晶體管微電弧電源主電路與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

劉葉歸，曹彪

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

晶體管微電弧電源主電路與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

劉葉歸，曹彪

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

針對(duì)傳統(tǒng)的晶體管焊接電源主電路存在的一些不足，設(shè)計(jì)了一種基于晶體管式的數(shù)字化微電弧焊接電源主電路，將前級(jí)逆變式與后級(jí)晶體管組結(jié)合，即前級(jí)采用逆變式結(jié)構(gòu)為后級(jí)晶體管組供電，通過電壓電流協(xié)調(diào)反饋調(diào)節(jié)前級(jí)輸出電壓，后級(jí)晶體管組通過電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)輸出所需的焊接電流和外特性，這充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)了由脈沖變壓器隔離的前級(jí)逆變驅(qū)動(dòng)電路和由高速光耦6N137與高速驅(qū)動(dòng)芯片IXDN604構(gòu)成的后級(jí)晶體管高頻驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試結(jié)果顯示，驅(qū)動(dòng)電路能實(shí)現(xiàn)對(duì)功率管的高速驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主電路的運(yùn)行。

晶體管；微電弧；主電路；驅(qū)動(dòng)電路

1 主電路設(shè)計(jì)

圖1為新型晶體管式微電弧焊接電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，電源系統(tǒng)由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路和外圍電路組成。新型晶體管式微電弧焊接電源的主電路將前級(jí)逆變式與后級(jí)晶體管組結(jié)合起來，采用前級(jí)逆變式結(jié)構(gòu)為后級(jí)晶體管組供電，通過改變前級(jí)逆變驅(qū)動(dòng)電路的PWM控制信號(hào)占空比調(diào)節(jié)前級(jí)輸出的供電電壓，同時(shí)通過改變后級(jí)斬波驅(qū)動(dòng)電路的PWM控制信號(hào)占空比調(diào)節(jié)焊接輸出電流。其主電路包括:輸入整流濾波，全橋逆變結(jié)構(gòu)，變壓器、輸出整流濾波，以及后級(jí)晶體管調(diào)節(jié)電路等。控制系統(tǒng)是以DSP控制器為核心，其外圍包括前級(jí)與后級(jí)PWM驅(qū)動(dòng)電路、電流電壓信號(hào)采樣電路、輸入輸出電路、接口電路以及保護(hù)電路等。

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖

在主電路中，后級(jí)功率晶體管組可以起線性放大調(diào)節(jié)器的作用即作為可變電阻，也可以起著電子開關(guān)的作用即作為開關(guān)，在本設(shè)計(jì)中選取晶體管組工作在開關(guān)式狀態(tài)[9]。圖2為所設(shè)計(jì)的主電路圖，其工作原理是:220 V的交流電經(jīng)過整流橋及輸入濾波電流后，得到311 V左右的直流電，然后通過DSP輸出PWM信號(hào)控制全橋逆變管交替導(dǎo)通，把濾波后的直流逆變成交流電，然后通過高頻變壓器降壓、快速整流二極管之后，再經(jīng)濾波后變?yōu)橹绷麟姡詈笸ㄟ^MOSFET組斬波后調(diào)節(jié)電流的輸出。

新型晶體管式微電弧焊接電源主電路由輸入整流濾波電路、全橋逆變器、次級(jí)整流濾波電路、斬波輸出電路4大部分組成。

1）輸入整流濾波電路由單相整流橋和濾波電解電容組成，把輸入為220 V的交流電變?yōu)榈图y波的直流電給全橋逆變器。

2）全橋逆變器是由Q1-Q4 4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成，每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管旁邊都并聯(lián)有RC緩沖電路，通過前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路輸出推挽模式的PWM驅(qū)動(dòng)電壓控制Q1、Q4和Q2、Q3輪流導(dǎo)通，將直流電變?yōu)楦哳l脈沖交流電通過高頻變壓器降壓后供給次級(jí)電路。

3）次級(jí)整流輸出濾波電路由快速整流二極管D1、D2、波電感L1和濾波電容C8組成，將高頻變壓器輸出降壓后的高頻脈沖交流電變?yōu)橹绷麟姡瑥亩o后級(jí)斬波電路和負(fù)載供電。

4）斬波電路由場(chǎng)效應(yīng)管Q5組成，通過后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路輸出的PWM驅(qū)動(dòng)電壓來控制Q5的導(dǎo)通和關(guān)斷將直流電變?yōu)橹绷鞣讲ǎ┙o濾波電路和電弧負(fù)載，其中二極管D3起續(xù)流作用。

Gyurcsányi研究組[30]最近介紹了一種利用電位法檢測(cè)帶正電荷的肽核酸(PNA)修飾納米孔與負(fù)電荷互補(bǔ)核酸鏈雜交后的電荷變化，帶有電荷的納米孔膜通過排斥同電荷標(biāo)志的離子和傳輸負(fù)電荷的離子而表現(xiàn)出選擇性行為。基于Nernst-Planck/泊松模型對(duì)納米孔系統(tǒng)的電位微RNA響應(yīng)進(jìn)行了定量的理論處理。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間很好的相關(guān)性，表明結(jié)合過程主要集中在多孔膜的孔內(nèi)和孔外。

本設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):電網(wǎng)輸入電壓為220 V，最大輸出電流為30 A，空載電壓為56 V，前級(jí)逆變頻率為100 kHz，后級(jí)晶體管的斬波工作頻率為250 kHz。下面是主要元器件選型與設(shè)計(jì)。

圖2 電源主電路

1.1 高頻變壓器

前級(jí)工作頻率為f=100 k，選定為錳鋅鐵氧體磁芯、原副線圈匝比為22:4的高頻變壓器。

1.2 輸出調(diào)整管

由于最大電流為30 A，考慮一定的裕量和功耗，則可選4個(gè)富士FMH23N50E并聯(lián)使用，該MOSFET最大功率損耗可達(dá)315 W，最大電流為23 A。

1.3 前級(jí)逆變功率管

由于逆變頻率為100 kHz，選用MOSFET作為充電電路的功率開關(guān)管。在選擇MOSFET型號(hào)時(shí)，判斷它是否為合適的器件，主要從漏源電壓Vds、導(dǎo)通阻抗Rds（on）和直流漏極電流值Id等幾個(gè)參數(shù)考；由于輸出最大電流為30 A，則變壓前最大電流為5.4 A，而交流電經(jīng)過整流后的最大電壓為Vin=342 V；在全橋逆變時(shí)每個(gè)管子承受的電壓為線電壓的一半。考慮一定的裕量，則選用G20N50C。

1.4 電源輸入整流橋

電網(wǎng)的輸入電壓為市電220 V，考慮到電網(wǎng)波動(dòng)在10%的范圍內(nèi)，所以輸入電壓可能在198～242 V之間，因此整流橋中二極管承受的反向電壓即電路峰值電壓為281～343 V，整流二極管耐壓值一般為工作中電壓值的2～3倍裕量，耐壓值為1 000 V即可滿足。而電源輸入最大平均電流5.4 A，二極管流過電流值應(yīng)留有2倍以上余量，取最大工作電流為25 A可滿足。選取KBPC2510整流橋，可滿足電源設(shè)計(jì)要求。

1.5 輸入濾波電容的選取

輸入整流之后的濾波對(duì)于獲得低紋波的直流電至關(guān)重要，濾波電容若取值過小，則濾波效果差，輸出直流脈動(dòng)大；若取值過大，則電容的充電電流脈沖變窄，幅值增高，使整流二極管電流過沖變大，影響二極管的使用壽命。經(jīng)計(jì)算采用2個(gè)容量為470 uF、耐壓為450 V的鋁電解電容并聯(lián)。

2 驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)采用的控制芯片是Microchip公司針對(duì)開關(guān)電源推出的高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC33FJGS610，其直接輸出的PWM信號(hào)為TTL電平，驅(qū)動(dòng)能力不夠，不能直接用來驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管，需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，將DSP控制芯片輸出的PWM控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，再用來驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管。因此驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)非常重要，直接影響電源系統(tǒng)的輸出性能和可靠性。本文前后級(jí)電路均采用電壓驅(qū)動(dòng)型的MOSFET，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)考慮以下要求:

1）驅(qū)動(dòng)電路可以為MOSFET提供所需的導(dǎo)通正電壓和關(guān)斷負(fù)電壓，保證其可靠的開通與關(guān)斷。一般功率開關(guān)管可靠導(dǎo)通需要10～15 V的正向電壓，可靠關(guān)斷需要-2～-10 V的反向關(guān)斷電壓。

2）驅(qū)動(dòng)電路可以提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，使柵源電壓在該驅(qū)動(dòng)電流作用下快速上升到需要值，從而保證MOSFET管可靠、快速導(dǎo)通且不存在高頻震蕩。

3）驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該為MOSFET柵源間電壓提供一個(gè)低阻抗的瀉放通路，保證功率開關(guān)管可快速關(guān)斷。

4）驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，并具有電氣隔離功能，能有效的減小控制電路和主電路之間相互干擾，防止功率開關(guān)損耗或燒壞驅(qū)動(dòng)電路，從而保證電源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的工作。

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路按連接方式分為直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種不同的電路形式，隔離又可分為變壓器隔離和光耦隔離兩種形式[10-13]。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路的要求，前級(jí)逆變結(jié)構(gòu)采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路，后級(jí)MOSFET組采用由6N137與IXDN604構(gòu)成的高頻驅(qū)動(dòng)電路。

2.1 前級(jí)逆變驅(qū)動(dòng)電路

因?yàn)榍凹?jí)逆變電路的工作頻率為100 kHz，并且需要進(jìn)行電氣隔離，則選取脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路以高頻脈沖變壓器作為隔離器件，驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸無延遲，能夠滿足驅(qū)動(dòng)電路電氣隔離、反應(yīng)快速等要求，而且在高頻下脈沖變壓器的體積較小，為驅(qū)動(dòng)電路節(jié)省了空間[14]。所設(shè)計(jì)的前級(jí)逆變的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

電路的工作原理為:由于前級(jí)逆變結(jié)構(gòu)工作在推挽模式，則dsPIC33FJGS610芯片輸出的PWM驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)也應(yīng)該工作在推挽模式。即當(dāng)PWM1H為高電平時(shí)，則PWM1L為低電平；當(dāng)PWM1H為低電平時(shí)，PWM1L為高電平。當(dāng)PWM1H為高電平時(shí)，經(jīng)限流電阻R1以及C1、R3濾波后驅(qū)動(dòng)晶體管VT1飽和導(dǎo)通，從而使VT2截止，因此VT2的集電極為電源電壓，VT5和VT6構(gòu)成的功率放大電路基極為高電平，從而使VT5導(dǎo)通；此時(shí)PWM1L為低電平，經(jīng)限流電阻R2以及C2、R4濾波后使晶體管VT3截止，VT3的集電極為高電平，驅(qū)動(dòng)晶體管VT4飽和導(dǎo)通，VT4的集電極為低電平，VT7和VT8構(gòu)成的功率放大電路的基極為低電平，VT8導(dǎo)通。因而+24 V電源電壓經(jīng)過VT5、變壓器T1初級(jí)和VT8形成一個(gè)脈沖。同理，當(dāng)PWM1H為低電平時(shí)，PWM1L為高電平，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過VT1、VT3和VT2、VT4分別構(gòu)成一個(gè)集電極開路TTL電路，使中功率晶體管VT6和VT7導(dǎo)通，+24 V電源電壓經(jīng)過VT7、變壓器T1初級(jí)和VT6形成一個(gè)脈沖，通過原、副邊匝比為15:8脈沖變壓器T1電壓的交替變化，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大后耦合到次級(jí)，從而控制全橋逆變結(jié)構(gòu)交叉導(dǎo)通。全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中對(duì)稱橋臂的MOSFET則接一種柵極驅(qū)動(dòng)電路，使其同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷的。

2.2 后級(jí)高頻驅(qū)動(dòng)電路

后級(jí)MOSFET組工作在高頻狀態(tài)下，可以保證焊接電源具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此其驅(qū)動(dòng)電路直接影響電源的性能[15-18]。后級(jí)高頻驅(qū)動(dòng)電路采用6N137高速光耦進(jìn)行隔離，6N137是一款隔離電壓高達(dá)2 500 V，負(fù)載為350 Ω時(shí)的導(dǎo)通延遲僅為45 ns的高速光耦，非常適合作為高頻率驅(qū)動(dòng)電路的隔離芯片。同時(shí)采用IXDN604作為PWM驅(qū)動(dòng)芯片以保證MOSFET組正常的通斷。IXDN604為高速驅(qū)動(dòng)芯片，輸出峰值電流可達(dá)4 A，工作電壓在4.5～35 V，最大上升與下降時(shí)間為75 ns。為了使驅(qū)動(dòng)功率最大化，本文設(shè)計(jì)中將IXDN604的2引腳和3引腳、6引腳和7引腳分別短接，并聯(lián)使用，最大峰值電流可達(dá)8 A。后級(jí)晶體管組的高頻驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖3 前級(jí)逆變驅(qū)動(dòng)電路

因?yàn)楣怦?N137內(nèi)部帶有非門，IXDN604的輸出與輸入同相，為了使DSP輸出的PWM信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路的輸出在相位上保持一致以及在傳輸過程中不改變邏輯狀態(tài)，則在6N137的負(fù)輸入引腳反接控制芯片輸出的PWM原始信號(hào)，正輸入引腳接DSP芯片的工作電壓3.3 V，可以保證電路的正常時(shí)序和穩(wěn)定工作，使驅(qū)動(dòng)電路最后輸出占空比可調(diào)的PWM信號(hào)。即當(dāng)dsPIC33FJGS610芯片輸出高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路最后輸出+15 V，驅(qū)動(dòng)MOSFET組導(dǎo)通；當(dāng)芯片輸出低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路最后輸出-5 V，使MOSFET組加反向電壓從而截止。

圖4 高頻驅(qū)動(dòng)電路

3 信號(hào)測(cè)試與分析

驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的好壞決定了功率開關(guān)管能否正常工作，進(jìn)而決定焊接電源的輸出。因此高質(zhì)量的開關(guān)電源不僅要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形不失真，而且需要具有一個(gè)幅值和功率，能保證開關(guān)管能及時(shí)開通和關(guān)斷。因此，在主電路不上電的情況下，先給控制電路單獨(dú)上電，測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路的輸出情況，分析驅(qū)動(dòng)信號(hào)能否滿足設(shè)計(jì)要求。

文中所設(shè)計(jì)的晶體管式微電弧焊接電源主電路包括前級(jí)逆變電路和后級(jí)斬波電路，前級(jí)逆變采用變壓器隔離式驅(qū)動(dòng)電路控制四組功率開關(guān)管的開與關(guān)，后級(jí)斬波電路采用光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路控制斬波功率開關(guān)管的開與關(guān)。圖5（a）是晶體管式微電弧焊接電源前級(jí)逆變驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)波形，示波器通道1是全橋逆變電路中一組對(duì)角橋臂功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，通道2是另一組對(duì)角橋臂功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形。從圖中可知，驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為f=100 kHz，占空比為50%，可提供+10 V左右的正向?qū)妷汉?2.5 V左右的反向關(guān)斷電壓，其上升沿與下降沿所花時(shí)間僅為幾百納秒，滿足驅(qū)動(dòng)脈沖快速上升的要求。同時(shí)，在軟件中設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間來避功率開關(guān)管發(fā)生直通短路現(xiàn)象。圖5（b）是晶體管式微電弧焊接電源后級(jí)斬波驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)波形，從圖中可知，驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為f=250 kHz、占空比為50%，可提供+15 V左右的正向?qū)妷汉?5 V左右的反向關(guān)斷電壓，保證MOSFET能快速的開通與關(guān)斷，并提高功率開關(guān)管工作的可靠性。

測(cè)試結(jié)果顯示，前級(jí)脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路可輸出正常和穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而能使前級(jí)全橋逆變正常工作，為后級(jí)提供所需要的能量。后級(jí)高頻驅(qū)動(dòng)電路可輸出頻率高達(dá)250 Hz的高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而可以快速地驅(qū)動(dòng)后級(jí)晶體管組通斷，并通過電流負(fù)反饋控制，把采樣值與給定值比較，實(shí)時(shí)改變PWM信號(hào)的占空比，快速調(diào)節(jié)輸出所需的焊接電流和外特性。

圖5 驅(qū)動(dòng)信號(hào)

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型晶體管式微電弧焊接電源的主電路與驅(qū)動(dòng)電路。主電路的前級(jí)逆變結(jié)構(gòu)可采用電壓電流協(xié)調(diào)控制，通過改變前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路輸出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，從而調(diào)節(jié)逆變結(jié)構(gòu)的輸出電壓為后級(jí)晶體管組和電弧負(fù)載提供能量。后級(jí)晶體管組采用由高速光耦6N137與高速驅(qū)動(dòng)芯片IXDN604構(gòu)成的簡(jiǎn)單且實(shí)用的高頻驅(qū)動(dòng)電路，通過電流負(fù)反饋控制，可快速調(diào)節(jié)輸出電流的大小和獲得所需要的外特性。這樣不僅減小了焊接電源的體積和重量，滿足節(jié)能節(jié)材的要求，同時(shí)焊接電源通過雙閉環(huán)控制調(diào)節(jié)工藝參數(shù)能滿足各種精細(xì)結(jié)構(gòu)件的焊接要求。

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Design of main circuit and drive circuit of transistor micro-arc power

LIU Ye-gui，CAO Biao
（College of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510640，China）

For the shortcomings of the traditional main circuit of the transistor welding power，a main circuit of the transistor-type micro-arc welding power based on the transistor，combining the first-stage inverter with the latter-stage transistor，is designed.The former stage adopts the inverter structure to supply power for the later-stage transistor group，and it adjusts the output voltage via the coordinated control of the voltage and current.The post-stage transistor group regulates the welding current and external characteristics by the negative current feedback.This circuit makes good use of the advantages of them.The front-stage inverter drive circuit which is isolated by a pulse transformer is designed and a high-frequency drive circuit of the post-stage transistor is designed with high-speed optocoupler 6N137 and driver chip IXDN604.The result of the drive signal shows that drive circuit can achieve high-speed transistor drive to achieve the main circuit operation.

transistor；micro-arc；main circuit；drive circuit

TN86

A

1674-6236（2017）23-0130-05

2016-11-12稿件編號(hào)：201611090

劉葉歸（1989—），男，湖南邵陽人，碩士研究生。研究方向：數(shù)字化電源裝備及智能控制。