晶體管微電弧電源主電路與驅(qū)動電路設(shè)計

劉葉歸，曹彪

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

晶體管微電弧電源主電路與驅(qū)動電路設(shè)計

劉葉歸，曹彪

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

針對傳統(tǒng)的晶體管焊接電源主電路存在的一些不足，設(shè)計了一種基于晶體管式的數(shù)字化微電弧焊接電源主電路，將前級逆變式與后級晶體管組結(jié)合，即前級采用逆變式結(jié)構(gòu)為后級晶體管組供電，通過電壓電流協(xié)調(diào)反饋調(diào)節(jié)前級輸出電壓，后級晶體管組通過電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)輸出所需的焊接電流和外特性，這充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢。設(shè)計了由脈沖變壓器隔離的前級逆變驅(qū)動電路和由高速光耦6N137與高速驅(qū)動芯片IXDN604構(gòu)成的后級晶體管高頻驅(qū)動電路。驅(qū)動信號測試結(jié)果顯示，驅(qū)動電路能實(shí)現(xiàn)對功率管的高速驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)主電路的運(yùn)行。

晶體管；微電?。恢麟娐?；驅(qū)動電路

1 主電路設(shè)計

圖1為新型晶體管式微電弧焊接電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，電源系統(tǒng)由主電路、驅(qū)動電路、控制電路和外圍電路組成。新型晶體管式微電弧焊接電源的主電路將前級逆變式與后級晶體管組結(jié)合起來，采用前級逆變式結(jié)構(gòu)為后級晶體管組供電，通過改變前級逆變驅(qū)動電路的PWM控制信號占空比調(diào)節(jié)前級輸出的供電電壓，同時通過改變后級斬波驅(qū)動電路的PWM控制信號占空比調(diào)節(jié)焊接輸出電流。其主電路包括:輸入整流濾波，全橋逆變結(jié)構(gòu)，變壓器、輸出整流濾波，以及后級晶體管調(diào)節(jié)電路等?？刂葡到y(tǒng)是以DSP控制器為核心，其外圍包括前級與后級PWM驅(qū)動電路、電流電壓信號采樣電路、輸入輸出電路、接口電路以及保護(hù)電路等。

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖

在主電路中，后級功率晶體管組可以起線性放大調(diào)節(jié)器的作用即作為可變電阻，也可以起著電子開關(guān)的作用即作為開關(guān)，在本設(shè)計中選取晶體管組工作在開關(guān)式狀態(tài)[9]。圖2為所設(shè)計的主電路圖，其工作原理是:220 V的交流電經(jīng)過整流橋及輸入濾波電流后，得到311 V左右的直流電，然后通過DSP輸出PWM信號控制全橋逆變管交替導(dǎo)通，把濾波后的直流逆變成交流電，然后通過高頻變壓器降壓、快速整流二極管之后，再經(jīng)濾波后變?yōu)橹绷麟?，最后通過MOSFET組斬波后調(diào)節(jié)電流的輸出。

新型晶體管式微電弧焊接電源主電路由輸入整流濾波電路、全橋逆變器、次級整流濾波電路、斬波輸出電路4大部分組成。

1）輸入整流濾波電路由單相整流橋和濾波電解電容組成，把輸入為220 V的交流電變?yōu)榈图y波的直流電給全橋逆變器。

2）全橋逆變器是由Q1-Q4 4個場效應(yīng)管組成，每個場效應(yīng)管旁邊都并聯(lián)有RC緩沖電路，通過前級驅(qū)動電路輸出推挽模式的PWM驅(qū)動電壓控制Q1、Q4和Q2、Q3輪流導(dǎo)通，將直流電變?yōu)楦哳l脈沖交流電通過高頻變壓器降壓后供給次級電路。

3）次級整流輸出濾波電路由快速整流二極管D1、D2、波電感L1和濾波電容C8組成，將高頻變壓器輸出降壓后的高頻脈沖交流電變?yōu)橹绷麟?，從而給后級斬波電路和負(fù)載供電。

4）斬波電路由場效應(yīng)管Q5組成，通過后級驅(qū)動電路輸出的PWM驅(qū)動電壓來控制Q5的導(dǎo)通和關(guān)斷將直流電變?yōu)橹绷鞣讲?，供給濾波電路和電弧負(fù)載，其中二極管D3起續(xù)流作用。

Gyurcsányi研究組[30]最近介紹了一種利用電位法檢測帶正電荷的肽核酸(PNA)修飾納米孔與負(fù)電荷互補(bǔ)核酸鏈雜交后的電荷變化，帶有電荷的納米孔膜通過排斥同電荷標(biāo)志的離子和傳輸負(fù)電荷的離子而表現(xiàn)出選擇性行為?；贜ernst-Planck/泊松模型對納米孔系統(tǒng)的電位微RNA響應(yīng)進(jìn)行了定量的理論處理。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間很好的相關(guān)性，表明結(jié)合過程主要集中在多孔膜的孔內(nèi)和孔外。

本設(shè)計技術(shù)參數(shù):電網(wǎng)輸入電壓為220 V，最大輸出電流為30 A，空載電壓為56 V，前級逆變頻率為100 kHz，后級晶體管的斬波工作頻率為250 kHz。下面是主要元器件選型與設(shè)計。

圖2 電源主電路

1.1 高頻變壓器

前級工作頻率為f=100 k，選定為錳鋅鐵氧體磁芯、原副線圈匝比為22:4的高頻變壓器。

1.2 輸出調(diào)整管

由于最大電流為30 A，考慮一定的裕量和功耗，則可選4個富士FMH23N50E并聯(lián)使用，該MOSFET最大功率損耗可達(dá)315 W，最大電流為23 A。

1.3 前級逆變功率管

由于逆變頻率為100 kHz，選用MOSFET作為充電電路的功率開關(guān)管。在選擇MOSFET型號時，判斷它是否為合適的器件，主要從漏源電壓Vds、導(dǎo)通阻抗Rds（on）和直流漏極電流值Id等幾個參數(shù)考；由于輸出最大電流為30 A，則變壓前最大電流為5.4 A，而交流電經(jīng)過整流后的最大電壓為Vin=342 V；在全橋逆變時每個管子承受的電壓為線電壓的一半?？紤]一定的裕量，則選用G20N50C。

1.4 電源輸入整流橋

電網(wǎng)的輸入電壓為市電220 V，考慮到電網(wǎng)波動在10%的范圍內(nèi)，所以輸入電壓可能在198～242 V之間，因此整流橋中二極管承受的反向電壓即電路峰值電壓為281～343 V，整流二極管耐壓值一般為工作中電壓值的2～3倍裕量，耐壓值為1 000 V即可滿足。而電源輸入最大平均電流5.4 A，二極管流過電流值應(yīng)留有2倍以上余量，取最大工作電流為25 A可滿足。選取KBPC2510整流橋，可滿足電源設(shè)計要求。

1.5 輸入濾波電容的選取

輸入整流之后的濾波對于獲得低紋波的直流電至關(guān)重要，濾波電容若取值過小，則濾波效果差，輸出直流脈動大；若取值過大，則電容的充電電流脈沖變窄，幅值增高，使整流二極管電流過沖變大，影響二極管的使用壽命。經(jīng)計算采用2個容量為470 uF、耐壓為450 V的鋁電解電容并聯(lián)。

2 驅(qū)動電路

本設(shè)計采用的控制芯片是Microchip公司針對開關(guān)電源推出的高性能16位數(shù)字信號控制器dsPIC33FJGS610，其直接輸出的PWM信號為TTL電平，驅(qū)動能力不夠，不能直接用來驅(qū)動功率開關(guān)管，需要設(shè)計驅(qū)動電路，將DSP控制芯片輸出的PWM控制信號進(jìn)行功率放大，再用來驅(qū)動功率開關(guān)管。因此驅(qū)動電路的設(shè)計非常重要，直接影響電源系統(tǒng)的輸出性能和可靠性。本文前后級電路均采用電壓驅(qū)動型的MOSFET，設(shè)計驅(qū)動電路時應(yīng)考慮以下要求:

1）驅(qū)動電路可以為MOSFET提供所需的導(dǎo)通正電壓和關(guān)斷負(fù)電壓，保證其可靠的開通與關(guān)斷。一般功率開關(guān)管可靠導(dǎo)通需要10～15 V的正向電壓，可靠關(guān)斷需要-2～-10 V的反向關(guān)斷電壓。

2）驅(qū)動電路可以提供足夠大的驅(qū)動電流，使柵源電壓在該驅(qū)動電流作用下快速上升到需要值，從而保證MOSFET管可靠、快速導(dǎo)通且不存在高頻震蕩。

3）驅(qū)動電路應(yīng)該為MOSFET柵源間電壓提供一個低阻抗的瀉放通路，保證功率開關(guān)管可快速關(guān)斷。

4）驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，并具有電氣隔離功能，能有效的減小控制電路和主電路之間相互干擾，防止功率開關(guān)損耗或燒壞驅(qū)動電路，從而保證電源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的工作。

MOSFET驅(qū)動電路按連接方式分為直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種不同的電路形式，隔離又可分為變壓器隔離和光耦隔離兩種形式[10-13]。根據(jù)驅(qū)動電路的要求，前級逆變結(jié)構(gòu)采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動電路，后級MOSFET組采用由6N137與IXDN604構(gòu)成的高頻驅(qū)動電路。

2.1 前級逆變驅(qū)動電路

因?yàn)榍凹壞孀冸娐返墓ぷ黝l率為100 kHz，并且需要進(jìn)行電氣隔離，則選取脈沖變壓器隔離驅(qū)動電路進(jìn)行驅(qū)動。脈沖變壓器隔離驅(qū)動電路以高頻脈沖變壓器作為隔離器件，驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動信號傳輸無延遲，能夠滿足驅(qū)動電路電氣隔離、反應(yīng)快速等要求，而且在高頻下脈沖變壓器的體積較小，為驅(qū)動電路節(jié)省了空間[14]。所設(shè)計的前級逆變的驅(qū)動電路如圖3所示。

電路的工作原理為:由于前級逆變結(jié)構(gòu)工作在推挽模式，則dsPIC33FJGS610芯片輸出的PWM驅(qū)動控制信號也應(yīng)該工作在推挽模式。即當(dāng)PWM1H為高電平時，則PWM1L為低電平；當(dāng)PWM1H為低電平時，PWM1L為高電平。當(dāng)PWM1H為高電平時，經(jīng)限流電阻R1以及C1、R3濾波后驅(qū)動晶體管VT1飽和導(dǎo)通，從而使VT2截止，因此VT2的集電極為電源電壓，VT5和VT6構(gòu)成的功率放大電路基極為高電平，從而使VT5導(dǎo)通；此時PWM1L為低電平，經(jīng)限流電阻R2以及C2、R4濾波后使晶體管VT3截止，VT3的集電極為高電平，驅(qū)動晶體管VT4飽和導(dǎo)通，VT4的集電極為低電平，VT7和VT8構(gòu)成的功率放大電路的基極為低電平，VT8導(dǎo)通。因而+24 V電源電壓經(jīng)過VT5、變壓器T1初級和VT8形成一個脈沖。同理，當(dāng)PWM1H為低電平時，PWM1L為高電平，驅(qū)動信號經(jīng)過VT1、VT3和VT2、VT4分別構(gòu)成一個集電極開路TTL電路，使中功率晶體管VT6和VT7導(dǎo)通，+24 V電源電壓經(jīng)過VT7、變壓器T1初級和VT6形成一個脈沖，通過原、副邊匝比為15:8脈沖變壓器T1電壓的交替變化，使驅(qū)動信號放大后耦合到次級，從而控制全橋逆變結(jié)構(gòu)交叉導(dǎo)通。全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中對稱橋臂的MOSFET則接一種柵極驅(qū)動電路，使其同時導(dǎo)通同時關(guān)斷的。

2.2 后級高頻驅(qū)動電路

后級MOSFET組工作在高頻狀態(tài)下，可以保證焊接電源具有更好的動態(tài)響應(yīng)，因此其驅(qū)動電路直接影響電源的性能[15-18]。后級高頻驅(qū)動電路采用6N137高速光耦進(jìn)行隔離，6N137是一款隔離電壓高達(dá)2 500 V，負(fù)載為350 Ω時的導(dǎo)通延遲僅為45 ns的高速光耦，非常適合作為高頻率驅(qū)動電路的隔離芯片。同時采用IXDN604作為PWM驅(qū)動芯片以保證MOSFET組正常的通斷。IXDN604為高速驅(qū)動芯片，輸出峰值電流可達(dá)4 A，工作電壓在4.5～35 V，最大上升與下降時間為75 ns。為了使驅(qū)動功率最大化，本文設(shè)計中將IXDN604的2引腳和3引腳、6引腳和7引腳分別短接，并聯(lián)使用，最大峰值電流可達(dá)8 A。后級晶體管組的高頻驅(qū)動電路如圖4所示。

圖3 前級逆變驅(qū)動電路

因?yàn)楣怦?N137內(nèi)部帶有非門，IXDN604的輸出與輸入同相，為了使DSP輸出的PWM信號與驅(qū)動電路的輸出在相位上保持一致以及在傳輸過程中不改變邏輯狀態(tài)，則在6N137的負(fù)輸入引腳反接控制芯片輸出的PWM原始信號，正輸入引腳接DSP芯片的工作電壓3.3 V，可以保證電路的正常時序和穩(wěn)定工作，使驅(qū)動電路最后輸出占空比可調(diào)的PWM信號。即當(dāng)dsPIC33FJGS610芯片輸出高電平時，驅(qū)動電路最后輸出+15 V，驅(qū)動MOSFET組導(dǎo)通；當(dāng)芯片輸出低電平時，驅(qū)動電路最后輸出-5 V，使MOSFET組加反向電壓從而截止。

圖4 高頻驅(qū)動電路

3 信號測試與分析

驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動信號的好壞決定了功率開關(guān)管能否正常工作，進(jìn)而決定焊接電源的輸出。因此高質(zhì)量的開關(guān)電源不僅要求驅(qū)動信號波形不失真，而且需要具有一個幅值和功率，能保證開關(guān)管能及時開通和關(guān)斷。因此，在主電路不上電的情況下，先給控制電路單獨(dú)上電，測試驅(qū)動電路的輸出情況，分析驅(qū)動信號能否滿足設(shè)計要求。

文中所設(shè)計的晶體管式微電弧焊接電源主電路包括前級逆變電路和后級斬波電路，前級逆變采用變壓器隔離式驅(qū)動電路控制四組功率開關(guān)管的開與關(guān)，后級斬波電路采用光耦隔離式驅(qū)動電路控制斬波功率開關(guān)管的開與關(guān)。圖5（a）是晶體管式微電弧焊接電源前級逆變驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動波形，示波器通道1是全橋逆變電路中一組對角橋臂功率開關(guān)管的驅(qū)動波形，通道2是另一組對角橋臂功率開關(guān)管的驅(qū)動波形。從圖中可知，驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動信號的頻率為f=100 kHz，占空比為50%，可提供+10 V左右的正向?qū)妷汉?2.5 V左右的反向關(guān)斷電壓，其上升沿與下降沿所花時間僅為幾百納秒，滿足驅(qū)動脈沖快速上升的要求。同時，在軟件中設(shè)置一定的死區(qū)時間來避功率開關(guān)管發(fā)生直通短路現(xiàn)象。圖5（b）是晶體管式微電弧焊接電源后級斬波驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動波形，從圖中可知，驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動信號的頻率為f=250 kHz、占空比為50%，可提供+15 V左右的正向?qū)妷汉?5 V左右的反向關(guān)斷電壓，保證MOSFET能快速的開通與關(guān)斷，并提高功率開關(guān)管工作的可靠性。

測試結(jié)果顯示，前級脈沖變壓器隔離驅(qū)動電路可輸出正常和穩(wěn)定的驅(qū)動信號，從而能使前級全橋逆變正常工作，為后級提供所需要的能量。后級高頻驅(qū)動電路可輸出頻率高達(dá)250 Hz的高頻驅(qū)動信號，從而可以快速地驅(qū)動后級晶體管組通斷，并通過電流負(fù)反饋控制，把采樣值與給定值比較，實(shí)時改變PWM信號的占空比，快速調(diào)節(jié)輸出所需的焊接電流和外特性。

圖5 驅(qū)動信號

4 結(jié)論

設(shè)計了一種新型晶體管式微電弧焊接電源的主電路與驅(qū)動電路。主電路的前級逆變結(jié)構(gòu)可采用電壓電流協(xié)調(diào)控制，通過改變前級驅(qū)動電路輸出的PWM驅(qū)動信號的占空比，從而調(diào)節(jié)逆變結(jié)構(gòu)的輸出電壓為后級晶體管組和電弧負(fù)載提供能量。后級晶體管組采用由高速光耦6N137與高速驅(qū)動芯片IXDN604構(gòu)成的簡單且實(shí)用的高頻驅(qū)動電路，通過電流負(fù)反饋控制，可快速調(diào)節(jié)輸出電流的大小和獲得所需要的外特性。這樣不僅減小了焊接電源的體積和重量，滿足節(jié)能節(jié)材的要求，同時焊接電源通過雙閉環(huán)控制調(diào)節(jié)工藝參數(shù)能滿足各種精細(xì)結(jié)構(gòu)件的焊接要求。

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Design of main circuit and drive circuit of transistor micro-arc power

LIU Ye-gui，CAO Biao
（College of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510640，China）

For the shortcomings of the traditional main circuit of the transistor welding power，a main circuit of the transistor-type micro-arc welding power based on the transistor，combining the first-stage inverter with the latter-stage transistor，is designed.The former stage adopts the inverter structure to supply power for the later-stage transistor group，and it adjusts the output voltage via the coordinated control of the voltage and current.The post-stage transistor group regulates the welding current and external characteristics by the negative current feedback.This circuit makes good use of the advantages of them.The front-stage inverter drive circuit which is isolated by a pulse transformer is designed and a high-frequency drive circuit of the post-stage transistor is designed with high-speed optocoupler 6N137 and driver chip IXDN604.The result of the drive signal shows that drive circuit can achieve high-speed transistor drive to achieve the main circuit operation.

transistor；micro-arc；main circuit；drive circuit

TN86

A

1674-6236（2017）23-0130-05

2016-11-12稿件編號：201611090

劉葉歸（1989—），男，湖南邵陽人，碩士研究生。研究方向：數(shù)字化電源裝備及智能控制。