電射流高頻脈沖電源主電路的仿真與研究

陳朝大 郭鐘寧 溫亮 陳曉磊 鄧宇

摘要：針對電射流掩膜加工工藝對電源的性能要求，提出了高頻逆變的解決方案。自行設(shè)計高頻脈沖電源主電路，通過整流濾波橋式逆變，實現(xiàn)對頻率、占空比的調(diào)節(jié)，利用SimPowerSystems軟件建立了仿真模型，對逆變器輸出交流電壓、逆變器輸出交流電流、直流側(cè)電壓、直流側(cè)電流進行仿真分析。利用電力電子控制設(shè)備搭建了實驗平臺，對驅(qū)動電路的輸入輸出、逆變電路IGBT的通斷控制等進行了實驗。實驗表明，研制的主電路在高頻逆變下能夠?qū)ω?fù)載（燈泡）進行控制，驗證了實驗裝置的合理性和科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：整流;逆變;SimPowerSystems仿真建模

中圖分類號：TM8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

特種加工亦稱“非傳統(tǒng)加工”或“現(xiàn)代加工方法”，泛指用電能、熱能、光能、電化學(xué)能、化學(xué)能、聲能及特殊機械能等能量達(dá)到去除或增加材料的加工方法，從而實現(xiàn)材料被去除、變形、改變性能或被鍍覆等。電射流加工綜合了電解加工和水射流切割加工的特點，是一種新的工藝方法，其機理研究及實驗裝置平臺得到了更高的重視，具有良好的發(fā)展前景。制約和限制電射流加工的因素是裝置平臺及其相關(guān)設(shè)備，而高性能的電源是掩膜電射流加工領(lǐng)域的重要設(shè)備，是提高加工精度和改善表面質(zhì)量的關(guān)鍵途徑。本文對高頻逆變電路進行了研究[1-3]。

1 主電路的分析與設(shè)計

市電（工頻交流電）的電壓波動范圍小于220±10%V，而電器的承受波動為15%，基本能滿足要求。高壓脈沖電源主電路流程圖如圖1所示。

交流電經(jīng)過LC濾波器，濾除紋波，滿足EMI的需求。采用LC濾波電路對交流電源進行EMI濾波，主要是消除電源過來的電磁干擾，同時也是消除開關(guān)電源對外面電源的干擾。開關(guān)電源屬于非線性高頻電路，工作時會產(chǎn)生高頻干擾，LC濾波的作用就是為了防止這些干擾串人供電網(wǎng)絡(luò)形成電源污染，影響供電線路上其他電器設(shè)備的正常運行。

整流濾波后，電壓的波形為接近原波形峰值的微小波紋的直線，電壓值會有所提高。電容濾波時，充放電緩慢，保證了電壓的輸出接近交流波形的峰值。經(jīng)過橋式逆變得到需要的方波，通過控制電路實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)占空比，通過升壓電路實現(xiàn)調(diào)壓。使用Altium公司的EDA設(shè)計軟件Protel DXP對電路進行設(shè)計，電源主電路設(shè)計圖如圖2所示[4-5]。

交流一直流（AC-DC）變換電路稱為整流器，能夠?qū)⒔涣麟娔苻D(zhuǎn)換為直流電能。本文采用不可控整流電路經(jīng)電容濾波后提供直流電源，供后級的逆變器使用。

如圖2所示，整流二極管D1 -D4（RURG50120）在u2正半周期過零點至ωt=0期間u2d

在IGBT導(dǎo)通之后，若將柵極電壓突然降至零，則溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使集電極電流有所下降，但由于N-區(qū)中注入了大量的電子和空穴對，因而集電極電流不會馬上為零，而出現(xiàn)一個拖尾時間。SG3525產(chǎn)生2路頻率相等方向的波形經(jīng)驅(qū)動電路M57962模塊送單相全橋逆變電路的QIQ4和Q2Q3，一路信號控制GIG4，另一路控制信號控制G2G3。SimPowerSystems仿真模型如圖3所示。

把DC Voltage Source直流電壓設(shè)置為300V，選擇Ideal Switch組成全橋電路，選擇串聯(lián)PLC支路模塊，去掉電容后把電阻和電感分別設(shè)置為lΩ和2mH。主電路的仿真模型搭建后再來構(gòu)造控制部分，Pulse Generator接Ideal Switch和IdealSwitch3的柵極g，即完成圖2對橋路GIG4這組的控制，Pulse Generatorl接Ideal Switchl和IdealSwitch2的柵極g，即完成圖2對橋路G2G3這組的控制。因為Pulse Generator和Pulse Generatorl分別對應(yīng)SG3525的11腳OUTA和14腳OUTB，而SG3525的11腳和14腳兩個端口的信號是同頻反向?qū)ΨQ信號，一路信號對應(yīng)一個橋路，正好實現(xiàn)單相全橋控制。

構(gòu)建完成波形觀測及分析。把逆變器輸出交流電壓、逆變器輸出交流電流、直流側(cè)電壓、直流側(cè)電流接Scope進行仿真，仿真波形如4所示[9-10]。

利用MATLAB/SimPowerSystems仿真，如圖4所示。逆變器輸出的交流電壓為正負(fù)300 V的方波電壓，周期與驅(qū)動信號同為50 Hz。直流側(cè)電壓為300 V的直流輸入電壓。逆變器輸出的交流電流和直流電流的波形由阻感負(fù)載的特性所決定。

直流電流為負(fù)的期間，電流通過反并聯(lián)二級管流向電源，負(fù)載電感的磁場儲能向直流母線饋送;直流電流為正的期間，電流通過IGBT流向負(fù)載。由圖3可知，逆變器輸出的交流基波電壓幅值為380.7 V，與公式（4）中的理論值381.9 V相符。可見，單相方波逆變器輸出電壓的基波幅值大于直流電壓，其電壓利用率較高。3實驗測試分析

交流電0～220 V經(jīng)過單相全橋整流濾波電路后，得到電壓的波形為接近原波形峰值的微小波紋的直線，即0～311 V的直流電。再經(jīng)過單相全橋方波IGBT逆變電路，輸出電壓為0～311 V交變方波。利用SG3525集成PWM芯片可調(diào)電阻和分段電容的級聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)了頻率的連續(xù)可調(diào)，其范圍7IHz-68.5 kHz，達(dá)到了相應(yīng)的技術(shù)要求。SG3525的OUTA和OUTB信號信號經(jīng)過M57962芯片，產(chǎn)生單相全橋需要的控制信號（尖峰脈沖），控制信號接IGBT驅(qū)動電路的g極（珊極），實現(xiàn)對IGBT的通斷作用。

M57962是三菱電機為驅(qū)動IGBT模塊而設(shè)計的厚膜集成電路，在驅(qū)動模塊內(nèi)部集成了2500 V的隔離高電壓的光電耦合器，過流保護電流和過流保護端子，具有封閉性短路保護功能。使用Altium公司的EDA設(shè)計軟件Protel DXP對電路進行設(shè)計，驅(qū)動電路圖如圖5所示。

如圖5所示，M57962L的引腳14接PWM信號輸入（由SG3525模塊的outA產(chǎn)生）形成前級，圖中G1、C1、E1分別接IGBT管的柵極G、集電極C、發(fā)射極E。利用圖5的實驗平臺裝置，設(shè)定好參數(shù)，使用示波器測試引腳14和G1信號，測得波形如圖6所示。

由圖6可得，SG3525的PWMA頻率波形接M57962L的引腳14，=47.59 kHz，D=50%。經(jīng)驅(qū)動電路得G1的信號輸出波形，頻率f=48.56 kHz，占空比D= 50%。信號經(jīng)過驅(qū)動電路后，產(chǎn)生了驅(qū)動IGBT管所需要的尖峰脈沖，但是頻率和占空比基本保持不變，測試信號符合預(yù)期，能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT的開通和關(guān)斷，負(fù)載（燈泡）亮滅。

4 結(jié)論

采用不可控整流電路經(jīng)電容濾波后提供直流電源，經(jīng)過橋式逆變得到需要的方波，通過控制電路對單相全橋逆變器調(diào)節(jié)，實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)占空比，并能夠調(diào)電壓均值。通過升壓電路真正實現(xiàn)調(diào)電壓大小（峰值）。建模仿真及實驗裝置驗證均表明，該方案切實可行。

由于IGBT的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動電路的變化而變化，因而驅(qū)動電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作，優(yōu)化驅(qū)動電路將在下一階段的工作中深入研究。

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