車 軍，王保民，馬 朧，劉瀟瀟

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

基于LC諧振變換器的電子束焊機(jī)高壓電源

車 軍，王保民，馬 朧，劉瀟瀟

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

針對(duì)傳統(tǒng)電子束焊機(jī)高壓電源頻率低，變壓器體積、質(zhì)量大的問題，利用LC諧振變換器，實(shí)現(xiàn)功率管的軟開關(guān)，提高逆變器電路的工作頻率，達(dá)到減少變壓器體積、質(zhì)量的目的。軟開關(guān)技術(shù)避免了功率管在高速開通、關(guān)斷下產(chǎn)生的諧波，并減少開關(guān)損耗。分析LC諧振變換器的工作原理，采用BUCK電路調(diào)節(jié)母線電壓的方式，避免LC諧振變換器在負(fù)載較輕調(diào)頻很難改變電壓的缺點(diǎn)。通過調(diào)試電子束焊機(jī)高壓電源，分析試驗(yàn)參數(shù)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

電子束焊機(jī)；高壓電源；LC諧振

0 前言

電子束焊機(jī)三級(jí)電子槍是通過高壓電源產(chǎn)生的高壓電場加速陰極加熱發(fā)射的電子，通過偏壓電源產(chǎn)生的電場調(diào)節(jié)束流大小和聚焦電源的聚束最終形成電子束流，轟擊工件，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的焊接。電子束焊機(jī)高壓電源為電子束提供加速電壓，其性能好壞直接決定電子束流的性能好壞[1]。因此，電子束焊機(jī)高壓電源必須具有穩(wěn)定度高、紋波系數(shù)低等特點(diǎn)。目前國內(nèi)的電子束焊機(jī)高壓電源采用中頻和高頻電源，在控制策略上采用PWM（脈寬調(diào)制技術(shù)）、移相調(diào)壓或者PFM（脈沖頻率調(diào)制）。中頻高壓電源的高壓變壓器體積、質(zhì)量較大，而高頻高壓變壓器由于頻率高，變壓器的體積和質(zhì)量都會(huì)大大減小，所以目前主要研究高頻高壓變壓器。高頻高壓電源頻率高，PWM或移相控制策略都是對(duì)占空比寬度進(jìn)行控制，產(chǎn)生高次諧波，嚴(yán)重影響電路。PFM通過調(diào)節(jié)頻率來控制電壓大小，可以降低功率管開通和關(guān)斷的高次諧波。但是電子束焊機(jī)的高壓電源負(fù)載是一個(gè)變化的量，在調(diào)頻時(shí)不容易調(diào)節(jié)輸出電壓，而且在輕載時(shí)頻率調(diào)節(jié)的范圍也較大，難以滿足實(shí)際需求。本研究采用LC串聯(lián)諧振方式，在調(diào)壓時(shí)采用調(diào)整母線電壓的方式，既能實(shí)現(xiàn)功率管的軟開關(guān)，降低功率管開通與關(guān)斷諧波，又能很好地調(diào)整輸出電壓大小[2-3]。

1 控制方式的選擇

采用LC串聯(lián)諧振，在變壓器一次側(cè)串聯(lián)一個(gè)電容C起到隔直作用，防止高頻變壓器的偏磁。當(dāng)采用調(diào)節(jié)頻率的方式時(shí)，LC可以看作一個(gè)分壓器，對(duì)加到變壓器一次側(cè)的電壓進(jìn)行分壓，所以電壓增益始終小于1[4]。

在電子束焊機(jī)的工作過程中，在調(diào)節(jié)焊接工件位置時(shí)，通常會(huì)關(guān)掉燈絲電源或?qū)⑵珘弘娫凑{(diào)到最大，使焊槍不會(huì)出電子束。這樣高壓很長一段時(shí)間都是工作在空載情況下。而高頻變壓器在空載情況下，變壓器二次側(cè)會(huì)感應(yīng)出很高的電壓。如果此時(shí)采用調(diào)頻的方式：其一，由于負(fù)載太輕，調(diào)頻很難調(diào)節(jié)輸出電壓的大?。黄涠?，即使可以調(diào)整電壓，頻率變化也會(huì)很大。

因此，本研究采用固定頻率和占空比調(diào)節(jié)母線電壓進(jìn)行調(diào)壓的方式。這樣可在電子束焊機(jī)高壓電源發(fā)生空載時(shí)，降低母線電壓，避免輸出電壓過高且方便調(diào)節(jié)輸出電壓。焊接時(shí)由于負(fù)載的實(shí)時(shí)變化，也可以通過調(diào)節(jié)母線電壓的大小很方便地調(diào)節(jié)輸出電壓，使其穩(wěn)定在60 kV。既利用LC諧振實(shí)現(xiàn)了功率管的軟開關(guān)，也減小了負(fù)載對(duì)LC諧振產(chǎn)生的影響[5-6]；既滿足功率管的軟開關(guān)，又平滑調(diào)節(jié)了電壓，使輸出電壓達(dá)到電子束焊機(jī)高壓電源的性能要求。

2 LC諧振變換器高壓電源的主電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主電路由EMC濾波器、全橋不可控整流電路、濾波電路、BUCK電路、橋式逆變電路、吸收電路、LC諧振變換器、高頻高壓變壓器等組成。工作過程如下：380 V三相交流電壓通過EMC濾波電路進(jìn)行濾波處理，整流濾波電路將它變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓；通過BUCK電路調(diào)節(jié)母線電壓；通過全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)直流電壓到高頻的交流電壓的轉(zhuǎn)換；再通過LC諧振電路對(duì)電壓進(jìn)行分壓；最后通過高頻高壓變壓器進(jìn)行升壓，經(jīng)過整流、濾波輸出高壓直流60 kV、最大電流100 mA的電壓。電壓取樣采用精密電阻分壓在高壓輸出低壓側(cè)取電壓的方式，然后通過傳感器進(jìn)行隔離等處理傳輸給控制系統(tǒng)。電流取樣采用在高壓對(duì)地側(cè)加傳感器進(jìn)行取樣的方式。電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Circuit diagram

3 LC諧振變換器的工作原理

LC諧振變換器全橋電路簡化示意如圖2所示，Lr為諧振電感，Cr為諧振電容，從逆變器輸出的電壓經(jīng)過Lr、Cr的分壓最后加到變壓器一次側(cè)。當(dāng)調(diào)整主振頻率f時(shí)，輸出電壓會(huì)隨著主振頻率的變化而變化。諧振頻率，為了使開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，開關(guān)管在工作時(shí)電流應(yīng)滯后于電壓，這樣就必須使諧振回路始終工作在感性狀態(tài)下。

電路波形如圖3所示。在全橋電路中，功率管IGBT1、IGBT4關(guān)斷，IGBT2、IGBT3導(dǎo)通；同樣，IGBT1、IGBT4導(dǎo)通，則IGBT2、IGBT3關(guān)斷。避免了一個(gè)橋臂上的功率管同時(shí)導(dǎo)通而損壞功率管，并且在一個(gè)橋臂的兩個(gè)功率管上留有足夠的死區(qū)時(shí)間。LC諧振電路的工作過程如下：

（1）t0～t1（見圖4）。由于諧振電流反向流動(dòng)，諧振電流通過二極管VD1和VD4形成電流回路，二極管VD1和VD4的導(dǎo)通將功率管IGBT1、IGBT4兩端的電壓箝位在0 V，此時(shí)開通功率管IGBT1、IGBT4可以實(shí)現(xiàn)功率管的零電壓開通，即實(shí)現(xiàn)了功率管IGBT1、IGBT4的軟開通。

圖2 LC全橋電路Fig.2 Full bridge circuit

圖3 電路波形Fig.3 Waveforms of the circuit

圖4 t0～t1工作過程Fig.4 t0～t1process

（2）t1～t2（見圖5）。由于功率管IGBT1、IGBT4的導(dǎo)通，電流逐漸正向流通。當(dāng)?shù)竭_(dá)時(shí)間t2時(shí)，正向電流最大，電容C1、C4上的電壓為零。t2時(shí)刻關(guān)斷IGBT1、IGBT4，由于電容C1、C4上的電壓不能突變，功率管IGBT1、IGBT4可實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。

（3）t2～t3間（見圖6）。諧振電流為正，功率管IGBT1、IGBT4關(guān)斷，電流通過VD2、VD3流通，形成電流回路，將IGBT2、IGBT3兩端的電壓箝位到0 V，此時(shí)開通IGBT2、IGBT3，可實(shí)現(xiàn)功率管IGBT2、IGBT3的零電壓開通。

圖5 t1～t2工作過程Fig.5 t1～t2process

圖6 t2～t3工作過程Fig.6 t2～t3process

（4）t5時(shí)刻，反向電流達(dá)到最大值。此時(shí)電容C2、C3上的電壓不能突變，功率管IGBT2、IGBT3可實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。t5時(shí)刻以后，功率管按照上述分析，執(zhí)行下一個(gè)周期的工作，過程與t0～t5過程一樣。

4 控制電路

利用DSP高速處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，在控制核心芯片上采用以TMS320F2812的DSP芯片為核心控制系統(tǒng)。利用DSP芯片完成信號(hào)的采樣、PI調(diào)節(jié)等處理，最終產(chǎn)生PWM信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)電路。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時(shí)，DSP F2812中有ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，具有12位的分辨率，既能夠以16通道進(jìn)行工作，也可以拆分成2個(gè)分別獨(dú)立的8通道模塊。F2812中的兩個(gè)8通道的ADC轉(zhuǎn)換通道分別對(duì)應(yīng)2個(gè)序列發(fā)生器SEQ1和SEQ2，它們既可以單獨(dú)工作也可以隨著ADC的級(jí)聯(lián)而級(jí)聯(lián)。DSP F2812中的SCI模塊完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，通過觸摸屏控制電子束焊機(jī)的高壓電源[7]。

TMS320F2812中有兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，本研究采用事件管理器EVA進(jìn)行PWM波形的輸出。采用EVA中的PWM1、PWM2控制逆變?nèi)珮虻囊宦窐虮凵舷聝陕夫?qū)動(dòng)波形，采用PWM3、PWM4控制另一路橋臂上下兩路驅(qū)動(dòng)波形，采用PWM5控制BUCK電路中IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。對(duì)高壓輸出的電壓進(jìn)行采樣，通過PI調(diào)節(jié)形成閉環(huán)控制電路，保證電路的穩(wěn)定性。

5 試驗(yàn)結(jié)果

本研究設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于調(diào)母線電壓的LC諧振電子束焊機(jī)高壓電源，高壓電源輸出60 kV，負(fù)載最大電流100 mA。高壓變壓器采用兩個(gè)高壓包串聯(lián)升壓的方式，材料為鐵氧體。在試驗(yàn)調(diào)試中，確定諧振電感Lr、諧振電容Cr、全橋逆變器的開關(guān)管頻率、全橋逆變器開光管的占空比和死區(qū)時(shí)間。高壓電源負(fù)載是一個(gè)變化的量，因此，必須在高壓電源輸出功率最大的情況下確定逆變器頻率、占空比和LC諧振參數(shù)，即在高壓電壓輸出60 kV、電流100 mA的情況下來確定。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）確定BUCK電路參數(shù)。因?yàn)锽UCK電路是對(duì)母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)諧振參數(shù)沒有太大影響，取頻率為20 kHz，占空比0～0.9。

（2）確定逆變器參數(shù)和諧振參數(shù)。假定電路的主振頻率f=20 kHz，取諧振電容Cr=2 μF，因f＞fr，，可以算出Lr＞20 μH，故取Lr=30 μH。

（3）調(diào)整參數(shù)。將逆變器的占空比設(shè)定為30%，通過BUCK電路對(duì)母線電壓進(jìn)行升壓。當(dāng)高壓輸出為30 kV時(shí)，將燈絲電流調(diào)節(jié)到15 A，并確保此時(shí)的偏壓電壓能夠保證無束流輸出。將高壓電壓穩(wěn)定到60 kV，調(diào)節(jié)偏壓電源確保輸出的束流為最大值100 mA。此時(shí)，觀察IGBT的開通狀態(tài)是否實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。

由圖7a可知，A路為IGBT的驅(qū)動(dòng)波形，B路為諧振電流波形。當(dāng)IGBT驅(qū)動(dòng)波形開通時(shí)，諧振電流為0，可以實(shí)現(xiàn)一定的軟開關(guān)，但I(xiàn)GBT存在開通上升時(shí)間，此時(shí)并不能很好地實(shí)現(xiàn)軟開通。最好是IGBT驅(qū)動(dòng)波形開通時(shí)，諧振電流小于0。

（4）修正參數(shù)。首先，微調(diào)諧振參數(shù)，將諧振電感加大到40 μH。由圖7b可知，驅(qū)動(dòng)波形開通時(shí)諧振電流小于0，可以很好實(shí)現(xiàn)IGBT的軟開通。主振頻率28 kHz。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于LC諧振的電子束焊機(jī)高壓電源，利用LC諧振變換器可實(shí)現(xiàn)功率管軟開關(guān)的特點(diǎn)，在高頻的情況下減小諧波，減少損耗，優(yōu)化電流波形。利用BUCK電路調(diào)節(jié)母線電壓大小彌補(bǔ)LC諧振變換器在輕載情況下調(diào)節(jié)頻率不能改變電壓的情況。分析調(diào)試電子束焊機(jī)高頻高壓電源，通過對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)整滿足實(shí)際需求。采用LC諧振變換器調(diào)節(jié)母線電壓的方法，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化高壓電壓輸出穩(wěn)定在60 kV，實(shí)現(xiàn)了功率管的軟開關(guān)，保證了高壓電源電壓輸出的穩(wěn)定性。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Results of experiment

[1]李正熙，王澤庭，樊生文.高頻高壓電子束焊機(jī)電源的研制[J].北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（3）：16－18.

[2]樊生文，杜軍，王澤庭，等.串聯(lián)諧振型電子束熔煉爐高壓電源的研究[J].電力電子技術(shù)，2015，49（3）：38－39.

[3]張偉，杜慧聰.150kV/30kW逆變式電子束焊接高壓電源設(shè)計(jì)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40（11）：1531－1536.

[4]趙本虎，羅進(jìn)，楊濤，等.應(yīng)用于電子束焊機(jī)的80kV/15kW高壓直流電源的研究[J].電工技術(shù)，2011（05）：16－18.

[5]阮新波，嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2000.

[6]Lee J Y，Jeong Y S，Han B M.AnIsolatedDC/DCConverter using high frequency unregulated LLC resonant converter for fuel cell applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（7）：2926-2934.

[7]程善美，蔡凱，龔博，等.DSP在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

High-voltage power supply for electronic beam welder based on LC resonant converter

CHE Jun，WANG Baomin，MA Long，LIU Xiaoxiao
（School of Mechatronic Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

In view of the problems that the low frequency of high-voltage power supply for traditional electronic beam welder and large volume and weight of transformer，the LC resonant converter is used to realize the soft switch of the power tube，improve the working frequency of the inverter circuit，to reduce the volume and weight of transformer.Soft switch technology is also utilized to avoid the harmonic and to reduce the switching loss when the power tube opens and shuts off under high speed.The working principle of LC resonant converter is also analyzed.The fault that the voltage is hard to change by FM in lighter load is avoided using BUCK circuit to adjust busbar voltages.By adjusting the high voltage power supply of the electron beam welding machine，the test parameters are analyzed，and the rationality of the design is verified.

electronic beam welder；high-voltage power supply；LC resonance

TM46

A

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機(jī)，2017，47（03）：1-6.

2016-11-24

蘭州交通大學(xué)青年科學(xué)研究基金（2013020）；甘肅省青年基金（148RJZA050）；甘肅省科技支撐計(jì)劃（1304GKCA015）

車 軍（1962—），男，甘肅天水人，高級(jí)工程師，主要從事電力應(yīng)用技術(shù)的研究工作。