基于ANSYS電子束焊接高壓電源倍壓整流電路仿真設(shè)計*

楊 波 ，張 偉 ，齊鉑金 ，許海鷹

（1.北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024）

高壓電源是電子束焊接設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，其主要作用為將低壓交流電升壓并轉(zhuǎn)換為高壓直流電，給電子槍提供加速電壓。高壓電源的升壓方式較多，常見的升壓方式包括：單組變壓器直接升壓、多組變壓器串聯(lián)升壓、單組變壓器加倍壓整流電路串聯(lián)升壓。

本文主要闡述高壓電源采用單組變壓器加倍壓整流電路串聯(lián)升壓方式，相對于前兩種升壓方式，這種方式有效降低了高壓變壓器的設(shè)計難度，減小了輸出直流高壓紋波系數(shù)。但由于倍壓整流電路充電過程復(fù)雜，許多文獻對其介紹較為簡單，使得電路設(shè)計存在困難[1-3]。主要表現(xiàn)為：

（1）采用常規(guī)倍壓整流電路設(shè)計電路，具有元器件少、電路簡單的優(yōu)點，但是電路輸出波形紋波系數(shù)較大，而采用全波倍壓整流電路時輸出波形較好，但電路復(fù)雜，因此在電路選擇上顯得困難。

（2）在實測倍壓整流電路輸出電壓時，其測量值常高于理論值，這使得設(shè)計難度加大。

（3）電容參數(shù)設(shè)計是倍壓整流電路設(shè)計的一大難點。由于高壓電容耐壓性的要求，電容值一般不易做得太大。電容參數(shù)值選取過大，一方面增加材料成本，同時也使電源體積變得更大，而選值過小又將影響輸出電壓的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致設(shè)備無法輸出正常的工作電壓。目前關(guān)于電容值計算的文獻較少，且多數(shù)采用近似求法，一般所求結(jié)果誤差較大[4-7]。

本文采用ANSYS軟件，通過有限元分析方法，在不同電容值的條件下，對常規(guī)倍壓整流電路以及全波倍壓整流電路的輸出波形進行仿真求解與對比，以獲得合理的電路結(jié)構(gòu)及合適的電容值，并進行輸入波形振蕩對倍壓整流電路輸出電壓影響性的分析。

1 ANSYS仿真分析

1.1 仿真模型建立

高壓電源的工作原理如圖1所示。

圖1 高壓電源原理圖Fig.1 Schematic diagram of high voltage power supply

從圖1可知，倍壓整流電路的輸入電壓接自高壓變壓器，變壓器原邊與全橋逆變電路相連，逆變電路輸出波形如圖2所示，輸出波形為準方波，電壓幅值±500V，頻率20kHz；變壓器變比為1∶16，輸出電壓為8kV，如圖3所示。倍壓整流電路的輸出端接電子槍。該電源需滿足技術(shù)參數(shù)為輸出電壓≥60kV，輸出束流≥200mA。根據(jù)所述條件分別對全波倍壓整流電路與常規(guī)倍壓整流電路建立仿真模型。

1.1.1 全波倍壓整流電路仿真模型建立

對全波倍壓整流電路進行仿真分析，需建立相應(yīng)的電路模型。所分析的電路為4級全波倍壓整流電路，其輸入端接兩組相同的高壓變壓器，變壓器原邊采用并聯(lián)的方式接輸入電壓，副邊以串聯(lián)的方式輸出，變壓器中心抽頭接地。電路的輸出端通過負載電阻接地，所分析的電壓為負載的端電壓Uo，其理論值應(yīng)為-64kV。高壓硅堆的正向?qū)▔航导s為50V，正向?qū)娮铻?.5Ω，反向截止電壓為40kV；電容可視為理想電容，即不考慮電容自身的電阻值。電容的容值待定，為后面仿真的內(nèi)容，耐壓為40kV。為使仿真環(huán)境更接近實際工作狀況，將電路輸出端的負載等效為實際工作負載，其電阻值大小設(shè)為0.3MΩ.

根據(jù)上述條件，建立仿真電路模型[8-10]。變壓器輸入端所接準方波通過ANSYS自帶電壓源模擬。采用CIRCU124單元模擬輸入端電壓源與電容，將電壓源的幅值設(shè)為±500V，上升時間與下降時間設(shè)為1μs, 脈寬設(shè)為0.023ms，周期設(shè)為0.05ms。采用CIRCU125單元模擬二極管，二極管的正向?qū)娮柙O(shè)為0.5Ω，正向?qū)妷涸O(shè)為50V。采用CIRCU124單元模擬負載與變壓器，負載阻值設(shè)為0.3MΩ，變壓器變比為1∶16。

采用節(jié)點法建模：在活動坐標系上建立所需節(jié)點，并在各節(jié)點間繪制相應(yīng)電路元器件，所繪制的仿真電路如圖4所示[4]。變壓器左側(cè)接兩組相同的電壓源，節(jié)點3與節(jié)點23接地。

圖2 變壓器輸入波形Fig.2 Input waveform of the transformer

圖3 變壓器輸出波形Fig.3 Output waveform of the transformer

圖4 全波倍壓整流電路Fig.4 Full wave voltage doubler rectifier circuit

1.1.2 常規(guī)倍壓整流電路仿真模型建立

對常規(guī)倍壓整流電路建立仿真電路模型，其過程與全波倍壓整流電路的建模方式基本一致，所建電路如圖5所示。其中節(jié)點2與節(jié)點17接地。所分析的波形為節(jié)點9的電壓波形。

圖5 常規(guī)倍壓整流電路Fig.5 Conventional voltage doubler rectifier circuit

1.2 求解與分析

1.2.1 電容值仿真求解

為獲得合適的電容參數(shù)值，分別將電容值設(shè)為0.1μF、0.01μF、0.001μF，對兩種電路進行求解。

由于輸入的波形為準方波，將求解方式設(shè)為暫態(tài)。求解時間設(shè)為4.5ms，每一步的最小求解時間為1.6μs，最大時間設(shè)為6.4μs，收斂誤差為0.05V。最后求得兩種電路的輸出波形如圖6～7所示。

分析圖6可以得出，隨著電容值的減小，全波倍壓整流電路輸出波形的紋波系數(shù)逐漸加大，當電容值為0.1μF時，輸出波形最為平緩，輸出電壓穩(wěn)定于-64kV，而當容值為0.001μF時，輸出電壓值變?yōu)?56kV，不再滿足設(shè)計要求。對全波倍壓整流電路而言，可將電容值選為0.01μF，既保證了電路輸出波形的合理性，又使得電容值不會過大。

分析圖7同樣可得其輸出波形紋波系數(shù)隨著電容值的減小而增大。對于常規(guī)倍壓整流電路，將電容值選為0.1μF時，輸出電壓最后穩(wěn)定于-62kV，若再減小容值，其輸出電壓將變得更低，在電容值為0.001μF時，輸出波形發(fā)生嚴重畸變。

因此，通過分析圖6～7可得全波倍壓整流電路的合理電容值為0.01μF，而常規(guī)倍壓整流電路的合理電容值為0.1μF甚至更大。

1.2.2 波形對比與電路選取

將波形對比的目的是為分析兩種電路的優(yōu)缺點，從而獲得最佳電路方案。從圖6～7中可以看出，為滿足正常工作條件（即輸出電壓達到-64kV），全波倍壓整流電路所選用的電容值比常規(guī)倍壓整流電路小。而在選擇電容值相同的前提下，與常規(guī)倍壓整流電路相比，全波倍壓整流電路的輸出波形較為平緩，紋波系數(shù)小。以圖6（b）為例，其輸出電壓從0開始并快速增加，到1ms左右時達到穩(wěn)定，穩(wěn)定電壓約為-63kV，而圖7（b）輸出波形振蕩較為明顯，紋波系數(shù)較大，輸出電壓在4.5ms左右時達到穩(wěn)定，穩(wěn)定電壓約為-55kV。

從兩種形式的倍壓整流電路仿真結(jié)果分析，全波倍壓整流電路雖然采用對稱式結(jié)構(gòu)，所需要的元器件較多，但其紋波系數(shù)小，輸出波形更穩(wěn)定，且對電容要求低的優(yōu)點使其更優(yōu)于常規(guī)倍壓整流電路。

1.3 輸入波形振蕩分析

圖6 不同電容值下的全波倍壓整流電路輸出波形Fig.6 Output waveform of full wave voltage doubler rectifier circuit with different capacitance values

根據(jù)圖6（b）仿真結(jié)果可知，當變壓器為理想變壓器（即變壓器輸出波形為無振蕩方波）時，4倍壓整流電路輸出的電壓值約為輸入電壓的8倍，但在實際電路中，倍壓整流電路的輸出值常高于理論值。為了驗證變壓器寄生參數(shù)引起的輸出波形振蕩是否會使倍壓整流電路輸出電壓偏離理論值，本文通過ANSYS 對全波倍壓整流電路進行進一步仿真分析。在該電路基礎(chǔ)上，通過在電壓源與變壓器之間增加電容與電感的方式來模擬寄生參數(shù)引起的波形振蕩。當電感設(shè)定為0.1μH，電容設(shè)定為1μF時，變壓器的輸出波形如圖8所示。

將圖8所示波形接入所分析的電路，并將求解方式設(shè)為暫態(tài)。求解時間設(shè)為4.5ms，每一步的最小求解時間為1.6μs，最大時間設(shè)為6.4μs，收斂誤差為0.05V?？傻玫捷敵霾ㄐ稳鐖D9所示。

從圖9中可以看出，當輸入波形有部分振蕩時，全波倍壓整流電路的輸出值電壓略微增大，其輸出電壓值從-63kV增加到-66kV。可見變壓器寄生參數(shù)引起的波形失真是倍壓整流電路實際輸出值偏離理論值的一個重要因素。

圖7 不同電容值下常規(guī)倍壓整流電路輸出波形Fig.7 Output waveforms of conventional voltage doubler rectifier circuit with different capacitance values

圖8 變壓器振蕩波形Fig.8 Transformer oscillation waveform

圖9 帶振蕩輸入時倍壓整流電路輸出波形Fig.9 Output waveform of voltage doubler rectifier circuit with the oscillation input waveform

2 倍壓整流電路設(shè)計與測試

根據(jù)仿真結(jié)果進行倍壓整流電路設(shè)計，選擇全波倍壓整流電路作為高壓電源的電路結(jié)構(gòu)，選用的高壓硅堆最大正向?qū)娏鳛?.5A，反向截止電壓為40kV；選用的高壓電容耐壓為40kV，容量為0.01μF，電路如圖10所示。其中電容C01，C02的作用為濾除尖刺，所設(shè)計的電路實物圖如圖11所示。

對該全波倍壓整流電路進行性能測試，測試條件為：測試電路浸于變壓器油中，其輸入信號接自逆變電源，輸出端接電子槍。電壓采樣信號通過高壓衰減電阻等比衰減后由精密采樣電阻獲取，當采樣電阻為-9V時，對應(yīng)高壓輸出為-60kV。通過示波器測量逆變電源輸出電壓波形與采樣電阻端電壓波形，當輸入電壓為±500V交流方波時，測得波形如圖12所示。

通道1為逆變電源輸出波形，通道2為采樣電阻電壓，其值為-12.2V。根據(jù)上述比例關(guān)系可計算出高壓為-81.33kV，可見所設(shè)計的電路滿足要求。

圖10 全波倍壓整流電路Fig.10 Full wave voltage doubler rectifier circuit

圖11 全波倍壓整流電路實物圖Fig.11 Picture of full wave voltage doubler rectifier circuit

圖12 倍壓整流電路測試波形Fig.12 Voltage doubler rectifier circuit test waveform

3 結(jié)論

（1）使用ANSYS 仿真軟件對全波倍壓整流電路與常規(guī)倍壓整流電路進行仿真分析，仿真結(jié)果表明全波倍壓整流電路較常規(guī)倍壓整流電路雖采用更多數(shù)量的元器件，但其對電容值要求更低，且輸出波形的紋波系數(shù)更小的特性使其優(yōu)于常規(guī)倍壓整流電路。

（2）采用ANSYS對輸入波形存在振蕩的情況進行分析， 結(jié)果表明當輸入波形發(fā)生振蕩時，輸出電壓會偏離理論值。

（3）根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計出4倍壓全波倍壓整流電路，并在輸入電壓為±500V的前提下測試電路輸出結(jié)果，測試結(jié)果表明所設(shè)計的電路最大輸出電壓達-81.33kV，可以滿足生產(chǎn)需求。

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