基于零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的逆變式電子束焊機(jī)電源的研究

賀州學(xué)院機(jī)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(kāi)關(guān)技術(shù)的逆變式電子束焊機(jī)電源的研究

賀州學(xué)院機(jī)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(yùn)用PWM-Buck電路和零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的全橋逆變式高頻高壓電子束焊機(jī)電源及控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高壓電源的輸出電壓的連續(xù)可調(diào)、穩(wěn)定的過(guò)流過(guò)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(jī)

0.引言

電子束焊接機(jī)因能量密度高、熔透性強(qiáng)、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(diǎn)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(jī)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(chǎng)的作用下被加速，通過(guò)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(qiáng)大的動(dòng)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(jī)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(jī)焊接的好壞。

1.直流高壓電源

電子束焊機(jī)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(hào)綜合器和功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路等組成［2］。其工作過(guò)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(guò)控制開(kāi)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(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)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(guò)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(hào)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(shí)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(jī)的高壓直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中標(biāo)號(hào)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(hào)綜合器，16-功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路

1.1 零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的移相全橋逆變電路

移相調(diào)壓實(shí)際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。下面對(duì)單相全橋逆變電路工作過(guò)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(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓為u0為Ud，t1時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)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?yàn)閂1和VD3同時(shí)導(dǎo)通，所以輸出電壓為零，到t2時(shí)刻時(shí)刻V1和V2柵極信號(hào)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(guò)零并開(kāi)始反向時(shí)，VD2和VD3截止，V2和V3開(kāi)始導(dǎo)通，u0仍為-Ud。t3時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)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(kāi)關(guān)逆變器將PWM控制與軟開(kāi)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(yùn)行環(huán)境。移相全橋軟開(kāi)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(shí)現(xiàn)了在零電壓下開(kāi)啟和關(guān)斷，為功率器件提供了理想的開(kāi)關(guān)條件。電感L與功率開(kāi)關(guān)管輸出電容諧振，電感儲(chǔ)能釋放過(guò)程中，電容的電壓逐漸下降為零，使功率開(kāi)關(guān)管的續(xù)流二極管開(kāi)通，從而使功率開(kāi)關(guān)管IGBT零電壓開(kāi)通和零電壓關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了大大的降低了IGBT的損耗和良好的改善了器件的運(yùn)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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton可控制輸出電壓與輸入電壓之比，等于功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間ton與整個(gè)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(guò)，而抑制的諧波分量通過(guò)；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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感電流增加，電感儲(chǔ)能；而當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，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(dòng)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(hào)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(lái)實(shí)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(shí)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(hào)變成與之成正比的電壓進(jìn)行測(cè)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(qiáng)度。中央控制單元（由工業(yè)計(jì)算機(jī)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(hào)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(yùn)行。正常工作時(shí)，接收高壓設(shè)定信號(hào)和反饋信號(hào)，其輸出送入信號(hào)綜合器；故障判別電路有信號(hào)輸出時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出被封鎖。信號(hào)綜合器把高壓調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)、電壓霍爾傳感器的輸出信號(hào)和電子束流給定信號(hào)線性疊加后輸出信號(hào)接至逆變器驅(qū)動(dòng)電路和buck電路驅(qū)動(dòng)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(lái)自高壓取樣電路、電子束流取樣電阻、逆變器驅(qū)動(dòng)電路和電流霍爾傳感器的輸出信號(hào)，對(duì)加速電源運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)異常時(shí)輸出三路信號(hào)，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(dòng)電路用于封鎖驅(qū)動(dòng)電路的輸出，第三路送入中央控制單元，用于實(shí)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(kāi)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(hào)。功率管驅(qū)動(dòng)電路用于產(chǎn)生逆變器中和buck電路中各功率開(kāi)關(guān)管合理的驅(qū)動(dòng)脈沖，并實(shí)時(shí)檢測(cè)各管的工作狀態(tài)。其產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)波形經(jīng)隔離放大后分別接至各個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的控制極，各個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的集電極有信號(hào)反饋回功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路用于監(jiān)控開(kāi)關(guān)管工作狀況，任一開(kāi)關(guān)管工作狀況出現(xiàn)異常，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路將輸出一個(gè)信號(hào)送入故障判別電路。故障判別電路有信號(hào)輸出時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的輸出被封鎖。

2.結(jié)束語(yǔ)

利用零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的移相全橋逆變式電子束焊機(jī)，實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)啟和關(guān)斷，減小了開(kāi)關(guān)損耗，可大大減小散熱器的尺寸，同時(shí)使開(kāi)關(guān)器件頻率提高，進(jìn)一步減小變壓器的體積和整機(jī)的質(zhì)量；且通過(guò)利用PWM調(diào)節(jié)實(shí)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(shí)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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［5］王澤庭.高壓電子束焊機(jī)電源的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京∶北方工業(yè)大學(xué)，2011.

基金項(xiàng)目：廣西教育廳高校科研項(xiàng)目（KY2015YB305）；賀州學(xué)院教改項(xiàng)目（HZXYJG201527）。

作者簡(jiǎn)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(dòng)及數(shù)字圖形圖像處理。