专利名称：一种适用于超音频脉冲电子束焊接的偏压电源装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种适用于超音频脉冲电子束焊接的偏压电源装置，具体的说，是一种适用于电子束焊接，控制电子束达到超音频的偏压电源的拓扑电路结构，属于电子电路技术领域。
背景技术：
在电子束焊接领域，相对于连续束流的电子束焊接而言，等功率的脉冲束流电子束焊接能够有效提高焊缝熔深、焊缝深宽比；焊接同等厚度的工件，可降低热输入，减少焊接变形。脉冲电子束焊接，脉冲束流频率是影响焊接质量的重要工艺参数之一。对于 60kV 150kV的电子束焊接电源，通过脉冲变压器将低压脉冲升压到中/高压脉冲或在中 /高压输出端通过斩波方式获得中/高压脉冲束流的技术，实现起来非常困难。因此，更谈不上脉冲束流频率的调节。通常电子束焊接采用三级电子枪，通过调节偏压电路的电压值来改变束流大小。因此，可以采用脉冲调制策略获得偏压脉冲，以达到获取脉冲束流的目的，目前国内外常用的脉冲偏压电源(见图1所示)，其脉冲偏压的频率在IkHz以下，导致脉冲电子束焊接束流的频率难以得到提高。对于脉冲电子束焊接，随着脉冲束流频率的大幅提高，不但可最大程度发挥焊接过程中的“匙孔”效应，而且还将产生特殊的电磁效应，对焊缝熔深、接头组织产生显著影响。大厚度工件焊接时，需要的焊接束流高达上百毫安，要在技术实现上百毫安超音频脉冲束流，采用常规的脉冲偏压电源控制技术实现起来十分困难。即使可以实现，偏压脉冲波形会发生严重畸变，将会严重影响脉冲束流品质。图1中，220V工频交流电与常规脉冲偏压电源的降压整流滤波电路联接，降压整流滤波电路输出的直流电经过半桥逆变电路转化成高频交流信号，高频交流信号经过第一变压器B1升压传输至倍压整流电路后变成直流电，直流电的正端串联在60kV 150kV电压上，负端作用在电子枪的栅极。第一电流传感器采集到的电子束焊接束流反馈信号If输出到第一脉冲偏压控制电路；第一脉冲偏压控制电路根据束流频率预先给定值f确定脉冲束流的周期Ι/f，再根据占空比δ分别确定峰值脉冲束流、基值脉冲束流有效的δ/f、 (1- S )/f时间。在峰值脉冲束流有效S /f期间，第一脉冲偏压控制电路根据接收到的电子束流反馈信号If与峰值束流给定信号Ipg进行差值比较后，将结果转化成偏压信号，闭环控制输出的PWM脉冲并输出到第一 PWM驱动电路，所述的经过调整的PWM脉冲经过第一 PWM 驱动电路后分别作用在功率晶体管兑的栅极G与功率晶体管％的栅极G上，调节功率晶体管A、功率晶体管％的开/关时间，调节峰值偏压输出；在基值脉冲束流有效(1- S )/f期间，第一脉冲偏压控制电路根据接收到的电子束流反馈信号If与基值束流给定信号、进行差值比较后，将结果转化成偏压信号，闭环控制输出的PWM脉冲并输出到第一 PWM驱动电路，所述的经过调整的PWM脉冲经过第一 PWM驱动电路后分别作用在功率晶体管A的栅极 G与功率晶体管( 的栅极G上，调节功率晶体管A、功率晶体管A的开/关时间，调节基值偏压输出。各端子之间的联接为220V工频交流电的U端、V端分别接在降压整流滤波电路MD的1端、2端；第一电容C1与第二电容C2在0端串联后并联在降压整流滤波电路MD的3 端、4端之间；第一电容C1与第二电容C2之间的0端联接第一变压器B1的B端；降压整流滤波电路MD的3端联接第一功率晶体管％的集电极C，降压整流滤波电路MD的4端联接第二功率晶体管％的发射极E ；第一变压器B1的A端联接第一功率晶体管％的发射极E与第二功率晶体管％的集电极C之间；第一变压器B1的C端、D端、E端分别联接倍压整流电路的5端、6端、7端，倍压整流电路的8端(偏压电源负输出端)联接电子枪的栅极，倍压整流电路的9端(偏压电源正输出端)经过直流电阻R1联接到60kV 150kV直流电源的 10端(即中/高压直流电源负输出端)；60kV 150kV直流电源的11端(即中/高压直流电源正输出端)与大地之间串联了第一电流传感器。
发明内容
本发明正是为了解决常规脉冲偏压电源控制技术难以满足超音频脉冲束流输出需求的难题，提供了一种适用于超音频脉冲电子束焊接的偏压电源装置。该超音频脉冲偏压电源由降压整流滤波电路、峰值偏压产生电路、基值偏压产生电路、峰值脉冲偏压切换电路、基值脉冲偏压切换电路组成；220V工频交流电经过降压整流滤波电路MD后分别输出给所述的峰值偏压产生电路、所述的基值偏压产生电路；所述的峰值偏压产生电路用于产生峰值偏压Up ；所述的基值偏压产生电路用于产生基值偏压Ub ；所述的峰值脉冲偏压切换电路用于实现峰值脉冲偏压Upp的脉冲输出；所述的基值脉冲偏压切换电路用于实现基值脉冲偏压Ubp的脉冲输出；通过控制峰值脉冲偏压Upp的幅值、基值脉冲偏压Ubp的幅值、脉冲偏压频率f与占空比δ，达到控制峰值脉冲束流Ipp幅值、基值脉冲束流、幅值、脉冲束流频率f与占空比δ的目的。本发明技术方案的具体内容如下该种适用于超音频脉冲电子束焊接的偏压电源装置，其特征在于该装置是由峰值偏压产生电路、基值偏压产生电路、峰值脉冲偏压切换电路和基值脉冲偏压切换电路组成，其中峰值偏压产生电路的各端子之间的联接为220V工频交流电的U端、V端分别与降压整流滤波电路MD的1端、2端联接；第一电容C1与第二电容C2在0端串联后并联在降压整流滤波电路MD的3端、4端之间；第一电容C1与第二电容C2之间的0端联接第一变压器B1的B端；降压整流滤波电路MD的3端联接第一功率晶体管A的集电极C，降压整流滤波电路MD的4端联接第二功率晶体管％的发射极E ；第一变压器&的A端联接第一功率晶体管％的发射极E与第二功率晶体管Q2的集电极C之间；第一变压器B1的C端、D端、E端分别联接第一倍压整流电路的5端、6端、7 端，第一倍压整流电路的8端(峰值偏压电源正输出端)与第一倍压整流电路的9端(峰值偏压电源负输出端)之间并联第一电压传感器。第一电压传感器将采集到的第一电压反馈信号Upf (峰值偏压的电压信号)输出给第一闭环PWM控制电路；峰值束流给定信号Ipg、 基值束流给定信号Ibg、束流反馈信号；输出到第一束流/偏压转化电路，第一束流/偏压转化电路将接收到的峰值束流给定信号Ipg、基值束流给定信号、进行求和运算，并检测If 是否过流，将(Ipg+Ibg)转化为峰值偏压给定信号队8输出给第一闭环PWM控制电路；第一闭环PWM控制电路根据接收到的第一偏压反馈信号Upf与第一偏压给定信号进行差值比较后，闭环控制第一PWM脉冲的占空比，所述的第一PWM脉冲信号经过第一驱动电路后分别作用在第一功率晶体管A栅极G与第二功率晶体管％的栅极G上；基值偏压产生电路各端子之间的联接为第三电容C3与第四电容(；在11端串联后并联在降压整流滤波电路MD的3端、4端之间；第三电容C3与第四电容C4之间的M端联接第二变压器4的B端；降压整流滤波电路 MD的3端联接第三功率晶体管( 的集电极C，降压整流滤波电路MD的4端联接第四功率晶体管A的发射极E ；第二变压器氏的A端联接第三功率晶体管( 的发射极E与第四功率晶体管A的集电极C之间；第二变压器化的C端、D端、E端分别联接第二倍压整流电路的5 端、6端、7端，第二倍压整流电路的8端(基值偏压电源正输出端)与倍压整流电路的9端 (基值偏压电源负输出端)之间并联第二电压传感器。第二电压传感器将采集到的第二电压反馈信号Ubf (基值偏压的电压信号)输出给第二闭环PWM控制电路；基值束流给定信号 Ibg、束流反馈信号If输入到第二束流/偏压转化电路，第二束流/偏压转化电路检测If是否过流，并将Ibg转化为基值偏压给定信号Ubg输出给第二闭环PWM控制电路；第二闭环PWM 控制电路根据接收到的第二偏压反馈信号Ubf与第二偏压给定信号Ubg进行差值比较后，闭环控制第二 PWM脉冲的占空比，所述的第二 PWM脉冲信号经过第二驱动电路后分别作用在第三功率晶体管Q3的栅极G与第四功率晶体管&的栅极G上；峰值脉冲偏压切换电路各端子之间的联接为第一倍压整流电路的8端串联第一限流电阻R1后，联接第一高速二极管D1的阳极 P端；超音频脉冲偏压电源的正输出端10端联接第一高速二极管0工的阴极N端与第二高速二极管A的阴极N端；峰值脉冲偏压切换电路与基值脉冲偏压切换电路联接的Y端分别联接第二高速二极管A的阳极ρ端、第五功率晶体管A的集电极c端、χ端；第五功率晶体管 Q5的发射极E端联接第一倍压整流电路的9端；第一束流脉冲频率及占空比给定电路在在峰值脉冲束流Ipp有效期间S/f，根据外部输入的脉冲束流频率f、束流占空比δ生成用于第三驱动电路的高电平脉冲，所述的脉冲经过第三驱动电路后，作用在第五功率晶体管A 的栅极G上；第一束流脉冲频率及占空比给定电路同时产生与所述脉冲相位互补的低电平脉冲，该脉冲经过第四驱动电路后，作用在第六功率晶体管％的栅极G上；基值脉冲偏压切换电路各端子之间的联接为第二倍压整流电路的8端串联第二限流电阻&后，联接第三高速二极管D3的阳极 P端；与峰值偏压电路联接的X端分别联接第三高速二极管D3的阴极N端、第四高速二极管 D4的阴极N端、Y端；超音频脉冲偏压电源的负输出端11端联接分别联接第四高速二极管 D4的阳极P端、第六功率晶体管％的集电极C端；第六功率晶体管％的发射极E端联接第二倍压整流电路的9端；第一束流脉冲频率及占空比给定电路在基值脉冲束流Ibp有效期间(1-S )/f，根据外部输入的脉冲束流频率f、占空比δ生成用于第四驱动电路的高电平脉冲，所述的脉冲经过第四驱动电路后，作用在第六功率晶体管％的栅极G上；第一束流脉冲频率及占空比给定电路同时产生与所述脉冲相位互补的低电平脉冲，该脉冲经过第三驱动电路后，作用在第五功率晶体管A的栅极G上。峰值偏压产生电路输出的电压0 1500V。基值偏压产生电路输出的电压0 1500V。峰值脉冲偏压切换电路、基值脉冲偏压切换电路交替工作完成超音频脉冲偏压的输出，其通过控制第五功率晶体管A开通、第六功率晶体管％关断调节峰值偏压作用时间 δ /f ；其通过控制第五功率晶体管％关断、第六功率晶体管％开通调节基值偏压作用时间 (1- 5)/f ；峰值脉冲偏压Upp叠加在加速电压60 150kV直流电源的负端，其通过第一高速二极管D1、第一限流电阻R1、峰值偏压产生电路正输出端8端、峰值偏压产生电路负输出端9端、第五功率晶体管％、第四高速二极管D4作用在电子枪的栅极；基值脉冲偏压Ubp通过第二高速二极管A叠加在加速电压60 150kV直流电源的负端，其通过第二高速二极管D2、第三高速二极管D3、第二限流电阻&、基值偏压产生电路正输出端8端、基值偏压产生电路负输出端9端、第六功率晶体管％作用在电子枪的栅极；调节峰值偏压Upp有效时间时间S/f，及脉冲偏压的工作周期变化Ι/f，使得作用在电子枪上栅极的偏压脉冲频率彡 20kHz ο本发明所述的偏压电源装置的优点在于(1)采用峰值偏压产生电路、基值偏压产生电路、峰值脉冲偏压切换电路、基值脉冲偏压切换电路的组合，有利于对偏压电源进行超音频脉冲控制，从而实现超音频脉冲束流的输出；(2)超音频基值脉冲偏压与峰值脉冲偏压可灵活控制与调节，偏压脉冲频率f与占空比δ可独立调节，相应的超音频基值脉冲束流与峰值脉冲束流可灵活控制与调节，束流脉冲频率与占空比也可独立调节。
图1是脉冲偏压电源常规结构及其与电子束焊机联接框图。图2是本发明超音频脉冲电子束焊接的偏压电源装置的结构框图。图3是本发明超音频脉冲电子束焊接的偏压电源装置与电子枪、加速电源的联接框图。图4是本发明关键电路输出电压与电子束焊机输出电流波形示意图。
具体实施例方式以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述参见附图2所示，本发明所述超音频脉冲电子束焊接的偏压电源装置由降压整流滤波电路、峰值偏压产生电路、基值偏压产生电路、峰值脉冲偏压切换电路、基值脉冲偏压切换电路组成。在本发明中所述的降压整流滤波电路、所述的峰值偏压产生电路采用如图1所示的常规拓扑电路结构。即峰值偏压产生电路由半桥式逆变电路、第一变压器B1、第一倍压整流电路、第一电压传感器、第一束流/偏压转化电路、第一闭环控制PWM电路、第一驱动电路构成，用于实现峰值偏压&的产生。其各端子之间的联接为220V工频交流电的U端、V端分别与降压整流滤波电路MD的1端、2端联接；降压整流滤波电路MD的3端、4端输出24V
直;电；第一电容C1、第二电容C2构成半桥式逆变电路的一个桥臂；第一明率晶体管％、第
二功率晶体管( 构成半桥式逆变电路的另一个桥臂；所述桥臂均并联在降压整流滤波电路 MD的3端、4端之间。第一电容C1与第二电容C2之间的0端联接第一变压器B1的B端；降压整流滤波电路MD的3端联接第一功率晶体管兑的集电极C，降压整流滤波电路MD的4 端联接第二功率晶体管A的发射极E ；第一变压器B1的A端联接第一功率晶体管％的发射极E与第二功率晶体管％的集电极C之间；第一变压器B1的C端、D端、E端分别联接第一倍压整流电路的5端、6端、7端，第一倍压整流电路的8端(峰值偏压电源正输出端)与第一倍压整流电路的9端(峰值偏压电源负输出端)之间并联第一电压传感器。第一电压传感器将采集到的第一电压反馈信号Upf (峰值偏压的电压信号)输出给第一闭环PWM控制电路；由于偏压电压幅值输出与电子束流输出反相(即偏压越大，电子束流越小)，峰值束流 Ipp有效期间基值脉冲偏压Ubp不能输出；仅根据峰值束流给定信号Ipg计算出的峰值偏压会导致峰值束流的幅值过小，甚至有低于峰值束流的可能。因此，为保证峰值脉冲束流Ipp有效期间，其幅值为峰值束流给定信号Ipg与基值束流给定信号、的和，将峰值束流给定信号 Ipg、基值束流给定信号Ibg、束流反馈信号；输出到第一束流/偏压转化电路，第一束流/偏压转化电路将接收到的峰值束流给定信号Ipg、基值束流给定信号Il3g进行求和运算，并检测 If是否过流，将(Ipg+Ibg)转化为峰值偏压给定信号Upg输出给第一闭环PWM控制电路；第一闭环PWM控制电路根据接收到的第一偏压反馈信号Upf与第一偏压给定信号Upg进行差值比较后，闭环控制第一PWM脉冲的占空比，所述的第一PWM脉冲信号经过第一驱动电路后分别作用在第一功率晶体管A的栅极G与第二功率晶体管％的栅极G上。在本发明中所述的基值偏压产生电路采用如图1所示的常规拓扑电路结构。即基值偏压产生电路由半桥逆变电路、第二变压器4、第二倍压整流电路、第二电压传感器、第二束流/偏压转化电路、第二闭环控制PWM电路、第二驱动电路构成，用于实现基值偏压Ub 的产生。其各端子之间的联接为第三电容仏、第四电容(；在11点串联构成半桥式逆变电路的一个桥臂；第三功率晶体管( 的发射极E与第四功率晶体管A的集电极c联接构成半桥式逆变电路的另一个桥臂；所述桥臂均并联在降压整流滤波电路MD的3端、4端之间。 第三电容C3与第四电容C4之间的M端联接第二变压器化的B端；降压整流滤波电路MD的 3端联接第三功率晶体管( 的集电极C，降压整流滤波电路MD的4端联接第四功率晶体管 Q4的发射极E ；第二变压器化的A端联接第三功率晶体管( 的发射极E与第四功率晶体管 Q4的集电极C之间；第二变压器化的C端、D端、E端分别联接第二倍压整流电路的5端、6 端、7端，第二倍压整流电路的8端(基值偏压电源正输出端)与倍压整流电路的9端(基值偏压电源负输出端)之间并联第二电压传感器。第二电压传感器将采集到的第二电压反馈信号Ubf (基值偏压的电压信号)输出给第二闭环PWM控制电路；基值束流给定信号Ibg、 束流反馈信号If输入到第二束流/偏压转化电路，第二束流/偏压转化电路检测If是否过流，并将Ibg转化为基值偏压给定信号Ubg输出给第二闭环PWM控制电路；第二闭环PWM控制电路根据接收到的第二偏压反馈信号Ubf与第二偏压给定信号Ubg进行差值比较后，闭环控制第二 PWM脉冲的占空比，所述的第二 PWM脉冲信号经过第二驱动电路后分别作用在第三功率晶体管Q3的栅极G与第四功率晶体管&的栅极G上。在本发明中峰值脉冲偏压切换电路由第一限流电阻队、第一高速二极管D1、第二高速二极管D2、第五功率晶体管A组成，用于实现峰值脉冲偏压Upp的产生。其各端子之间的联接为第一倍压整流电路的8端串联第一限流电阻R1后，联接第一高速二极管D1的阳极P端；超音频脉冲偏压电源的正输出端10端联接第一高速二极管D1的阴极N端与第二高速二极管A的阴极N端；峰值脉冲偏压切换电路与基值脉冲偏压切换电路联接的Y端分
8别联接第二高速二极管A的阳极ρ端、第五功率晶体管A的集电极c端、χ端；第五功率晶体管A的发射极E端联接第一倍压整流电路的9端；第一束流脉冲频率及占空比给定电路在在峰值脉冲束流Ipp有效期间S/f，根据外部输入的脉冲束流频率f、束流占空比δ生成用于第三驱动电路的高电平脉冲，所述的脉冲经过第三驱动电路后，作用在第五功率晶体管95的栅极G上；第一束流脉冲频率及占空比给定电路同时产生与所述脉冲相位互补的低电平脉冲，该脉冲经过第四驱动电路后，作用在第六功率晶体管％的栅极G上。在本发明中基值脉冲偏压切换电路由第二限流电阻民、第三高速二极管D3、第四高速二极管D4、第六功率晶体管％组成，用于实现基值脉冲偏压Ubp的产生。其各端子之间的联接为第二倍压整流电路的8端串联第二限流电阻&后，联接第三高速二极管D3的阳极P端；与峰值偏压电路联接的X端分别联接第三高速二极管D3的阴极N端、第四高速二极管D4的阴极N端、Y端；超音频脉冲偏压电源的负输出端11端联接分别联接第四高速二极管D4的阳极P端、第六功率晶体管％的集电极C端；第六功率晶体管％的发射极E端联接第二倍压整流电路的9端；第一束流脉冲频率及占空比给定电路在基值脉冲束流Ibp有效期间(1-S )/f，根据外部输入的脉冲束流频率f、占空比δ生成用于第四驱动电路的高电平脉冲，所述的脉冲经过第四驱动电路后，作用在第六功率晶体管％的栅极G上；第一束流脉冲频率及占空比给定电路同时产生与所述脉冲相位互补的低电平脉冲，该脉冲经过第三驱动电路后，作用在第五功率晶体管A的栅极G上。本发明超音频脉冲电子束流实现的偏压电源装置，采用相互独立的基值偏压产生电路、峰值偏压产生电路，实现了超音频脉冲偏压的基值与峰值的灵活控制与调节，使得超音频脉冲束流的基值与峰值相对灵活可制，便于调节。第六功率晶体管％开通，第五功率晶体管仏关断，峰值脉冲偏压作用于电子枪的栅极，用于实现峰值脉冲束流输出；第六功率晶体管％关断，第五功率晶体管A开通，基值脉冲偏压作用于电子枪的栅极，用于实现基值脉冲束流输出。通过控制脉冲偏压的周期l/f，使得电子束脉冲束流的频率> 20kHz。本发明的峰值偏压产生电路输出的电流最大15mA，输出电压为0 1500V，对应的峰值束流输出为ImaxHiA 0mA(Imax为电子束焊机输出的最大束流，与60 150kV直流电源的功率相关)。本发明的峰值偏压产生电路输出电流最大15mA，输出电压为0 1500V，对应的峰值束流输出为ImaxHiA 0mA(Imax为电子束焊机输出的最大束流，与60 150kV直流电源的功率相关)。本发明超音频脉冲电子束焊接的偏压电源装置与电子束焊接电源、电子枪的联接如图3所示。超音频脉冲偏压电源的正输出端10端串联限流电阻RO后联接60 150kV 直流电源的负输出端12端；60 150kV直流电源的正输出端13端串联第一电流传感器后联接大地；超音频脉冲偏压电源的负输出端11端联接电子枪的阳极。在峰值脉冲束流有效 S/f期间，第一束流脉冲频率及占空比给定电路根据给定的脉冲束流频率f、占空比δ生成高电平脉冲，所述的脉冲信号经过第三驱动电路作用于第五功率晶体管( 的栅极，使第五功率晶体管A导通；同时第一束流脉冲频率及占空比给定电路生成所述高脉冲信号互补的低电平脉冲，该低电平脉冲信号经过第四驱动电路作用于第六功率晶体管％的栅极，使第六功率晶体管％关断；电子枪的栅极通过第四高速二极管D4、第五功率晶体管A与峰值偏压电源的负端9端联接；峰值偏压电源的正端8端通过第一限流电阻R1、第一高速二极管D1输出峰值脉冲偏压Upp ；Upp通过限流电阻Rtl与60 150kV直流电源的负输出端12端联接；所述峰值脉冲偏压Upp作用于电子枪的栅极，相对于大地而言，电子枪的栅极得到的电压为-(60 150kV)-Upp，从而得到峰值脉冲束流Ipp。在基值脉冲束流有效(1- δ )/f期间， 第一束流脉冲频率及占空比给定电路根据给定的脉冲束流频率f、占空比δ生成低电平有效的脉冲，所述的脉冲信号经过第三驱动电路作用于第五功率晶体管A的栅极，使第五功率晶体管A关断；同时第一束流脉冲频率及占空比给定电路根据给定的脉冲束流频率f、 占空比δ生成与所述低电平脉冲互补的高电平脉冲，该高电平脉冲信号经过第四驱动电路作用于第六功率晶体管％的栅极，使第六功率晶体管％导通；电子枪的栅极通过第六功率晶体管％联接基值偏压电源的负端9端；基值偏压电源的正端8端通过第二限流电阻&、 第三高速二极管D3、第二高速二极管A输出基值脉冲偏压Ubp ；Ubp通过限流电阻Rtl与60 150kV直流电源的负输出端12端联接；所述基值脉冲偏压Ul3p作用于电子枪的栅极，相对于大地而言，电子枪栅极上得到的电压值为-(60 150kV)-Ubp，从而得到基值脉冲束流Ibp。本发明超音频脉冲电子束焊接的偏压电源装置控制超音频脉冲束流的工作原理是第一束流/偏压转化电路根据输入的如图4(a)所示峰值束流给定信号Ipg、如图4(b) 所示基值束流给定信号Ibg、电子束流反馈信号If进行处理后，输出峰值偏压给定信号到第一闭环PWM控制电路，第一闭环PWM控制电路根据输入的峰值偏压给定信号、第一电压传感器输出的峰值偏压反馈信号Upf的差值进行PID处理，闭环控制第一 PWM脉冲的占空比，所述的第一 PWM脉冲信号经过第一驱动电路后分别作用在第一功率晶体管A的栅极G
与第二功率晶体管A的栅极G上，调节第一功率晶体管％与，4一功率晶体管％的开通/
关断时间，相应的调整了峰值偏压产生电路输出的峰值偏压& ；所述峰值束流给定信号Ipg 时，峰值偏压产生电路输出的峰值偏压&如图4(c)所示。第二束流/偏压转化电路根据输入的如图4(b)所示基值束流给定信号Ibg、电子束流反馈信号If进行处理后，输出基值偏压给定信号Ul3g到第二闭环PWM控制电路，第二闭环PWM控制电路根据输入的基值偏压给定信号Ubg、第二电压传感器输出的基值偏压反馈信号Ubf的差值进行PID处理，闭环控制第二 PWM脉冲的占空比，所述的第二 PWM脉冲信号经过第二驱动电路后分别作用在第三功率晶体管( 的栅极G与第四功率晶体管&的栅极G上，调节第三功率晶体管( 与第四功率晶体管A的开通/关断时间，相应的调整了基值偏压产生电路输出的基值偏压Ub ；所述基值束流给定信号Ibg时，基值偏压产生电路输出的基值偏压Ub如图4(d)所示。第一脉冲频率及占空比给定电路根据输入的如图4(e)所示脉冲束流周期Ι/f、占空比给定信号δ，在δ/f期间，分别生成控制峰值脉冲偏压切换电路中第五功率晶体管％ 开通的高电平脉冲、控制基值脉冲偏压切换电路中第六功率晶体管％关断的低电平脉冲； 第三驱动电路根据所述的高电平脉冲信号作用在第五功率晶体管A的栅极G上，第五功率晶体管％开通；第四驱动电路根据所述的低电平脉冲信号作用在第六功率晶体管％的栅极G上，第六功率晶体管％关断；峰值脉冲偏压切换电路在第一高速二极管的N端输出如图4 (f)所示的峰值脉冲偏压Upp，所述的峰值脉冲偏压Upp通过限流电阻Rtl联接60 150kV 直流电源的负端12端；电子枪的栅极通过第四高速二极管D4、第五功率晶体管A与峰值偏压电源的负端9端联接；相对于大地而言，电子枪的栅极得到的电压为-(60 150kV)-Upp， 电子束焊机输出如图4(g)所示的峰值脉冲束流Ipp ；第六功率晶体管％关断时，基值偏压电源通过第二倍压整流电路维持稳定的基值偏压Ub。第一脉冲频率及占空比给定电路根据输入的如图4(e)所示脉冲束流周期Ι/f、占空比给定信号δ，在(ι-δ)/ ·期间，分别生成控制峰值脉冲偏压切换电路中第五功率晶体管A关断的低电平脉冲、控制基值脉冲偏压切换电路中第六功率晶体管％开通的高电平脉冲；第三驱动电路根据所述的低电平脉冲信号作用在第五功率晶体管Q5的栅极G上，第
五功率晶体管A关断；第四驱动^ I5根据所述的高电平脉冲信号作用在第六功率晶体管 Q6的栅极G上，第六功率晶体管％开通；基值脉冲偏压切换电路在第三高速二极管的N端输出如图4(f)所示的基值脉冲偏压Ubp，所述的基值脉冲偏压Ubp通过第二高速二极管D2、 限流电阻Rci联接60 150kV直流电源的负端12端；电子枪的栅极通过第六功率晶体管 Q6与基值偏压电源的负端9端联接；相对于大地而言，电子枪的栅极得到的电压为-(60 150kV)-Ubp，电子束焊机输出如图4(g)所示的基值脉冲束流Ibp ；第五功率晶体管仏关断时， 峰值偏压电源通过第一倍压整流电路维持稳定的峰值偏压仏。采用峰值偏压电源维持稳定的峰值偏压&，基值偏压电源维持稳定的基值偏压 Ub,使峰值脉冲偏压切换电路第五功率晶体管A开通或基值脉冲偏压切换电路第六功率晶体管％开通时，峰值脉冲偏压Upp或基值脉冲偏压Ubp可迅速作用于电子枪的栅极，从而实现脉冲束流的快速跃变；相对独立调节的脉冲束流频率f、占空比δ控制技术，峰值脉冲偏压 Upp、基值脉冲偏SUl3p的工作频率f和占空比δ独立调节，得到的脉冲束流频率f、占空比δ 相应独立可调；脉冲偏压输出的频率可以> 20kHz，相应电子束脉冲束流的频率> 20kHz。
权利要求
1. 一种适用于超音频脉冲电子束焊接的偏压电源装置，其特征在于该装置是由峰值偏压产生电路、基值偏压产生电路、峰值脉冲偏压切换电路和基值脉冲偏压切换电路组成， 其中峰值偏压产生电路的各端子之间的联接为220V工频交流电的U端、V端分别与降压整流滤波电路MD的1端、2端联接；第一电容 C1与第二电容C2在0端串联后并联在降压整流滤波电路MD的3端、4端之间；第一电容C1 与第二电容C2之间的O端联接第一变压器B1的B端；降压整流滤波电路MD的3端联接第一功率晶体管A的集电极C，降压整流滤波电路MD的4端联接第二功率晶体管％的发射极 E ；第一变压器B1的A端联接第一功率晶体管％的发射极E与第二功率晶体管％的集电极 C之间；第一变压器B1的C端、D端、E端分别联接第一倍压整流电路的5端、6端、7端，第一倍压整流电路的8端(峰值偏压电源正输出端)与第一倍压整流电路的9端(峰值偏压电源负输出端)之间并联第一电压传感器。第一电压传感器将采集到的第一电压反馈信号 Upf (峰值偏压的电压信号)输出给第一闭环PWM控制电路；峰值束流给定信号Ipg、基值束流给定信号Ibg、束流反馈信号If输出到第一束流/偏压转化电路，第一束流/偏压转化电路将接收到的峰值束流给定信号Ipg、基值束流给定信号、进行求和运算，并检测If是否过流，将(IPg+Ibg)转化为峰值偏压给定信号Upg输出给第一闭环PWM控制电路；第一闭环PWM 控制电路根据接收到的第一偏压反馈信号Upf与第一偏压给定信号Upg进行差值比较后，闭环控制第一 PWM脉冲的占空比，所述的第一 PWM脉冲信号经过第一驱动电路后分别作用在第一功率晶体管兑的栅极G与第二功率晶体管％的栅极G上；基值偏压产生电路各端子之间的联接为第三电容C3与第四电容C4在M端串联后并联在降压整流滤波电路MD的3端、4端之间；第三电容C3与第四电容C4之间的M端联接第二变压器化端；降压整流滤波电路MD 的3端联接第三功率晶体管( 的集电极C，降压整流滤波电路MD的4端联接第四功率晶体管Q4的发射极E ；第二变压器化的A端联接第三功率晶体管( 的发射极E与第四功率晶体管A的集电极C之间；第二变压器化的C端、D端、E端分别联接第二倍压整流电路的5 端、6端、7端，第二倍压整流电路的8端(基值偏压电源正输出端)与倍压整流电路的9端 (基值偏压电源负输出端)之间并联第二电压传感器。第二电压传感器将采集到的第二电压反馈信号Ubf (基值偏压的电压信号)输出给第二闭环PWM控制电路；基值束流给定信号 Ibg、束流反馈信号If输入到第二束流/偏压转化电路，第二束流/偏压转化电路检测If是否过流，并将Ibg转化为基值偏压给定信号Ubg输出给第二闭环PWM控制电路；第二闭环PWM 控制电路根据接收到的第二偏压反馈信号Ubf与第二偏压给定信号Ubg进行差值比较后，闭环控制第二 PWM脉冲的占空比，所述的第二 PWM脉冲信号经过第二驱动电路后分别作用在第三功率晶体管Q3的栅极G与第四功率晶体管&的栅极G上；峰值脉冲偏压切换电路各端子之间的联接为第一倍压整流电路的8端串联第一限流电阻R1后，联接第一高速二极管D1的阳极P端； 超音频脉冲偏压电源的正输出端10端联接第一高速二极管D1的阴极N端与第二高速二极管D2的阴极N端；峰值脉冲偏压切换电路与基值脉冲偏压切换电路联接的Y端分别联接第二高速二极管A的阳极P端、第五功率晶体管A的集电极C端、X端；第五功率晶体管％ 的发射极E端联接第一倍压整流电路的9端；第一束流脉冲频率及占空比给定电路在在峰值脉冲束流Ipp有效期间S/f，根据外部输入的脉冲束流频率f、束流占空比δ生成用于第三驱动电路的高电平脉冲，所述的脉冲经过第三驱动电路后，作用在第五功率晶体管A的栅极G上；第一束流脉冲频率及占空比给定电路同时产生与所述脉冲相位互补的低电平脉冲，该脉冲经过第四驱动电路后，作用在第六功率晶体管％的栅极G上；基值脉冲偏压切换电路各端子之间的联接为第二倍压整流电路的8端串联第二限流电阻&后，联接第三高速二极管D3的阳极P 端；与峰值偏压电路联接的X端分别联接第三高速二极管D3的阴极N端、第四高速二极管 D4的阴极N端、Y端；超音频脉冲偏压电源的负输出端11端联接分别联接第四高速二极管 D4的阳极P端、第六功率晶体管％的集电极C端；第六功率晶体管％的发射极E端联接第二倍压整流电路的9端；第一束流脉冲频率及占空比给定电路在基值脉冲束流Ibp有效期间(1-S )/f，根据外部输入的脉冲束流频率f、占空比δ生成用于第四驱动电路的高电平脉冲，所述的脉冲经过第四驱动电路后，作用在第六功率晶体管％的栅极G上；第一束流脉冲频率及占空比给定电路同时产生与所述脉冲相位互补的低电平脉冲，该脉冲经过第三驱动电路后，作用在第五功率晶体管A的栅极G上。
2.根据权利要求1所述的超音频脉冲电子束流实现的偏压电源装置，其特征在于峰值偏压产生电路输出的电压0 1500V。
3.根据权利要求1所述的超音频脉冲电子束流实现的偏压电源装置，其特征在于基值偏压产生电路输出的电压0 1500V。
4.根据权利要求1所述的超音频脉冲电子束流实现的偏压电源装置，其特征在于峰值脉冲偏压切换电路、基值脉冲偏压切换电路交替工作完成超音频脉冲偏压的输出，其通过控制第五功率晶体管A开通、第六功率晶体管％关断调节峰值偏压作用时间δ /f ；其通过控制第五功率晶体管A关断、第六功率晶体管％开通调节基值偏压作用时间(1- 5)/f ； 峰值脉冲偏压Upp叠加在加速电压60 150kV直流电源的负端，其通过第一高速二极管Dp 第一限流电阻R1、峰值偏压产生电路正输出端8端、峰值偏压产生电路负输出端9端、第五功率晶体管A、第四高速二极管D4作用在电子枪的栅极；基值脉冲偏压Ubp通过第二高速二极管A叠加在加速电压60 150kV直流电源的负端，其通过第二高速二极管D2、第三高速二极管D3、第二限流电阻民、基值偏压产生电路正输出端8端、基值偏压产生电路负输出端 9端、第六功率晶体管％作用在电子枪的栅极；调节峰值偏压Upp有效时间时间δ /f，及脉冲偏压的工作周期变化Ι/f，使得作用在电子枪上栅极的偏压脉冲频率> 20kHz。
全文摘要
本发明是一种适用于超音频脉冲电子束焊接的偏压电源装置，它是由降压整流滤波电路、峰值偏压产生电路、基值偏压产生电路、峰值脉冲偏压切换电路、基值脉冲偏压切换电路组成，峰值偏压产生电路产生的峰值偏压Up在峰值脉冲偏压切换电路的功率晶体管Q5开通，基值脉冲偏压切换电路的功率晶体管Q6关断时，峰值脉冲偏压Upp作用在电子枪的栅极，获得峰值脉冲束流Ipp，基值偏压产生电路产生的基值偏压Ub在峰值脉冲偏压切换电路的功率晶体管Q5关断，基值脉冲偏压切换电路的功率晶体管Q6开通时，基值脉冲偏压Ubp作用在电子枪的栅极，获得基值脉冲束流Ibp。本发明超音频脉冲电子束焊接的偏压电源装置可以实现脉冲偏压频率≥20kHz，相应的使脉冲束流的频率≥20kHz。
文档编号B23K15/02GK102225490SQ20111014133
公开日2011年10月26日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者左从进, 王永锋, 许海鹰, 邱灵, 郭光耀 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所