一種基于BUCK軟換流型DC-DC電路脈沖TIG焊機

汪殿龍，張志洋，李亞博

(河北科技大學 材料科學與工程學院，河北 石家莊 050018)

0前言

脈沖TIG（Tungsten Insert Gas）焊作為一種高效、優質、節能的焊接方法，具有獨特的優越性，得到了廣泛的應用。目前常用的脈沖TIG焊機多為逆變式，電路結構復雜且成本較高。在低熱輸入量焊接場合如冷修補焊接時，普通脈沖TIG焊的缺點是修復精度低、熱輸入量大、零部件的熱變形量大[1]。相對于傳統的逆變焊接電源，DC-DC斬波電源作為一種傳統的電源結構更容易實現高頻，沒有逆變電源中變壓器偏磁的問題，能夠隨意伸縮占空比，并具有快速的負載階躍響應，能實現良好的動態特性、穩定性和可靠性[2]，同時可以精確控制熱輸入量，尤其在小電流場合具有較大的優勢。

針對冷修復焊接，本研究提出一種基于Buck型DC-DC變換電路的脈沖TIG焊機，該電路通過控制脈沖時間（1～500 ms）進行瞬時放電，脈沖頻率可調節，使被修復工件有充分的冷卻時間，實現冷修補，彌補了傳統修復工藝存在的問題。

1 總體結構

焊機總體結構原理如圖1所示。AC 220 V工頻交流電經過變壓器降壓后變為AC 50 V電壓，經過整流電路和濾波電路變成直流電壓。由開關管S、二極管VD和電感L組成的Buck型DC-DC電路將直流電壓降為焊接所需要的電壓。降壓變壓器二次線圈采用雙繞組，濾波電容C采用多電容并聯陣列，在濾波的同時為焊接脈沖提供能量。

圖1 焊機總體原理框圖

焊機通電后，首先開啟氣閥進行自動檢氣，然后設定焊接脈沖電流、脈沖頻率、脈沖時間，并通過數碼管顯示。當控制電路接收到焊接啟動信號時，高頻引弧電路工作，PWM發生電路同時工作，控制電路會根據PI調節電路所發出的信號實時調整電流，輸出PWM控制信號并驅動Buck斬波電路進行焊接。焊接電流為連續脈沖群，直到控制電路接收到焊接停止信號，輸出脈沖停止，終止焊接過程。

2Buck型DC-DC降壓電路

基本的Buck型DC-DC降壓電路屬于硬開關型，其電路原理如圖2所示[3]。

使用電路仿真軟件對基本的硬開關型Buck電路進行仿真，結果如圖3所示。

圖2 基本Buck電路原理

由圖3a可知，有明顯的尖峰電流，功率開關管通態電流為40 A時其幅度可達60 A，這種電流尖峰對于焊接過程和主功率器件極為不利，容易引起器件損壞和焊接電弧不穩定。同時在圖3a、圖3b中，開關管在開通和關斷瞬間都有重疊部分，形成較大開關損耗。開關損耗隨著開關頻率的升高會趨于明顯，會降低整個電路的效率，同時也會降低開關管的壽命。

圖3基本Buck電路開關仿真波形

由以上仿真結果可以看出，基本的硬開關Buck電路存在較高的電流尖峰和開關損耗問題，尤其是在開關頻率較高的情況下更為明顯。因此，在基本的Buck型DC-DC降壓電路基礎上，提出了一種軟換相型Buck電路，其電路原理如圖4所示。

圖4 軟換相Buck電路原理

圖4中，電容C、開關管S、續流二極管VD和儲能電感L組成基本的Buck電路，其余元器件組成軟換相輔助回路。當S由導通轉為截止時，由于C1、VD1支路的存在，輸入電流Iin由S換相至VD1并對C1充電，延遲了S的關閉時間，減小了du/dt，對S的兩端電壓加以適當的抑制，起到保護S的作用。C2中的電荷通過VD3續流釋放到負載，同時隨著C1電壓逐漸升高，流過VD1的電流Io將逐漸減小至零，同時流過VD的電流I1從零開始增加，直至所有電流全部從VD、L流過，為加快這一過程，將L2設為飽和式電感，這樣完成S與VD的換相過程，為下一次的S、VD換相做好準備。當S由截止轉為導通的瞬間，由于 VD1、VD2、VD3支路中 L1和 VD 支路中L2的存在，因二極管反向恢復時間引起的S的電流尖峰被抑制，并在極短的時間內對C2進行充電，S完全導通后，通過L為負載提供能量，進入下一個開關周期。

對圖4所示的軟換流電路進行仿真，仿真結果如圖5所示。

對比圖4和圖5可知，開關管S開通瞬間的di/dt和電流尖峰被抑制到較小范圍，關斷瞬間du/dt減小，開關管開通和關斷瞬間幾乎無重疊，大大降低了開關損耗。

圖6 脈沖控制電路原理

圖5 軟換相Buck電路仿真結果

3脈沖控制電路設計

焊機主功率開關管的控制采用PWM信號控制，頻率20 kHz。脈沖控制電路實質上是控制PWM信號的輸出，其原理如圖6所示。

為了提高電路的穩定性，電路使用U2（NE555）組成單穩態電路，用于控制U3（JK觸發器）的翻轉，上升沿觸發。脈沖時間信號是由電位器設定一個電壓作為參考；脈沖頻率信號是由焊接啟/停信號與脈沖頻率設定信號經過邏輯判斷后輸出的信號；控制信號用于控制PWM的輸出，高電平時封鎖PWM信號；電流檢測信號檢測有無電流反饋信號，有電流輸出時為高電平，反之為低電平；PWM控制信號是脈沖控制電路的最終輸出信號。

脈沖控制電路工作原理為：焊接停止時，脈沖頻率信號被拉低，電流檢測信號為低電平，U3置位，14腳輸出低電平，PWM控制信號被封鎖，焊機無輸出；焊接剛啟動而電弧未引燃時，電流檢測信號仍為低電平，脈沖頻率信號為預設的脈沖信號，當它為高電平時，U3的14腳輸出保持低電平，PWM控制信號為低電平，PWM正常輸出，提供引弧電壓；電弧引燃后，“電流檢測信號”變為高電平，三極管V2導通，M3截止，+15 V電源通過R1為電容E1充電，當E1的電壓大于“脈沖時間信號”電位器所設定的電壓時，比較器U1輸出高電平，使V1導通，U2的低電平觸發端（2腳）變為低電平，單穩態電路的輸出由低電平變為高電平，U3翻轉，使PWM控制信號變成高電平，PWM停止輸出，單個脈沖周期結束，當脈沖頻率信號再次由低電平變為高電平時，開始下一個脈沖周期。

4 實驗結果和分析

通過改變預設脈沖時間和脈沖頻率，分別采集輸出電流波形和開關管兩端的電壓波形，如圖7所示。

圖7不同脈沖時間輸出電流波形

由圖7可知，單個脈沖時間與設定時間吻合，說明脈沖控制電路控制性能較好；實驗所使用的電流傳感器的傳輸比為100 A/V，由圖7d可知，脈沖電流由0上升至70A的時間小于等于10μs，說明Buck電路滿足了脈沖焊接時對電流響應速度的要求。

圖8所示為有脈沖輸出時開關管兩端的電壓波形，在開關頻率為20 kHz時，開關管兩端無尖峰出現，與仿真結果一致。

5 結論

（1）在基本Buck型DC-DC變換電路的基礎上加入了軟換相電路，解決了主功率器件的換相問題，消除了開關管上的電壓電流尖峰，降低了開關損耗。

圖8 開關管兩端電壓波形

（2）設計的脈沖控制電路可以精確控制脈沖電流、脈沖時間、脈沖頻率，控制特性較好。

（3）Buck型DC-DC斬波電路可以很好地滿足脈沖瞬間快速放電的要求，脈沖上升沿和下降沿小于等于10 μs，且輸出電流很平穩，有利于瞬時焊接。

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[1]張 慶，孟令東，楊軍偉，等.高能脈沖精密冷補技術用于修復零件表面局部缺損[J].中國表面工程，2011，24（1）：79-83.

[2]盧振洋，馬 琳，黃鵬飛.基于BUCK電路的電源功率平臺的研制[J].電焊機，2011，41（4）：20-23.

[3]趙莉華，舒欣梅.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2010.