高頻脈沖電子束偏壓電源設計

張 偉，蔣布輝，何 石，栗琪凱，孔令其

北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191

0 前言

相較于常規直流電子束，脈沖電子束能更好地發揮“匙孔”效應，在同等功率焊接時穿透深度和焊縫深寬比增大30%～50%［1］；采用脈沖電子束焊接薄板結構時可以更精確地控制熱輸入，達到防止工件過熱、減小焊接變形的目的［2-3］，特別是脈沖頻率超過20 kHz時，可以細化晶粒，改善焊縫性能［4-6］。

三級電子槍主要通過脈沖偏壓調節束流來實現脈沖電子束［4-8］。但是，受高壓隔離變壓器寄生電容、高壓整流濾波電容以及線路電感等限制，高頻脈沖電子束實現難度較大，國內外脈沖電子束的研究頻率大都低于1 kHz。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Kautz等人［7］對脈沖束流電子束焊接進行了較為詳細的研究，焊接過程中脈沖束流頻率最高為600 Hz，并且隨著頻率的增加，束流波形由方波逐漸畸變成類似正弦波；Nair等［3］使用60 kV、500 mA電子束焊機對7 mm厚的T87和T6時效狀態AA2219鋁合金進行了連續束流和脈沖束流電子束焊接，其中脈沖束流頻率為66.6 Hz，占空比為50%；北京航空航天大學齊鉑金、徐國寧等［5-6，8］通過低壓電路MOSFET斬波產生脈沖偏壓，再通過高壓隔離變壓器升壓產生高壓側的脈沖偏壓，受高壓絕緣和濾波電容等的影響，在頻率較高時脈沖偏壓波形產生嚴重畸變，能夠實現的最高脈沖頻率為1 kHz。在高頻脈沖電子束方面，齊鉑金、范霽康等［9-10］在高壓隔離變壓器后級的高壓電路中設置高壓MOSFET斬波電路，通過控制MOSFET的導通和關斷來產生高頻脈沖偏壓，進而獲得20 kHz高頻脈沖電子束。其中，MOSFET驅動信號采用0～20 kHz的脈沖信號調制1 MHz的基波信號，并通過高壓隔離變壓器傳遞到高壓端，然后再進行解調，解調后的0～20 kHz脈沖信號直接驅動MOSFET進行斬波以實現脈沖偏壓。同樣，由于高壓隔離變壓器的寄生電容和電感、解調電路的濾波電容，以及解調后的MOSFET驅動信號驅動能力不足等因素，降低了脈沖偏壓和上升沿和下降沿的變化速率。

本文基于調制解調的工作原理，設計了專門的高壓隔離通訊電路，可以實現脈沖頻率、占空比等高頻脈沖偏壓參數［10］以及啟動、停止等命令數據從低壓端向高壓端的傳輸；為了提高脈沖偏壓上升沿和下降沿的變化速度，在高壓端設計了專門的高壓斬波電路，通過高壓端PWM產生電路及驅動電路，控制高壓斬波電路的MOSFET功率開關管實現高頻快速導通和關斷；同時，設計了專門的隔離供電電源，為高壓端的高壓斬波電路供電，確保MOSFET的驅動信號具有足夠的驅動能力。設計的高頻脈沖電子束偏壓電源的脈沖偏壓波形在20 kHz時具有陡峭的上升沿和下降沿。

1 系統組成

高頻脈沖電子束偏壓電源主要由基值偏壓電源、脈沖偏壓電源、隔離通訊電路、隔離供電電路和高壓斬波電路組成，如圖1所示。

圖1 高頻脈沖電子束偏壓電源組成Fig.1 Composition of bias power supply for high frequency pulsed electron beam

基值偏壓電源由基值調壓電路、基值逆變電路、高壓隔離變壓器1和高壓整流濾波電路1組成，主要功能是產生基值偏壓直流電壓，調節范圍0～1 500 V；脈沖偏壓電源由脈沖調壓電路、脈沖逆變電路、高壓隔離變壓器2和高壓整流濾波電路2組成，主要功能是產生脈沖偏壓直流電壓，調節范圍0～500 V；隔離通信電路由直流電源1、通訊逆變電路、高壓隔離變壓器3和通訊解調電路組成，主要功能是通過調制解調電路將低壓端設置的脈沖偏壓頻率、占空比參數傳送至高壓端，并通過高壓斬波電路實現脈沖偏壓輸出；隔離供電電路由直流電源2、供電逆變電路、高壓隔離變壓器4和電源變換電路組成，主要功能是通過高壓隔離變壓器實現高壓端的高壓斬波電路供電。

高壓斬波電路由高壓斬波主電路、高壓PWM產生電路組成，其中高壓斬波主電路將脈沖偏壓電源的直流變換成脈沖偏壓輸出，高壓PWM產生電路通過串口接收低壓側發送的脈沖頻率、占空比參數，然后通過單片機中的PWM模塊產生高壓斬波PWM波形，再通過驅動電路連接至高壓斬波主電路，從而實現脈沖偏壓輸出。脈沖偏壓輸出再與基值偏壓串聯輸出，連接至三級電子槍的陰極和柵極，實現對電子束的調節，進而實現高頻脈沖電子束束流輸出。

基于上述幾部分電路既能實現普通直流偏壓電源的功能，又能實現高頻脈沖偏壓輸出，并且由于高壓斬波電路的PWM產生、供電和高壓斬波主電路均在高壓側，直接對脈沖偏壓直流進行斬波，因而可以實現高頻脈沖偏壓輸出，并使得脈沖偏壓具有快速變化的上升沿和下降沿。

2 主電路拓撲設計

2.1 低壓調壓電路

為了實現基值偏壓電源和脈沖偏壓電源輸出電壓的調節，均在高壓隔離變壓器的低壓側設置了低壓調壓電路，其主電路拓撲如圖2所示。

圖2 低壓調壓電路Fig.2 Low voltage regulating circuit

圖2中，AC220 V交流電通過AC/DC后變換成穩定的+48 V直流電，然后輸入由MOSFET功率開關管Q8、快恢復二極管VD13、電感L1和濾波電容C8組成的Buck電路進行降壓變換，變成0～48 V可調的直流電壓輸出。這樣，通過基值偏壓電源的高壓隔離變壓器1升壓后，在高壓側就可得到0～1 500 V可調的基值偏壓直流電壓；通過脈沖偏壓電源的高壓隔離變壓器2升壓后，在高壓側就可得到0～500 V可調的脈沖偏壓直流電壓。

2.2 逆變電路

在基值偏壓電源和脈沖偏壓電源中，低壓調壓電路輸出的直流電壓再連接至逆變電路進行變換。逆變電路的功能是將低壓調壓電路輸出的直流電壓再次變換成40 kHz的交流方波，然后經高壓隔離變壓器升壓后傳輸至高壓側進行整流濾波，進而得到基值偏壓直流電壓和脈沖偏壓直流電壓?；的孀冸娐泛兔}沖逆變電路的主電路均采用全橋逆變電路拓撲，如圖3所示。

圖3 全橋逆變主電路Fig.3 Full bridge inverter main circuit

隔離通訊電路和隔離供電電路的輸出功率較低，因此通訊逆變電路和供電逆變電路均采用半橋逆變主電路，如圖4所示。

圖4 半橋逆變主電路Fig.4 Half bridge inverter main circuit

2.3 高壓斬波主電路

為了實現高頻脈沖偏壓輸出，在高壓側脈沖偏壓直流電壓輸出后設計了高壓斬波主電路，如圖5所示。

圖5 高壓斬波主電路Fig.5 High voltage chopper main circuit

在圖5中，脈沖偏壓電源的高壓隔離變壓器2的高壓側輸出連接至由VD7、VD8、VD9、VD10、R1、R2和C6組成的全橋整流濾波電路，變換成脈沖偏壓直流電壓輸出，再經功率開關管Q7后變換成脈沖偏壓輸出。當高壓PWM控制波形為高時，Q7導通，脈沖偏壓輸出為高電壓；當高壓PWM控制波形為低時，Q7關斷，脈沖偏壓輸出為低電壓，其中快恢復二極管VD12為續流二極管。

3 控制電路

3.1 PWM發生電路

低壓端的PWM發生電路均由SG3525A及其外圍電路構成，如圖6所示。SG3525A是一款經典的PWM控制芯片，能產生兩路相位差為180°的PWM波形，并經芯片11、14引腳輸出；10腳為芯片的關斷引腳，當10腳為低電平時，PWM波形正常輸出，反之則PWM波形輸出關閉。PWM控制波形的輸出頻率和死區時間可以通過引腳5、6、7之間的電阻R5、R6和電容C11來設置。

圖6 低壓側PWM產生電路Fig.6 Low voltage side PWM generation circuit

3.2 通訊調制解調電路

基于串行通訊的工作原理設計了串行通訊調制解調電路，該電路主要由低壓端的信號調制電路和高壓端的信號解調及接收電路兩部分組成，如圖7所示。

圖7 通訊調制解調電路工作原理Fig.7 Working principle of communication modulation and demodu‐lation circuit

信號調制電路主要由觸摸屏、串行調制信號發生電路、SG3525A PWM發生電路、功率開關管驅動電路和通訊逆變主電路組成。首先，通過觸摸屏輸入高頻脈沖偏壓電子束的脈沖頻率、占空比參數及控制命令，然后這些參數通過單片機串行調制信號發生電路變換成含有脈沖頻率和占空比參數的一系列串行信號，波特率為1.2 kbps；該信號通過與非門反向后再連接至SG3525A PWM發生電路的10腳（見圖6中的SHUT信號）作為調制信號。在圖6中，當串行調制信號為高電平時，SG3525A輸出兩路頻率約60 kHz的PWM控制信號P1和P2，通過驅動電路后連接至通訊逆變電路，從而獲得高頻交流方波輸出；當串行調制信號為低電平時，SG3525A輸出關閉，通訊逆變電路無輸出。

調制后的高頻交流方波經高壓隔離變壓器3后傳輸至高壓端的信號解調及接收電路進行信號解調，如圖8所示。高頻交流方波經二極管VD13、VD14、VD15和VD16整流后，再經R7和C17進行濾波，基波高頻信號被濾除，解調成串行通訊信號，然后經比較器進行整形和電壓變壓后輸入高壓側單片機進行串行信號接收，從而實現脈沖頻率、占空比參數及控制命令的高壓隔離傳輸。串行通訊的具體調制和解調波形如圖9所示。

圖8 信號解調電路Fig.8 Signal demodulation circuit

圖9 通訊調制解調工作原理波形Fig.9 Waveform diagram of communication modem working principle

3.3 高壓斬波PWM波形發生電路

高壓斬波PWM波形發生電路由PIC單片機及其外圍電路構成，如圖10所示。解調后的串行通訊信號RX連接至單片機的串口接收端，實現脈沖參數和控制命令接收，再通過單片內部的PWM模塊，產生相應脈沖頻率和占空比參數的PWM波形信號，該信號再通過PWM驅動電路連接至圖5中功率開關管Q7的門極控制其導通和關斷，從而實現高頻脈沖偏壓輸出。

圖10 通訊接收及高壓斬波PWM電路Fig.10 Communication receiving and high voltage chopper PWM circuit

4 波形測試

4.1 調制解調波形

當串行通訊總線空閑時，串行調制信號為高電平，SG3525A輸出兩路高頻PWM控制信號P1和P2，控制通訊逆變電路在隔離變壓器3的一次側與二次側均得到連續的高頻交流方波輸出，解調后的串行通訊信號也為高電平，如圖11a所示；當需要傳遞高頻脈沖參數時，串行調制信號出現高低電平，對SG3525A輸出的高頻PWM控制信號P1和P2進行調制，使得隔離變壓器3的一次側與二次側均得到間斷的高頻交流方波輸出，解調后還原成串行通訊信號，如圖11b所示。

圖11 串行通訊調制解調波形Fig.11 Modulation and demodulation waveform of serial communication

4.2 高頻脈沖偏壓輸出波形

脈沖頻率為20 kHz、占空比分別為20%和50%的高頻脈沖偏壓的輸出波形如圖12所示。由圖可知，脈沖偏壓在20 kHz時具有陡峭的上升沿和下降沿，尤其是脈沖偏壓上升沿≤1 μs，為實現快速變化的高頻脈沖電子束束流提供了條件。

圖12 高頻脈沖偏壓輸出波形Fig.12 Bias Output waveform of high frequency pulse

5 結論

（1）提出了基值偏壓電源、脈沖偏壓電源和高壓斬波主電路串聯的高壓脈沖偏壓電源主電路結構，通過高壓斬波電路的MOSFET功率開關管導通和關斷實現了高頻脈沖偏壓輸出，產生的脈沖偏壓波形在20 kHz時具有陡峭的上升沿和下降沿，尤其是脈沖偏壓上升沿≤1 μs。

（2）基于調制解調工作原理，設計了高壓隔離通訊電源，實現了低壓端高頻脈沖頻率、占空比等參數及啟動、停止等命令向高壓端高壓斬波電路的可靠傳輸。

（3）設計了專門的高壓隔離供電電路，實現了高壓端高壓斬波電路的可靠供電，確保高壓斬波電路MOSFET功率開關管驅動信號有足夠的驅動能力。

文中提出的高頻脈沖電子束偏壓電源結構，可應用于脈沖電子束焊接等先進制造領域，能精準控制熱輸入，細化晶粒，有效改善焊縫質量。