中频逆变高频PWM电子束焊机高压电源

黄小东，费 翔，陆思恒，郭华艳

（桂林狮达机电技术工程有限公司，广西 桂林 541004）

电子束焊机电源，用于为电子枪提供加速电压。其性能的好坏，直接决定着电子束焊接工艺和焊接品质。常用的电子束焊机电源控制方法及电源装置，主要有下列5种类型：

（1）工频交流输入→自偶变压器交流调压→工频隔离变压器升压→高压整流滤波输出。其特点是电网谐波干扰较小，但设备笨重，效率低，系统调节速度慢，调节精度差。为早期电子束焊机产品所选用，目前已被淘汰。

（2）工频交流输入→工频晶闸管交流调压→工频隔离变压器升压→高压整流滤波输出。其特点是系统调节速度较快，调节精度较高，但高压滤波电容值较大，对电网谐波干扰较大，为电子束炉产品普遍采用，但在电子束焊机产品中逐渐被淘汰。

（3）工频交流输入→中频交流发电机调压→中频隔离变压器升压→高压整流滤波输出。其特点是高压滤波电容值相对较小，对电网谐波干扰较小，调节精度较高，但系统调节速度慢，且中频发电机组价格较高，噪音很大。为目前国内电子束焊机产品普遍采用。

（4）工频交流输入→工频隔离变压器升压→高压整流滤波→高压电子管串联调压→高压滤波输出。其特点是高压滤波电容值小，对电网谐波干扰小，系统调节速度最快，调节精度高，但效率低，高压电子管为特殊器件，制造难度大，设备体积大，制造成本高，仅为俄罗斯、乌克兰等少数国家电子束焊机产品所采用。

（5）工频交流输入→低压整流滤波→直流脉宽调制调压→低压滤波→高频逆变→高频隔离变压器升压→高压整流滤波输出。其特点是高压滤波电容值小，系统调节速度快，调节精度高，设备体积小，制造成本较低。但高频逆变器及高频高压变压器制造技术难度大，效率偏低。为目前欧美电子束焊机产品普遍采用。

以下介绍了一种中频逆变高频PWM电子束焊机高压电源的设计。

1 电源结构及其工作原理

电源结构如图1所示。

图1 电源结构示意图

电源由三相市电供电，通过AC→DC→AC→DC电流变换后，由中频变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压绝缘；同时将高压取样信号和电子束流信号的取样信号，作为负反馈信号，去控制脉宽调制输出波的占空比，为电子束焊机提供稳定的电子束功率。

由于实现的是中频能量传递，因而不仅高压变压器的制造工艺更简单，而且在高压整流输出的直流电的脉动频率，是高频脉宽调制频率的数倍（倍数等于单元组个数）。

当整流波在脉宽调制的占空比大于50%时（由中频变压器设计参数保证），无过零点，这样选用较小的高压滤波电容值，就能滤掉交流成分，满足纹波系数指标要求。一方面，有利于提高控制系统调节速度；另一方面，由于其贮能小，高压放电产生的冲击自然小，有利于提高电源系统运行可靠性。

1.1 逆变器

逆变器的电路结构如图2所示。

图 2 逆变器电路结构

逆变器，由A、B两组逆变桥并联而成。每组逆变桥包括对称的左桥电路和右桥电路。左右桥电路各包括2个开关功率管、2个续流二极管和1个缓冲电路。上桥臂开关功率管与下桥臂开关功率管串联、上桥臂续流二极管与下桥臂续流二极管串联，并同时与桥臂缓冲电路并联地接于输入整流滤波器的输出端。左、右桥电路上的2个开关功率管和2个续流二极管间的导线，各自相互连接，并分别与中频高压变压器的一侧绕组的两端相连。

每个逆变桥输出的经高频脉宽调制后的中频交流电，送入对应的中频高压变压器的一次侧绕组，用于将直流电逆变成中频交流电，同时用于高频脉宽调制调压。

1.2 高压调节器

高压调节器，采用比例－积分（PI）调节器结构，在正常工作时，其接收高压设定信号和反馈信号的偏差信号，输出送入逆变器驱动电路调节脉宽调制输出波的占空比；在故障判别电路有信号输出时，调节器的输出被封锁，其用于加速电压的精度控制，并保证加速电源稳定运行。

PI参数的整定，一般是先整定P，再根据P整定I。之后结合实际作调整[1]。

1.3 逆变器驱动电路

逆变器驱动控制，包括各中频逆变桥的相序控制和高频脉宽调制的占空比控制。各逆变桥的逆变相序和脉宽调制波相序，受同一时钟（CL）控制，各逆变桥间中频逆变相序呈对称分布，逆变器上半桥功率管的驱动信号为中频方波，下半桥功率管的驱动信号为中频方波和高频脉宽调制波相“与”逻辑运算后的波形。各逆变桥间高频脉宽调制波的相序，亦呈对称分布，如图3所示。

图3 开关功率管驱动信号波形图

1.4 故障判别电路

故障判别电路，在检测电子束流取样电阻上的电子束流信号时，如果超过设定的上限值，就判为电子束流过流故障；在检测高压取样电路的输出信号时，如果超过设定的上限值，就判为加速电压过压故障；在检测高压取样电路的输出信号时，如果产生负突跳变化，就判为加速电源产生高压放电故障；在检测逆变器驱动电路时，检测逆变器每个逆变桥臂的温度信号，如果任一桥臂温度超过设定的上限值，就判为逆变器过载故障；在检测逆变器驱动电路时，检测逆变器每个功率开关管的被驱动后的管压降，如果任一检测值超过设定的上限值，就判为逆变器短路故障；故障判别电路，在检测逆变器直流供电电流取样电路的输出信号时，如果超过设定的上限值，就判为供电电流过流故障。

上述任一故障的产生，故障判别电路都输出信号，并立即封锁高压调节器的输出。如果产生高压放电故障，调节器输出被封锁1～3 ms后，自动解除封锁，实现高压自动重启；在设定时间段内，高压放电故障发生次数，超过设定次数，则判为“永久故障”，此时与处理其他故障类型的措施一样，切断电网供电电源和高压设定信号，待故障排除后，再手动重启高压[2]。

2 实验结果

实验参数：加速电压80 kV，束流50 mA。图4为实测的运行波形。

图4 实际运行波形图

由实验结果可知，加速电压取样电压波形及束流取样电压波形平直，纹波小，运行稳定。

3 结束语

由中频逆变高频PWM实现的高压电源，在交流中间环节实现中频逆变和高频调压后，通过中频高压变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压的绝缘，不需要特殊材料，仅使用中频高压变压器和较小的高压滤波电容，就可以实现电子束焊机高压加速电源快速调节，因而制造工艺更简单，设备体积更小，制造成本也更低，同时具有输出电压纹波系数小、故障快速截止保护和放电自动重启等优点。

[1]莫金海，韦寿祺，何少佳，邹云屏.新型PWM-BUCK电子束焊机稳定高压电源的设计[J].焊接学报，2009，30(6)：34-38.

[2]韦寿祺，何少佳.电子束焊机高压电源快速保护措施[J].电焊机，2004，34(8)：56-58.