一種采用微紋波Cuk式變換器的電子束焊機電源高壓穩(wěn)壓裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及高壓開關(guān)電源裝置，特別涉及一種采用微紋波Cuk式變換器的電 子束焊機電源高壓穩(wěn)壓方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子束焊機(Electron Beam Welding，簡稱EBW)高壓穩(wěn)定電源主要用于為電子槍 提供加速電壓，其性能的好壞直接決定著電子束焊接工藝和焊接質(zhì)量。其電源具有效率高。 能量密度大。穩(wěn)壓范圍寬等一系列優(yōu)點，得到越來越廣泛的應(yīng)用，但由于它存在的固有高紋 波輸出電壓，使其適用范圍受到了限制。然而開關(guān)電源由于其自身結(jié)構(gòu)必然會產(chǎn)生紋波，高 壓電壓的電容濾波需要一定的電容量但是在高壓條件下只能選擇小容量級別的電容，因為 變換器電容電流有很大峰值電流因此可能還會出現(xiàn)電容失效的可能，另一個是高壓開關(guān)電 源中開關(guān)器件的頻率也有很多限制，因為一方面考慮到提高開關(guān)頻率要減少電感、電容、變 壓器的大小，這樣可以降低諧波含量;另一方面，開關(guān)頻率太高又會引起較大的開關(guān)損耗， 使變換器的效率會有所降低，因此輸出紋波成為了開關(guān)電源中關(guān)鍵性問題。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，采用濾波法濾除輸出紋波是常用的方法之一，濾波器包括有源、無源 濾波器，濾波器是在輸出回路中并聯(lián)或者串聯(lián)若干電阻電容來實現(xiàn)的，該方法必須通過詳 細嚴謹?shù)挠嬎愕贸黾y波頻率特性，從而選出精確的阻值和容值，該方法一旦電容、電阻失效 或阻值和容值計算不精確，有可能混入新的紋波、噪聲，反而加大了輸出紋波，該方法適用 于小功率開關(guān)電源，在大電流大功率的開關(guān)電源中有不同的損耗，開關(guān)電源的體積也會隨 之增大。
[0004] 由于開關(guān)電源紋波產(chǎn)生的其中一個主要因素在于開關(guān)管的開通關(guān)斷，因此可以在 開關(guān)管部分設(shè)計吸收開關(guān)尖鋒脈沖的電路，但是該方法適用于開關(guān)外置的拓撲結(jié)構(gòu)，對于 一些內(nèi)置集成開關(guān)管的集成模塊就無能為力，而且該方法需要精確復(fù)雜的計算，操作性較 差。
[0005] 直流電源側(cè)增加高頻紋渡技術(shù)，通過在直流電源側(cè)增加高頻紋渡處理單元來降低 開關(guān)電源的紋波，但這個方案需要增加額外的控制回路和復(fù)雜的輔助電路，價格比較高，且 整個開關(guān)電源系統(tǒng)由分立元件構(gòu)成，存在集成度差和功率密度低的不足。
[0006] 沖量控制技術(shù)中，提出了基于沖量等效原理的沖量控制技術(shù)如單周控制技術(shù)，并 將其應(yīng)用于直流開關(guān)電源中以消除直流開關(guān)電源的輸出低頻紋波，同時采用了 BUCK(降壓 變換器）電路進行的仿真研究表明：其輸出低頻紋波也只是理論上小于5mV，并不是完全消 除，限制了高壓開關(guān)電源的頻率和輸出電壓，應(yīng)用范圍有限。
[0007] 高壓開關(guān)電源輸出紋波的問題，一直是大功率高壓穩(wěn)壓電源所存在的技術(shù)難題， 同時在傳統(tǒng)的電壓控制模式中，無論電路內(nèi)部何處產(chǎn)生干擾，最終都要經(jīng)過反饋電路才能 獲得調(diào)節(jié)，而影響了調(diào)節(jié)的速度，系統(tǒng)中任何位置的變化均要傳到輸出端，并經(jīng)過反饋之后 才能使系統(tǒng)做出相應(yīng)的調(diào)整，這樣系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性比較差。 【實用新型內(nèi)容】
[0008] 本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種采用微紋波Cuk式變換器 的電子束焊機電源高壓穩(wěn)壓方法及裝置，該方法對輸入電壓要求不高，輸出平滑的直流電 壓，輸出脈動小，可調(diào)節(jié)輸出電流脈動紋波大小，將輸出電流脈動紋波降到最小，操作簡單， 不需大量復(fù)雜的計算、推導(dǎo);該裝置的體積小，傳輸效率高，抗電網(wǎng)干擾能力較強，電源開關(guān) 的損耗小。
[0009] 實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)方案：
[0010] -種采用微紋波Cuk式變換器的電子束焊機電源高壓穩(wěn)壓方法，包括如下步驟：
[0011] 1)三相交流電源經(jīng)升壓、整流、濾波后，獲得高壓電壓；
[0012] 2)高壓電壓經(jīng)過直流變換器，通過控制開關(guān)器件的通斷占空比來調(diào)整輸出電壓；
[0013] 3)輸出電壓通過比例積分微分變化率控制器（Proportional-Integral- Differential Controller， 簡稱PID) 的電壓外環(huán)和電流內(nèi) 環(huán)反饋 ，并與設(shè)定值比較 ，比較 得出的誤差的電壓作為控制信號經(jīng)過脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)電路， 通過控制功率器件的占空比，可以調(diào)整輸出電壓的大?。?br>[0014] 4)在輸出電容處獲得紋波極小的尚壓穩(wěn)壓輸出電壓。
[0015] 步驟2)中直流變換器為Cuk電路：
[0016] Cuk電路包括輸入電感U和輸出電感L2,兩個電感1^丄2之間相互耦合，當開關(guān)管Vt 導(dǎo)通時，電感Li中的電流線性增長，電容Ci通過Vt和L2形成放電回路，二極管Vd處于反偏狀 態(tài)，電感LjPL 2之間的互感系數(shù)是M，可以推導(dǎo)如下公式
[0017]
(1)
[0018] 式中Ui是Cuk電路的輸入電壓，dii/dt是輸入電感。的電流變化率，di2/dt是輸出 電感L 2的電流變化率，Μ是互感系數(shù)。
[0019]
C2)
[0020] 式中Ui是Cuk電路的輸入電壓，dii/dt是輸入電感。的電流變化率，di2/dt是輸出 電感1^的電流變化率，Μ是互感系數(shù)。
[0021] 令
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]式中Ui是Cuk電路的輸入電壓，Μ是互感系數(shù)，dh/dt是輸入電感。的電流變化率， di2/dt是輸出電感1^的電流變化率。
[0026]很顯然，加大Lleq和L2eq的數(shù)值就能降低"或!^中的紋波電流。若電路中滿足1^ = 1^2 =M，此時Cuk電路中輸入紋波電流和輸出紋波電流即可降為零，但是由于磁性器件因設(shè)計 和加工的原因，元件耦合系數(shù)K總是小于1。
[0027] 為分析Κ對電路紋波的影響，可設(shè)Ll和L2的線圈匝比H = M/W2 = ，貝ijLleq和L2eq 的表達式變?yōu)?br>[0028]
:(4)
[0029] 式中K是元件的耦合系數(shù)。
[0030]由式⑷可知，當nK=l時，Li輸入紋波電流為零紋波電流，當K = n時，L2中的輸出紋 波電流為微紋波甚至零紋波電流要求，使得輸入輸出電流平滑。同理采用上述推導(dǎo)公式可 以得出當開關(guān)管Vt關(guān)斷，二極管VD導(dǎo)通時的1^和1^電流變化率dii/dt di2/dt計算公式：
[0031]
[0032]
[0033] Μ是互感系數(shù)，U。是Cuk電路的輸出電壓。
[0034] 無論對于開關(guān)管VD導(dǎo)通，二極管VD截止或是開關(guān)管VT截止，二極管V D導(dǎo)通工作情況 下，對于LhLhK以及LjPL2的電流變化率dh/dtdis/dt之間的關(guān)系均可以根據(jù)式(4)進行 核算，實現(xiàn)Cuk電路微紋波的要求。
[0035] 步驟2)中還引入了逆導(dǎo)二極管，在Cuk電路的開關(guān)管旁邊并聯(lián)一個二極管用來保 護三極管，防止反向擊穿。
[0036] 步驟3)中輸出電壓先經(jīng)過采樣、起動、過流與過壓保護、過溫保護和噪聲濾波電 路，檢測輸出電壓變化;PID控制電路由三部分組成：電流內(nèi)環(huán)和、電壓外環(huán)和過流保護三部 分；
[0037] 輸出電壓U。經(jīng)采樣電路得到實際輸出值，此電壓可以作為PID調(diào)節(jié)器的實際值并 和設(shè)定值進行比較之后校正偏差，由PID控制電路輸出控制信號送到PWM電路中調(diào)整脈寬， 這也構(gòu)成常規(guī)的電壓反饋，即電壓外環(huán)。
[0038] Cuk電路中開關(guān)管VT發(fā)射極與霍爾電流傳感器Τα連接，霍爾電流傳感器Τα將按被測 電流大小，選擇合適的變比將電流信號Is轉(zhuǎn)移到輸出并且轉(zhuǎn)化成電壓信號輸出到PID控制 電路中和設(shè)定值相比較并進行校正，一旦檢測到電壓偏離設(shè)定值，電流檢測比較器將使PWM 鎖存器復(fù)位，柵極驅(qū)動信號將對功率開關(guān)管輸出脈沖進行調(diào)節(jié)，在輸出采樣電壓誤差出現(xiàn) 之前，PWM電路的脈沖輸出就會有調(diào)節(jié)作用，前饋補償電路所檢測的是擾動本身，只要一出 現(xiàn)市電電網(wǎng)電壓的變化，就會馬上同步地進行檢測和補償，這樣就可以將瞬態(tài)電壓誤差減 到最小，構(gòu)成電流反饋內(nèi)環(huán)。
[0039] 這兩個反饋最終轉(zhuǎn)化成控制信號送到所述的PWM電路，構(gòu)成了電壓電流雙閉環(huán)結(jié) 構(gòu)，達到補償穩(wěn)定輸出的效果。
[0040] 過大的浪涌電流影響電路系統(tǒng)正常工作，對電路和器件造成很大的沖擊。因此，必 須設(shè)計限流裝置對其加以限制。本實用新型中采用霍爾電流傳感器進行過流檢測，其工作 原理為：當霍爾電流傳感器在負載輸出端檢測到的電流值大于設(shè)定值時，輸出信號強制PWM 信號為〇,從而關(guān)斷開關(guān)元