摘要：为了减小电磁干扰等因素对电子束焊机电源的影响，提高电子束焊机电源的工作效率，本文介绍了一种基于LLC谐振软开关技术电子束焊机电源系统的设计。通过试验实现了高压电源输出电压的连续可调和过流过压的稳定保护及高稳压精度的要求，并实现了高频调节，不仅提高了系统的能量转换效率，而且减小了电源的重量与体积，实现了电子束焊机电源高效小型化的要求。
关键词：电磁干扰；电子束焊机电源；LLC谐振
0 引 言
由于电子束焊机具有能量密度高、熔融性强、焊缝纯净、焊接稳定、方便使用、效率高等优点在航空航天、核工业等高精尖领域得到了广泛的应用。电子束焊机的基本原理是：高压加速电源产生的电场使从阴极灯丝电源加热产生的游离电子动能瞬间增大，再通过改变偏压电源和聚焦电源对这些加速电子进行调节聚焦，电子束的动能转化为热能使得工件焊接处变为熔融状态而形成焊缝，对所要加工的工件按照加工要求实现对工件的焊接，[1-2]。目前国内外的电子束焊机电源采用的是高频电源，采用了PWM脉宽调制技术对电源进行控制。电子束焊机电源的发展趋势是高效小型化，频率会越来越高，使得功率开关管在正常工作时会产生较大的功率损耗和电磁干扰，导致电源输出不稳定，从而影响电源的正常工作。
本文所介绍的电子束焊机电源采用了LLC谐振软开关技术，并在进行了电磁兼容设计，通过调节直流母线电压的方式来改变输出电压的大小，这样不仅提高了电源的工作频率，而且减少了开关损耗和尖峰杂波，实现了开关器件的软开关，提高了电源的工作效率。
1 电子束焊机高压电源主电路结构
1.1 LLC谐振高压加速电源主电路结构和工作原理
高压加速电源的主电路结构如图所示，主要包括前级整流滤波电路、Buck降压斩波电路、LLC谐振逆变电路、高频变压器、高频整流滤波电路、精密电阻网络采样电路、中央控制电路、隔离驱动电路等组成。其工作状态流程是：220V单相交流电通过不可控整流和EMC滤波得到平稳的直流电，再通过LLC谐振变换器逆变得到频率可调稳定的交流电，最后通过高频高压变压器升压和整流，进而输出平滑稳定的直流电。
图1 高压电源系统主电路结构框图
图2 半桥LLC谐振电路
1.2 LLC谐振变换器
为了满足本电源高频高效的要求，本文采用了LLC谐振变换的方式。LLC谐振变换器优于传统的常规串联谐振变换器和并联谐振变换器。首先，在负载和输入变化很大的情况下，频率变化依旧很小，第二，它可以在全负载范围内切换可实现零电压转换（ZVS）。最后所有的寄生电感电容，包括所有半导体开关管的结电容以及变压器的漏磁电感和激磁电感都是用来实现零电压转换（ZVS）的[3]。
图2是LLC半桥电路的简化示意图，Lm是激磁电感，Lk是变压器的初级漏感，Cr是谐振电容，三者之间的谐振会影响变换器的工作。从上图中可以得出，当变换器工作在有较大负载的情况下时，谐振回路由变压器漏感、谐振电容和负载构成。谐振频率为
。当变换器工作在空载时，谐振回路由变压器漏感、谐振电容、激磁电感构成[4]。谐振频率为
。
由于谐振电路要使其呈现感性状态，必须使外加主振频率高于谐振频率。由于负载比较大，所以在此只考虑谐振频率为
的情况。当
，
时，相当于一个串联谐振回路，励磁电感没有发生谐振。当
时，谐振周期比开关周期小，此时激磁电感发生谐振。不同于之前所提到的串联谐振。下面本文将对激磁电感参与谐振状态进行详细分析。
1.3 Buck变换器
本设计中采用了直流母线调压的的方式对输出电压进行调节，设计了DC-DC降压斩波电路（Buck变换器）。通过改变开关管VT（这里的开关管VT使用了IGBT）的导通与关断，从而改变输出与输入电压的比值。当VT导通，电感电流线性增加，使电感储能；当VT关断，电感储能通过续流二极管D释放，电感电流线性减小。输出端采用了L-C形式的低通滤波电路，可以使输入电压的直流分量通过，而对谐波交流分量有较大的衰减。
2 控制电路
本设计中电源的控制系统主要涵盖了信号处理、驱动电路、采样电路、保护电路等等部分，整个过程是：输出高压反馈信号通过精密电阻网络取得，A/D模块将反馈回来的模拟量转化成数字量，对进行信号采集及故障综合，信号输入到控制芯片（DSP）进行PI（比例-积分）调节，改变PWM波的移相角，从而改变输出电压的大小，这就实现了电源系统的闭环控制。控制部分选用了TI公司生产的型号为TMS320F2812的DSP处理器，此芯片具有功能强大，反应速度快，体积小等特点。DSP处理器主要输出三路PWM波形，其中一路输入到Buck电路中的IGBT，通过改变脉宽来控制IGBT的开关从而实现母线电压的调节，另外输出两路互补的PWM波，再通过驱动电路的隔离放大来控制逆变电路中IGBT的导通与关断，从而实现逆变电路的正常工作。IGBT驱动采用了基于ML57962L驱动芯片所设计的驱动电路，较好的实现了功率放大、高压隔离、过压保护等功能。本设计采用差分芯片ACPL-7840T对电压电流进行采样。
3 电磁兼容设计
由于本电源具有高频大功率的特点，在实际运行中会存在严重的电磁干扰，为了减小电磁干扰对电源的影响，主要做了下面的工作：（1）在设计中将母线和控制信号线分别排开。
（2）谐振电路中的电感会产生热量，放在通风性较好且原理IGBT处，并且安装散热器。（3）IGBT与驱动板的距离设置在尽可能近的位置，以防驱动信号受到干扰。（4）在逆变器中IGBT并联一个电容，以防关断时IGBT管被击穿[5]。（5）在IGBT上并联RC吸收回路以吸收尖峰杂波。（6）对控制板独立接地，对电源地与信号地隔离，并且隔离驱动信号之间的地。（7）驱动电路分别采用独立的供电模式。
图3 试验波形图
4 试验结果
根据设计要求，选用型号为FF150R12KS4的英飞凌系列IGBT模块，按照上述方法研制了一台电子束焊机电源实验样机，通过反复的试验，测出了电子束焊机电源频率在25kHz时输出电压为20kV的工作情况，如图5所示，其中A路为IGBT的驱动波形，B路显示为LLC谐振变换器中逆变器的输出的电流波形。从图中可以看出波形显示良好，没有很大的尖峰和杂波。
5结论
本文设计了一种电子束焊机高压电源，采用了LLC谐振变换方式，实现了电源的软开关，从而减小了功率开关管的开关损耗和谐波，并采用了Buck变换器对母线电压幅值进行调节的方式。通过搭建实验平台试验对本设计的可行性进行了验证，在输出电压的变化范围内均可调节并且输出波形显示良好，基本实现了软开关。
参考文献：
[1]朱思思.基于零电压开关技术的逆变式电子束焊机电源的研究[J].电气传动自动化，2016（3）.
[2]李正熙.一种全桥逆变式电子束焊机干呀电源[J].自动化与仪器仪表，2008，（3）.
论文作者:鄂鹏宇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/19
标签：谐振论文; 电子束论文; 变换器论文; 电源论文; 电路论文; 电压论文; 电感论文; 《基层建设》2019年第6期论文;