电子束焊接设备专用高压开关电源实现及控制策略研究

论文摘要

本课题来源于中科院电工所委托的“高压电子束焊接设备的电源控制系统研发”项目。本系统将开关电源技术应用于高压电源中,做成高频高压电源,代替了传统的电源控制模式,从而使得电源的体积和重量大大减少,电源输出纹波系数大大降低,并有效地提高了电源的稳定性和效率。电源系统主电路均采用了直流斩波调压和全桥逆变技术,以高速IGBT为直流斩波元件,IPM模块为全桥逆变元件实现了高压电源的高效小型化。驱动电路采用EXB841系列IGBT专用驱动器,用于对BUCK变换器中开关管的驱动。辅助电路使用电源模块,产生稳定的+3.3V、±5V、±12V、±15V直流电压用于控制电路和驱动器的辅助电源,通过一系列的抗干扰措施,保证了整个电源系统运行可靠。控制系统由AVR单片机、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、A/D模块等芯片组成,实现了偏压、阴极灯丝、高压电源的自动调节、断电保护及软启动功能。整个控制系统以ATMEGA64单片机和CPLD为控制核心,集中二者的硬件及软件优势实现高速全桥逆变技术、电源输出电压的高精度调节和控制以及过压过流故障信号综合、可靠保护等功能。控制算法主要通过单片机的C语言编程实现,而CPLD则通过VHDL语言实现以上三套电源的逆变驱动信号形成、故障处理等功能,便于用户以后根据不同的工艺需要灵活地选择不同的控制功能。实验证明,电源的各项性能指标都达到了预期的设计目标,技术性能满足焊接工艺的需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 电子束焊接技术的发展概况
• 1.3 电子束焊机的工作原理及特点
• 1.3.1 电子束焊接技术的特点
• 1.4 电子束焊机高压电源的现状及发展趋势
• 1.5 本论文的研究内容
• 1.6 实现指标
• 1.6.1 高压技术指标
• 1.6.2 主电源电流技术要求
• 1.6.3 偏压电源技术要求
• 1.6.4 灯丝加热电源技术要求
• 2 高压开关电源主电路及变压器的设计
• 2.1 电源主电路的设计
• 2.2 直流斩波电路的设计
• 2.2.1 IGBT的过流保护
• 2.2.2 IGBT开关过程中的过电压
• 2.2.3 IGBT的关断缓冲吸收电路
• 2.3 高频逆变电路的设计
• 2.3.1 IPM模块的应用
• 2.4 合闸浪涌电流抑制电路
• 2.5 升压变压器的设计
• 2.5.1 升压变压器的分布参数
• 2.5.2 磁芯材料
• 2.5.3 绝缘问题
• 3 控制电路的设计
• 3.1 引言
• 3.2 控制系统设计
• 3.3 AVR单片机介绍及应用
• 3.4 可编程逻辑器件介绍及应用
• 3.5 软件设计
• 3.6 电压电流采样电路
• 3.7 IGBT的驱动
• 3.8 A/D电路的设计
• 3.9 控制箱设计
• 3.10 低压设计
• 3.11 反馈电路
• 3.12 故障保护及恢复
• 3.13 系统抗干扰设计
• 3.13.1 开关电源的噪声抑制
• 3.13.2 单片机抗干扰措施
• 3.13.3 软件抗干扰措施
• 3.14 本章小结
• 4 系统调试
• 4.1 高压电源试验
• 4.1.1 主变压器测试
• 4.1.2 偏压绕组及测试
• 4.1.3 灯丝绕组及测试
• 4.2 总结
• 4.2.1 高压主电路
• 4.2.2 灯丝变压器
• 4.2.3 偏压变压器
• 5 总结及展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢