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＊

朱思思，楊建湘，陳朝迎，張偉亮

（1.賀州學(xué)院機電工程學(xué)院，廣西賀州542899；2.深圳市中科明望通信軟件有限公司，廣東深圳518055）

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＊

朱思思1，楊建湘1，陳朝迎2，張偉亮1

（1.賀州學(xué)院機電工程學(xué)院，廣西賀州542899；2.深圳市中科明望通信軟件有限公司，廣東深圳518055）

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其控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了高壓電源輸出電壓的連續(xù)可調(diào)和過流過壓的穩(wěn)定保護及高穩(wěn)壓精度的要求，提高了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

PWM；全橋逆變；電子束焊機

1 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)點而在航空、航天、核工業(yè)等領(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)闊崮埽购讣廴?，從而達到焊接的目的［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的焊接質(zhì)量。

2 直流高壓電源

電子束焊機的高壓直流電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其由電網(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、故障判別電路、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，將不可控的直流電變成可控的直流電，可通過控制開關(guān)管的通斷來改變輸出電壓的大?。焕萌珮蚰孀冸娐吠瓿蒁C/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)信號綜合保護元件，進行PI調(diào)節(jié)并生成PWM單元；改變Buck電路和DC/DC轉(zhuǎn)換中IGBT的占空比，實現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)節(jié)性，從而達到閉環(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

2.1 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。下面將對單相全橋逆變電路的工作過程進行分析。如圖2所示為單相全橋逆變電路圖及其工作波形圖。

設(shè)在t0時刻前，V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓u0為Ud。t1時刻，V3和V4柵極信號反向，V4截止，而因負載電感中的電流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，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圖及其工作波形圖

移相全橋軟開關(guān)逆變器將PWM控制與軟開關(guān)相結(jié)合，大大降低了IGBT的損耗，且良好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，使功率器件實現(xiàn)了在零電壓下的開啟和關(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，在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，大大降低了IGBT的損耗，良好改善了器件的運行環(huán)境。

2.2 Buck電路

Buck電路是一種降壓式變換電路。改變開關(guān)管導(dǎo)通時間可控制輸出電壓與輸入電壓之比，其等于功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間與整個周期時間之比。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通過，抑制諧波分量通過。輸出電壓就是直流分量再附加微小紋波，這就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電路將不可控的直流電變成可控的直流電，使高壓直流電源的可控性提高。

2.3 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、信號綜合器等。反饋系統(tǒng)包括電壓反饋和電流反饋兩部分。電壓反饋是采用在高壓側(cè)用精密電阻分壓的方法來實現(xiàn)。電流反饋是在低壓側(cè)采用高精度、快速響應(yīng)的電流霍爾互感器來實現(xiàn)。高壓側(cè)采用精密電阻串聯(lián)的方法，將束流信號變成與之成正比的高電壓。高壓放電扼流電路用于抑制高壓放電電流的上升速率，以減緩放電產(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來承擔(dān)）的數(shù)字設(shè)定經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換（DC/AC）后產(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，其包括對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，且在正常工作時，其接收高壓設(shè)定信號和反饋信號，將輸出送入信號綜合器。當(dāng)故障判別電路有信號輸出時，調(diào)節(jié)器的輸出就被封鎖。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的給定信號經(jīng)線性疊加后輸送至逆變器的驅(qū)動電路和Buck驅(qū)動電路，以調(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，實現(xiàn)對加速電源運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。當(dāng)出現(xiàn)異常時，將輸出三路信號，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、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)定的上限值等，其對任一事件的發(fā)生都會輸出信號。功率管驅(qū)動電路用于產(chǎn)生逆變器和Buck電路中各功率開關(guān)管合理的驅(qū)動脈沖，并實時檢測各功率開關(guān)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)管的集電極都有信號反饋回功率開關(guān)驅(qū)動電路用于監(jiān)控開關(guān)管的工作狀況。當(dāng)任一開關(guān)管的工作狀況出現(xiàn)異常時，開關(guān)管驅(qū)動電路將輸出一個信號送入故障判別電路，而當(dāng)故障判別電路中有信號輸出時，驅(qū)動電路的輸出就會被封鎖。

3 結(jié)束語

本文利用零電壓開關(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，大大減小了散熱器的尺寸，同時使開關(guān)器件頻率提高，進一步減小了變壓器的體積和整機的質(zhì)量。其利用PWM調(diào)節(jié)通過調(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)，有效提高了控制調(diào)節(jié)的可靠性。

［1］李正熙.一種全橋逆變式電子束焊機高壓電源［J］.自動化與儀器儀表，2008，（3）.

［2］馮德仁，汪維玉，劉洋.一種10kW/50kV電子束焊機用高壓電源［J］.儀表技術(shù)，2010，（2）.

［3］趙本虎，羅進，楊濤.應(yīng)用于電子束焊機的80kV/15kW高壓直流電源的研究［J］.電工技術(shù)，2011，（5）：16-18.

［4］何少佳，李建玲，莫金海，李海標(biāo).電子束焊機電源控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.焊接學(xué)報，2012，33（1）.

［5］王澤庭.高壓電子束焊機電源的研究與實現(xiàn)［D］.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2011.

Research on inverter electron-beam welding power supply based on zero-voltage switching technology

ZHU Si-si1，YANG Jian-xiang1，CHEN Chao-ying2，ZHANG Wei-liang1
（1.Mechanical and Electronics Engineering College，Hezhou University，Hezhou 542899，China；2.Shenzhen Zhongkemingwang Communication Software Co.，Ltd.，Shenzhen 518055，China）

The inverter electron-beam welding power supply and its control system based on zero-voltage switching technology and PWM Buck circuit are presented.The control system is a kind of full bridge inverter with high energy-conversion efficiency，which can realize the continuous regulation to the output voltage of the high voltage power supply and meet the requirements of the well protection for over-current and high accuracy for steady voltage.

PWM；full-bridge inverter；electron-beam welding machine

TG434.1

A

1005—7277（2016）03—0024—03

朱思思（1988-），女，江西南昌人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子與電力傳動及數(shù)字圖形與圖像處理。

2016-05-04

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