高频脉冲电子束偏压电源设计

张 伟，蒋布辉，何 石，栗琪凯，孔令其

北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191

0 前言

相较于常规直流电子束，脉冲电子束能更好地发挥“匙孔”效应，在同等功率焊接时穿透深度和焊缝深宽比增大30%～50%［1］；采用脉冲电子束焊接薄板结构时可以更精确地控制热输入，达到防止工件过热、减小焊接变形的目的［2-3］，特别是脉冲频率超过20 kHz时，可以细化晶粒，改善焊缝性能［4-6］。

三级电子枪主要通过脉冲偏压调节束流来实现脉冲电子束［4-8］。但是，受高压隔离变压器寄生电容、高压整流滤波电容以及线路电感等限制，高频脉冲电子束实现难度较大，国内外脉冲电子束的研究频率大都低于1 kHz。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Kautz等人［7］对脉冲束流电子束焊接进行了较为详细的研究，焊接过程中脉冲束流频率最高为600 Hz，并且随着频率的增加，束流波形由方波逐渐畸变成类似正弦波；Nair等［3］使用60 kV、500 mA电子束焊机对7 mm厚的T87和T6时效状态AA2219铝合金进行了连续束流和脉冲束流电子束焊接，其中脉冲束流频率为66.6 Hz，占空比为50%；北京航空航天大学齐铂金、徐国宁等［5-6，8］通过低压电路MOSFET斩波产生脉冲偏压，再通过高压隔离变压器升压产生高压侧的脉冲偏压，受高压绝缘和滤波电容等的影响，在频率较高时脉冲偏压波形产生严重畸变，能够实现的最高脉冲频率为1 kHz。在高频脉冲电子束方面，齐铂金、范霁康等［9-10］在高压隔离变压器后级的高压电路中设置高压MOSFET斩波电路，通过控制MOSFET的导通和关断来产生高频脉冲偏压，进而获得20 kHz高频脉冲电子束。其中，MOSFET驱动信号采用0～20 kHz的脉冲信号调制1 MHz的基波信号，并通过高压隔离变压器传递到高压端，然后再进行解调，解调后的0～20 kHz脉冲信号直接驱动MOSFET进行斩波以实现脉冲偏压。同样，由于高压隔离变压器的寄生电容和电感、解调电路的滤波电容，以及解调后的MOSFET驱动信号驱动能力不足等因素，降低了脉冲偏压和上升沿和下降沿的变化速率。

本文基于调制解调的工作原理，设计了专门的高压隔离通讯电路，可以实现脉冲频率、占空比等高频脉冲偏压参数［10］以及启动、停止等命令数据从低压端向高压端的传输；为了提高脉冲偏压上升沿和下降沿的变化速度，在高压端设计了专门的高压斩波电路，通过高压端PWM产生电路及驱动电路，控制高压斩波电路的MOSFET功率开关管实现高频快速导通和关断；同时，设计了专门的隔离供电电源，为高压端的高压斩波电路供电，确保MOSFET的驱动信号具有足够的驱动能力。设计的高频脉冲电子束偏压电源的脉冲偏压波形在20 kHz时具有陡峭的上升沿和下降沿。

1 系统组成

高频脉冲电子束偏压电源主要由基值偏压电源、脉冲偏压电源、隔离通讯电路、隔离供电电路和高压斩波电路组成，如图1所示。

图1 高频脉冲电子束偏压电源组成Fig.1 Composition of bias power supply for high frequency pulsed electron beam

基值偏压电源由基值调压电路、基值逆变电路、高压隔离变压器1和高压整流滤波电路1组成，主要功能是产生基值偏压直流电压，调节范围0～1 500 V；脉冲偏压电源由脉冲调压电路、脉冲逆变电路、高压隔离变压器2和高压整流滤波电路2组成，主要功能是产生脉冲偏压直流电压，调节范围0～500 V；隔离通信电路由直流电源1、通讯逆变电路、高压隔离变压器3和通讯解调电路组成，主要功能是通过调制解调电路将低压端设置的脉冲偏压频率、占空比参数传送至高压端，并通过高压斩波电路实现脉冲偏压输出；隔离供电电路由直流电源2、供电逆变电路、高压隔离变压器4和电源变换电路组成，主要功能是通过高压隔离变压器实现高压端的高压斩波电路供电。

高压斩波电路由高压斩波主电路、高压PWM产生电路组成，其中高压斩波主电路将脉冲偏压电源的直流变换成脉冲偏压输出，高压PWM产生电路通过串口接收低压侧发送的脉冲频率、占空比参数，然后通过单片机中的PWM模块产生高压斩波PWM波形，再通过驱动电路连接至高压斩波主电路，从而实现脉冲偏压输出。脉冲偏压输出再与基值偏压串联输出，连接至三级电子枪的阴极和栅极，实现对电子束的调节，进而实现高频脉冲电子束束流输出。

基于上述几部分电路既能实现普通直流偏压电源的功能，又能实现高频脉冲偏压输出，并且由于高压斩波电路的PWM产生、供电和高压斩波主电路均在高压侧，直接对脉冲偏压直流进行斩波，因而可以实现高频脉冲偏压输出，并使得脉冲偏压具有快速变化的上升沿和下降沿。

2 主电路拓扑设计

2.1 低压调压电路

为了实现基值偏压电源和脉冲偏压电源输出电压的调节，均在高压隔离变压器的低压侧设置了低压调压电路，其主电路拓扑如图2所示。

图2 低压调压电路Fig.2 Low voltage regulating circuit

图2中，AC220 V交流电通过AC/DC后变换成稳定的+48 V直流电，然后输入由MOSFET功率开关管Q8、快恢复二极管VD13、电感L1和滤波电容C8组成的Buck电路进行降压变换，变成0～48 V可调的直流电压输出。这样，通过基值偏压电源的高压隔离变压器1升压后，在高压侧就可得到0～1 500 V可调的基值偏压直流电压；通过脉冲偏压电源的高压隔离变压器2升压后，在高压侧就可得到0～500 V可调的脉冲偏压直流电压。

2.2 逆变电路

在基值偏压电源和脉冲偏压电源中，低压调压电路输出的直流电压再连接至逆变电路进行变换。逆变电路的功能是将低压调压电路输出的直流电压再次变换成40 kHz的交流方波，然后经高压隔离变压器升压后传输至高压侧进行整流滤波，进而得到基值偏压直流电压和脉冲偏压直流电压。基值逆变电路和脉冲逆变电路的主电路均采用全桥逆变电路拓扑，如图3所示。

图3 全桥逆变主电路Fig.3 Full bridge inverter main circuit

隔离通讯电路和隔离供电电路的输出功率较低，因此通讯逆变电路和供电逆变电路均采用半桥逆变主电路，如图4所示。

图4 半桥逆变主电路Fig.4 Half bridge inverter main circuit

2.3 高压斩波主电路

为了实现高频脉冲偏压输出，在高压侧脉冲偏压直流电压输出后设计了高压斩波主电路，如图5所示。

图5 高压斩波主电路Fig.5 High voltage chopper main circuit

在图5中，脉冲偏压电源的高压隔离变压器2的高压侧输出连接至由VD7、VD8、VD9、VD10、R1、R2和C6组成的全桥整流滤波电路，变换成脉冲偏压直流电压输出，再经功率开关管Q7后变换成脉冲偏压输出。当高压PWM控制波形为高时，Q7导通，脉冲偏压输出为高电压；当高压PWM控制波形为低时，Q7关断，脉冲偏压输出为低电压，其中快恢复二极管VD12为续流二极管。

3 控制电路

3.1 PWM发生电路

低压端的PWM发生电路均由SG3525A及其外围电路构成，如图6所示。SG3525A是一款经典的PWM控制芯片，能产生两路相位差为180°的PWM波形，并经芯片11、14引脚输出；10脚为芯片的关断引脚，当10脚为低电平时，PWM波形正常输出，反之则PWM波形输出关闭。PWM控制波形的输出频率和死区时间可以通过引脚5、6、7之间的电阻R5、R6和电容C11来设置。

图6 低压侧PWM产生电路Fig.6 Low voltage side PWM generation circuit

3.2 通讯调制解调电路

基于串行通讯的工作原理设计了串行通讯调制解调电路，该电路主要由低压端的信号调制电路和高压端的信号解调及接收电路两部分组成，如图7所示。

图7 通讯调制解调电路工作原理Fig.7 Working principle of communication modulation and demodu‐lation circuit

信号调制电路主要由触摸屏、串行调制信号发生电路、SG3525A PWM发生电路、功率开关管驱动电路和通讯逆变主电路组成。首先，通过触摸屏输入高频脉冲偏压电子束的脉冲频率、占空比参数及控制命令，然后这些参数通过单片机串行调制信号发生电路变换成含有脉冲频率和占空比参数的一系列串行信号，波特率为1.2 kbps；该信号通过与非门反向后再连接至SG3525A PWM发生电路的10脚（见图6中的SHUT信号）作为调制信号。在图6中，当串行调制信号为高电平时，SG3525A输出两路频率约60 kHz的PWM控制信号P1和P2，通过驱动电路后连接至通讯逆变电路，从而获得高频交流方波输出；当串行调制信号为低电平时，SG3525A输出关闭，通讯逆变电路无输出。

调制后的高频交流方波经高压隔离变压器3后传输至高压端的信号解调及接收电路进行信号解调，如图8所示。高频交流方波经二极管VD13、VD14、VD15和VD16整流后，再经R7和C17进行滤波，基波高频信号被滤除，解调成串行通讯信号，然后经比较器进行整形和电压变压后输入高压侧单片机进行串行信号接收，从而实现脉冲频率、占空比参数及控制命令的高压隔离传输。串行通讯的具体调制和解调波形如图9所示。

图8 信号解调电路Fig.8 Signal demodulation circuit

图9 通讯调制解调工作原理波形Fig.9 Waveform diagram of communication modem working principle

3.3 高压斩波PWM波形发生电路

高压斩波PWM波形发生电路由PIC单片机及其外围电路构成，如图10所示。解调后的串行通讯信号RX连接至单片机的串口接收端，实现脉冲参数和控制命令接收，再通过单片内部的PWM模块，产生相应脉冲频率和占空比参数的PWM波形信号，该信号再通过PWM驱动电路连接至图5中功率开关管Q7的门极控制其导通和关断，从而实现高频脉冲偏压输出。

图10 通讯接收及高压斩波PWM电路Fig.10 Communication receiving and high voltage chopper PWM circuit

4 波形测试

4.1 调制解调波形

当串行通讯总线空闲时，串行调制信号为高电平，SG3525A输出两路高频PWM控制信号P1和P2，控制通讯逆变电路在隔离变压器3的一次侧与二次侧均得到连续的高频交流方波输出，解调后的串行通讯信号也为高电平，如图11a所示；当需要传递高频脉冲参数时，串行调制信号出现高低电平，对SG3525A输出的高频PWM控制信号P1和P2进行调制，使得隔离变压器3的一次侧与二次侧均得到间断的高频交流方波输出，解调后还原成串行通讯信号，如图11b所示。

图11 串行通讯调制解调波形Fig.11 Modulation and demodulation waveform of serial communication

4.2 高频脉冲偏压输出波形

脉冲频率为20 kHz、占空比分别为20%和50%的高频脉冲偏压的输出波形如图12所示。由图可知，脉冲偏压在20 kHz时具有陡峭的上升沿和下降沿，尤其是脉冲偏压上升沿≤1 μs，为实现快速变化的高频脉冲电子束束流提供了条件。

图12 高频脉冲偏压输出波形Fig.12 Bias Output waveform of high frequency pulse

5 结论

（1）提出了基值偏压电源、脉冲偏压电源和高压斩波主电路串联的高压脉冲偏压电源主电路结构，通过高压斩波电路的MOSFET功率开关管导通和关断实现了高频脉冲偏压输出，产生的脉冲偏压波形在20 kHz时具有陡峭的上升沿和下降沿，尤其是脉冲偏压上升沿≤1 μs。

（2）基于调制解调工作原理，设计了高压隔离通讯电源，实现了低压端高频脉冲频率、占空比等参数及启动、停止等命令向高压端高压斩波电路的可靠传输。

（3）设计了专门的高压隔离供电电路，实现了高压端高压斩波电路的可靠供电，确保高压斩波电路MOSFET功率开关管驱动信号有足够的驱动能力。

文中提出的高频脉冲电子束偏压电源结构，可应用于脉冲电子束焊接等先进制造领域，能精准控制热输入，细化晶粒，有效改善焊缝质量。