基于零電壓開關技術的逆變式電子束焊機電源的研究

賀州學院機電工程學院 朱思思 楊建湘 張偉亮深圳市中科明望通信軟件有限公司 陳朝迎

基于零電壓開關技術的逆變式電子束焊機電源的研究

賀州學院機電工程學院 朱思思 楊建湘 張偉亮
深圳市中科明望通信軟件有限公司 陳朝迎

【摘要】介紹了一種運用PWM-Buck電路和零電壓開關技術的全橋逆變式高頻高壓電子束焊機電源及控制系統，實現了高壓電源的輸出電壓的連續可調、穩定的過流過壓保護和穩壓精度的要求，且提高了系統的能量轉換效率。

【關鍵詞】PWM；全橋逆變；電子束焊機

0.引言

電子束焊接機因能量密度高、熔透性強、焊接變形區小、易于控制、焊縫純凈、焊接范圍廣等突出優點在航空、航天、核工業領域得到了廣泛的應用。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變為熱能，使焊件熔融，達到焊接的目的［1］。高壓直流電源作為電子束焊機的關鍵部件之一，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焊接的好壞。

1.直流高壓電源

電子束焊機的高壓直流電源系統結構圖如圖1所示。由電網濾波器、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、障判別電路、中央控制單元、高壓調節器、信號綜合器和功率開關驅動電路等組成［2］。其工作過程如下：將三相市電經濾波器濾波后再經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，將不可控直流電變成可控的直流電變成可控的直流電，可通過控制開關管的通斷改變輸出電壓大小。再利用全橋逆變電路完成DC/AC變換，全橋逆變電路采用零電壓軟開關技術實現高頻。最后由高頻高壓升壓變壓器升壓后，經整流濾波后輸出。通過精密電阻網絡將直流高壓輸出采樣和束流采樣作為反饋，經信號綜合及保護元件，進行PI調節生成PWM單元，改變Buck電路和DC/DC轉換中（IGBT）占空比，實現輸出電壓的可調節，達到閉環控制的目的。

圖1 電子束焊機的高壓直流電源系統結構圖

圖中標號為：1-電網濾波器，2-輸入整流濾波器，3-電壓霍爾傳感器，4-電流霍爾傳感器，5-buck降壓斬波電路6-逆變器，7-高頻高壓變壓器，8-高壓整流濾波器，9-高壓放電扼流電路，10-高壓取樣電路，11-電子束流取樣電阻，12-障判別電路，13-中央控制單元，14-高壓調節器，15-信號綜合器，16-功率開關驅動電路

1.1 零電壓開關技術的移相全橋逆變電路

移相調壓實際上就是調節輸出電壓脈沖的寬度。下面對單相全橋逆變電路工作過程進行分析：如圖2所示為單相全橋逆變電路和工作波形。

設在t0時刻前V1和V4導通，輸出電壓為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不能立即導通，VD3導通續流。因為V1和VD3同時導通，所以輸出電壓為零，到t2時刻時刻V1和V2柵極信號反向，V1截止，而V2不能立即導通，VD2導通續流和VD3構成電流通道，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不能立刻導通，VD4導通續流，u0再次為零。

圖2 單相移相全橋逆變電路及其工作波形

移相全橋軟開關逆變器將PWM控制與軟開關相結合，大大的降低了IGBT的損耗，且良好的改善了器件的運行環境。移相全橋軟開關技術應用諧振變流原理，迫使功率器件上的電壓迅速降為零，功率器件實現了在零電壓下開啟和關斷，為功率器件提供了理想的開關條件。電感L與功率開關管輸出電容諧振，電感儲能釋放過程中，電容的電壓逐漸下降為零，使功率開關管的續流二極管開通，從而使功率開關管IGBT零電壓開通和零電壓關斷，實現了大大的降低了IGBT的損耗和良好的改善了器件的運行環境的作用。

1.2 Buck電路

Buck電路是一種降壓式變換電路。改變開關管導通時間ton可控制輸出電壓與輸入電壓之比，等于功率開關管的導通時間ton與整個周期之比；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可以通過，而抑制的諧波分量通過；輸出電壓就是us（t） 的直流分量再附加微小紋波，減小了高壓直流電源的紋波系數。當功率開關管導通時，電感電流增加，電感儲能；而當開關管截止時，電感電流減小。Buck電路將不可控直流變成可控的直流電，使高壓直流電源可控性提高。

1.3 控制系統

控制系統包括反饋系統、各功率管驅動電路、高壓放電扼流電路、中央控制單元、高壓調節器、故障判別電路、信號綜合器。反饋系統包括電壓反饋和電流反饋兩部分；電壓反饋采用在高壓側用精密電阻分壓的方法來實現。電流反饋在低壓側采用精密度高、響應速度快的電流霍爾互感器實現；高壓側采用串聯精密電阻串聯的方法，將束流信號變成與之成正比的電壓進行測量。高壓放電扼流電路用于抑制高壓放電電流的上升速率，減緩放電產生的電磁沖擊強度。中央控制單元（由工業計算機或可編程控制器（PLC）承

擔）數字設定經數模轉換（DC/AC）產生高壓設定信號送入高壓調節器，用于產生加速電壓的設定波形，包括升降斜率和工作電壓的設定。高壓調節器為比例-積分（PI）調節器結構，用于加速電壓的精度控制，并保證加速電源穩定運行。正常工作時，接收高壓設定信號和反饋信號，其輸出送入信號綜合器；故障判別電路有信號輸出時，調節器的輸出被封鎖。信號綜合器把高壓調節器的輸出信號、電壓霍爾傳感器的輸出信號和電子束流給定信號線性疊加后輸出信號接至逆變器驅動電路和buck電路驅動電路，調節脈寬調制輸出波的占空比。故障判別電路接受來自高壓取樣電路、電子束流取樣電阻、逆變器驅動電路和電流霍爾傳感器的輸出信號，對加速電源運行狀態實時監控，出現異常時輸出三路信號，第一路送入高壓調節器用于封鎖調節器的輸出，第二路送入逆變器驅動電路用于封鎖驅動電路的輸出，第三路送入中央控制單元，用于實現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定的上限值、電子束流是否超越設定的上限值、是否產生高壓放電現象及逆變器任一功率開關管是否異常、供電回路電流是否超越設定的上限值，任一事件的發生都輸出信號。功率管驅動電路用于產生逆變器中和buck電路中各功率開關管合理的驅動脈沖，并實時檢測各管的工作狀態。其產生的驅動波形經隔離放大后分別接至各個功率開關管的控制極，各個功率開關管的集電極有信號反饋回功率開關驅動電路用于監控開關管工作狀況，任一開關管工作狀況出現異常，開關管驅動電路將輸出一個信號送入故障判別電路。故障判別電路有信號輸出時，驅動電路的輸出被封鎖。

2.結束語

利用零電壓開關技術的移相全橋逆變式電子束焊機，實現了零電壓開啟和關斷，減小了開關損耗，可大大減小散熱器的尺寸，同時使開關器件頻率提高，進一步減小變壓器的體積和整機的質量；且通過利用PWM調節實現調整Buck電路的輸出電壓、逆變電路的輸出電壓和功率實現了加速電源的兩次調節，提高了調節的可靠性。

參考文獻

［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，2010（2）.

［3］趙本虎，羅進，楊濤.應用于電子束焊機的80KV/15KW高壓直流電源的研究［J］.電工技術，2011（5）∶16-18.

［4］何少佳，李建玲，莫金海，李海標.電子束焊機電源控制系統的設計月與實現［J］.焊接學報，2012，33（1）.

［5］王澤庭.高壓電子束焊機電源的研究與實現［D］.北京∶北方工業大學，2011.

基金項目：廣西教育廳高校科研項目（KY2015YB305）；賀州學院教改項目（HZXYJG201527）。

作者簡介：

朱思思（1988—），女，江西南昌人，碩士，主要研究方向：電力電子與電力傳動及數字圖形圖像處理。