CN107579664B - 电子束连续焊接设备llc谐振逆变高压电源及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源及控制方法，其由工频整流滤波+BUCK调压电路+LLC半桥谐振电路+一个或者多个高频变压整流滤波输出。LLC半桥谐振电路，当开关频率等于谐振频率时，LLC变压器工作在zvs状态，实现了逆变软开关功能。BUCK调压电路调节母线电压的大小，通过逆变电路将直流电变成高频的交流电，满足电子束设备特别是连续工作式电子束设备长期稳定工作的要求。选择一个或者多个高压副边线圈和高压整流滤波环节的串联，实现了电源功率和高压电压大小的不同组合要求。因为电源全程采用高频工作模式，降低了电源功率元件的体积和能耗，提高了电源的效率和稳定性。

Description

电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源及控制方法

技术领域

本发明涉及电子束焊接技术领域，具体涉及一种电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源及控制方法。

背景技术

高压电源是电子束加工设备的核心部件。特别是电子束连续焊接设备，因为大批量、长时间焊接的需求，为了保证金属带材焊缝的一致性，要求电子枪高压电源输出电压精度高，稳定性好，纹波小，动态响应好；同时大多数电子束连续焊接设备的高压电源还具有功率不大，高压电压不高的特点。

一般电子束设备高压电源常采用以下几种方式：工频自耦变压器机械调压；工频晶闸管移相控制方式；硬开关逆变电源；软开关逆变电源。

工频自耦变压器机械调压控制方式，采用机械动作从而调节电子枪高压，动态响应速度慢，会引起焊接带材的局部、短时缺陷，难以适应电子束连续式焊接设备的使用要求。

工频晶闸管移相控制方式，以及中频发电机组调压控制方式，主电路频率工作在50hz～800hz区间，高压整流后需要大容量电容滤波，高压直流纹波系数比较大，使得金属带材焊缝有咬边、锯齿边的现象。

硬开关逆变电源在开关开通和关断过程中的电压、电流均不为零，出现了重叠，因此有显著的开关损耗；而且电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了电磁干扰。频率越高，开关损耗越大，电磁干扰越大。

软开关逆变调压通常采用的是PWM(脉宽调制)和PFM(脉冲频率调制)。PWM电路是改变输出波形占空比的大小，从而改变输出电压的大小。脉冲宽度的变化必然会产生高次谐波，这样对开关管的通断和高频变压器的正常工作都会有很大的影响，增加了损耗和使波形产生了毛刺。PFM电路是通过改变输出波形频率的大小来改变每个周期的脉冲数，从而改变输出电压的大小。由于输出电压与输入频率并不是线性关系的变化，很难实现输出电压在大范围的线性变化。

发明内容

本发明所要解决的是现有电子束设备高压电源所存在的效率低和稳定性不佳的问题，提供一种电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源及控制方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源，包括电源装置本体，所述电源装置本体主要由隔离变压器及RC电网滤波器、工频整流滤波单元、BUCK调压单元、LLC半桥谐振单元、高压变压器、高压整流滤波器、高压采样单元、束流采样电阻、控制中心、高压PID调节单元、BUCK调节单元、LLC谐振调节单元、低压侧电压变送器和低压侧电流变送器组成；隔离变压器及RC电网滤波器的输入端形成电源装置本体的输入端，并与三相市电相接，其输出接入工频整流滤波单元的交流侧；工频整流滤波单元的直流输出端接入BUCK调压单元的输入端；BUCK调压单元的输出端接入LLC半桥谐振单元的输入端；LLC半桥谐振单元的输出端连接高压变压器的输入端；高压变压器的输出端连接高压整流滤波器的输入端，高压整流滤波器的输出端形成电源装置本体的输出端，并与电子束连续焊接设备相接；高压采样单元的两端并接在高压整流滤波器的输出端的正负极之间，高压采样单元的采样端输出的采样电压信号Vf1接入控制中心的采样电压输入端；束流采样电阻串接在高压整流滤波器的输出端负极上，束流采样电阻的采样端输出的采样电流信号If1接入控制中心的采样电流输入端；高压PID调节单元的2个输入端分别连接高压设定信号Vg和控制中心输出的高压反馈信号VF3，高压PID调节单元的输出端接入BUCK调节单元的输入端；BUCK调节单元的输出端连接BUCK调压单元的控制端；低压侧电压变送器并接在LLC半桥谐振单元的输入端的正负极之间，低压侧电压变送器的输出端输出的电压信号Vf2接入控制中心的低压侧电压采样信号输入端；低压侧电流变送器串接在LLC半桥谐振单元的输入端负极上，低压侧电流变送器的输出端输出的电流信号If2接入控制中心的低压侧电流采样信号输入端；LLC谐振调节单元的输入端接控制中心的输出信号VD4,LLC谐振调节单元的输出端输出两组对称方波信号VD2和VD3，并分别送入LLC半桥谐振单元的第一控制端和第二控制端。

上述方案中，BUCK调压单元包括高频开关管Q1、续流二极管D1、滤波电感L1、滤波电容C1以及辅助滤波电阻R1；高频开关管Q1的基极形成BUCK调压单元的控制端；高频开关管Q1的集电极、续流二极管D1的阴极和滤波电感L1的一端相连；高频开关管Q1的发射极形成BUCK调压单元的输入端正极；滤波电感L1的另一端、辅助滤波电阻R1的一端和滤波电容C1的正极相连后，形成BUCK调压单元的输出端正极；续流二极管D1的阳极、辅助滤波电阻R1的另一端和滤波电容C1的负极相连后，形成BUCK调压单元的输入端负极和输出端负极。

上述方案中，LLC半桥谐振单元包括高频开关管Q2、体二极管D2、寄生电容C2、高频开关管Q3、体二极管D3、寄生电容C3、漏电感L3、激磁电感L4和谐振电容C4；高频开关管Q2的基极形成LLC半桥谐振单元的第一控制端；寄生电容C2与体二极管D2相并联；体二极管D2的阴极接高频开关管Q2的发射极，并形成LLC半桥谐振单元的输入端正极；体二极管D2的阳极接高频开关管Q2的集电极；高频开关管Q3的基极形成LLC半桥谐振单元的第二控制端；寄生电容C3与体二极管D3相并联；体二极管D3的阴极接高频开关管Q3的发射极；体二极管D3的阳极接高频开关管Q3的集电极,并形成LLC半桥谐振单元的输入端负极；高频开关管Q2的集电极、高频开关管Q3的发射极和漏电感L3的一端相连；谐振电容C4的一端连接高频开关管Q3的集电极；漏电感L3的另一端和激磁电感L4的一端相连后，形成LLC半桥谐振单元的输出端正极；谐振电容C4的另一端和和激磁电感L4的另一端相连后，形成LLC半桥谐振单元的输出端负极。

上述方案中，高压变压器由1个原边低压线圈和1个以上的副边高压线圈组成。

上述方案中，高压整流滤波器的数量与高压变压器副边高压线圈的数量一致。

作为改进，所述电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源还进一步包括故障关断开关K1-K3；故障关断开关K1串接在BUCK调节单元的输出端与BUCK调压单元的控制端之间；故障关断开关K2串接在LLC谐振调节单元的一个输出端与LLC半桥谐振单元的第一控制端之间；故障关断开关K3串接在LLC谐振调节单元的另一个输出端与LLC半桥谐振单元的第二控制端之间。

上述方案中，控制中心分别接收BUCK调节单元送来的驱动元件故障信号F1、LLC谐振调节单元送来的驱动元件故障信号F2、BUCK调压单元中高频开关管Q1送来的Q1过热故障信号F3、LLC半桥谐振单元中高频开关管Q2送来的Q2过热故障信号F4和LLC半桥谐振单元中高频开关管Q3送来的Q3过热故障信号F5；控制中心送给故障关断开关K1的故障关断信号VK1，送给故障关断开关K2的故障关断信号VK2，送给故障关断开关K3的故障关断信号VK3和送给LLC谐振调节单元的谐振频率信号VD4。

电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源的控制方法，电源由三相市电供电输入，依次采用工频交流输入、直流整流滤波、直流BUCK调压、高频交流LLC半桥谐振、高频交流升压和高压直流整流滤波后，输出至电子束连续焊接设备；由高频变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压绝缘；采用BUCK调压单元调整直流母线电压，采用LLC半桥谐振单元实现软开关技术，通过高压侧采样信号联动实现闭环控制，闭环控制信号送到BUCK调压单元和LLC谐振调节单元，并通过低压侧和高压侧信号分析实现LLC半桥谐振单元高压放电的瞬时抑制和处理。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、LLC半桥谐振电路，当开关频率等于谐振频率时，LLC变压器工作在zvs状态，实现了逆变软开关功能；

2、BUCK调压电路调节母线电压的大小，通过逆变电路将直流电变成高频的交流电，满足电子束设备特别是连续工作式电子束设备长期稳定工作的要求；

3、选择一个或者多个高压副边线圈和高压整流滤波环节的串联，实现了电源功率和高压电压大小的不同组合要求；

4、电源全程采用高频工作模式，降低了电源功率元件的体积和能耗，提高了电源的效率和稳定性；

5、具有过压保护、过流保护、功率超限保护、等效电阻保护等保护算法，采用脉冲故障保护,抑制可恢复性放电现象的发展；采用电平故障保护，实现对整个系统的无损保护功能。

附图说明

图1为本发明一种电子束连续焊接设备逆变高压电源的结构示意图。

图中标号为：1－三相市电输入，2－隔离变压器及RC电网滤波器，3－工频整流滤波单元，4－BUCK调压单元，5－LLC半桥谐振单元，6－高压变压器，7－高压整流滤波器，8－高压采样单元，9－束流采样电阻，10－控制中心，11－高压PID调节单元，12－BUCK调节单元，13－LLC谐振调节单元；14-低压侧电压变送器，15-低压侧电流变送器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

传统的LC串联谐振由于是一个分压器，电压增益始终小于1，而且当负载较大时很难用调节频率实现输出电压的大范围变化。而传统的并联谐振由于谐振电容的并联会产生大量的循环电流，不利于在大功率场合的运用。电子束设备高压电源束流从0(空载)到额定值(满载)、从小功率(薄的工件焊接)到大功率(厚的工件焊接)都需要稳定可靠。本发明综合LC串联谐振和并联谐振的优点，提出一种基于LLC谐振的电子束连续焊接设备逆变高压电源及控制方法，LLC谐振能够在输入和负载大范围变化的情况下调节；能够在调节的整个范围内实现ZVS；很好地利用了原器件的寄生参数。

本发明电源由三相市电供电，依次采用工频交流输入(工频交流)→整流滤波(直流)→BUCK调压电路(直流)→LLC半桥谐振电路(高频交流)→高频变压器升压(高频交流)→高压整流滤波输出(高压直流)，由高频变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压绝缘。高压采样信号参与闭环控制，闭环控制信号送到BUCK调压电路。高压侧以及低压侧的采样信号送到控制中心参与故障诊断和处理。

参见图1，一种电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源，主要包括三相市电1，隔离变压器及RC电网滤波器2，工频整流滤波单元3，BUCK调压单元4，LLC半桥谐振单元5，高压变压器6，高压整流滤波器7，高压采样单元8，束流采样电阻9，控制中心10，高压PID调节单元11，BUCK调节单元12，LLC谐振调节单元13，低压侧电压变送器14和低压侧电流变送器15。

隔离变压器及RC电网滤波器2的输入端与三相四线制电网即三相市电1相接，其输出送入工频整流滤波单元3的交流侧，用于电气隔离，同时降低电源对市电网的电磁干扰(EMI)。

工频整流滤波单元3用于将工频三相交流电变换成幅值确定的正负直流电，直流电负端跟大地相连，其输出的平直的正负直流电送入BUCK调压单元4的正负输入端。

BUCK调压单元4接受工频整流滤波单元3送来的直流电，输出幅值可调、纹波系数小得多的正负直流电，直流电负端跟大地相连，其输出平直的正负直流电送入LLC半桥谐振单元5的正负输入端。

BUCK调压单元4包括高频开关管Q1、续流二极管D1、滤波电感L1、滤波电容C1以及辅助滤波电阻R1。高频开关管Q1的基极形成BUCK调压单元4的控制端；高频开关管Q1的集电极、续流二极管D1的阴极和滤波电感L1的一端相连；高频开关管Q1的发射极形成BUCK调压单元4的输入端正极；滤波电感L1的另一端、辅助滤波电阻R1的一端和滤波电容C1的正极相连后，形成BUCK调压单元4的输出端正极；续流二极管D1的阳极、辅助滤波电阻R1的另一端和滤波电容C1的负极相连后，形成BUCK调压单元4的输入端负极和输出端负极。高频开关管Q1的驱动信号VD1来自BUCK调节单元12。控制中心10会在系统故障时完全关停K1，从而关断高频开关管Q1的PWM驱动信号VD1，高频开关管Q1如果过热，过热信号F3会发送到控制中心10，进行故障分析和处理。其中过热信号F3通过设置在高频开关管Q1上的温度传感器采集而得。

LLC半桥谐振单元5将BUCK调压单元4输出的直流电作为电压源，通过两个高频开关管的对称开、断，输出对称分布的方波，并输出到高压变压器的原边线圈输入端。LLC半桥谐振单元5包括高频开关管Q2、高频开关管Q2的体二极管D2和寄生电容C2、高频开关管Q3、高频开关管Q3的体二极管D3和寄生电容C3、高压变压器T2的漏电感L3、高压变压器T2的激磁电感L4和谐振电容C4。高频开关管Q2的基极形成LLC半桥谐振单元5的第一控制端；寄生电容C2与体二极管D2相并联；体二极管D2的阴极接高频开关管Q2的发射极，并形成LLC半桥谐振单元5的输入端正极；体二极管D2的阳极接高频开关管Q2的集电极；高频开关管Q3的基极形成LLC半桥谐振单元5的第二控制端；寄生电容C3与体二极管D3相并联；体二极管D3的阴极接高频开关管Q3的发射极；体二极管D3的阳极接高频开关管Q3的集电极，并形成LLC半桥谐振单元5的输入端负极；高频开关管Q2的集电极、高频开关管Q3的发射极和漏电感L3的一端相连；谐振电容C4的一端连接高频开关管Q3的集电极；漏电感L3的另一端和激磁电感L4的一端相连后，形成LLC半桥谐振单元5的输出端正极；谐振电容C4的另一端和和激磁电感L4的另一端相连后，形成LLC半桥谐振单元5的输出端负极。漏电感L3、激磁电感L4和谐振电容C4连接到两个开关管的中心点和地线之间。高频开关管Q2如果过热，过热信号F4会发送到控制中心10，进行故障分析和处理。高频开关管Q3如果过热，过热信号F5会发送到控制中心10，进行故障分析和处理。其中过热信号F4通过设置在高频开关管Q2上的温度传感器采集而得，过热信号F5通过设置在高频开关管Q3上的温度传感器采集而得。

LLC半桥谐振单元5中，高频开关管Q2的驱动信号VD2来自LLC谐振调节单元13。控制中心10会在系统故障时短时暂停K2，或者完全关停K2，从而关断高频开关管Q2的PWM驱动信号VD2，高频开关管Q2如果过热，过热信号F4会发送到控制中心10，进行故障分析和处理。高频开关管Q3的驱动信号VD3来自LLC谐振调节单元13。控制中心10会在系统故障时短时暂停K3，或者完全关停K3，从而关断高频开关管Q3的PWM驱动信号VD3，高频开关管Q3如果过热，过热信号F5会发送到控制中心10，进行故障分析和处理。

LLC半桥谐振单元5中，低压侧电压变送器14用于检测输入LLC半桥谐振单元5电压源正负直流电的幅值，其输出电压信号Vf2与LLC半桥谐振单元5输入直流电压成比例。低压侧电压变送器14的输入端并接在LLC半桥谐振单元5输入电压源直流正负极之间；其输出端送入控制中心10的低压侧电压采样信号输入端。

LLC半桥谐振单元5中，低压侧电流变送器15用于检测输入LLC半桥谐振单元5电压源正负直流电的流通电流值，其输出电流信号If2与LLC半桥谐振单元5输入直流电流成比例。低压侧电流变送器15的输入端串接在LLC半桥谐振单元5输入电压源主回路中；其输出端送入控制中心10的低压侧电流采样信号输入端。

高压变压器6采用一个单相变压器，包括一个原边低压线圈L20、一个或者多个副边高压线圈(如图1所示是两个副边高压线圈L21、L22)、一个高频非晶态铁心组成T2，用于实现电量的传递、电压值的变换和高低压隔离和绝缘。如果有多个副边高压线圈，则一组高压副边线圈同时配备一组高压整流滤波器；如果电子枪高压有多个副边高压线圈，分层分别绕制，围绕同一个原边低压线圈安装。

高压整流滤波器7可以是一组，两组，也可以是多组。高压滤波器数量跟副边高压线圈数量一一对应并匹配使用。如果电子枪高压逆变电源功率小或者高压电压比较低，可采用一组高压副边线圈同时配备一组组数的高压整流滤波器；如果逆变电源功率大或者高压比较高，则采用多组高压副边线圈同时配备对应组数的高压整流滤波器。

每组高压整流滤波器都包括两个高压整流规堆比如D411，D412；高压滤波电容C51；辅助滤波电阻R51。所有高压整流滤波器串联后输出直流高压电压到电子枪。

高压采样单元8采用高压电阻R3和精密采样电阻R2串联，高压电阻R3一端输出接到电子枪的高压上，另一端串接精密采样电阻R2，精密采样电阻R2另一端接地。高压大部分电压加在电阻R3上，精密采样电阻R2可以取得跟高电压成比例的小电压(比如0～10VDC)，该电压作为采样电压信号Vf1送到控制中心10。

束流采样电阻9串接到高压主回路中。束流采样电阻9一端接高压整流滤波器7的低压端，另一端接地，能够采样高压回路电流也就是电子枪束流，该电流在束流采样电阻9形成直流小电压，该电压作为采样电流信号If1送到控制中心10。

高压PID调节单元11有两个输入直流电压信号，一个是高压设定信号Vg；一个是经过控制中心10调节后的高压反馈信号VF3。高压PID调节将这两个信号进行PID运算后，作为直流电压小信号输出到BUCK调节单元12。

BUCK调节单元12将高压PID调节单元11送来的直流信号转变为不同占空比的方波信号VD1，VD1经过故障关断开关K1后输送到BUCK调压单元4，从而实现调节最终高压。BUCK调节单元12的驱动元件如果发生故障，故障信号F1将送到控制中心10，进行故障分析和处理。

LLC谐振调节单元13接受来自控制中心10的控制信号VD4，输出频率可变的两组对称方波信号VD2和VD3，以保证LLC半桥谐振单元一直工作在ZVS状态。VD2通过故障关断开关K2后输送到LLC半桥谐振单元5的上开关管Q2，并驱动Q2实现谐振工作；VD3通过故障关断开关K3后输送到LLC半桥谐振单元5的上开关管Q3，并驱动Q3实现谐振工作；LLC谐振调节单元13的驱动元件如果发生故障，故障信号F2将送到控制中心10，进行故障分析和处理。

控制中心10接受的信号包括：高压采样单元8送来的高压采样电压Vf1；束流采样电阻9送来的束流采样电流信号If1；LLC半桥谐振单元5中送来的低压侧电流采样信号If2；LLC半桥谐振单元5中送来的低压侧电压采样信号Vf2；BUCK调节单元12送来的驱动元件故障信号F1；LLC谐振调节单元13送来的驱动元件故障信号F2；BUCK调压单元4中高频开关管Q1送来的Q1过热故障信号F3；LLC半桥谐振单元5中高频开关管Q2送来的Q2过热故障信号F4；LLC半桥谐振单元5中高频开关管Q3送来的Q3过热故障信号F5，高压设定信号Vg。

控制中心10发出的信号包括：送给高压PID调节单元11进行PID运算的高压反馈信号VF3；送给故障关断开关K1的故障关断信号VK1；送给故障关断开关K2的故障关断信号VK2；送给故障关断开关K3的故障关断信号VK3；送给LLC谐振调节单元13的工作频率信号VD4

控制中心10接受高压采样单元8送来的高压采样电压Vf1，经过滤波电路，滤除高频干扰信号，第一路作为实时采样信号，如果高于脉冲故障的设定值，输出脉冲故障保护VK2，脉冲故障保护VK2短时间关闭故障开关K2，LLC谐振电路上开关管的驱动信号VD2短时间关断。脉冲故障保护的时间可以在控制中心10自动调节，能够适应不同应用现场的实时故障保护要求。故障保护时间延时完成后，VD2不再输出故障信号，故障开关合闸，VD2驱动信号恢复工作，LLC半桥谐振单元5继续工作，整个电路得到恢复。

作为脉冲故障保护，控制VK2短时输出，短时关断VD2，之后迅速恢复系统工作的故障信号还包括：来自束流采样电阻9送来的束流采样电流信号If1，LLC半桥谐振单元5中送来的低压侧电流采样信号If2。

控制中心10接受高压采样单元8送来的高压采样电压Vf1，经过滤波电路，滤除高频干扰信号，第二路经过低通滤波器处理后，用作电平故障保护，有两个输出分支：跟控制中心10中设定的最大高压限幅值比较，高于高压限幅值则输出保护信号VK1；跟控制中心10中设定的高压设定值比较，如果高于设定值一定比例或者一定限额，则输出保护信号VK1。电平故障保护信号输出到BUCK调压电路开关管，直接关闭BUCK调压电路开关管。当关闭BUCK调压电路开关管后，控制中心10再关停BUCK调节单元12。

控制中心10接受LLC半桥谐振单元5中送来的低压侧电流采样信号If2以及LLC半桥谐振单元5中送来的低压侧电压采样信号Vf2，经过滤波电路，滤除高频干扰信号后，经过绝对值电路处理，将高频交流信号处理为直流信号，并经过低通滤波器处理后，两个信号进行乘法运算(得到等效功率)和除法运算(电压除以电流得到等效电阻)，乘法运算的结果如果大于设定值，说明功率超限；除法运算的结果如果小于设定值，说明有短路现象发生，这两个信号都作为电平故障保护信号VK1输出到BUCK调压电路开关管，直接关闭BUCK调压电路开关管以及整个系统。

作为电平故障保护，控制VK1输出，并且完全关断系统的故障信号还包括：来自束流采样电阻9送来的束流采样电流信号If1，LLC半桥谐振单元5中送来的低压侧电流采样信号If2；

控制中心10接受高压采样单元8送来的高压采样电压Vf1，经过滤波电路，滤除高频干扰信号，第三路在经过低通滤波后作为反馈信号VF3送入高压PID调节单元11，跟高压设定信号比较，并进行PID运算。

控制中心10接受来自束流采样电阻9送来的束流采样电流信号If1,以及LLC半桥谐振单元5中送来的低压侧电流采样信号If2，将其电平信号作为限幅信号，合成到VF3送入高压PID调节单元11，跟高压设定信号比较，并进行PID运算。

控制中心10接受来自束流采样电阻9送来的束流采样电流信号If1,以及高压采样单元8送来的高压采样电压Vf1,两个信号进行乘法运算(得到高压电源输出的实时功率)，根据功率大小，匹配LLC半桥谐振单元5中的谐振参数，作为频率信号VD4输出到LLC半桥谐振单元5。

一种电子束连续焊接设备逆变高压电源控制方法，电源由三相市电供电，依次采用工频交流输入(工频交流)→整流滤波(直流)→BUCK调压电路(直流)→LLC半桥谐振电路(高频交流)→高频变压器升压(高频交流)→高压整流滤波输出(高压直流)。由高频变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压绝缘。高压采样信号参与闭环控制，闭环控制信号送到BUCK调压电路。高压侧以及低压侧的采样信号送到控制中心参与故障诊断和处理。采用BUCK电路调整直流母线电压，采用LLC谐振变换器实现软开关技术，通过高压侧采样信号联动实现闭环控制，通过低压侧和高压侧信号分析实现高压放电的瞬时抑制和处理。LLC谐振电路能够保证实现软开关的优点；通过BUCK电路调节输出电压的稳定，避免了LLC调频曲线不线性的缺点；该电源能够减少开关管损耗，降低电磁干扰，谐波小，工作频率高，设备体积小，稳定性好。

上述三相市电供电整流滤波前经过隔离变压器及RC电网滤波器，能够降低后续高频电路对市电和低压电器的干扰和冲击，减少谐波污染。

上述整流滤波电路采用最简洁的三相全桥整流、RC滤波方式，得到固定幅值的直流电压，该直流电压幅值稳定，但是纹波较大。作为BUCK调压电路的电压源。

作为改进，上述BUCK调压电路将前级稳定的直流电压调节成可变幅值的直流电压。BUCK调压电路包括高频开关管、续流二极管、滤波电感、滤波电容组成。该电路开关管工作频率可以很高，电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，可作为后续LLC谐振逆变电路的电压源。

作为改进，上述LLC半桥谐振主电路包括高压变压器漏感，高压变压器激磁电感，LLC谐振电容组成。当工作在重载情况下时，由漏感、谐振电容和负载构成串联谐振回路；当工作在空载情况下时，有漏感、谐振电容、激磁电感构成串联谐振回路。当电路工作频率处于串联谐振频率和并联谐振频率之间时，LLC电路一直工作在谐振工作状态，实现了全程软开关的目标。

作为改进，上述高频变压器升压不采用传统硅钢片铁心，而是采用高频特性更好的非晶态铁心，可以大大减小高压油箱的占用空间。

上述高压整流滤波电路包括整流规堆、RC滤波电路等。

上述高压采样电路利用并联在高压回路中的分压电阻，采集一个小电压用来代表高压。串联在高压回路中的电流采样电阻，当有束流通过时，采集到的小电压可以代表高压回路的束流。

上述控制中心接收高压采样信号，束流采样信号，低压侧电压变送器送来的电压信号，低压侧电流变送器送来的电流信号，实现电源高压输出的闭环控制以及故障诊断和处理。

上述高压采样信号经过滤波电路，滤除高频干扰信号，第一路作为实时采样信号，用作脉冲故障保护，脉冲故障保护短时间关闭LLC谐振电路开关管，脉冲故障保护的时间可以自动调节，能够适应不同应用现场的实时故障保护要求。第二路经过低通滤波器处理后，用作电平故障保护，有两个输出分支：跟高压限幅值比较，高于高压限幅值则输出保护信号；跟高压设定值比较，如果高于设定值一定比例或者一定限额，则输出保护信号。电平故障保护信号输出到BUCK调压电路开关管，直接关闭BUCK调压电路开关管。第三路作为反馈信号，在经过低通滤波后送入PID调节器，跟高压设定信号比较，并进行PID运算，作为直流电压输出，进入方波发生器电路，控制BUCK电路开关管的方波信号占空比，调节BUCK电路输出电压；第四路在整形隔离后输出人机界面，显示输出。

作为改进，上述脉冲故障保护认为该故障属于可恢复性故障，经过短时间(毫秒级别)的断开电路，抑制电子枪放电打火的发展扩大，然后恢复电路工作，可以恢复整个系统正常运行，能够在长时间工作的电子束连续生产设备中保持设备的延续性工作。

电平故障保护认为该故障属于永久性故障或者会引起更大破坏力的故障，不能短时间关闭后马上开启，必须经过一定较长时间(秒级或者以上)抽真空，将电子枪放电、杂质放气、气体抽完后才能开启电源。

上述束流采样信号经过滤波电路，滤除高频干扰信号，第一路作为实时采样信号，用作脉冲故障保护；脉冲故障保护短时间关闭BUCK调压电路开关管，脉冲故障保护的时间可以自动调节，能够适应不同应用现场的实时故障保护要求；第二路经过低通滤波器处理后，用作电平故障保护，有两个输出分支：跟束流限幅值比较，高于束流限幅值则输出保护信号；跟束流设定值比较，如果高于设定值一定比例或者一定限额，则输出保护信号。电平故障保护信号输出到BUCK调压电路开关管，直接关闭BUCK调压电路开关管。第三路作为反馈信号，在经过低通滤波后送入PID调节器，作为直流电压输出，进入方波发生器电路，控制BUCK电路开关管的方波信号占空比，调节BUCK电路输出电压。该信号作为高压PID调节的限幅信号，避免束流过流高压降低时的PID输出幅值过大。第四路在整形隔离后输出人机界面，显示输出。

上述低压侧电流变送器送来的电流信号，经过滤波电路，滤除高频干扰信号，第一路作为实时采样信号，直接使用交流信号的脉冲幅值，用作脉冲故障保护；脉冲故障保护短时间关闭LLC谐振电路开关管，脉冲故障保护的时间可以自动调节，能够适应不同应用现场的实时故障保护要求；第二路经过绝对值电路处理后，将高频交流信号处理为直流信号，并经过低通滤波器处理后，用作电平故障保护，有三个输出分支：跟过流限幅值比较，高于过流限幅值则输出保护信号；跟过流设定值比较，如果高于设定值一定比例或者一定限额，则输出保护信号；跟低压侧电压变送器处理后的电压电平故障信号进行乘法运算(功率计算)，除法运算(电压除以电流得到等效电阻)，乘法运算的结果如果大于设定值，说明功率超限；除法运算的结果如果小于设定值，说明有短路现象发生，这两个信号都作为电平故障保护信号输出到BUCK调压电路开关管，直接关闭BUCK调压电路开关管。

上述低压侧电压变送器送来的电压信号，经过滤波电路，滤除高频干扰信号，经过绝对值电路处理后，将高频交流信号处理为直流信号，并经过低通滤波器处理后，用作电平故障保护，跟低压侧电流变送器处理后的电流电平故障信号进行乘法运算(功率计算)，除法运算(电压除以电流得到等效电阻)。

上述控制中心接受方波发生器功率放大元件故障信号，接受各个开关管温度超限信号后，先关闭BUCK电路开关管，然后关闭LLC谐振电路开关管，并报警输出。

本发明电源其由工频整流滤波+BUCK调压电路+LLC半桥谐振电路+一个或者多个高频变压整流滤波输出。LLC半桥谐振电路，当开关频率等于谐振频率时，LLC变压器的工作状态与负载无关，实现了逆变软开关功能。BUCK调压电路调节母线电压的大小，通过逆变电路将直流电变成高频的交流电，满足电子束设备特别是连续工作式电子束设备长期稳定工作的要求。选择一个或者多个高压副边线圈和高压整流滤波环节的串联，实现了电源功率和高压电压大小的不同组合要求。因为电源全程采用高频工作模式，降低了电源功率元件的体积和能耗，提高了电源的效率和稳定性。

上述电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源的控制方法，电源由三相市电供电输入，依次采用工频交流输入、直流整流滤波、直流BUCK调压、高频交流LLC半桥谐振、高频交流升压和高压直流整流滤波后，输出至电子束连续焊接设备；由高频变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压绝缘；采用BUCK调压单元调整直流母线电压，采用LLC半桥谐振单元实现软开关技术，通过高压侧采样信号联动实现闭环控制，闭环控制信号送到BUCK调压单元和LLC谐振调节单元，并通过低压侧和高压侧信号分析实现LLC半桥谐振单元高压放电的瞬时抑制和处理。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (8)

1.电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源，包括电源装置本体，其特征是，所述电源装置本体主要由隔离变压器及RC电网滤波器（2）、工频整流滤波单元（3）、BUCK调压单元（4）、LLC半桥谐振单元（5）、高压变压器（6）、高压整流滤波器（7）、高压采样单元（8）、束流采样电阻（9）、控制中心（10）、高压PID调节单元（11）、BUCK调节单元（12）、LLC谐振调节单元（13）、低压侧电压变送器（14）和低压侧电流变送器（15）组成；

隔离变压器及RC电网滤波器（2）的输入端形成电源装置本体的输入端，并与三相市电相接，其输出接入工频整流滤波单元（3）的交流侧；工频整流滤波单元（3）的直流输出端接入BUCK调压单元（4）的输入端；BUCK调压单元（4）的 输出端接入LLC半桥谐振单元（5）的输入端；LLC半桥谐振单元（5）的输出端连接高压变压器（6）的输入端；高压变压器（6）的输出端连接高压整流滤波器（7）的输入端，高压整流滤波器（7）的输出端形成电源装置本体的输出端，并与电子束连续焊接设备相接；

高压采样单元（8）的两端并接在高压整流滤波器（7）的输出端的正负极之间，高压采样单元（8）的采样端输出的采样电压信号Vf1接入控制中心（10）的采样电压输入端；束流采样电阻（9）串接在高压整流滤波器（7）的输出端负极上，束流采样电阻（9）的采样端输出的采样电流信号If1接入控制中心（10）的采样电流输入端；

高压PID调节单元（11）的2个输入端分别连接高压设定信号Vg和控制中心（10）输出的高压反馈信号VF3，高压PID调节单元（11）的输出端接入BUCK调节单元（12）的输入端；BUCK调节单元（12）的输出端连接BUCK调压单元（4）的控制端；

低压侧电压变送器（14）并接在LLC半桥谐振单元（5）的输入端的正负极之间，低压侧电压变送器（14）的输出端输出的电压信号Vf2接入控制中心（10）的低压侧电压采样信号输入端；低压侧电流变送器（15）串接在LLC半桥谐振单元（5）的输入端负极上，低压侧电流变送器（15）的输出端输出的电流信号If2接入控制中心（10）的低压侧电流采样信号输入端；

LLC谐振调节单元（13）的输入端接控制中心（10）的输出信号VD4, LLC谐振调节单元（13）的输出端输出两组对称方波信号VD2和VD3，并分别送入LLC半桥谐振单元（5）的第一控制端和第二控制端。

2.根据权利要求1所述的电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源，其特征是，BUCK调压单元（4）包括高频开关管Q1、续流二极管D1、滤波电感L1、滤波电容C1以及辅助滤波电阻R1；高频开关管Q1的基极形成BUCK调压单元（4）的控制端；高频开关管Q1的集电极、续流二极管D1的阴极和滤波电感L1的一端相连；高频开关管Q1的发射极形成BUCK调压单元（4）的输入端正极；滤波电感L1的另一端、辅助滤波电阻R1的一端和滤波电容C1的正极相连后，形成BUCK调压单元（4）的输出端正极；续流二极管D1的阳极、辅助滤波电阻R1的另一端和滤波电容C1的负极相连后，形成BUCK调压单元（4）的输入端负极和输出端负极。

3.根据权利要求1所述的电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源，其特征是，LLC半桥谐振单元（5）包括高频开关管Q2、体二极管D2、寄生电容C2、高频开关管Q3、体二极管D3、寄生电容C3、漏电感L3、激磁电感L4和谐振电容C4；高频开关管Q2的基极形成LLC半桥谐振单元（5）的第一控制端；寄生电容C2与体二极管D2相并联；体二极管D2的阴极接高频开关管Q2的发射极，并形成LLC半桥谐振单元（5）的输入端正极；体二极管D2的阳极接高频开关管Q2的集电极；高频开关管Q3的基极形成LLC半桥谐振单元（5）的第二控制端；寄生电容C3与体二极管D3相并联；体二极管D3的阴极接高频开关管Q3的发射极；体二极管D3的阳极接高频开关管Q3的集电极, 并形成LLC半桥谐振单元（5）的输入端负极；高频开关管Q2的集电极、高频开关管Q3的发射极和漏电感L3的一端相连；谐振电容C4的一端连接高频开关管Q3的集电极；漏电感L3的另一端和激磁电感L4的一端相连后，形成LLC半桥谐振单元（5）的输出端正极；谐振电容C4的另一端和激磁电感L4的另一端相连后，形成LLC半桥谐振单元（5）的输出端负极。

4.根据权利要求1所述的电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源，其特征是，高压变压器（6）由1个原边低压线圈和1个以上的副边高压线圈组成。

5.根据权利要求4所述的电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源，其特征是，高压整流滤波器（7）的数量与高压变压器（6）副边高压线圈的数量一致。

6.根据权利要求1所述的电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源，其特征是，还进一步包括故障关断开关K1- K3；故障关断开关K1串接在BUCK调节单元（12）的输出端与BUCK调压单元（4）的控制端之间；故障关断开关K2串接在LLC谐振调节单元（13）的一个输出端与LLC半桥谐振单元（5）的第一控制端之间；故障关断开关K3串接在LLC谐振调节单元（13）的另一个输出端与LLC半桥谐振单元（5）的第二控制端之间。

7.根据权利要求6所述的电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源，其特征是，控制中心（10）分别接收BUCK调节单元（12）送来的驱动元件故障信号F1、LLC谐振调节单元（13）送来的驱动元件故障信号F2、BUCK调压单元（4）中高频开关管Q1送来的Q1过热故障信号F3、LLC半桥谐振单元（5）中高频开关管Q2送来的Q2过热故障信号F4和LLC半桥谐振单元（5）中高频开关管Q3送来的Q3过热故障信号F5；控制中心（10）送给故障关断开关K1的故障关断信号VK1，送给故障关断开关K2的故障关断信号VK2，送给故障关断开关K3的故障关断信号VK3和送给LLC谐振调节单元（13）的谐振频率信号VD4。

8.基于权利要求1所示电子束连续焊接设备LLC谐振逆变高压电源的控制方法，电源由三相市电供电输入，依次采用工频交流输入、直流整流滤波、直流BUCK 调压、高频交流LLC半桥谐振、高频交流升压和高压直流整流滤波后，输出至电子束连续焊接设备；由高频变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压绝缘；采用 BUCK调压单元（4）调整直流母线电压，采用LLC半桥谐振单元（5）实现软开关技术，通过高压侧采样信号联动实现闭环控制，闭环控制信号送到BUCK调压单元（4）和LLC谐振调节单元（13），并通过低压侧和高压侧信号分析实现LLC半桥谐振单元（5）高压放电的瞬时抑制和处理。