專利名稱：一種適用于超音頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置的制作方法
技術領域：
本發明是一種適用于超音頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置，具體的說，是一種適用于電子束焊接，控制電子束達到超音頻的偏壓電源的拓撲電路結構，屬于電子電路技術領域。
背景技術：
在電子束焊接領域，相對于連續束流的電子束焊接而言，等功率的脈沖束流電子束焊接能夠有效提高焊縫熔深、焊縫深寬比；焊接同等厚度的工件，可降低熱輸入，減少焊接變形。脈沖電子束焊接，脈沖束流頻率是影響焊接質量的重要工藝參數之一。對于 60kV 150kV的電子束焊接電源，通過脈沖變壓器將低壓脈沖升壓到中/高壓脈沖或在中 /高壓輸出端通過斬波方式獲得中/高壓脈沖束流的技術，實現起來非常困難。因此，更談不上脈沖束流頻率的調節。通常電子束焊接采用三級電子槍，通過調節偏壓電路的電壓值來改變束流大小。因此，可以采用脈沖調制策略獲得偏壓脈沖，以達到獲取脈沖束流的目的，目前國內外常用的脈沖偏壓電源(見圖1所示)，其脈沖偏壓的頻率在IkHz以下，導致脈沖電子束焊接束流的頻率難以得到提高。對于脈沖電子束焊接，隨著脈沖束流頻率的大幅提高，不但可最大程度發揮焊接過程中的“匙孔”效應，而且還將產生特殊的電磁效應，對焊縫熔深、接頭組織產生顯著影響。大厚度工件焊接時，需要的焊接束流高達上百毫安，要在技術實現上百毫安超音頻脈沖束流，采用常規的脈沖偏壓電源控制技術實現起來十分困難。即使可以實現，偏壓脈沖波形會發生嚴重畸變，將會嚴重影響脈沖束流品質。圖1中，220V工頻交流電與常規脈沖偏壓電源的降壓整流濾波電路聯接，降壓整流濾波電路輸出的直流電經過半橋逆變電路轉化成高頻交流信號，高頻交流信號經過第一變壓器B1升壓傳輸至倍壓整流電路后變成直流電，直流電的正端串聯在60kV 150kV電壓上，負端作用在電子槍的柵極。第一電流傳感器采集到的電子束焊接束流反饋信號If輸出到第一脈沖偏壓控制電路；第一脈沖偏壓控制電路根據束流頻率預先給定值f確定脈沖束流的周期Ι/f，再根據占空比δ分別確定峰值脈沖束流、基值脈沖束流有效的δ/f、 (1- S )/f時間。在峰值脈沖束流有效S /f期間，第一脈沖偏壓控制電路根據接收到的電子束流反饋信號If與峰值束流給定信號Ipg進行差值比較后，將結果轉化成偏壓信號，閉環控制輸出的PWM脈沖并輸出到第一 PWM驅動電路，所述的經過調整的PWM脈沖經過第一 PWM 驅動電路后分別作用在功率晶體管兌的柵極G與功率晶體管％的柵極G上，調節功率晶體管A、功率晶體管％的開/關時間，調節峰值偏壓輸出；在基值脈沖束流有效(1- S )/f期間，第一脈沖偏壓控制電路根據接收到的電子束流反饋信號If與基值束流給定信號、進行差值比較后，將結果轉化成偏壓信號，閉環控制輸出的PWM脈沖并輸出到第一 PWM驅動電路，所述的經過調整的PWM脈沖經過第一 PWM驅動電路后分別作用在功率晶體管A的柵極 G與功率晶體管( 的柵極G上，調節功率晶體管A、功率晶體管A的開/關時間，調節基值偏壓輸出。各端子之間的聯接為220V工頻交流電的U端、V端分別接在降壓整流濾波電路MD的1端、2端；第一電容C1與第二電容C2在0端串聯后并聯在降壓整流濾波電路MD的3 端、4端之間；第一電容C1與第二電容C2之間的0端聯接第一變壓器B1的B端；降壓整流濾波電路MD的3端聯接第一功率晶體管％的集電極C，降壓整流濾波電路MD的4端聯接第二功率晶體管％的發射極E ；第一變壓器B1的A端聯接第一功率晶體管％的發射極E與第二功率晶體管％的集電極C之間；第一變壓器B1的C端、D端、E端分別聯接倍壓整流電路的5端、6端、7端，倍壓整流電路的8端(偏壓電源負輸出端)聯接電子槍的柵極，倍壓整流電路的9端(偏壓電源正輸出端)經過直流電阻R1聯接到60kV 150kV直流電源的 10端(即中/高壓直流電源負輸出端)；60kV 150kV直流電源的11端(即中/高壓直流電源正輸出端)與大地之間串聯了第一電流傳感器。
發明內容
本發明正是為了解決常規脈沖偏壓電源控制技術難以滿足超音頻脈沖束流輸出需求的難題，提供了一種適用于超音頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置。該超音頻脈沖偏壓電源由降壓整流濾波電路、峰值偏壓產生電路、基值偏壓產生電路、峰值脈沖偏壓切換電路、基值脈沖偏壓切換電路組成；220V工頻交流電經過降壓整流濾波電路MD后分別輸出給所述的峰值偏壓產生電路、所述的基值偏壓產生電路；所述的峰值偏壓產生電路用于產生峰值偏壓Up ；所述的基值偏壓產生電路用于產生基值偏壓Ub ；所述的峰值脈沖偏壓切換電路用于實現峰值脈沖偏壓Upp的脈沖輸出；所述的基值脈沖偏壓切換電路用于實現基值脈沖偏壓Ubp的脈沖輸出；通過控制峰值脈沖偏壓Upp的幅值、基值脈沖偏壓Ubp的幅值、脈沖偏壓頻率f與占空比δ，達到控制峰值脈沖束流Ipp幅值、基值脈沖束流、幅值、脈沖束流頻率f與占空比δ的目的。本發明技術方案的具體內容如下該種適用于超音頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置，其特征在于該裝置是由峰值偏壓產生電路、基值偏壓產生電路、峰值脈沖偏壓切換電路和基值脈沖偏壓切換電路組成，其中峰值偏壓產生電路的各端子之間的聯接為220V工頻交流電的U端、V端分別與降壓整流濾波電路MD的1端、2端聯接；第一電容C1與第二電容C2在0端串聯后并聯在降壓整流濾波電路MD的3端、4端之間；第一電容C1與第二電容C2之間的0端聯接第一變壓器B1的B端；降壓整流濾波電路MD的3端聯接第一功率晶體管A的集電極C，降壓整流濾波電路MD的4端聯接第二功率晶體管％的發射極E ；第一變壓器&的A端聯接第一功率晶體管％的發射極E與第二功率晶體管Q2的集電極C之間；第一變壓器B1的C端、D端、E端分別聯接第一倍壓整流電路的5端、6端、7 端，第一倍壓整流電路的8端(峰值偏壓電源正輸出端)與第一倍壓整流電路的9端(峰值偏壓電源負輸出端)之間并聯第一電壓傳感器。第一電壓傳感器將采集到的第一電壓反饋信號Upf (峰值偏壓的電壓信號)輸出給第一閉環PWM控制電路；峰值束流給定信號Ipg、 基值束流給定信號Ibg、束流反饋信號；輸出到第一束流/偏壓轉化電路，第一束流/偏壓轉化電路將接收到的峰值束流給定信號Ipg、基值束流給定信號、進行求和運算，并檢測If 是否過流，將(Ipg+Ibg)轉化為峰值偏壓給定信號隊8輸出給第一閉環PWM控制電路；第一閉環PWM控制電路根據接收到的第一偏壓反饋信號Upf與第一偏壓給定信號進行差值比較后，閉環控制第一PWM脈沖的占空比，所述的第一PWM脈沖信號經過第一驅動電路后分別作用在第一功率晶體管A柵極G與第二功率晶體管％的柵極G上；基值偏壓產生電路各端子之間的聯接為第三電容C3與第四電容(；在11端串聯后并聯在降壓整流濾波電路MD的3端、4端之間；第三電容C3與第四電容C4之間的M端聯接第二變壓器4的B端；降壓整流濾波電路 MD的3端聯接第三功率晶體管( 的集電極C，降壓整流濾波電路MD的4端聯接第四功率晶體管A的發射極E ；第二變壓器氏的A端聯接第三功率晶體管( 的發射極E與第四功率晶體管A的集電極C之間；第二變壓器化的C端、D端、E端分別聯接第二倍壓整流電路的5 端、6端、7端，第二倍壓整流電路的8端(基值偏壓電源正輸出端)與倍壓整流電路的9端 (基值偏壓電源負輸出端)之間并聯第二電壓傳感器。第二電壓傳感器將采集到的第二電壓反饋信號Ubf (基值偏壓的電壓信號)輸出給第二閉環PWM控制電路；基值束流給定信號 Ibg、束流反饋信號If輸入到第二束流/偏壓轉化電路，第二束流/偏壓轉化電路檢測If是否過流，并將Ibg轉化為基值偏壓給定信號Ubg輸出給第二閉環PWM控制電路；第二閉環PWM 控制電路根據接收到的第二偏壓反饋信號Ubf與第二偏壓給定信號Ubg進行差值比較后，閉環控制第二 PWM脈沖的占空比，所述的第二 PWM脈沖信號經過第二驅動電路后分別作用在第三功率晶體管Q3的柵極G與第四功率晶體管&的柵極G上；峰值脈沖偏壓切換電路各端子之間的聯接為第一倍壓整流電路的8端串聯第一限流電阻R1后，聯接第一高速二極管D1的陽極 P端；超音頻脈沖偏壓電源的正輸出端10端聯接第一高速二極管0工的陰極N端與第二高速二極管A的陰極N端；峰值脈沖偏壓切換電路與基值脈沖偏壓切換電路聯接的Y端分別聯接第二高速二極管A的陽極ρ端、第五功率晶體管A的集電極c端、χ端；第五功率晶體管 Q5的發射極E端聯接第一倍壓整流電路的9端；第一束流脈沖頻率及占空比給定電路在在峰值脈沖束流Ipp有效期間S/f，根據外部輸入的脈沖束流頻率f、束流占空比δ生成用于第三驅動電路的高電平脈沖，所述的脈沖經過第三驅動電路后，作用在第五功率晶體管A 的柵極G上；第一束流脈沖頻率及占空比給定電路同時產生與所述脈沖相位互補的低電平脈沖，該脈沖經過第四驅動電路后，作用在第六功率晶體管％的柵極G上；基值脈沖偏壓切換電路各端子之間的聯接為第二倍壓整流電路的8端串聯第二限流電阻&后，聯接第三高速二極管D3的陽極 P端；與峰值偏壓電路聯接的X端分別聯接第三高速二極管D3的陰極N端、第四高速二極管 D4的陰極N端、Y端；超音頻脈沖偏壓電源的負輸出端11端聯接分別聯接第四高速二極管 D4的陽極P端、第六功率晶體管％的集電極C端；第六功率晶體管％的發射極E端聯接第二倍壓整流電路的9端；第一束流脈沖頻率及占空比給定電路在基值脈沖束流Ibp有效期間(1-S )/f，根據外部輸入的脈沖束流頻率f、占空比δ生成用于第四驅動電路的高電平脈沖，所述的脈沖經過第四驅動電路后，作用在第六功率晶體管％的柵極G上；第一束流脈沖頻率及占空比給定電路同時產生與所述脈沖相位互補的低電平脈沖，該脈沖經過第三驅動電路后，作用在第五功率晶體管A的柵極G上。峰值偏壓產生電路輸出的電壓0 1500V。基值偏壓產生電路輸出的電壓0 1500V。峰值脈沖偏壓切換電路、基值脈沖偏壓切換電路交替工作完成超音頻脈沖偏壓的輸出，其通過控制第五功率晶體管A開通、第六功率晶體管％關斷調節峰值偏壓作用時間 δ /f ；其通過控制第五功率晶體管％關斷、第六功率晶體管％開通調節基值偏壓作用時間 (1- 5)/f ；峰值脈沖偏壓Upp疊加在加速電壓60 150kV直流電源的負端，其通過第一高速二極管D1、第一限流電阻R1、峰值偏壓產生電路正輸出端8端、峰值偏壓產生電路負輸出端9端、第五功率晶體管％、第四高速二極管D4作用在電子槍的柵極；基值脈沖偏壓Ubp通過第二高速二極管A疊加在加速電壓60 150kV直流電源的負端，其通過第二高速二極管D2、第三高速二極管D3、第二限流電阻&、基值偏壓產生電路正輸出端8端、基值偏壓產生電路負輸出端9端、第六功率晶體管％作用在電子槍的柵極；調節峰值偏壓Upp有效時間時間S/f，及脈沖偏壓的工作周期變化Ι/f，使得作用在電子槍上柵極的偏壓脈沖頻率彡 20kHz ο本發明所述的偏壓電源裝置的優點在于(1)采用峰值偏壓產生電路、基值偏壓產生電路、峰值脈沖偏壓切換電路、基值脈沖偏壓切換電路的組合，有利于對偏壓電源進行超音頻脈沖控制，從而實現超音頻脈沖束流的輸出；(2)超音頻基值脈沖偏壓與峰值脈沖偏壓可靈活控制與調節，偏壓脈沖頻率f與占空比δ可獨立調節，相應的超音頻基值脈沖束流與峰值脈沖束流可靈活控制與調節，束流脈沖頻率與占空比也可獨立調節。
圖1是脈沖偏壓電源常規結構及其與電子束焊機聯接框圖。圖2是本發明超音頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置的結構框圖。圖3是本發明超音頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置與電子槍、加速電源的聯接框圖。圖4是本發明關鍵電路輸出電壓與電子束焊機輸出電流波形示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖和實施例對本發明技術方案作進一步地詳述參見附圖2所示，本發明所述超音頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置由降壓整流濾波電路、峰值偏壓產生電路、基值偏壓產生電路、峰值脈沖偏壓切換電路、基值脈沖偏壓切換電路組成。在本發明中所述的降壓整流濾波電路、所述的峰值偏壓產生電路采用如圖1所示的常規拓撲電路結構。即峰值偏壓產生電路由半橋式逆變電路、第一變壓器B1、第一倍壓整流電路、第一電壓傳感器、第一束流/偏壓轉化電路、第一閉環控制PWM電路、第一驅動電路構成，用于實現峰值偏壓&的產生。其各端子之間的聯接為220V工頻交流電的U端、V端分別與降壓整流濾波電路MD的1端、2端聯接；降壓整流濾波電路MD的3端、4端輸出24V
直;電；第一電容C1、第二電容C2構成半橋式逆變電路的一個橋臂；第一明率晶體管％、第
二功率晶體管( 構成半橋式逆變電路的另一個橋臂；所述橋臂均并聯在降壓整流濾波電路 MD的3端、4端之間。第一電容C1與第二電容C2之間的0端聯接第一變壓器B1的B端；降壓整流濾波電路MD的3端聯接第一功率晶體管兌的集電極C，降壓整流濾波電路MD的4 端聯接第二功率晶體管A的發射極E ；第一變壓器B1的A端聯接第一功率晶體管％的發射極E與第二功率晶體管％的集電極C之間；第一變壓器B1的C端、D端、E端分別聯接第一倍壓整流電路的5端、6端、7端，第一倍壓整流電路的8端(峰值偏壓電源正輸出端)與第一倍壓整流電路的9端(峰值偏壓電源負輸出端)之間并聯第一電壓傳感器。第一電壓傳感器將采集到的第一電壓反饋信號Upf (峰值偏壓的電壓信號)輸出給第一閉環PWM控制電路；由于偏壓電壓幅值輸出與電子束流輸出反相(即偏壓越大，電子束流越小)，峰值束流 Ipp有效期間基值脈沖偏壓Ubp不能輸出；僅根據峰值束流給定信號Ipg計算出的峰值偏壓會導致峰值束流的幅值過小，甚至有低于峰值束流的可能。因此，為保證峰值脈沖束流Ipp有效期間，其幅值為峰值束流給定信號Ipg與基值束流給定信號、的和，將峰值束流給定信號 Ipg、基值束流給定信號Ibg、束流反饋信號；輸出到第一束流/偏壓轉化電路，第一束流/偏壓轉化電路將接收到的峰值束流給定信號Ipg、基值束流給定信號Il3g進行求和運算，并檢測 If是否過流，將(Ipg+Ibg)轉化為峰值偏壓給定信號Upg輸出給第一閉環PWM控制電路；第一閉環PWM控制電路根據接收到的第一偏壓反饋信號Upf與第一偏壓給定信號Upg進行差值比較后，閉環控制第一PWM脈沖的占空比，所述的第一PWM脈沖信號經過第一驅動電路后分別作用在第一功率晶體管A的柵極G與第二功率晶體管％的柵極G上。在本發明中所述的基值偏壓產生電路采用如圖1所示的常規拓撲電路結構。即基值偏壓產生電路由半橋逆變電路、第二變壓器4、第二倍壓整流電路、第二電壓傳感器、第二束流/偏壓轉化電路、第二閉環控制PWM電路、第二驅動電路構成，用于實現基值偏壓Ub 的產生。其各端子之間的聯接為第三電容仏、第四電容(；在11點串聯構成半橋式逆變電路的一個橋臂；第三功率晶體管( 的發射極E與第四功率晶體管A的集電極c聯接構成半橋式逆變電路的另一個橋臂；所述橋臂均并聯在降壓整流濾波電路MD的3端、4端之間。 第三電容C3與第四電容C4之間的M端聯接第二變壓器化的B端；降壓整流濾波電路MD的 3端聯接第三功率晶體管( 的集電極C，降壓整流濾波電路MD的4端聯接第四功率晶體管 Q4的發射極E ；第二變壓器化的A端聯接第三功率晶體管( 的發射極E與第四功率晶體管 Q4的集電極C之間；第二變壓器化的C端、D端、E端分別聯接第二倍壓整流電路的5端、6 端、7端，第二倍壓整流電路的8端(基值偏壓電源正輸出端)與倍壓整流電路的9端(基值偏壓電源負輸出端)之間并聯第二電壓傳感器。第二電壓傳感器將采集到的第二電壓反饋信號Ubf (基值偏壓的電壓信號)輸出給第二閉環PWM控制電路；基值束流給定信號Ibg、 束流反饋信號If輸入到第二束流/偏壓轉化電路，第二束流/偏壓轉化電路檢測If是否過流，并將Ibg轉化為基值偏壓給定信號Ubg輸出給第二閉環PWM控制電路；第二閉環PWM控制電路根據接收到的第二偏壓反饋信號Ubf與第二偏壓給定信號Ubg進行差值比較后，閉環控制第二 PWM脈沖的占空比，所述的第二 PWM脈沖信號經過第二驅動電路后分別作用在第三功率晶體管Q3的柵極G與第四功率晶體管&的柵極G上。在本發明中峰值脈沖偏壓切換電路由第一限流電阻隊、第一高速二極管D1、第二高速二極管D2、第五功率晶體管A組成，用于實現峰值脈沖偏壓Upp的產生。其各端子之間的聯接為第一倍壓整流電路的8端串聯第一限流電阻R1后，聯接第一高速二極管D1的陽極P端；超音頻脈沖偏壓電源的正輸出端10端聯接第一高速二極管D1的陰極N端與第二高速二極管A的陰極N端；峰值脈沖偏壓切換電路與基值脈沖偏壓切換電路聯接的Y端分
8別聯接第二高速二極管A的陽極ρ端、第五功率晶體管A的集電極c端、χ端；第五功率晶體管A的發射極E端聯接第一倍壓整流電路的9端；第一束流脈沖頻率及占空比給定電路在在峰值脈沖束流Ipp有效期間S/f，根據外部輸入的脈沖束流頻率f、束流占空比δ生成用于第三驅動電路的高電平脈沖，所述的脈沖經過第三驅動電路后，作用在第五功率晶體管95的柵極G上；第一束流脈沖頻率及占空比給定電路同時產生與所述脈沖相位互補的低電平脈沖，該脈沖經過第四驅動電路后，作用在第六功率晶體管％的柵極G上。在本發明中基值脈沖偏壓切換電路由第二限流電阻民、第三高速二極管D3、第四高速二極管D4、第六功率晶體管％組成，用于實現基值脈沖偏壓Ubp的產生。其各端子之間的聯接為第二倍壓整流電路的8端串聯第二限流電阻&后，聯接第三高速二極管D3的陽極P端；與峰值偏壓電路聯接的X端分別聯接第三高速二極管D3的陰極N端、第四高速二極管D4的陰極N端、Y端；超音頻脈沖偏壓電源的負輸出端11端聯接分別聯接第四高速二極管D4的陽極P端、第六功率晶體管％的集電極C端；第六功率晶體管％的發射極E端聯接第二倍壓整流電路的9端；第一束流脈沖頻率及占空比給定電路在基值脈沖束流Ibp有效期間(1-S )/f，根據外部輸入的脈沖束流頻率f、占空比δ生成用于第四驅動電路的高電平脈沖，所述的脈沖經過第四驅動電路后，作用在第六功率晶體管％的柵極G上；第一束流脈沖頻率及占空比給定電路同時產生與所述脈沖相位互補的低電平脈沖，該脈沖經過第三驅動電路后，作用在第五功率晶體管A的柵極G上。本發明超音頻脈沖電子束流實現的偏壓電源裝置，采用相互獨立的基值偏壓產生電路、峰值偏壓產生電路，實現了超音頻脈沖偏壓的基值與峰值的靈活控制與調節，使得超音頻脈沖束流的基值與峰值相對靈活可制，便于調節。第六功率晶體管％開通，第五功率晶體管仏關斷，峰值脈沖偏壓作用于電子槍的柵極，用于實現峰值脈沖束流輸出；第六功率晶體管％關斷，第五功率晶體管A開通，基值脈沖偏壓作用于電子槍的柵極，用于實現基值脈沖束流輸出。通過控制脈沖偏壓的周期l/f，使得電子束脈沖束流的頻率> 20kHz。本發明的峰值偏壓產生電路輸出的電流最大15mA，輸出電壓為0 1500V，對應的峰值束流輸出為ImaxHiA 0mA(Imax為電子束焊機輸出的最大束流，與60 150kV直流電源的功率相關)。本發明的峰值偏壓產生電路輸出電流最大15mA，輸出電壓為0 1500V，對應的峰值束流輸出為ImaxHiA 0mA(Imax為電子束焊機輸出的最大束流，與60 150kV直流電源的功率相關)。本發明超音頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置與電子束焊接電源、電子槍的聯接如圖3所示。超音頻脈沖偏壓電源的正輸出端10端串聯限流電阻RO后聯接60 150kV 直流電源的負輸出端12端；60 150kV直流電源的正輸出端13端串聯第一電流傳感器后聯接大地；超音頻脈沖偏壓電源的負輸出端11端聯接電子槍的陽極。在峰值脈沖束流有效 S/f期間，第一束流脈沖頻率及占空比給定電路根據給定的脈沖束流頻率f、占空比δ生成高電平脈沖，所述的脈沖信號經過第三驅動電路作用于第五功率晶體管( 的柵極，使第五功率晶體管A導通；同時第一束流脈沖頻率及占空比給定電路生成所述高脈沖信號互補的低電平脈沖，該低電平脈沖信號經過第四驅動電路作用于第六功率晶體管％的柵極，使第六功率晶體管％關斷；電子槍的柵極通過第四高速二極管D4、第五功率晶體管A與峰值偏壓電源的負端9端聯接；峰值偏壓電源的正端8端通過第一限流電阻R1、第一高速二極管D1輸出峰值脈沖偏壓Upp ；Upp通過限流電阻Rtl與60 150kV直流電源的負輸出端12端聯接；所述峰值脈沖偏壓Upp作用于電子槍的柵極，相對于大地而言，電子槍的柵極得到的電壓為-(60 150kV)-Upp，從而得到峰值脈沖束流Ipp。在基值脈沖束流有效(1- δ )/f期間， 第一束流脈沖頻率及占空比給定電路根據給定的脈沖束流頻率f、占空比δ生成低電平有效的脈沖，所述的脈沖信號經過第三驅動電路作用于第五功率晶體管A的柵極，使第五功率晶體管A關斷；同時第一束流脈沖頻率及占空比給定電路根據給定的脈沖束流頻率f、 占空比δ生成與所述低電平脈沖互補的高電平脈沖，該高電平脈沖信號經過第四驅動電路作用于第六功率晶體管％的柵極，使第六功率晶體管％導通；電子槍的柵極通過第六功率晶體管％聯接基值偏壓電源的負端9端；基值偏壓電源的正端8端通過第二限流電阻&、 第三高速二極管D3、第二高速二極管A輸出基值脈沖偏壓Ubp ；Ubp通過限流電阻Rtl與60 150kV直流電源的負輸出端12端聯接；所述基值脈沖偏壓Ul3p作用于電子槍的柵極，相對于大地而言，電子槍柵極上得到的電壓值為-(60 150kV)-Ubp，從而得到基值脈沖束流Ibp。本發明超音頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置控制超音頻脈沖束流的工作原理是第一束流/偏壓轉化電路根據輸入的如圖4(a)所示峰值束流給定信號Ipg、如圖4(b) 所示基值束流給定信號Ibg、電子束流反饋信號If進行處理后，輸出峰值偏壓給定信號到第一閉環PWM控制電路，第一閉環PWM控制電路根據輸入的峰值偏壓給定信號、第一電壓傳感器輸出的峰值偏壓反饋信號Upf的差值進行PID處理，閉環控制第一 PWM脈沖的占空比，所述的第一 PWM脈沖信號經過第一驅動電路后分別作用在第一功率晶體管A的柵極G
與第二功率晶體管A的柵極G上，調節第一功率晶體管％與，4一功率晶體管％的開通/
關斷時間，相應的調整了峰值偏壓產生電路輸出的峰值偏壓& ；所述峰值束流給定信號Ipg 時，峰值偏壓產生電路輸出的峰值偏壓&如圖4(c)所示。第二束流/偏壓轉化電路根據輸入的如圖4(b)所示基值束流給定信號Ibg、電子束流反饋信號If進行處理后，輸出基值偏壓給定信號Ul3g到第二閉環PWM控制電路，第二閉環PWM控制電路根據輸入的基值偏壓給定信號Ubg、第二電壓傳感器輸出的基值偏壓反饋信號Ubf的差值進行PID處理，閉環控制第二 PWM脈沖的占空比，所述的第二 PWM脈沖信號經過第二驅動電路后分別作用在第三功率晶體管( 的柵極G與第四功率晶體管&的柵極G上，調節第三功率晶體管( 與第四功率晶體管A的開通/關斷時間，相應的調整了基值偏壓產生電路輸出的基值偏壓Ub ；所述基值束流給定信號Ibg時，基值偏壓產生電路輸出的基值偏壓Ub如圖4(d)所示。第一脈沖頻率及占空比給定電路根據輸入的如圖4(e)所示脈沖束流周期Ι/f、占空比給定信號δ，在δ/f期間，分別生成控制峰值脈沖偏壓切換電路中第五功率晶體管％ 開通的高電平脈沖、控制基值脈沖偏壓切換電路中第六功率晶體管％關斷的低電平脈沖； 第三驅動電路根據所述的高電平脈沖信號作用在第五功率晶體管A的柵極G上，第五功率晶體管％開通；第四驅動電路根據所述的低電平脈沖信號作用在第六功率晶體管％的柵極G上，第六功率晶體管％關斷；峰值脈沖偏壓切換電路在第一高速二極管的N端輸出如圖4 (f)所示的峰值脈沖偏壓Upp，所述的峰值脈沖偏壓Upp通過限流電阻Rtl聯接60 150kV 直流電源的負端12端；電子槍的柵極通過第四高速二極管D4、第五功率晶體管A與峰值偏壓電源的負端9端聯接；相對于大地而言，電子槍的柵極得到的電壓為-(60 150kV)-Upp， 電子束焊機輸出如圖4(g)所示的峰值脈沖束流Ipp ；第六功率晶體管％關斷時，基值偏壓電源通過第二倍壓整流電路維持穩定的基值偏壓Ub。第一脈沖頻率及占空比給定電路根據輸入的如圖4(e)所示脈沖束流周期Ι/f、占空比給定信號δ，在(ι-δ)/ ·期間，分別生成控制峰值脈沖偏壓切換電路中第五功率晶體管A關斷的低電平脈沖、控制基值脈沖偏壓切換電路中第六功率晶體管％開通的高電平脈沖；第三驅動電路根據所述的低電平脈沖信號作用在第五功率晶體管Q5的柵極G上，第
五功率晶體管A關斷；第四驅動^ I5根據所述的高電平脈沖信號作用在第六功率晶體管 Q6的柵極G上，第六功率晶體管％開通；基值脈沖偏壓切換電路在第三高速二極管的N端輸出如圖4(f)所示的基值脈沖偏壓Ubp，所述的基值脈沖偏壓Ubp通過第二高速二極管D2、 限流電阻Rci聯接60 150kV直流電源的負端12端；電子槍的柵極通過第六功率晶體管 Q6與基值偏壓電源的負端9端聯接；相對于大地而言，電子槍的柵極得到的電壓為-(60 150kV)-Ubp，電子束焊機輸出如圖4(g)所示的基值脈沖束流Ibp ；第五功率晶體管仏關斷時， 峰值偏壓電源通過第一倍壓整流電路維持穩定的峰值偏壓仏。采用峰值偏壓電源維持穩定的峰值偏壓&，基值偏壓電源維持穩定的基值偏壓 Ub,使峰值脈沖偏壓切換電路第五功率晶體管A開通或基值脈沖偏壓切換電路第六功率晶體管％開通時，峰值脈沖偏壓Upp或基值脈沖偏壓Ubp可迅速作用于電子槍的柵極，從而實現脈沖束流的快速躍變；相對獨立調節的脈沖束流頻率f、占空比δ控制技術，峰值脈沖偏壓 Upp、基值脈沖偏SUl3p的工作頻率f和占空比δ獨立調節，得到的脈沖束流頻率f、占空比δ 相應獨立可調；脈沖偏壓輸出的頻率可以> 20kHz，相應電子束脈沖束流的頻率> 20kHz。
權利要求
1. 一種適用于超音頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置，其特征在于該裝置是由峰值偏壓產生電路、基值偏壓產生電路、峰值脈沖偏壓切換電路和基值脈沖偏壓切換電路組成， 其中峰值偏壓產生電路的各端子之間的聯接為220V工頻交流電的U端、V端分別與降壓整流濾波電路MD的1端、2端聯接；第一電容 C1與第二電容C2在0端串聯后并聯在降壓整流濾波電路MD的3端、4端之間；第一電容C1 與第二電容C2之間的O端聯接第一變壓器B1的B端；降壓整流濾波電路MD的3端聯接第一功率晶體管A的集電極C，降壓整流濾波電路MD的4端聯接第二功率晶體管％的發射極 E ；第一變壓器B1的A端聯接第一功率晶體管％的發射極E與第二功率晶體管％的集電極 C之間；第一變壓器B1的C端、D端、E端分別聯接第一倍壓整流電路的5端、6端、7端，第一倍壓整流電路的8端(峰值偏壓電源正輸出端)與第一倍壓整流電路的9端(峰值偏壓電源負輸出端)之間并聯第一電壓傳感器。第一電壓傳感器將采集到的第一電壓反饋信號 Upf (峰值偏壓的電壓信號)輸出給第一閉環PWM控制電路；峰值束流給定信號Ipg、基值束流給定信號Ibg、束流反饋信號If輸出到第一束流/偏壓轉化電路，第一束流/偏壓轉化電路將接收到的峰值束流給定信號Ipg、基值束流給定信號、進行求和運算，并檢測If是否過流，將(IPg+Ibg)轉化為峰值偏壓給定信號Upg輸出給第一閉環PWM控制電路；第一閉環PWM 控制電路根據接收到的第一偏壓反饋信號Upf與第一偏壓給定信號Upg進行差值比較后，閉環控制第一 PWM脈沖的占空比，所述的第一 PWM脈沖信號經過第一驅動電路后分別作用在第一功率晶體管兌的柵極G與第二功率晶體管％的柵極G上；基值偏壓產生電路各端子之間的聯接為第三電容C3與第四電容C4在M端串聯后并聯在降壓整流濾波電路MD的3端、4端之間；第三電容C3與第四電容C4之間的M端聯接第二變壓器化端；降壓整流濾波電路MD 的3端聯接第三功率晶體管( 的集電極C，降壓整流濾波電路MD的4端聯接第四功率晶體管Q4的發射極E ；第二變壓器化的A端聯接第三功率晶體管( 的發射極E與第四功率晶體管A的集電極C之間；第二變壓器化的C端、D端、E端分別聯接第二倍壓整流電路的5 端、6端、7端，第二倍壓整流電路的8端(基值偏壓電源正輸出端)與倍壓整流電路的9端 (基值偏壓電源負輸出端)之間并聯第二電壓傳感器。第二電壓傳感器將采集到的第二電壓反饋信號Ubf (基值偏壓的電壓信號)輸出給第二閉環PWM控制電路；基值束流給定信號 Ibg、束流反饋信號If輸入到第二束流/偏壓轉化電路，第二束流/偏壓轉化電路檢測If是否過流，并將Ibg轉化為基值偏壓給定信號Ubg輸出給第二閉環PWM控制電路；第二閉環PWM 控制電路根據接收到的第二偏壓反饋信號Ubf與第二偏壓給定信號Ubg進行差值比較后，閉環控制第二 PWM脈沖的占空比，所述的第二 PWM脈沖信號經過第二驅動電路后分別作用在第三功率晶體管Q3的柵極G與第四功率晶體管&的柵極G上；峰值脈沖偏壓切換電路各端子之間的聯接為第一倍壓整流電路的8端串聯第一限流電阻R1后，聯接第一高速二極管D1的陽極P端； 超音頻脈沖偏壓電源的正輸出端10端聯接第一高速二極管D1的陰極N端與第二高速二極管D2的陰極N端；峰值脈沖偏壓切換電路與基值脈沖偏壓切換電路聯接的Y端分別聯接第二高速二極管A的陽極P端、第五功率晶體管A的集電極C端、X端；第五功率晶體管％ 的發射極E端聯接第一倍壓整流電路的9端；第一束流脈沖頻率及占空比給定電路在在峰值脈沖束流Ipp有效期間S/f，根據外部輸入的脈沖束流頻率f、束流占空比δ生成用于第三驅動電路的高電平脈沖，所述的脈沖經過第三驅動電路后，作用在第五功率晶體管A的柵極G上；第一束流脈沖頻率及占空比給定電路同時產生與所述脈沖相位互補的低電平脈沖，該脈沖經過第四驅動電路后，作用在第六功率晶體管％的柵極G上；基值脈沖偏壓切換電路各端子之間的聯接為第二倍壓整流電路的8端串聯第二限流電阻&后，聯接第三高速二極管D3的陽極P 端；與峰值偏壓電路聯接的X端分別聯接第三高速二極管D3的陰極N端、第四高速二極管 D4的陰極N端、Y端；超音頻脈沖偏壓電源的負輸出端11端聯接分別聯接第四高速二極管 D4的陽極P端、第六功率晶體管％的集電極C端；第六功率晶體管％的發射極E端聯接第二倍壓整流電路的9端；第一束流脈沖頻率及占空比給定電路在基值脈沖束流Ibp有效期間(1-S )/f，根據外部輸入的脈沖束流頻率f、占空比δ生成用于第四驅動電路的高電平脈沖，所述的脈沖經過第四驅動電路后，作用在第六功率晶體管％的柵極G上；第一束流脈沖頻率及占空比給定電路同時產生與所述脈沖相位互補的低電平脈沖，該脈沖經過第三驅動電路后，作用在第五功率晶體管A的柵極G上。
2.根據權利要求1所述的超音頻脈沖電子束流實現的偏壓電源裝置，其特征在于峰值偏壓產生電路輸出的電壓0 1500V。
3.根據權利要求1所述的超音頻脈沖電子束流實現的偏壓電源裝置，其特征在于基值偏壓產生電路輸出的電壓0 1500V。
4.根據權利要求1所述的超音頻脈沖電子束流實現的偏壓電源裝置，其特征在于峰值脈沖偏壓切換電路、基值脈沖偏壓切換電路交替工作完成超音頻脈沖偏壓的輸出，其通過控制第五功率晶體管A開通、第六功率晶體管％關斷調節峰值偏壓作用時間δ /f ；其通過控制第五功率晶體管A關斷、第六功率晶體管％開通調節基值偏壓作用時間(1- 5)/f ； 峰值脈沖偏壓Upp疊加在加速電壓60 150kV直流電源的負端，其通過第一高速二極管Dp 第一限流電阻R1、峰值偏壓產生電路正輸出端8端、峰值偏壓產生電路負輸出端9端、第五功率晶體管A、第四高速二極管D4作用在電子槍的柵極；基值脈沖偏壓Ubp通過第二高速二極管A疊加在加速電壓60 150kV直流電源的負端，其通過第二高速二極管D2、第三高速二極管D3、第二限流電阻民、基值偏壓產生電路正輸出端8端、基值偏壓產生電路負輸出端 9端、第六功率晶體管％作用在電子槍的柵極；調節峰值偏壓Upp有效時間時間δ /f，及脈沖偏壓的工作周期變化Ι/f，使得作用在電子槍上柵極的偏壓脈沖頻率> 20kHz。
全文摘要
本發明是一種適用于超音頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置，它是由降壓整流濾波電路、峰值偏壓產生電路、基值偏壓產生電路、峰值脈沖偏壓切換電路、基值脈沖偏壓切換電路組成，峰值偏壓產生電路產生的峰值偏壓Up在峰值脈沖偏壓切換電路的功率晶體管Q5開通，基值脈沖偏壓切換電路的功率晶體管Q6關斷時，峰值脈沖偏壓Upp作用在電子槍的柵極，獲得峰值脈沖束流Ipp，基值偏壓產生電路產生的基值偏壓Ub在峰值脈沖偏壓切換電路的功率晶體管Q5關斷，基值脈沖偏壓切換電路的功率晶體管Q6開通時，基值脈沖偏壓Ubp作用在電子槍的柵極，獲得基值脈沖束流Ibp。本發明超音頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置可以實現脈沖偏壓頻率≥20kHz，相應的使脈沖束流的頻率≥20kHz。
文檔編號B23K15/02GK102225490SQ20111014133
公開日2011年10月26日 申請日期2011年5月27日 優先權日2011年5月27日
發明者左從進, 王永鋒, 許海鷹, 邱靈, 郭光耀 申請人:中國航空工業集團公司北京航空制造工程研究所