叶汉民，蒋存波，王文成
(桂林工学院电子与计算机系，广西 桂林 541004）
摘 要： 介 绍 了 一 种 半 桥 逆 变 式 电 子 束 焊 机 用 高 压 电 源 的 工 作 原 理 和 控 制 电 路 的 工 作 过 程 。 结 合 PLC控 制 技 术 及 电 子 束 焊 机 用 高 压 电 源 的 特 点 ， 提 出 一 种 以 IGBT作 为 逆 变 器 件 来 实 现 高 压 电 源 的 高 效 小 型 化 。 采 用 PLC控 制 技 术 实 现 电 源 的 软 启 动 功 能 ,自 动 调 节 电 路 采 用 A/D和 D/A转 换 技 术 ,提 高 了 电 源 的 可 靠 性 。 经 过 试 验 ， 电 源 的 各 项 性 能 指 标 都 达 到 了 预 期 的 设 计 目 标 ， 电 源 的 技 术 性 能 满 足 电 子 束 焊 机 的 焊 接 工 艺 的 需 要 。
关键词： 电 子 束 焊 机 ； 高 压 电 源 ； 脉 宽 调 制 ； 半 桥 逆 变 ； 原 理
1 引 言
电 子 束 焊 机 用 高 压 电 源 的 高 效 小 型 化 是 电 子 束 焊 机 的 发 展 需 要 [1]。 电 子 束 焊 机 从 当 初 的 试 验 室 应 用 发 展 到 应 用 于 工 业 领 域 以 来 ， 其 高 压 电 源 亦 经 过 了 近 50年 的 发 展 历 程 。 从 高 压 电 源 的 发 展 阶 段 看 ， 最 初 的 高 压 电 源 由 调 压 器 人 工 开 环 控 制 和 调 节 高 压 ， 整 流 器 件 为 闸 流 管 ， 这 种 原 始 的 控 制 和 调 节 仅 满 足 于 试 验 研 究 和 要 求 不 高 的 应 用 场 合 。 体 积 大 、 效 率 低 、 操 作 复 杂 和 可 靠 性 差 是 该 种 电 源 的 主 要 缺 点 。 随 着 近 代 电 子 技 术 及 电 力 电 子 技 术 的 快 速 发 展 ， 一 些 先 进 的 元 器 件 如 晶 闸 管 被 成 功 地 应 用 到 高 压 电 源 的 设 计 和 制 造 领 域 。 由 于 电 源 采 用 闭 环 控 制 ， 实 现 了 高 压 的 自 动 控 制 和 调 节 ， 这 使 电 源 的 稳 定 性 、 纹 波 电 压 及 可 靠 性 等 技 术 指 标 都 得 到 了 显 著 的 提 高 ， 而 高 压 电 源 性 能 的 提 高 也 改 善 了 电 子 束 焊 机 的 焊 接 质 量 ， 促 进 了 电 子 束 焊 机 的 发 展 。
自 上 世 纪 90年 代 以 来 ， 新 型 电 力 电 子 器 件 （ 如 IGBT） 、 数 字 控 制 技 术 及 自 动 控 制 技 术 的 快 速 发 展 和 广 泛 应 用 ， 更 加 促 进 了 电 子 束 焊 机 电 源 的 发 展 。 西 方 国 家 开 始 应 用 现 代 新 技 术 和 新 材 料 研 制 电 子 束 焊 机 ， 如 比 较 大 型 的 电 子 束 焊 机 及 电 子 束 技 术 应 用 生 产 线 均 采 用 计 算 机 控 制 ， 实 现 人 工 智 能 化 操 作 和 管 理 。 一 般 小 型 机 则 采 用 PLC控 制 ， 由 于 PLC具 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力 及 控 制 功 能 强 等 特 点 ， 容 易 实 现 对 电 子 束 焊 机 的 可 靠 控 制 。
2 高 压 电 源 的 主 电 路 系 统 和 参 数
高 压 电 源 的 系 统 框 图 如 图 1所 示 ， 其 主 电 路 如 图 2所 示 。 它 主 要 由 以 下 电 路 组 成 。
2.1 EMC滤 波 电 路
开 关 电 源 工 作 时 会 产 生 传 导 噪 声 返 回 到 市 电 网 络 ， 影 响 电 源 控 制 电 路 的 正 常 工 作 ， 并 对 其 它 的 电 器 设 备 产 生 干 扰 ， 因 此 必 须 加 以 克 服 [2]。 本 电 源 采 用 EMC滤 波 电 路 ， 主 要 由 L和 C组 成 的 电 源 线 路 滤 波 器 ， 包 括 差 模 抑 制 和 共 模 抑 制 电 路 ， 能 有 效 抑 制 差 模 和 共 模 噪 声 。
2.2 可 控 整 流 电 路
可 控 整 流 电 路 由 集 成 一 体 化 智 能 调 压 模 块 组 成 ， 电 感 L1和 电 容 C3组 成 滤 波 电 路 以 获 得 较 为 平 稳 的 直 流 电 压 ， Rc和 Rd组 成 精 密 的 反 馈 取 样 电 路 ， 确 保 输 出 电 压 在 控 制 电 路 的 作 用 下 保 持 稳 定 。
2.3 IGBT逆 变 电 路
逆 变 电 路 由 半 桥 电 容 C、 IGBT、 高 压 变 压 器 、 保 护 元 件 等 组 成 。 IGBT为 富 士 公 司 的 快 速 系 列 模 块 ， 其 型 号 为 1MBH600 100。 T为 高 压 变 压 器 ， 经 IGBT逆 变 后 的 方 波 电 压 经 高 压 变 压 器 升 压 到 40kV左 右 的 高 频 交 流 电 压 。 由 于 高 压 线 圈 的 匝 数 较 多 ， 在 高 频 时 ， 寄 生 电 容 和 自 感 会 影 响 电 源 的 输 出 特 性 [3]， 因 此 须 对 线 圈 采 取 静 电 屏 蔽 ， 另 外 由 于 对 地 电 容 的 作 用 ， 束 流 取 样 电 阻 上 会 叠 加 一 高 频 交 流 信 号 [4]， 必 须 采 取 补 偿 措 施 加 以 消 除 。 本 电 源 采 用 双 屏 蔽 措 施 来 消 除 束 流 干 扰 信 号 ， 即 在 高 低 压 线 圈 之 间 加 装 双 层 屏 蔽 ， 第 一 层 屏 蔽 接 地 ， 第 二 层 接 在 束 流 取 样 电 阻 上 。 VL11、 R9、 C9、 VL21、 R19、 C19组 成 IGBT的 尖 峰 电 压 吸 收 电 路 ， 确 保 IGBT的 安 全 工 作 。
2.4 高 压 整 流 电 路
高 压 整 流 电 路 由 高 频 高 压 硅 堆 、 高 压 滤 波 电 容 器 、 保 护 电 阻 及 取 样 电 路 组 成 。 由 于 经 高 压 变 压 器 升 压 后 的 电 压 具 有 较 高 的 频 率 ， 所 以 选 用 高 频 高 压 快 速 整 流 硅 堆 以 满 足 高 频 高 压 整 流 的 需 要 。 滤 波 电 容 器 选 用 高 压 聚 苯 乙 烯 电 容 器 ， 这 种 电 容 器 具 有 较 小 的 tgδ 及 高 频 性 能 ， 对 电 源 的 输 出 特 性 影 响 小 。 为 有 效 地 限 制 短 路 电 流 及 电 源 内 部 过 电 压 的 限 流 电 阻 和 保 护 电 阻 ， 均 采 用 具 有 热 性 能 稳 定 、 自 感 小 、 通 流 容 量 大 ， 具 有 较 强 的 耐 受 过 电 压 、 电 流 冲 击 能 力 的 实 体 电 阻 。 取 样 电 路 中 的 高 压 取 样 信 号 由 精 密 电 阻 分 压 器 获 得 ， 分 压 器 由 精 密 线 绕 无 感 电 阻 制 成 ， 顶 部 加 装 屏 蔽 电 极 ， 保 证 取 样 电 压 的 稳 定 。 电 子 束 流 取 样 亦 通 过 精 密 无 感 线 绕 电 阻 制 成 ， 两 种 取 样 电 阻 均 放 在 电 磁 屏 蔽 盒 里 ， 防 止 干 扰 信 号 进 入 控 制 电 路 。
3 控 制 电 路
控 制 电 路 由 PI给 定 调 节 电 路 、 PWM及 其 驱 动 电 路 等 组 成 。 整 流 控 制 电 路 保 证 市 电 整 流 后 输 出 电 压 的 稳 定 。 PI给 定 调 节 电 路 和 PWM及 其 驱 动 电 路 实 现 直 流 高 压 的 稳 定 和 自 动 调 节 。 各 部 分 电 路 的 工 作 原 理 如 下 。
3.1 整 流 移 相 控 制 电 路
整 流 控 制 电 路 为 集 成 在 调 压 模 块 内 的 厚 模 集 成 电 路 。 整 流 后 的 直 流 电 压 经 电 阻 分 压 器 取 样 并 经 电 量 隔 离 电 路 送 入 PI调 节 器 的 反 馈 端 ， PI调 节 器 在 给 定 和 反 馈 的 共 同 作 用 下 ， 并 经 放 大 后 输 出 一 直 流 信 号 给 智 能 调 压 模 块 控 制 端 ， 以 控 制 晶 闸 管 的 触 发 角 ， 实 现 直 流 输 出 电 压 的 稳 定 调 节 。 辅 助 电 源 采 用 集 成 一 体 化 高 精 度 线 性 电 源 ， 各 电 源 地 分 别 独 立 ， 以 减 小 地 电 流 干 扰 信 号 对 控 制 电 路 的 影 响 。
3..2 PI给 定 调 节 电 路
PI给 定 调 节 电 路 由 PLC和 D/A模 块 、 PI调 节 器 、 反 馈 信 号 取 样 及 隔 离 电 路 等 组 成 。 给 定 信 号 由 PLC程 序 设 置 ， 它 包 含 了 上 升 斜 波 函 数 及 下 降 斜 波 函 数 ， 运 算 后 的 数 字 量 经 D/A模 块 输 出 到 给 定 电 位 器 ， 调 节 电 位 器 能 调 节 PI调 节 的 给 定 信 号 的 大 小 。 反 馈 信 号 取 自 高 精 密 电 阻 分 压 器 的 低 压 臂 并 经 电 量 隔 离 电 路 输 入 到 PI调 节 器 的 反 馈 端 。 PI调 节 器 由 TL494[6]内 部 放 大 器 和 外 接 电 阻 电 容 组 成 ， 具 体 原 理 电 路 如 图 3所 示 。
3.3 PWM及 其 驱 动 电 路
PWM及 其 驱 动 电 路 的 电 原 理 图 如 图 3所 示 。 PWM信 号 由 TL494调 制 ， TL494内 部 的 另 一 放 大 器 外 接 电 流 信 号 作 为 过 流 保 护 用 。 电 流 传 感 器 采 用 LEM公 司 生 产 的 电 流 检 测 隔 离 器 件 ， 能 保 证 控 制 电 路 和 主 电 路 的 可 靠 隔 离 ， 具 有 动 态 响 应 快 、 取 样 电 流 信 号 与 输 出 电 流 线 性 度 好 的 特 点 ， 能 有 效 克 服 高 压 电 路 的 干 扰 信 号 对 取 样 电 路 的 影 响 。 反 馈 信 号 和 给 定 信 号 在 PI调 节 器 调 节 后 经 TL494调 制 成 两 路 互 补 的 PWM脉 冲 。 TL494输 出 的 脉 冲 送 入 到 IGBT的 专 用 驱 动 模 块 EXB840的 输 入 端 ， IGBT的 驱 动 电 路 采 用 富 士 公 司 的 EXB840专 用 驱 动 1200V、 70A的 模 块 ， 内 部 采 用 2500V光 电 隔 离 电 路 ， 其 输 入 电 压 为 ＋ 20V， 其 中 ＋ 15V作 为 IGBT的 正 向 驱 动 电 压 ， － 5V是 IGBT关 断 时 加 在 IGBT的 栅 极 与 发 射 极 之 间 的 反 向 电 压 ， 使 之 可 靠 关 断 。 脚 14外 接 TL494输 出 的 PWM信 号 驱 动 IGBT， 脚 6通 过 二 极 管 接 到 IGBT来 检 测 IGBT的 过 流 信 号 ， 脚 4外 接 控 制 电 路 把 过 流 信 号 输 入 到 PLC， PLC对 其 进 行 运 算 和 处 理 后 发 出 过 流 信 号 。 控 制 电 路 的 工 作 过 程 为 经 PI调 节 器 作 用 后 的 信 号 输 入 到 TL494内 部 ， TL494输 出 PWM脉 冲 ， 其 占 空 比 由 PI调 节 器 输 出 信 号 的 大 小 来 决 定 ， 具 有 一 定 占 空 比 的 PWM脉 冲 经 EXB840作 用 后 驱 动 IGBT， 从 而 实 现 变 压 器 输 出 电 压 的 稳 定 调 节 。
4 保 护 电 路
高 压 电 源 在 工 作 时 ， 电 源 的 内 部 会 产 生 过 电 压 或 过 电 流 以 致 损 坏 电 源 或 IGBT， 因 此 必 须 设 置 保 护 电 路 来 保 证 电 源 的 安 全 。 电 源 设 置 了 过 压 保 护 、 梯 度 上 升 及 下 降 电 路 和 过 流 保 护 电 路 。 过 流 保 护 采 用 了 三 级 保 护 ： 第 一 级 是 EXB840电 路 本 身 的 过 流 保 护 检 测 功 能 ， 即 在 IGBT过 流 时 ， IGBT驱 动 模 块 的 脚 6会 检 测 到 过 流 信 号 而 直 接 封 锁 输 出 脉 冲 ， 关 断 IGBT， 同 时 EXB840的 脚 4经 过 外 接 电 路 输 出 信 号 给 PLC， PLC经 过 程 序 运 算 后 ， 一 方 面 发 出 过 流 信 号 指 示 ， 另 一 方 面 给 晶 闸 管 移 相 控 制 电 路 提 供 封 锁 脉 冲 信 号 ， 关 断 晶 闸 管 主 电 路 。 第 二 级 保 护 是 利 用 TL494的 内 部 放 大 器 的 脚 15、 16外 接 电 流 隔 离 传 感 器 ， 当 检 测 到 的 电 流 信 号 超 过 设 定 值 时 ， TL494封 锁 输 出 脉 冲 ， 从 而 实 现 对 IGBT的 关 断 。 第 三 级 保 护 是 高 压 侧 电 子 束 流 过 流 保 护 ， 当 出 现 过 电 流 时 ， 束 流 取 样 信 号 反 馈 到 控 制 电 路 ， 控 制 电 路 发 出 过 流 信 号 给 PLC， PLC分 别 发 出 关 断 主 电 路 和 过 流 显 示 信 号 ， 从 而 实 现 过 流 保 护 。 电 源 还 设 置 了 过 压 保 护 电 路 ， 能 有 效 地 对 电 源 的 过 电 压 进 行 保 护 ， 在 高 压 电 源 的 内 部 还 加 装 了 限 流 电 阻 及 保 护 电 阻 ， 能 有 效 地 限 制 过 电 流 和 过 电 压 。 为 了 克 服 开 机 时 市 电 对 电 源 的 冲 击 ， 通 过 PLC内 部 程 序 设 置 了 软 启 动 斜 坡 函 数 ， 经 D/A模 块 运 算 后 作 为 PI调 节 器 的 给 定 ， 实 现 电 源 的 软 启 动 。
5 电 源 系 统 的 技 术 指 标
电 源 的 技 术 指 标 如 下 ：
输 入 电 压 220V， 50Hz；
输 出 电 压 0～ 60kV， 纹 波 系 数 < 1％ ， 稳 定 度 10－ 4；
电 子 束 流 0～ 167mA， 纹 波 系 数 < 1％ ；
逆 变 频 率 20kHz；
输 出 功 率 0～ 10kW；
效 率 >80％ 。
6 结 语
经 试 验 ， 电 源 的 各 项 技 术 指 标 均 达 到 了 预 期 的 设 计 目 标 。 电 子 束 焊 机 用 高 压 电 源 采 用 逆 变 式 高 压 电 源 ， 有 利 于 整 个 设 备 的 小 型 化 ， 特 别 适 用 于 便 携 式 电 子 束 焊 机 ， 提 高 了 设 备 的 使 用 效 率 ， 较 容 易 实 现 对 高 压 的 自 动 化 联 锁 保 护 ， 使 得 设 备 操 作 更 加 简 单 。
大 功 率 电 子 束 焊 机 用 高 压 电 源 采 用 逆 变 电 源 还 需 要 进 一 步 地 研 究 。 对 于 大 功 率 焊 机 电 源 （ 30kW以 上 ） ， 体 积 和 能 耗 处 于 相 对 非 突 出 位 置 ， 另 一 方 面 大 功 率 电 源 的 高 压 放 电 时 的 保 护 技 术 、 高 频 变 压 器 的 制 造 技 术 、 逆 变 控 制 技 术 等 有 待 于 进 一 步 地 研 究 和 开 发 。
由 于 可 靠 性 和 电 源 效 率 的 提 高 ， 中 等 功 率 的 焊 机 采 用 本 设 计 的 高 压 电 源 （ 3～ 15kW） 值 得 推 广 和 应 用 。 在 高 压 打 火 时 电 源 对 低 压 电 路 的 影 响 、 IGBT的 过 流 和 过 压 保 护 、 EMC等 方 面 采 取 了 有 效 的 措 施 ， 保 证 了 电 子 束 焊 机 的 工 作 需 要 。
高 压 焊 机 用 高 压 电 源 （ 150kV） 采 用 逆 变 高 压 电 源 ， 在 高 压 联 锁 保 护 方 面 优 点 明 显 ， 对 电 子 束 斑 品 质 的 改 善 、 焊 接 工 艺 的 提 高 方 面 尤 其 如 此 。 开 展 高 压 焊 机 用 高 压 电 源 的 研 究 是 我 国 电 子 束 焊 机 制 造 业 的 新 课 题 ， 本 电 源 的 经 验 和 设 计 数 据 对 高 压 焊 机 用 高 压 电 源 的 研 究 具 有 参 考 意 义 。
参 考 文 献
[1] 叶 汉 民 .电 子 束 焊 机 中 的 高 电 压 技 术 问 题 [J].高 电 压 技 术 . 1999（ 2） .
[2] Schafener 公 司 （ 瑞 士 ） . 开 关 电 源 的 电 磁 干 扰 抑 制 [J]. 电 力 电 子 技 术 . 1995（ 3） .
[3] 张 仁 豫 . 高 电 压 试 验 技 术 [M]. 北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 , 1982.
[4] 叶 汉 民 . 一 种 高 性 能 的 电 子 束 焊 机 用 高 压 电 源 [J].电 工 技 术 杂 志 . 2000（ 1） .
[5] 王 鸿 麟 . 通 信 基 础 电 源 [M]. 西 安 ： 西 安 电 子 科 学 大 学 出 版 社 ,1993
[6] 户 川 治 郎 （ 日 本 ） . 实 用 电 源 电 路 设 计 手 册 [M]. 北 京 ： 中 国 计 量 出 版 社 ,1990
