張 偉，蔣布輝，何 石，栗琪凱，孔令其

北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191

0 前言

相較于常規(guī)直流電子束，脈沖電子束能更好地發(fā)揮“匙孔”效應(yīng)，在同等功率焊接時穿透深度和焊縫深寬比增大30%～50%［1］；采用脈沖電子束焊接薄板結(jié)構(gòu)時可以更精確地控制熱輸入，達到防止工件過熱、減小焊接變形的目的［2-3］，特別是脈沖頻率超過20 kHz時，可以細化晶粒，改善焊縫性能［4-6］。

三級電子槍主要通過脈沖偏壓調(diào)節(jié)束流來實現(xiàn)脈沖電子束［4-8］。但是，受高壓隔離變壓器寄生電容、高壓整流濾波電容以及線路電感等限制，高頻脈沖電子束實現(xiàn)難度較大，國內(nèi)外脈沖電子束的研究頻率大都低于1 kHz。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Kautz等人［7］對脈沖束流電子束焊接進行了較為詳細的研究，焊接過程中脈沖束流頻率最高為600 Hz，并且隨著頻率的增加，束流波形由方波逐漸畸變成類似正弦波；Nair等［3］使用60 kV、500 mA電子束焊機對7 mm厚的T87和T6時效狀態(tài)AA2219鋁合金進行了連續(xù)束流和脈沖束流電子束焊接，其中脈沖束流頻率為66.6 Hz，占空比為50%；北京航空航天大學齊鉑金、徐國寧等［5-6，8］通過低壓電路MOSFET斬波產(chǎn)生脈沖偏壓，再通過高壓隔離變壓器升壓產(chǎn)生高壓側(cè)的脈沖偏壓，受高壓絕緣和濾波電容等的影響，在頻率較高時脈沖偏壓波形產(chǎn)生嚴重畸變，能夠?qū)崿F(xiàn)的最高脈沖頻率為1 kHz。在高頻脈沖電子束方面，齊鉑金、范霽康等［9-10］在高壓隔離變壓器后級的高壓電路中設(shè)置高壓MOSFET斬波電路，通過控制MOSFET的導通和關(guān)斷來產(chǎn)生高頻脈沖偏壓，進而獲得20 kHz高頻脈沖電子束。其中，MOSFET驅(qū)動信號采用0～20 kHz的脈沖信號調(diào)制1 MHz的基波信號，并通過高壓隔離變壓器傳遞到高壓端，然后再進行解調(diào)，解調(diào)后的0～20 kHz脈沖信號直接驅(qū)動MOSFET進行斬波以實現(xiàn)脈沖偏壓。同樣，由于高壓隔離變壓器的寄生電容和電感、解調(diào)電路的濾波電容，以及解調(diào)后的MOSFET驅(qū)動信號驅(qū)動能力不足等因素，降低了脈沖偏壓和上升沿和下降沿的變化速率。

本文基于調(diào)制解調(diào)的工作原理，設(shè)計了專門的高壓隔離通訊電路，可以實現(xiàn)脈沖頻率、占空比等高頻脈沖偏壓參數(shù)［10］以及啟動、停止等命令數(shù)據(jù)從低壓端向高壓端的傳輸；為了提高脈沖偏壓上升沿和下降沿的變化速度，在高壓端設(shè)計了專門的高壓斬波電路，通過高壓端PWM產(chǎn)生電路及驅(qū)動電路，控制高壓斬波電路的MOSFET功率開關(guān)管實現(xiàn)高頻快速導通和關(guān)斷；同時，設(shè)計了專門的隔離供電電源，為高壓端的高壓斬波電路供電，確保MOSFET的驅(qū)動信號具有足夠的驅(qū)動能力。設(shè)計的高頻脈沖電子束偏壓電源的脈沖偏壓波形在20 kHz時具有陡峭的上升沿和下降沿。

1 系統(tǒng)組成

高頻脈沖電子束偏壓電源主要由基值偏壓電源、脈沖偏壓電源、隔離通訊電路、隔離供電電路和高壓斬波電路組成，如圖1所示。

圖1 高頻脈沖電子束偏壓電源組成Fig.1 Composition of bias power supply for high frequency pulsed electron beam

基值偏壓電源由基值調(diào)壓電路、基值逆變電路、高壓隔離變壓器1和高壓整流濾波電路1組成，主要功能是產(chǎn)生基值偏壓直流電壓，調(diào)節(jié)范圍0～1 500 V；脈沖偏壓電源由脈沖調(diào)壓電路、脈沖逆變電路、高壓隔離變壓器2和高壓整流濾波電路2組成，主要功能是產(chǎn)生脈沖偏壓直流電壓，調(diào)節(jié)范圍0～500 V；隔離通信電路由直流電源1、通訊逆變電路、高壓隔離變壓器3和通訊解調(diào)電路組成，主要功能是通過調(diào)制解調(diào)電路將低壓端設(shè)置的脈沖偏壓頻率、占空比參數(shù)傳送至高壓端，并通過高壓斬波電路實現(xiàn)脈沖偏壓輸出；隔離供電電路由直流電源2、供電逆變電路、高壓隔離變壓器4和電源變換電路組成，主要功能是通過高壓隔離變壓器實現(xiàn)高壓端的高壓斬波電路供電。

高壓斬波電路由高壓斬波主電路、高壓PWM產(chǎn)生電路組成，其中高壓斬波主電路將脈沖偏壓電源的直流變換成脈沖偏壓輸出，高壓PWM產(chǎn)生電路通過串口接收低壓側(cè)發(fā)送的脈沖頻率、占空比參數(shù)，然后通過單片機中的PWM模塊產(chǎn)生高壓斬波PWM波形，再通過驅(qū)動電路連接至高壓斬波主電路，從而實現(xiàn)脈沖偏壓輸出。脈沖偏壓輸出再與基值偏壓串聯(lián)輸出，連接至三級電子槍的陰極和柵極，實現(xiàn)對電子束的調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)高頻脈沖電子束束流輸出。

基于上述幾部分電路既能實現(xiàn)普通直流偏壓電源的功能，又能實現(xiàn)高頻脈沖偏壓輸出，并且由于高壓斬波電路的PWM產(chǎn)生、供電和高壓斬波主電路均在高壓側(cè)，直接對脈沖偏壓直流進行斬波，因而可以實現(xiàn)高頻脈沖偏壓輸出，并使得脈沖偏壓具有快速變化的上升沿和下降沿。

2 主電路拓撲設(shè)計

2.1 低壓調(diào)壓電路

為了實現(xiàn)基值偏壓電源和脈沖偏壓電源輸出電壓的調(diào)節(jié)，均在高壓隔離變壓器的低壓側(cè)設(shè)置了低壓調(diào)壓電路，其主電路拓撲如圖2所示。

圖2 低壓調(diào)壓電路Fig.2 Low voltage regulating circuit

圖2中，AC220 V交流電通過AC/DC后變換成穩(wěn)定的+48 V直流電，然后輸入由MOSFET功率開關(guān)管Q8、快恢復二極管VD13、電感L1和濾波電容C8組成的Buck電路進行降壓變換，變成0～48 V可調(diào)的直流電壓輸出。這樣，通過基值偏壓電源的高壓隔離變壓器1升壓后，在高壓側(cè)就可得到0～1 500 V可調(diào)的基值偏壓直流電壓；通過脈沖偏壓電源的高壓隔離變壓器2升壓后，在高壓側(cè)就可得到0～500 V可調(diào)的脈沖偏壓直流電壓。

2.2 逆變電路

在基值偏壓電源和脈沖偏壓電源中，低壓調(diào)壓電路輸出的直流電壓再連接至逆變電路進行變換。逆變電路的功能是將低壓調(diào)壓電路輸出的直流電壓再次變換成40 kHz的交流方波，然后經(jīng)高壓隔離變壓器升壓后傳輸至高壓側(cè)進行整流濾波，進而得到基值偏壓直流電壓和脈沖偏壓直流電壓?；的孀冸娐泛兔}沖逆變電路的主電路均采用全橋逆變電路拓撲，如圖3所示。

圖3 全橋逆變主電路Fig.3 Full bridge inverter main circuit

隔離通訊電路和隔離供電電路的輸出功率較低，因此通訊逆變電路和供電逆變電路均采用半橋逆變主電路，如圖4所示。

圖4 半橋逆變主電路Fig.4 Half bridge inverter main circuit

2.3 高壓斬波主電路

為了實現(xiàn)高頻脈沖偏壓輸出，在高壓側(cè)脈沖偏壓直流電壓輸出后設(shè)計了高壓斬波主電路，如圖5所示。

圖5 高壓斬波主電路Fig.5 High voltage chopper main circuit

在圖5中，脈沖偏壓電源的高壓隔離變壓器2的高壓側(cè)輸出連接至由VD7、VD8、VD9、VD10、R1、R2和C6組成的全橋整流濾波電路，變換成脈沖偏壓直流電壓輸出，再經(jīng)功率開關(guān)管Q7后變換成脈沖偏壓輸出。當高壓PWM控制波形為高時，Q7導通，脈沖偏壓輸出為高電壓；當高壓PWM控制波形為低時，Q7關(guān)斷，脈沖偏壓輸出為低電壓，其中快恢復二極管VD12為續(xù)流二極管。

3 控制電路

3.1 PWM發(fā)生電路

低壓端的PWM發(fā)生電路均由SG3525A及其外圍電路構(gòu)成，如圖6所示。SG3525A是一款經(jīng)典的PWM控制芯片，能產(chǎn)生兩路相位差為180°的PWM波形，并經(jīng)芯片11、14引腳輸出；10腳為芯片的關(guān)斷引腳，當10腳為低電平時，PWM波形正常輸出，反之則PWM波形輸出關(guān)閉。PWM控制波形的輸出頻率和死區(qū)時間可以通過引腳5、6、7之間的電阻R5、R6和電容C11來設(shè)置。

圖6 低壓側(cè)PWM產(chǎn)生電路Fig.6 Low voltage side PWM generation circuit

3.2 通訊調(diào)制解調(diào)電路

基于串行通訊的工作原理設(shè)計了串行通訊調(diào)制解調(diào)電路，該電路主要由低壓端的信號調(diào)制電路和高壓端的信號解調(diào)及接收電路兩部分組成，如圖7所示。

圖7 通訊調(diào)制解調(diào)電路工作原理Fig.7 Working principle of communication modulation and demodu‐lation circuit

信號調(diào)制電路主要由觸摸屏、串行調(diào)制信號發(fā)生電路、SG3525A PWM發(fā)生電路、功率開關(guān)管驅(qū)動電路和通訊逆變主電路組成。首先，通過觸摸屏輸入高頻脈沖偏壓電子束的脈沖頻率、占空比參數(shù)及控制命令，然后這些參數(shù)通過單片機串行調(diào)制信號發(fā)生電路變換成含有脈沖頻率和占空比參數(shù)的一系列串行信號，波特率為1.2 kbps；該信號通過與非門反向后再連接至SG3525A PWM發(fā)生電路的10腳（見圖6中的SHUT信號）作為調(diào)制信號。在圖6中，當串行調(diào)制信號為高電平時，SG3525A輸出兩路頻率約60 kHz的PWM控制信號P1和P2，通過驅(qū)動電路后連接至通訊逆變電路，從而獲得高頻交流方波輸出；當串行調(diào)制信號為低電平時，SG3525A輸出關(guān)閉，通訊逆變電路無輸出。

調(diào)制后的高頻交流方波經(jīng)高壓隔離變壓器3后傳輸至高壓端的信號解調(diào)及接收電路進行信號解調(diào)，如圖8所示。高頻交流方波經(jīng)二極管VD13、VD14、VD15和VD16整流后，再經(jīng)R7和C17進行濾波，基波高頻信號被濾除，解調(diào)成串行通訊信號，然后經(jīng)比較器進行整形和電壓變壓后輸入高壓側(cè)單片機進行串行信號接收，從而實現(xiàn)脈沖頻率、占空比參數(shù)及控制命令的高壓隔離傳輸。串行通訊的具體調(diào)制和解調(diào)波形如圖9所示。

圖8 信號解調(diào)電路Fig.8 Signal demodulation circuit

圖9 通訊調(diào)制解調(diào)工作原理波形Fig.9 Waveform diagram of communication modem working principle

3.3 高壓斬波PWM波形發(fā)生電路

高壓斬波PWM波形發(fā)生電路由PIC單片機及其外圍電路構(gòu)成，如圖10所示。解調(diào)后的串行通訊信號RX連接至單片機的串口接收端，實現(xiàn)脈沖參數(shù)和控制命令接收，再通過單片內(nèi)部的PWM模塊，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖頻率和占空比參數(shù)的PWM波形信號，該信號再通過PWM驅(qū)動電路連接至圖5中功率開關(guān)管Q7的門極控制其導通和關(guān)斷，從而實現(xiàn)高頻脈沖偏壓輸出。

圖10 通訊接收及高壓斬波PWM電路Fig.10 Communication receiving and high voltage chopper PWM circuit

4 波形測試

4.1 調(diào)制解調(diào)波形

當串行通訊總線空閑時，串行調(diào)制信號為高電平，SG3525A輸出兩路高頻PWM控制信號P1和P2，控制通訊逆變電路在隔離變壓器3的一次側(cè)與二次側(cè)均得到連續(xù)的高頻交流方波輸出，解調(diào)后的串行通訊信號也為高電平，如圖11a所示；當需要傳遞高頻脈沖參數(shù)時，串行調(diào)制信號出現(xiàn)高低電平，對SG3525A輸出的高頻PWM控制信號P1和P2進行調(diào)制，使得隔離變壓器3的一次側(cè)與二次側(cè)均得到間斷的高頻交流方波輸出，解調(diào)后還原成串行通訊信號，如圖11b所示。

圖11 串行通訊調(diào)制解調(diào)波形Fig.11 Modulation and demodulation waveform of serial communication

4.2 高頻脈沖偏壓輸出波形

脈沖頻率為20 kHz、占空比分別為20%和50%的高頻脈沖偏壓的輸出波形如圖12所示。由圖可知，脈沖偏壓在20 kHz時具有陡峭的上升沿和下降沿，尤其是脈沖偏壓上升沿≤1 μs，為實現(xiàn)快速變化的高頻脈沖電子束束流提供了條件。

圖12 高頻脈沖偏壓輸出波形Fig.12 Bias Output waveform of high frequency pulse

5 結(jié)論

（1）提出了基值偏壓電源、脈沖偏壓電源和高壓斬波主電路串聯(lián)的高壓脈沖偏壓電源主電路結(jié)構(gòu)，通過高壓斬波電路的MOSFET功率開關(guān)管導通和關(guān)斷實現(xiàn)了高頻脈沖偏壓輸出，產(chǎn)生的脈沖偏壓波形在20 kHz時具有陡峭的上升沿和下降沿，尤其是脈沖偏壓上升沿≤1 μs。

（2）基于調(diào)制解調(diào)工作原理，設(shè)計了高壓隔離通訊電源，實現(xiàn)了低壓端高頻脈沖頻率、占空比等參數(shù)及啟動、停止等命令向高壓端高壓斬波電路的可靠傳輸。

（3）設(shè)計了專門的高壓隔離供電電路，實現(xiàn)了高壓端高壓斬波電路的可靠供電，確保高壓斬波電路MOSFET功率開關(guān)管驅(qū)動信號有足夠的驅(qū)動能力。

文中提出的高頻脈沖電子束偏壓電源結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于脈沖電子束焊接等先進制造領(lǐng)域，能精準控制熱輸入，細化晶粒，有效改善焊縫質(zhì)量。