电射流高频脉冲电源主电路的仿真与研究

2019-06-11 03:39:57 计算技术与自动化2019年1期

陈朝大 郭钟宁 温亮 陈晓磊 邓宇

摘要:针对电射流掩膜加工工艺对电源的性能要求,提出了高频逆变的解决方案。自行设计高频脉冲电源主电路,通过整流滤波桥式逆变,实现对频率、占空比的调节,利用SimPowerSystems软件建立了仿真模型,对逆变器输出交流电压、逆变器输出交流电流、直流侧电压、直流侧电流进行仿真分析。利用电力电子控制设备搭建了实验平台,对驱动电路的输入输出、逆变电路IGBT的通断控?#39057;?#36827;行了实验。实验表明,研?#39057;?#20027;电路在高频逆变下能够对负载(灯泡)进行控制,验证了实验装置的合理性和科学性。

关键词:整流;逆变;SimPowerSystems仿真建模

?#22411;?#20998;类号:TM8

文献标识码:A

特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法?#20445;?#27867;指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机?#30340;?#31561;能量达到去除或增加材料的加工方法,从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。电射流加工综合了电解加工和水射流切割加工的特点,是一?#20013;?#30340;工艺方法,其机理研究及实验装置平台得到了更高的重视,具有良好的发展前景。制约和限制电射流加工的因素是装置平台及其相关设备,而高性能的电源是掩膜电射流加工领域的重要设备,是提高加工精度和改善表面质量的关键途径。本文对高频逆变电路进行了研究[1-3]。

1 主电路的分析与设计

市电(工频交流电)的电压波动范围小于220±10%V,而电器的承受波动为15%,基本能满足要求。高压脉冲电源主电路流程图如图1所示。

交流电经过LC滤波器,滤除纹波,满足EMI的需求。采用LC滤波电路对交流电源进行EMI滤波,主要是消除电源过来的电磁干扰,同时也是消除开关电源对外面电源的干扰。开关电源属于非线性高频电路,工作时会产生高频干扰,LC滤波的作用就是为了?#20048;?#36825;些干扰串?#26031;?#30005;网络形成电源污染,影响供电线路上其他电器设备的正常运?#23567;?/p>

整流滤波后,电压的波形为接近原波形峰值的微小波?#39057;?#30452;线,电压值会有所提高。电容滤波时,充放电缓慢,保证了电压的输出接近交流波形的峰值。经过桥式逆变得到需要的方波,通过控制电路实现调频调占空比,通过升压电路实现调压。使用Altium公司的EDA设计软件Protel DXP对电路进行设计,电源主电路设计图如图2所示[4-5]。

交流一直流(AC-DC)变换电路称为整流器,能够将交流电能转换为直流电能。本文采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源,供后级的逆变器使用。

如图2所示,整流二极管D1 -D4(RURG50120)在u2正半周期过零点?#21147;豻=0期间u2d

在IGBT导通之后,若将栅极电压突然降?#20142;悖?#21017;沟?#32769;?#22833;,通过沟道的电子电流为零,使集电极电流有所下降,但由于N-区中注入了大量的电子和空穴对,因而集电极电流不会马上为零,而出现一个拖尾时间。SG3525产生2路频率相等方向的波形经驱动电路M57962模块送单相全桥逆变电路的QIQ4和Q2Q3,一路信号控制GIG4,另一路控制信号控制G2G3。SimPowerSystems仿真模型如图3所示。

把DC Voltage Source直流电压设置为300V,选择Ideal Switch组成全桥电路,选择串联PLC支路模块,去掉电容后把电阻和电感?#30452;?#35774;置为l?#36127;?mH。主电路的仿真模型搭建后再来构造控制部分,Pulse Generator接Ideal Switch和IdealSwitch3的栅极g,即完成图2对桥路GIG4这组的控制,Pulse Generatorl接Ideal Switchl和IdealSwitch2的栅极g,即完成图2对桥路G2G3这组的控制。因为Pulse Generator和Pulse Generatorl?#30452;鴝杂G3525的11脚OUTA和14脚OUTB,而SG3525的11脚和14脚两个端口的信号是同频反向对称信号,一路信号?#26434;?#19968;个桥路,正好实现单相全桥控制。

构建完成波形观测及分析。把逆变器输出交流电压、逆变器输出交流电流、直流侧电压、直流侧电流接Scope进行仿真,仿真波形如4所示[9-10]。

利用MATLAB/SimPowerSystems仿真,如图4所示。逆变器输出的交流电压为正负300 V的方波电压,周期与驱动信号同为50 Hz。直流侧电压为300 V的直流输入电压。逆变器输出的交流电流和直流电流的波形由阻感负载的特性所决定。

直流电流为负的期间,电流通过反并联二级管流向电源,负载电感的磁场储能向直流母线馈送;直流电流为正的期间,电流通过IGBT流向负载。由图3可知,逆变器输出的交流基波电压幅值为380.7 V,与公式(4)中的理论值381.9 V相符。可见,单相方波逆变器输出电压的基波幅值大于直流电压,其电压利用?#24335;?#39640;。3实验测试分析

交流电0~220 V经过单相全桥整流滤波电路后,得到电压的波形为接近原波形峰值的微小波?#39057;?#30452;线,即0~311 V的直流电。再经过单相全桥方波IGBT逆变电路,输出电压为0~311 V交变方波。利用SG3525集成PWM芯片可调电阻和分段电容的?#35835;?#25216;术,实现了频率的连续可调,其范围7IHz-68.5 kHz,达到了相应的技术要求。SG3525的OUTA和OUTB信号信号经过M57962芯片,产生单相全桥需要的控制信号(尖峰脉冲),控制信号接IGBT驱动电路的g极(珊极),实现对IGBT的通断作用。

M57962是三菱电机为驱动IGBT模块而设?#39057;?#21402;膜集成电路,在驱动模块内?#32771;?#25104;了2500 V的隔离高电压的光电耦合器,过流保护电流和过流保护端子,具有封闭性短路保护功能。使用Altium公司的EDA设计软件Protel DXP对电路进行设计,驱动电路圖如图5所示。

如图5所示,M57962L的引脚14接PWM信号输入(由SG3525模块的outA产生)形成前级,图中G1、C1、E1?#30452;?#25509;IGBT管的栅极G、集电极C、发射极E。利用图5的实验平台装置,设定好参数,使用示波器测试引脚14和G1信号,测得波形如图6所示。

由图6可得,SG3525的PWMA频率波形接M57962L的引脚14,=47.59 kHz,D=50%。经驱动电路得G1的信号输出波形,频率f=48.56 kHz,占空比D= 50%。信号经过驱动电路后,产生了驱动IGBT管所需要的尖峰脉冲,但是频率和占空比基本保持不变,测试信号符合预期,能够实现IGBT的开通和关断,负载(灯泡)亮灭。

4 结论

采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源,经过桥式逆变得到需要的方波,通过控制电路对单相全桥逆变器调节,实现调频调占空比,并能够调电压均值。通过升压电路真正实现调电压大小(峰值)。建模仿真及实验装置验证均表明,该方案切实?#23578;小?/p>

由于IGBT的开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变化,因而驱动电路性能的好?#21040;?#30452;接影响IGBT能否正常工作,优化驱动电路将在下一阶段的工作中深入研究。

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