基于TOP249的切割電源引弧電路研究
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時(shí)間：2012-01-16
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
引弧質(zhì)量的高低是決定切割質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。早期的引弧電路是通過(guò)工頻變壓器變壓，產(chǎn)生與主電路隔離的高壓，擊穿火花放電器，在工件與電極之間產(chǎn)生電壓大于3000V，頻率在150~200KHZ高頻高壓振蕩，擊穿中性氣體介質(zhì)而形成電弧[1]。工頻變壓器的體積和重量都很大，引弧電路也不易控制。采用高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)可以減小切割電源的體積和重量，但會(huì)使整機(jī)電路復(fù)雜化，而且高頻開(kāi)關(guān)及引弧所產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）很容易干擾開(kāi)關(guān)電源的正常工作，尤其是脈沖電路和控制電路，影響了穩(wěn)定性。
美國(guó)動(dòng)力公司PI(Power Integrations)研制的單片開(kāi)關(guān)器件TOPSwitch-GX，有效地把高壓功率MOSFET器件、PWM控制、故障保護(hù)和其它控制電路集成到單片CMOS上，還集成了很多內(nèi)置的及用戶(hù)可配置的功能[2]。我們采用了TOPSwitch-GX系列中的TOP249來(lái)實(shí)現(xiàn)切割電源的高頻引弧電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，控制方便，能夠有效地抑制電磁干擾，引弧高效穩(wěn)定，效果很好。
2 方案設(shè)計(jì)
我們所設(shè)計(jì)的切割電源高頻引弧電路原理如圖1所示，包括輸入整流濾波電路、開(kāi)關(guān)電路、反饋電路、保護(hù)電路、倍壓整流電路以及引弧電路。電路中采用了TOP249實(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)部分。
2.1 TOP249功能簡(jiǎn)介
TOP249是PI公司研制的第二代單片集成開(kāi)關(guān)芯片，在工作過(guò)程中利用反饋電流來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈沖占空比，達(dá)到穩(wěn)壓目的[5]。對(duì)于Y型封裝的 TOP249芯片，共有六個(gè)管腳，分別是D、C、S、L、X、F。其中D、C、S分別為漏極、控制極和源極。
L為輸入欠壓與過(guò)壓檢測(cè)端，R5（圖1所示）為欠壓或過(guò)壓檢測(cè)電阻，并能給線(xiàn)路提供電壓前饋，以減少開(kāi)關(guān)頻率的波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中取R5=2MΩ時(shí)，當(dāng)直流輸入電壓達(dá)到100V時(shí)，電路起動(dòng)。TOP249的欠壓電流IUV=50μA，過(guò)壓電流IOV=225μA。由此可以估算出 TOP249正常工作的電壓范圍：
X為外部電流調(diào)整端。在X端與源極S之間接入不同的電阻值，則可以將開(kāi)關(guān)電流限定為不同的數(shù)值。
F為開(kāi)關(guān)頻率選擇端。當(dāng)F端與源極S相接時(shí)，TOP249的開(kāi)關(guān)頻率為132KHz，當(dāng)F端與控制端C相接時(shí)，其開(kāi)關(guān)頻率為66KHz。
此外，只要將L、X、F端同時(shí)與源極S相接，即可以作為一般的三端TOP器件使用。
2.2 反饋電路
變壓器的反饋線(xiàn)圈電壓整流濾波，經(jīng)過(guò)平滑濾波后向TOP249提供一個(gè)偏置電壓，當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)，就使控制端電流得以改變，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出占空比，使輸出電壓穩(wěn)定。C3還與R6（X端電阻）一起構(gòu)成尖峰電壓濾波器，使偏置電壓在負(fù)載較重時(shí)仍能保持穩(wěn)定。
2.3 保護(hù)電路
當(dāng)功率MOSFET由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止時(shí)，在高頻變壓器初級(jí)線(xiàn)圈上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓和尖峰電壓，其中尖峰電壓是由高頻變壓器的漏感而形成的，與感應(yīng)電壓疊加后產(chǎn)生的高壓很容易損壞MOSFET。因此必須增加初級(jí)保護(hù)電路，對(duì)尖峰電壓進(jìn)行鉗位或者吸收。在電路中利用瞬間變壓二極管和超快恢復(fù)二極管組成TVS、 SRD鉗位電路，能充分發(fā)揮TVS響應(yīng)速度極快、可承受高能量瞬態(tài)脈沖等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的保護(hù)效果。
2.4 工作過(guò)程
電網(wǎng)交流電壓220V經(jīng)整流濾波得到約300V的直流電壓，通過(guò)TOP249的開(kāi)通和關(guān)斷，在高頻變壓器T1初級(jí)得到頻率為132KHZ的高頻高壓交流，經(jīng)升壓后約為600V的高頻交流，再經(jīng)過(guò)四倍壓整流后得到幅值約2500V的直流高壓加在電極兩端，電極被擊穿從而導(dǎo)致打火。并和后級(jí)的電容、點(diǎn)火變壓器初級(jí)線(xiàn)圈形成高頻振蕩，振蕩電壓經(jīng)點(diǎn)火變壓器升壓，可在工件和電極之間產(chǎn)生幅值為10000V左右、頻率在150～200KHZ之間的高頻高壓，從而擊穿中性氣體介質(zhì)引燃電弧。
3 主要參數(shù)設(shè)計(jì)
3.1 變壓器原邊參數(shù)
引弧電路工作時(shí)允許交流輸入電壓范圍為85V～265V，引弧所需的功率大約為30W；根據(jù)引弧的頻率范圍，可以將TOP249的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為132KHz。
U =U min時(shí)，TOP249產(chǎn)生最大占空比
取MOSFET的通態(tài)漏源電壓VDS=10V，最小直流輸入電壓
可計(jì)算出Vmin為276V, 由此可得Dmax=0.33[3]
原邊平均電流（設(shè)定開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換效率為0.8[2]）
原邊電流峰值
脈動(dòng)電流
原邊電流有效值
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