賀州學(xué)院機電工程學(xué)院 朱思思 楊建湘 張偉亮深圳市中科明望通信軟件有限公司 陳朝迎

基于零電壓開關(guān)技術(shù)的逆變式電子束焊機電源的研究

賀州學(xué)院機電工程學(xué)院 朱思思 楊建湘 張偉亮
深圳市中科明望通信軟件有限公司 陳朝迎

【摘要】介紹了一種運用PWM-Buck電路和零電壓開關(guān)技術(shù)的全橋逆變式高頻高壓電子束焊機電源及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了高壓電源的輸出電壓的連續(xù)可調(diào)、穩(wěn)定的過流過壓保護(hù)和穩(wěn)壓精度的要求，且提高了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

【關(guān)鍵詞】PWM；全橋逆變；電子束焊機

0.引言

電子束焊接機因能量密度高、熔透性強、焊接變形區(qū)小、易于控制、焊縫純凈、焊接范圍廣等突出優(yōu)點在航空、航天、核工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。電子束焊接機是將電子槍中的陰極燈絲加熱到一定溫度使電子逸出，電子在高壓電場的作用下被加速，通過電磁透鏡聚焦后形成能量密集度極高的電子束，轟擊焊件表面，電子的強大的動能瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使焊件熔融，達(dá)到焊接的目的［1］。高壓直流電源作為電子束焊機的關(guān)鍵部件之一，主要是用于電子束的加速，其性能直接決定著電子束焊接機焊接的好壞。

1.直流高壓電源

電子束焊機的高壓直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、電壓霍爾傳感器、電流霍爾傳感器、buck降壓斬波電路、逆變器、高頻高壓變壓器、高壓整流濾波器、高壓放電扼流電路、高壓取樣電路、電子束流取樣電阻、障判別電路、中央控制單元、高壓調(diào)節(jié)器、信號綜合器和功率開關(guān)驅(qū)動電路等組成［2］。其工作過程如下：將三相市電經(jīng)濾波器濾波后再經(jīng)不可控整流及濾波后得到直流電源。DC/DC變換器采用BUCK電路，將不可控直流電變成可控的直流電變成可控的直流電，可通過控制開關(guān)管的通斷改變輸出電壓大小。再利用全橋逆變電路完成DC/AC變換，全橋逆變電路采用零電壓軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)高頻。最后由高頻高壓升壓變壓器升壓后，經(jīng)整流濾波后輸出。通過精密電阻網(wǎng)絡(luò)將直流高壓輸出采樣和束流采樣作為反饋，經(jīng)信號綜合及保護(hù)元件，進(jìn)行PI調(diào)節(jié)生成PWM單元，改變Buck電路和DC/DC轉(zhuǎn)換中（IGBT）占空比，實現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)節(jié)，達(dá)到閉環(huán)控制的目的。

圖1 電子束焊機的高壓直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中標(biāo)號為：1-電網(wǎng)濾波器，2-輸入整流濾波器，3-電壓霍爾傳感器，4-電流霍爾傳感器，5-buck降壓斬波電路6-逆變器，7-高頻高壓變壓器，8-高壓整流濾波器，9-高壓放電扼流電路，10-高壓取樣電路，11-電子束流取樣電阻，12-障判別電路，13-中央控制單元，14-高壓調(diào)節(jié)器，15-信號綜合器，16-功率開關(guān)驅(qū)動電路

1.1 零電壓開關(guān)技術(shù)的移相全橋逆變電路

移相調(diào)壓實際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。下面對單相全橋逆變電路工作過程進(jìn)行分析：如圖2所示為單相全橋逆變電路和工作波形。

設(shè)在t0時刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓為u0為Ud，t1時刻V3和V4柵極信號反向，V4截止，而因負(fù)載電感中的電流i0不能突變，V3不能立即導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流。因為V1和VD3同時導(dǎo)通，所以輸出電壓為零，到t2時刻時刻V1和V2柵極信號反向，V1截止，而V2不能立即導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流和VD3構(gòu)成電流通道，輸出電壓為-Ud。到負(fù)載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3開始導(dǎo)通，u0仍為-Ud。t3時刻V3和V4柵極信號再次反向，V3截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，u0再次為零。

圖2 單相移相全橋逆變電路及其工作波形

移相全橋軟開關(guān)逆變器將PWM控制與軟開關(guān)相結(jié)合，大大的降低了IGBT的損耗，且良好的改善了器件的運行環(huán)境。移相全橋軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用諧振變流原理，迫使功率器件上的電壓迅速降為零，功率器件實現(xiàn)了在零電壓下開啟和關(guān)斷，為功率器件提供了理想的開關(guān)條件。電感L與功率開關(guān)管輸出電容諧振，電感儲能釋放過程中，電容的電壓逐漸下降為零，使功率開關(guān)管的續(xù)流二極管開通，從而使功率開關(guān)管IGBT零電壓開通和零電壓關(guān)斷，實現(xiàn)了大大的降低了IGBT的損耗和良好的改善了器件的運行環(huán)境的作用。

1.2 Buck電路

Buck電路是一種降壓式變換電路。改變開關(guān)管導(dǎo)通時間ton可控制輸出電壓與輸入電壓之比，等于功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間ton與整個周期之比；buck電路中電感L和電容C組成低通濾波器，使輸入電源的直流分量可以通過，而抑制的諧波分量通過；輸出電壓就是us（t） 的直流分量再附加微小紋波，減小了高壓直流電源的紋波系數(shù)。當(dāng)功率開關(guān)管導(dǎo)通時，電感電流增加，電感儲能；而當(dāng)開關(guān)管截止時，電感電流減小。Buck電路將不可控直流變成可控的直流電，使高壓直流電源可控性提高。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括反饋系統(tǒng)、各功率管驅(qū)動電路、高壓放電扼流電路、中央控制單元、高壓調(diào)節(jié)器、故障判別電路、信號綜合器。反饋系統(tǒng)包括電壓反饋和電流反饋兩部分；電壓反饋采用在高壓側(cè)用精密電阻分壓的方法來實現(xiàn)。電流反饋在低壓側(cè)采用精密度高、響應(yīng)速度快的電流霍爾互感器實現(xiàn)；高壓側(cè)采用串聯(lián)精密電阻串聯(lián)的方法，將束流信號變成與之成正比的電壓進(jìn)行測量。高壓放電扼流電路用于抑制高壓放電電流的上升速率，減緩放電產(chǎn)生的電磁沖擊強度。中央控制單元（由工業(yè)計算機或可編程控制器（PLC）承

擔(dān)）數(shù)字設(shè)定經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換（DC/AC）產(chǎn)生高壓設(shè)定信號送入高壓調(diào)節(jié)器，用于產(chǎn)生加速電壓的設(shè)定波形，包括升降斜率和工作電壓的設(shè)定。高壓調(diào)節(jié)器為比例-積分（PI）調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，用于加速電壓的精度控制，并保證加速電源穩(wěn)定運行。正常工作時，接收高壓設(shè)定信號和反饋信號，其輸出送入信號綜合器；故障判別電路有信號輸出時，調(diào)節(jié)器的輸出被封鎖。信號綜合器把高壓調(diào)節(jié)器的輸出信號、電壓霍爾傳感器的輸出信號和電子束流給定信號線性疊加后輸出信號接至逆變器驅(qū)動電路和buck電路驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制輸出波的占空比。故障判別電路接受來自高壓取樣電路、電子束流取樣電阻、逆變器驅(qū)動電路和電流霍爾傳感器的輸出信號，對加速電源運行狀態(tài)實時監(jiān)控，出現(xiàn)異常時輸出三路信號，第一路送入高壓調(diào)節(jié)器用于封鎖調(diào)節(jié)器的輸出，第二路送入逆變器驅(qū)動電路用于封鎖驅(qū)動電路的輸出，第三路送入中央控制單元，用于實現(xiàn)加速電源的多重保護(hù)和故障提示。故障判別電路用于判斷加速電壓是否超越設(shè)定的上限值、電子束流是否超越設(shè)定的上限值、是否產(chǎn)生高壓放電現(xiàn)象及逆變器任一功率開關(guān)管是否異常、供電回路電流是否超越設(shè)定的上限值，任一事件的發(fā)生都輸出信號。功率管驅(qū)動電路用于產(chǎn)生逆變器中和buck電路中各功率開關(guān)管合理的驅(qū)動脈沖，并實時檢測各管的工作狀態(tài)。其產(chǎn)生的驅(qū)動波形經(jīng)隔離放大后分別接至各個功率開關(guān)管的控制極，各個功率開關(guān)管的集電極有信號反饋回功率開關(guān)驅(qū)動電路用于監(jiān)控開關(guān)管工作狀況，任一開關(guān)管工作狀況出現(xiàn)異常，開關(guān)管驅(qū)動電路將輸出一個信號送入故障判別電路。故障判別電路有信號輸出時，驅(qū)動電路的輸出被封鎖。

2.結(jié)束語

利用零電壓開關(guān)技術(shù)的移相全橋逆變式電子束焊機，實現(xiàn)了零電壓開啟和關(guān)斷，減小了開關(guān)損耗，可大大減小散熱器的尺寸，同時使開關(guān)器件頻率提高，進(jìn)一步減小變壓器的體積和整機的質(zhì)量；且通過利用PWM調(diào)節(jié)實現(xiàn)調(diào)整Buck電路的輸出電壓、逆變電路的輸出電壓和功率實現(xiàn)了加速電源的兩次調(diào)節(jié)，提高了調(diào)節(jié)的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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基金項目：廣西教育廳高?？蒲许椖浚↘Y2015YB305）；賀州學(xué)院教改項目（HZXYJG201527）。

作者簡介：

朱思思（1988—），女，江西南昌人，碩士，主要研究方向：電力電子與電力傳動及數(shù)字圖形圖像處理。