汪殿龍，張志洋，李亞博

(河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

0前言

脈沖TIG（Tungsten Insert Gas）焊作為一種高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能的焊接方法，具有獨(dú)特的優(yōu)越性，得到了廣泛的應(yīng)用。目前常用的脈沖TIG焊機(jī)多為逆變式，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高。在低熱輸入量焊接場(chǎng)合如冷修補(bǔ)焊接時(shí)，普通脈沖TIG焊的缺點(diǎn)是修復(fù)精度低、熱輸入量大、零部件的熱變形量大[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)的逆變焊接電源，DC-DC斬波電源作為一種傳統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)高頻，沒有逆變電源中變壓器偏磁的問題，能夠隨意伸縮占空比，并具有快速的負(fù)載階躍響應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)定性和可靠性[2]，同時(shí)可以精確控制熱輸入量，尤其在小電流場(chǎng)合具有較大的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)冷修復(fù)焊接，本研究提出一種基于Buck型DC-DC變換電路的脈沖TIG焊機(jī)，該電路通過控制脈沖時(shí)間（1～500 ms）進(jìn)行瞬時(shí)放電，脈沖頻率可調(diào)節(jié)，使被修復(fù)工件有充分的冷卻時(shí)間，實(shí)現(xiàn)冷修補(bǔ)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)修復(fù)工藝存在的問題。

1 總體結(jié)構(gòu)

焊機(jī)總體結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。AC 220 V工頻交流電經(jīng)過變壓器降壓后變?yōu)锳C 50 V電壓，經(jīng)過整流電路和濾波電路變成直流電壓。由開關(guān)管S、二極管VD和電感L組成的Buck型DC-DC電路將直流電壓降為焊接所需要的電壓。降壓變壓器二次線圈采用雙繞組，濾波電容C采用多電容并聯(lián)陣列，在濾波的同時(shí)為焊接脈沖提供能量。

圖1 焊機(jī)總體原理框圖

焊機(jī)通電后，首先開啟氣閥進(jìn)行自動(dòng)檢氣，然后設(shè)定焊接脈沖電流、脈沖頻率、脈沖時(shí)間，并通過數(shù)碼管顯示。當(dāng)控制電路接收到焊接啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，高頻引弧電路工作，PWM發(fā)生電路同時(shí)工作，控制電路會(huì)根據(jù)PI調(diào)節(jié)電路所發(fā)出的信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整電流，輸出PWM控制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)Buck斬波電路進(jìn)行焊接。焊接電流為連續(xù)脈沖群，直到控制電路接收到焊接停止信號(hào)，輸出脈沖停止，終止焊接過程。

2Buck型DC-DC降壓電路

基本的Buck型DC-DC降壓電路屬于硬開關(guān)型，其電路原理如圖2所示[3]。

使用電路仿真軟件對(duì)基本的硬開關(guān)型Buck電路進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖2 基本Buck電路原理

由圖3a可知，有明顯的尖峰電流，功率開關(guān)管通態(tài)電流為40 A時(shí)其幅度可達(dá)60 A，這種電流尖峰對(duì)于焊接過程和主功率器件極為不利，容易引起器件損壞和焊接電弧不穩(wěn)定。同時(shí)在圖3a、圖3b中，開關(guān)管在開通和關(guān)斷瞬間都有重疊部分，形成較大開關(guān)損耗。開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的升高會(huì)趨于明顯，會(huì)降低整個(gè)電路的效率，同時(shí)也會(huì)降低開關(guān)管的壽命。

圖3基本Buck電路開關(guān)仿真波形

由以上仿真結(jié)果可以看出，基本的硬開關(guān)Buck電路存在較高的電流尖峰和開關(guān)損耗問題，尤其是在開關(guān)頻率較高的情況下更為明顯。因此，在基本的Buck型DC-DC降壓電路基礎(chǔ)上，提出了一種軟換相型Buck電路，其電路原理如圖4所示。

圖4 軟換相Buck電路原理

圖4中，電容C、開關(guān)管S、續(xù)流二極管VD和儲(chǔ)能電感L組成基本的Buck電路，其余元器件組成軟換相輔助回路。當(dāng)S由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止時(shí)，由于C1、VD1支路的存在，輸入電流Iin由S換相至VD1并對(duì)C1充電，延遲了S的關(guān)閉時(shí)間，減小了du/dt，對(duì)S的兩端電壓加以適當(dāng)?shù)囊种?，起到保護(hù)S的作用。C2中的電荷通過VD3續(xù)流釋放到負(fù)載，同時(shí)隨著C1電壓逐漸升高，流過VD1的電流Io將逐漸減小至零，同時(shí)流過VD的電流I1從零開始增加，直至所有電流全部從VD、L流過，為加快這一過程，將L2設(shè)為飽和式電感，這樣完成S與VD的換相過程，為下一次的S、VD換相做好準(zhǔn)備。當(dāng)S由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的瞬間，由于 VD1、VD2、VD3支路中 L1和 VD 支路中L2的存在，因二極管反向恢復(fù)時(shí)間引起的S的電流尖峰被抑制，并在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)C2進(jìn)行充電，S完全導(dǎo)通后，通過L為負(fù)載提供能量，進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期。

對(duì)圖4所示的軟換流電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

對(duì)比圖4和圖5可知，開關(guān)管S開通瞬間的di/dt和電流尖峰被抑制到較小范圍，關(guān)斷瞬間du/dt減小，開關(guān)管開通和關(guān)斷瞬間幾乎無重疊，大大降低了開關(guān)損耗。

圖6 脈沖控制電路原理

圖5 軟換相Buck電路仿真結(jié)果

3脈沖控制電路設(shè)計(jì)

焊機(jī)主功率開關(guān)管的控制采用PWM信號(hào)控制，頻率20 kHz。脈沖控制電路實(shí)質(zhì)上是控制PWM信號(hào)的輸出，其原理如圖6所示。

為了提高電路的穩(wěn)定性，電路使用U2（NE555）組成單穩(wěn)態(tài)電路，用于控制U3（JK觸發(fā)器）的翻轉(zhuǎn)，上升沿觸發(fā)。脈沖時(shí)間信號(hào)是由電位器設(shè)定一個(gè)電壓作為參考；脈沖頻率信號(hào)是由焊接啟/停信號(hào)與脈沖頻率設(shè)定信號(hào)經(jīng)過邏輯判斷后輸出的信號(hào)；控制信號(hào)用于控制PWM的輸出，高電平時(shí)封鎖PWM信號(hào)；電流檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)有無電流反饋信號(hào)，有電流輸出時(shí)為高電平，反之為低電平；PWM控制信號(hào)是脈沖控制電路的最終輸出信號(hào)。

脈沖控制電路工作原理為：焊接停止時(shí)，脈沖頻率信號(hào)被拉低，電流檢測(cè)信號(hào)為低電平，U3置位，14腳輸出低電平，PWM控制信號(hào)被封鎖，焊機(jī)無輸出；焊接剛啟動(dòng)而電弧未引燃時(shí)，電流檢測(cè)信號(hào)仍為低電平，脈沖頻率信號(hào)為預(yù)設(shè)的脈沖信號(hào)，當(dāng)它為高電平時(shí)，U3的14腳輸出保持低電平，PWM控制信號(hào)為低電平，PWM正常輸出，提供引弧電壓；電弧引燃后，“電流檢測(cè)信號(hào)”變?yōu)楦唠娖?，三極管V2導(dǎo)通，M3截止，+15 V電源通過R1為電容E1充電，當(dāng)E1的電壓大于“脈沖時(shí)間信號(hào)”電位器所設(shè)定的電壓時(shí)，比較器U1輸出高電平，使V1導(dǎo)通，U2的低電平觸發(fā)端（2腳）變?yōu)榈碗娖?，單穩(wěn)態(tài)電路的輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，U3翻轉(zhuǎn)，使PWM控制信號(hào)變成高電平，PWM停止輸出，單個(gè)脈沖周期結(jié)束，當(dāng)脈沖頻率信號(hào)再次由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，開始下一個(gè)脈沖周期。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

通過改變預(yù)設(shè)脈沖時(shí)間和脈沖頻率，分別采集輸出電流波形和開關(guān)管兩端的電壓波形，如圖7所示。

圖7不同脈沖時(shí)間輸出電流波形

由圖7可知，單個(gè)脈沖時(shí)間與設(shè)定時(shí)間吻合，說明脈沖控制電路控制性能較好；實(shí)驗(yàn)所使用的電流傳感器的傳輸比為100 A/V，由圖7d可知，脈沖電流由0上升至70A的時(shí)間小于等于10μs，說明Buck電路滿足了脈沖焊接時(shí)對(duì)電流響應(yīng)速度的要求。

圖8所示為有脈沖輸出時(shí)開關(guān)管兩端的電壓波形，在開關(guān)頻率為20 kHz時(shí)，開關(guān)管兩端無尖峰出現(xiàn)，與仿真結(jié)果一致。

5 結(jié)論

（1）在基本Buck型DC-DC變換電路的基礎(chǔ)上加入了軟換相電路，解決了主功率器件的換相問題，消除了開關(guān)管上的電壓電流尖峰，降低了開關(guān)損耗。

圖8 開關(guān)管兩端電壓波形

（2）設(shè)計(jì)的脈沖控制電路可以精確控制脈沖電流、脈沖時(shí)間、脈沖頻率，控制特性較好。

（3）Buck型DC-DC斬波電路可以很好地滿足脈沖瞬間快速放電的要求，脈沖上升沿和下降沿小于等于10 μs，且輸出電流很平穩(wěn)，有利于瞬時(shí)焊接。

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[1]張 慶，孟令東，楊軍偉，等.高能脈沖精密冷補(bǔ)技術(shù)用于修復(fù)零件表面局部缺損[J].中國表面工程，2011，24（1）：79-83.

[2]盧振洋，馬 琳，黃鵬飛.基于BUCK電路的電源功率平臺(tái)的研制[J].電焊機(jī)，2011，41（4）：20-23.

[3]趙莉華，舒欣梅.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.