材料时，阴极区有很高的电压降，因此阴极斑点能量密度相当高，远远高于阳极。正离子在阴极电场作用下高速撞击氧化膜，使得氧化膜破碎、分解而被清理掉，接着阴极斑点又在邻近氧化膜上发射电子，继而又被清理，阴极斑点始终在金属表面的氧化膜上游动，被清理的氧化膜面积也不断地扩大，直到不在氩气所能保护的范围内。清理作用的强弱与阴极区的能量密度和正离子质量有关，能量密度越高，离子质量越大，清理效果越好。正接时，工件转为阳极不存在清除氧化膜的功能。
由于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)的过流能力不够理想，电路状态出现异常时很容易损坏，对于交流氩弧焊机中逆变电路的开关器件IGBT的保护是一个重点和难点。常用的保护电路思路是希望在检测电路发生异常时，就切断IGBT的栅极供电，IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器，例如三菱公司的M579系列和富士通的EXB系列，内部集成了检测和保护环节，一旦检测到过流便迅速响应并关断IGBT，即使只是干扰信号或者过流信号消除也不会恢复驱动，但是在实际应用中，电网干扰、外部干扰和自身产生的干扰都会对机器的可靠性判断产生影响，一旦发生误判，机器将停止工作，无法自动恢复，影响正常的工作。
有鉴于此，现有技术中亟需要一种新的有效的IGBT保护电路，同时还具有低成本的优势。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明公开一种用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路及方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路，该IGBT保护电路连接一IGBT，其特征在于，该IGBT保护电路包括：
一检测电路，该检测电路与该IGBT的栅极连接，用于检测该IGBT的故障信号并输出一信号；一第一延时电路，该第一延时电路用于接收该检测电路的输出信号；一或门，该或门接收一电平信号及该第一延时电路的输出信号；一反相电路，该反相电路接收该或门的输出信号并对该信号进行反相；一开关单元，该开关单元接收该反相电路的输出信号，并根据该输出信号导通；一第二延时电路，该第二延时电路接收该开关单元的输出信号；一驱动单元，该驱动单元接收该第二延时单元的输出信号，并输出一零电位驱动信号以断开该IGBT的栅极电压。
更进一步地，该第一与第二延时电路均由两个反相器串联而成。该或门由
二极管D2和D3并联而成。该检测电路包括稳压管ZD1和二极管D4、D5；该二极管D4的一端连接该IGBT的集电极，另一端连接该第一延时电路；该二级管D5的一端连接该IGBT的栅极，另一端连接该稳压管ZD1；该稳压管ZD1的另一端连接该第一延时电路。该电平信号由电阻R3及电阻R4分压后获得。该第一延时电路和第二延时电路和反相电路由MC14584芯片构成。该驱动单元由芯片TC4420构成。该开关单元由一二极管D1组成。该故障信号是IGBT过流或断路。
本发明同时公开一种用于交流氩弧焊机中的IGBT保护方法，包括：步骤一、检测该IGBT的栅极信号并对该栅极信号进行延时；步骤二、判断该延时后的栅极信号是高电平或低电平，当该栅极信号是高电平时，驱动一开关导通；当该栅极信号是低电平时，该开关关断；步骤三、当该开关导通时形成一导通信号，该导通信号经延时后输出一零电位驱动信号以断开该IGBT的栅极电压。
与现有技术相比较，本发明提供的用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路及方法，可以有效地探测IGBT是否输出一故障信号。如IGBT输出故障信号，控制信号就被切断，控制信号切断后，IGBT的集电极电流就会降低到额定范围，这时系统认为故障消除，恢复供电再次检测IGBT集电极是否过流，如果过流再切断控制信号，如果集电极电流在额定范围内，那么系统将恢复正常工作。这样可以防止IGBT管子因为过热损坏，还能在在故障恢复后，给IGBT的栅极正常供电，防止误判，避免了因外界影响而导致的工作中断。另一方面，本发明中所用到的芯片TC4420和MC14584价格低廉，远低于现有技术中所使用的混合集成驱动器，在很大程度上节约了焊机的制造成本。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1是本发明提供的IGBT保护电路的打嗝保护的原理示意图；
图2是本发明提供的IGBT保护电路的电路连接示意图；
图3是本发明提供的交流氩弧焊机在IGBT正常工作时栅极驱动电压波形图；
图4是本发明提供的交流氩弧焊机在IGBT故障时栅极驱动电压波形图。
主要图示说明
1-保护电路 2-交流氩弧焊机的主电路
11-开关 12-延时电路
13-驱动电路 14-IGBT
15-检测电路 16-延时电路
17-低电平 18-或门
19-反相。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
本发明的目的是在交流氩弧焊机过流时保护IGBT , 当IGBT的集电极电流超出额定值时，并不是在检测到一次短路时直接切断IGBT栅极控制信号，而是不断扫描检测故障是否消除，一旦故障或干扰消除，集电极电流恢复到额定范围内，电路又能恢复正常工作状态。本发明所提供的这种间歇性切除控制信号的控制方法，也就是所谓的“打嗝保护法”。这是对系统判断是否出现故障的标准是就是IGBT集电极电流是否过流时的一种形象的描述。保护电路的控制信号在不断地试探，IGBT如果过流，控制信号就被切断。控制信号切断后，IGBT的集电极电流就会降低到额定范围，这时系统认为故障消除，恢复供电。恢复供电后保护电路再次检测IGBT集电极是否过流，如果过流再切断控制信号，如果集电极电流在额定范围内，那么系统将恢复正常工作，如此反复。这样可以防止IGBT过流，既保护了IGBT，也避免因外界影响而导致工作中断。
如图1所示，图1是本发明提供的IGBT保护电路的打嗝保护的原理示意图。
该IGBT保护电路1连接一IGBT14。该IGBT保护电路1包括检测电路15，该检测电路15与该IGBT14的栅极连接，用于检测IGBT14的故障信号并输出一信号。当IGBT故障时，检测电路15输出高电平信号。第一延时电路16，该第一延时电路16用于接收该检测电路的输出信号。或门18，该或门18接收一低电平信号17及该第一延时电路16的输出信号。反相电路19，该反相电路19接收该或门18的输出信号并对该信号进行反相。开关单元11，该开关单元11接收该反相电路19的输出信号，并根据该输出信号导通。当反相电路19输出高电平时，开关单元11导通；当反相电路19输出低电平时，开关单元11关断。第二延时电路12，该第二延时电路12接收该开关单元11的输出信号。驱动单元13，该驱动单元13接收该第二延时单元12的输出信号，并输出一零电位驱动信号以断开该IGBT14的栅极电压。
图2是本发明提供的IGBT保护电路的电路连接示意图。
在本实施例中。该第一延时电路由两个反相器U1C和U1D串联而成。或门由二极管D2和D3并联而成。该检测电路包括稳压管ZD1和二极管D4、D5；该二极管D4的一端连接该IGBT的集电极，另一端连接该第一延时电路；该二级管D5的一端连接该IGBT的栅极，另一端连接该稳压管ZD1；该稳压管ZD1的另一端连接该第一延时电路。第二延时电路由反相器U1A和U1B构成。
低电平信号是由15V的电压源经两个电阻R4、R34分压得到高电平，再反相后获得。低电平经过或门与第一延时电路的输出信号进行或操作，如果第一延时电路的输出信号为高电平，经过或操作后得到高电平，再次经过反相得到低电平，此时开关关断；如果第一延时电路的输出信号为低电平，经过或操作后得到低电平，再次经过反相得到高电平，此时开关导通。在本实施例第一第二延时电路及反相器均MC14584芯片构成，而驱动电路由芯片TC4420构成。其中TC4420是一款峰值电流可以达到6A的MOSFET功放驱动芯片，起到了放大驱动信号的作用，MC14584芯片是施密特触发器，内部集成了六个反相器。图2中的每个非门就是MC14584芯片中的一个反相器。
以下将结合图2详细说明本发明的具体工作方式。其中A到I是几个有代表性的节点，用于详解分析其电位变化。当IGBT在正常工作状态时，A点为接近0.3V的低电平，由于稳压管ZD1的稳压作用和二极管D5的管压降，B点电位为5.5V左右，由于芯片MC14584的动作电压分别是6.9V和8.0V,此时B点还是低电平，经过MC14584的延时作用，C点为低电平0V，二极管D2为截止状态，此时C点的电平不影响F点的电平。D点的电压由R3和R4分压得到为11V,为高电平，经过MC14584的反相，E点为低电平0V,二极管D3不导通，因此，E点的电压也不影响F点的电压，此时F点相当于接地，为低电平。F点经过MC14584的反相，G点为高电平，二极管D1不导通，因此G点的电压不影响控制输入信号，H点波形就是控制输入信号的波形。
当IGBT过流时，A点电压升高，即当IGBT出现故障时（过流或断路），由于A电电位的升高，导致B电的电位高于8V而变成高电平，同理，经过MC14584的延时，C点为高电平，从而D2导通，F点变为高电平，经过MC14584的反相，G点为低电平，电压为0V，此时二极管D1导通，H点的电位被拉低为0V，H点在经过MC14584的延时后，接到TC4420的输入端2管脚的电压为0，经过TC4420放大后输出的驱动信号I点的电位为0，切断了二极管的栅极电压。此时二极管D4导通，B点的电位又被I点拉低变为低电平，经过延时后C点又变为低电平，D2截止，F点重新变为低电平0V，反相后G点变为高电平，D1截止，G点的电位不在影响H点，二极管的栅极又正常供电。
如此往复，按照如图1的示意图进行工作，其正常工作时IGBT的栅极波形如图3所示，故障时的驱动波形如图4所示。在IGBT发生过流或者断路时，没有立即封锁电路，形成“打嗝”的间歇保护，既防止了管子因为过热损坏，还能在在故障恢复后，给IGBT的栅极正常供电，防止误判。
本发明所提供的用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路及方法的技术效果可以参见图3和图4，其中图3 是IGBT正常工作时的栅极驱动波形，图4是 IGBT过流或断路时的IGBT驱动波形。
与现有技术相比较，本发明提供的用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路及方法，可以有效地探测IGBT是否输出一故障信号。如IGBT输出故障信号，控制信号就被切断，控制信号切断后，IGBT的集电极电流就会降低到额定范围，这时系统认为故障消除，恢复供电再次检测IGBT集电极是否过流，如果过流再切断控制信号，如果集电极电流在额定范围内，那么系统将恢复正常工作。这样可以防止IGBT管子因为过热损坏，还能在在故障恢复后，给IGBT的栅极正常供电，防止误判，避免了因外界影响而导致的工作中断。另一方面，本发明中所用到的芯片TC4420和MC14584价格低廉，远低于现有技术中所使用的混合集成驱动器，在很大程度上节约了焊机的制造成本。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路，所述IGBT保护电路连接一IGBT，其特征在于，所述IGBT保护电路包括：
一检测电路，所述检测电路与所述IGBT的栅极连接，用于检测所述IGBT的故障信号并输出一信号；
一第一延时电路，所述第一延时电路用于接收所述检测电路的输出信号；
一或门，所述或门接收一电平信号及所述第一延时电路的输出信号；
一反相电路，所述反相电路接收所述或门的输出信号并对该信号进行反相；
一开关单元，所述开关单元接收所述反相电路的输出信号，并根据所述输出信号导通；
一第二延时电路，所述第二延时电路接收所述开关单元的输出信号；
一驱动单元，所述驱动单元接收所述第二延时电路的输出信号，并输出一零电位驱动信号以断开所述IGBT的栅极电压。
2.如权利要求1所述的用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路，其特征在于，所述第一与第二延时电路均由两个反相器串联而成。
3.如权利要求1所述的用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路，其特征在于，所述或门由二极管D2和D3并联而成。
4.如权利要求1所述的用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路，其特征在于，所述检测电路包括稳压管ZD1和二极管D4、D5；所述二极管D4的一端连接所述IGBT的集电极，另一端连接所述第一延时电路；所述二级管D5的一端连接所述IGBT的栅极，另一端连接所述稳压管ZD1；所述稳压管ZD1的另一端连接所述第一延时电路。
5.如权利要求1所述的用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路，其特征在于，所述电平信号由电阻R3及电阻R4分压后获得。
6.如权利要求1所述的用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路，其特征在于，所述第一延时电路和第二延时电路和反相电路由MC14584芯片构成。
7.如权利要求1所述的用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路，其特征在于，所述驱动单元由芯片TC4420构成。
8.如权利要求1所述的用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路，其特征在于，所述开关单元由一二极管D1组成。
9.如权利要求1所述的用于交流氩弧焊机中的IGBT保护电路，其特征在于，所述故障信号是IGBT过流或断路。
10.一种用于交流氩弧焊机中的IGBT保护方法，其特征在于，包括：
步骤一、检测所述IGBT的栅极信号并对所述栅极信号进行延时；
步骤二、判断所述延时后的栅极信号是高电平或低电平，当所述栅极信号是高电平时，驱动一开关导通；当所述栅极信号是低电平时，所述开关关断；
步骤三、当所述开关导通时形成一导通信号，所述导通信号经延时后输出一零电位驱动信号以断开所述IGBT的栅极电压。
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