半橋逆變型電子束焊機用直流高壓電源的設計

摘要：介紹了一種半橋逆變式電子束焊機用高壓電源的工作原理和控制電路的工作過程。結合PLC控制技術及電子束焊機用高壓電源的特點，提出一種以IGBT作為逆變器件來實現高壓電源的高效小型化。采用PLC控制技術實現電源的軟啟動功能,自動調節(jié)電路采用A/D和D/A轉換技術,提高了電源的可靠性。經過試驗，電源的各項性能指標都達到了預期的設計目標，電源的技術性能滿足電子束焊機的焊接工藝的需要。

關鍵詞：電子束焊機；高壓電源；脈寬調制；半橋逆變；原理

圖2電源主電路原理圖

半橋逆變型電子束焊機用直流高壓電源的設計

2高壓電源的主電路系統(tǒng)和參數

高壓電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，其主電路如圖2所示。它主要由以下電路組成。

2.1EMC濾波電路

開關電源工作時會產生傳導噪聲返回到市電網絡，影響電源控制電路的正常工作，并對其它的電器設備產生干擾，因此必須加以克服[2]。本電源采用EMC濾波電路，主要由L和C組成的電源線路濾波器，包括差模抑制和共模抑制電路，能有效抑制差模和共模噪聲。

2.2可控整流電路

可控整流電路由集成一體化智能調壓模塊組成，電感L1和電容C3組成濾波電路以獲得較為平穩(wěn)的直流電壓，Rc和Rd組成精密的反饋取樣電路，確保輸出電壓在控制電路的作用下保持穩(wěn)定。

2.3IGBT逆變電路

逆變電路由半橋電容C、IGBT、高壓變壓器、保護元件等組成。IGBT為富士公司的快速系列模塊，其型號為1MBH600?100。T為高壓變壓器，經IGBT逆變后的方波電壓經高壓變壓器升壓到40kV左右的高頻交流電壓。由于高壓線圈的匝數較多，在高頻時，寄生電容和自感會影響電源的輸出特性[3]，因此須對線圈采取靜電屏蔽，另外由于對地電容的作用，束流取樣電阻上會疊加一高頻交流信號[4]，必須采取補償措施加以消除。本電源采用雙屏蔽措施來消除束流干擾信號，即在高低壓線圈之間加裝雙層屏蔽，第一層屏蔽接地，第二層接在束流取樣電阻上。VL11、R9、C9、VL21、R19、C19組成IGBT的尖峰電壓吸收電路，確保IGBT的安全工作。

2.4高壓整流電路

高壓整流電路由高頻高壓硅堆、高壓濾波電容器、保護電阻及取樣電路組成。由于經高壓變壓器升壓后的電壓具有較高的頻率，所以選用高頻高壓快速整流硅堆以滿足高頻高壓整流的需要。濾波電容器選用高壓聚苯乙烯電容器，這種電容器具有較小的tgδ及高頻性能，對電源的輸出特性影響小。為有效地限制短路電流及電源內部過電壓的限流電阻和保護電阻，均采用具有熱性能穩(wěn)定、自感小、通流容量大，具有較強的耐受過電壓、電流沖擊能力的實體電阻。取樣電路中的高壓取樣信號由精密電阻分壓器獲得，分壓器由精密線繞無感電阻制成，頂部加裝屏蔽電極，保證取樣電壓的穩(wěn)定。電子束流取樣亦通過精密無感線繞電阻制成，兩種取樣電阻均放在電磁屏蔽盒里，

圖1電源的系統(tǒng)框圖 [!--empirenews.page--]

圖3電源的PWM及驅動控制原理圖

防止干擾信號進入控制電路。

3控制電路

控制電路由PI給定調節(jié)電路、PWM及其驅動電路等組成。整流控制電路保證市電整流后輸出電壓的穩(wěn)定。PI給定調節(jié)電路和PWM及其驅動電路實現直流高壓的穩(wěn)定和自動調節(jié)。各部分電路的工作原理如下。

3.1整流移相控制電路

整流控制電路為集成在調壓模塊內的厚模集成電路。整流后的直流電壓經電阻分壓器取樣并經電量隔離電路送入PI調節(jié)器的反饋端，PI調節(jié)器在給定和反饋的共同作用下，并經放大后輸出一直流信號給智能調壓模塊控制端，以控制晶閘管的觸發(fā)角，實現直流輸出電壓的穩(wěn)定調節(jié)。輔助電源采用集成一體化高精度線性電源，各電源地分別獨立，以減小地電流干擾信號對控制電路的影響。 3.2PI給定調節(jié)電路

PI給定調節(jié)電路由PLC和D/A模塊、PI調節(jié)器、反饋信號取樣及隔離電路等組成。給定信號由PLC程序設置，它包含了上升斜波函數及下降斜波函數，運算后的數字量經D/A模塊輸出到給定電位器，調節(jié)電位器能調節(jié)PI調節(jié)的給定信號的大小。反饋信號取自高精密電阻分壓器的低壓臂并經電量隔離電路輸入到PI調節(jié)器的反饋端。PI調節(jié)器由TL494[6]內部放大器和外接電阻電容組成，具體原理電路如圖3所示。

3.3PWM及其驅動電路

PWM及其驅動電路的電原理圖如圖3所示。PWM信號由TL494調制，TL494內部的另一放大器外接電流信號作為過流保護用。電流傳感器采用LEM公司生產的電流檢測隔離器件，能保證控制電路和主電路的可靠隔離，具有動態(tài)響應快、取樣電流信號與輸出電流線性度好的特點，能有效克服高壓電路的干擾信號對取樣電路的影響。反饋信號和給定信號在PI調節(jié)器調節(jié)后經TL494調制成兩路互補的PWM脈沖。TL494輸出的脈沖送入到IGBT的專用驅動模塊EXB840的輸入端，IGBT的驅動電路采用富士公司的EXB840專用驅動1200V、70A的模塊，內部采用2500V光電隔離電路，其輸入電壓為＋20V，其中＋15V作為IGBT的正向驅動電壓，－5V是IGBT關斷時加在IGBT的柵極與發(fā)射極之間的反向電壓，使之可靠關斷。腳14外接TL494輸出的PWM信號驅動IGBT，腳6通過二極管接到IGBT來檢測IGBT的過流信號，腳4外接控制電路把過流信號輸入到PLC，PLC對其進行運算和處理后發(fā)出過流信號?？刂齐娐返墓ぷ鬟^程為經PI調節(jié)器作用后的信號輸入到TL494內部，TL494輸出PWM脈沖，其占空比由PI調節(jié)器輸出信號的大小來決定，具有一定占空比的

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半橋逆變型電子束焊機用直流高壓電源的設計

PWM脈沖經EXB840作用后驅動IGBT，從而實現變壓器輸出電壓的穩(wěn)定調節(jié)。

4保護電路

高壓電源在工作時，電源的內部會產生過電壓或過電流以致?lián)p壞電源或IGBT，因此必須設置保護電路來保證電源的安全。電源設置了過壓保護、梯度上升及下降電路和過流保護電路。過流保護采用了三級保護：第一級是EXB840電路本身的過流保護檢測功能，即在IGBT過流時，IGBT驅動模塊的腳6會檢測到過流信號而直接封鎖輸出脈沖，關斷IGBT，同時EXB840的腳4經過外接電路輸出信號給PLC，PLC經過程序運算后，一方面發(fā)出過流信號指示，另一方面給晶閘管移相控制電路提供封鎖脈沖信號，關斷晶閘管主電路。第二級保護是利用TL494的內部放大器的腳15、16外接電流隔離傳感器，當檢測到的電流信號超過設定值時，TL494封鎖輸出脈沖，從而實現對IGBT的關斷。第三級保護是高壓側電子束流過流保護，當出現過電流時，束流取樣信號反饋到控制電路，控制電路發(fā)出過流信號給PLC，PLC分別發(fā)出關斷主電路和過流顯示信號，從而實現過流保護。電源還設置了過壓保護電路，能有效地對電源的過電壓進行保護，在高壓電源的內部還加裝了限流電阻及保護電阻，能有效地限制過電流和過電壓。為了克服開機時市電對電源的沖擊，通過PLC內部程序設置了軟啟動斜坡函數，經D/A模塊運算后作為PI調節(jié)器的給定，實現電源的軟啟動。

5電源系統(tǒng)的技術指標

電源的技術指標如下：

輸入電壓220V，50Hz； 輸出電壓0～60kV，紋波系數<1％，穩(wěn)定度

10－4；

電子束流0～167mA，紋波系數<1％；

逆變頻率20kHz；

輸出功率0～10kW；

效率>80％。

6結語

經試驗，電源的各項技術指標均達到了預期的設計目標。電子束焊機用高壓電源采用逆變式高壓電源，有利于整個設備的小型化，特別適用于便攜式電子束焊機，提高了設備的使用效率，較容易實現對高壓的自動化聯(lián)鎖保護，使得設備操作更加簡單。

大功率電子束焊機用高壓電源采用逆變電源還需要進一步地研究。對于大功率焊機電源（30kW以上），體積和能耗處于相對非突出位置，另一方面大功率電源的高壓放電時的保護技術、高頻變壓器的制造技術、逆變控制技術等有待于進一步地研究和開發(fā)。 由于可靠性和電源效率的提高，中等功率的焊機采用本設計的高壓電源（3～15kW）值得推廣和應用。在高壓打火時電源對低壓電路的影響、IGBT的過流和過壓保護、EMC等方面采取了有效的措施，保證了電子束焊機的工作需要。

高壓焊機用高壓電源（150kV）采用逆變高壓電源，在高壓聯(lián)鎖保護方面優(yōu)點明顯，對電子束斑品質的改善、焊接工藝的提高方面尤其如此。開展高壓焊機用高壓電源的研究是我國電子束焊機制造業(yè)的新課題，本電源的經驗和設計數據對高壓焊機用高壓電源的研究具有參考意義。