电焊机原理
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2023年3月2日发(作者：粉粉香)1/10
主电路电气原理图
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主控制板电器原理图：
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逆变触发电路图：
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脉冲及时序板原理图：
本机采用三相交流380V电压经三相桥式整流、滤波后供给以新型IGBT为功率开关器件的逆
变器进行变频（20KC）处理后，由中频变压器降压，再经整流输出可供焊接所需的电源，通过集
成电路构成的逻辑控制电路对电压、电流信号的反馈进行处理，实现整机闭环控制，采用脉宽调
制PWM为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊接工艺效果。
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IGBT逆变电焊机工作原理及输出特性
这里介绍的逆变器（见图）主要由MOS场效应管，普通电源变压器构成。其输出功率取决于MOS
场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。下
面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。--拓普电子
1.电路图
2.工作原理
这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。
方波信号发生器（见图3）这里采用六反相器CD4069
构成方波信号发生器。电路中R1是补偿电阻，用于改善
由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。电路的振荡
图3
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是通过电容C1充放电完成的。其振荡频率为f=1/2.2RC。图示电路的最大频率为：
fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率
fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。由于元件的误差，实际值会略有差异。其它多余的
反相器，输入端接地避免影响其它电路。
场效应管驱动电路。
由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振
幅为0~5V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、
TR2将振荡信号电压放大至0~12V。如图4所示。
MOS场效应管电源开关
电路。
这是该装置的核心，在
介绍该部分工作原理之
前，先简单解释一下MOS
场效应管的工作原理。
MOS场效应管也被称为
MOSFET，既Metal
OxideSemiconductor
FieldEffect
Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的
为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，
PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同
样对于P沟道的场效应管其源极和漏
极则接在P型半导体上。我们知道一
般三极管是由输入的电流控制输出的
电流。但对于场效应管，其输出电流
是由输入的电压（或称电场）控制，
可以认为输入电流极小或没有输入电
流，这使得该器件有很高的输入阻抗，
同时这也是我们称之为场效应管的原
因。
图4
图5
图6
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为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如
图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN
结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有
正电压的P型半导体端，而P型半
导体端内的正电子则朝N型半导
体端运动，从而形成导通电流。同
理，当二极管加上反向电压（P端
接负极，N端接正极）时，这时在
P型半导体端为负电压，正电子被
聚集在P型半导体端，负电子则聚
集在N型半导体端，电子不移动，
其PN结没有电流通过，二极管截
止。图7a图7b
对于场效应管（见图7），在栅极没
有电压时，由前面分析可知，在源
极与漏极之间不会有电流流过，此
时场效应管处与截止状态（图7a）。
当有一个正电压加在N沟道的MOS
场效应管栅极上时，由于电场的作
用，此时N型半导体的源极和漏极
的负电子被吸引出来而涌向栅极，
但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图7b），从而形成电
流，使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立
相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。图8给出了P沟道的MOS场效
应管的工作过程，其工作原理类似这里不再重复。
下面简述一下用C-MOS场效应管（增强型MOS场效应管）组成的应用电路的工作过程（见图
9）。电路将一个增强型P沟道MOS场效应管和
一个增强型N沟道MOS场效应管组合在一起使
用。当输入端为低电平时，P沟道MOS场效应管
导通，输出端与电源正极接通。当输入端为高电
平时，N沟道MOS场效应管导通，输出端与电源
地接通。在该电路中，P沟道MOS场效应管和N
沟道MOS场效应管总是在相反的状态下工作，其
相位输入端和输出端相反。通过这种工作方式我
们可以获得较大的电流输出。同时由于漏电流的
图8
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影响，使得栅压在还没有到0V，通常在栅极电压小于1到2V时，MOS场效应管既被关断。不同
场效应管其关
断电压略有不
同。也正因为
如此，使得该
电路不会因为
两管同时导通
而造成电源短
路。
由以上分析我
们可以画出原
理图中MOS场
效应管电路部
分的工作过程（见图10）。工作原理同前所述。这种低电压、大电流、频率为50Hz的交变信号
通过变压器的低压绕组时，会在变压器的高压侧感应出高压交流电压，完成直流到交流的转换。
这里需要注意的是，在某些情况下，如振荡部分停止工作时，变压器的低压侧有时会有很大的电
流通过，所以该电路的保险丝不能省略或短接。
3.制作要点
电路板见图11。所用元器件可参考图12。逆变器用的变压器采用次级为12V、电流为10A、
初级电压为220V的成品电源变压器。P沟道MOS场效应管（2SJ471）最大漏极电流为30A，在场
效应管导通时，漏-源极间电阻为25毫欧。此时如果通过10A电流时会有2.5W的功率消耗。N
沟道MOS场效应管（2SK2956）最大漏极电流为50A，场效应管导通时，漏-源极间电阻为7毫欧，
此时如果通过10A电流时消耗的功率为0.7W。由此我们也可知在同样的工作电流情况下，2SJ471
的发热量约为2SK2956的4倍。所以在考虑散热器时应注意这点。图13展示本文介绍的逆变器
场效应管在散热器
（100mm×100mm×1
7mm）上的位置分布
和接法。尽管场效应
管工作于开关状态
时发热量不会很大，
出于安全考虑这里
选用的散热器稍偏
大。
图10
图11
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4.逆变器的性能测试
图13
图12
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测试电路见
图14。这里测试
用的输入电源采
用内阻低、放电电
流大（一般大于
100A）的12V汽车
电瓶，可为电路提
供充足的输入功
率。测试用负载为
普通的电灯泡。测试的方法是通过改变负载大小，并测量此时的输入电流、电压以及输出电压。
其测试结果见
电压、电流曲
线关系图（图
15a）。可以看
出，输出电压
随负荷的增大
而下降，灯泡
的消耗功率随
电压变化而改
变。我们也可
以通过计算找出输出电压和功率的关
系。但实际上由于电灯泡的电阻会随
受加在两端电压变化而改变，并且输
出电压、电流也不是正弦波，所以这
种的计算只能看作是估算。以负载为
60W的电灯泡为例：
假设灯泡的电阻不随电压变化而
改变。因为R灯=V2/W=2102/60=735Ω，
所以在电压为208V时，
W=V2/R=2082/735=58.9W。由此可折算
出电压和功率的关系。通过测试，我
们发现当输出功率约为100W时，输入
电流为10A。此时输出电压为200V。
逆变器电源效率特性见图15b。图16
为逆变器连续100W负载时，场效应管
的温升曲线图。图17为不同负载时输出波形图，供大家制作是参考。
图14
图15a图15b
图16、17