大功率低紋波等離子噴涂斬波電源研制

汪殿龍，黃浩，鄒顯鑫，梁志敏，吳朝軍

(1.河北科技大學(xué),河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊,050000；2.航天材料及工藝研究所,北京,100076)

0 序言

等離子噴涂具有電弧溫度高、噴涂粉末飛行速度快、涂層結(jié)合強(qiáng)度高、氣孔率低等優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)用最廣泛的熱噴涂工藝[1-2]，在航空、航天、冶金、石化、汽車、海洋防護(hù)、電子以及生物等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[3-5].

等離子噴涂利用非轉(zhuǎn)移型等離子弧，經(jīng)等離子噴涂噴槍對(duì)噴涂氣體進(jìn)行機(jī)械壓縮、熱壓縮和磁壓縮，產(chǎn)生高溫、高速的等離子弧，噴涂粉末在等離子弧中得到充分加速，進(jìn)而與工件表面達(dá)到緊密的機(jī)械結(jié)合[6].等離子噴涂的工作氣體為還原性氣體(如H2氣)和惰性氣體(如Ar 氣)，可保護(hù)噴涂粉末和工件不被氧化，因而可得到高質(zhì)量的噴涂涂層[7].在等離子噴涂過程中，氬氣流量主要影響等離子弧的速度，氫氣流量主要影響等離子弧的溫度[8].等離子弧溫度高，可快速熔化難熔的噴涂粉末；噴涂粉末速度快，得到的涂層結(jié)合強(qiáng)度高、孔隙率低.

等離子噴涂設(shè)備主要包括電源、噴槍、控制柜、水電轉(zhuǎn)接箱、送粉器及冷卻裝置[9].等離子噴涂電源為整個(gè)噴涂過程提供能量，其工作電流和電壓是影響涂層質(zhì)量的重要參數(shù).為確保獲得優(yōu)良的涂層性能，等離子噴涂電源首先要提供足夠的能量，其次要有良好的動(dòng)特性.因此，等離子噴涂電源正朝著大功率、高效率、低紋波及高精度的方向發(fā)展[10].歐美國(guó)家對(duì)等離子噴涂電源的研究工作起步較早，現(xiàn)已涌現(xiàn)出一批大型的跨國(guó)公司，如瑞士的Oerlikon Metco、美國(guó)的Praxair 和德國(guó)的GTV 公司等都分別開發(fā)了自己的系列產(chǎn)品.

北京航空制造工程研究所在20 世紀(jì)70 年代成功研制了第一臺(tái)80 kW 的磁放大器式二極管整流電源，其效率僅為50%～ 60%，且體積大、成本高、可控性差，基本已被市場(chǎng)淘汰[11].針對(duì)磁放大器式二極管整流電源存在明顯的不足，20 世紀(jì)90 年代甘肅工業(yè)大學(xué)成功研制了PLC 控制的晶閘管整流式等離子噴涂電源，其控制特性好，但未能推廣到工業(yè)應(yīng)用上[12].北京航空制造工程研究所又自行研制了80 kW 高性能可控硅等離子噴涂電源，效率僅為70%～ 80%，由于主電路采用非全波整流，等離子噴涂工作中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，對(duì)電網(wǎng)造成污染，并且抗干擾能力較差[13]，所以現(xiàn)階段只有一部分性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟的可控硅整流電源仍在使用.

21 世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)大學(xué)與研究院相繼開展等離子噴涂逆變電源的研制.北京航空制造工程研究所于2002 年成功研制NB-800 型等離子噴涂逆變電源，其電源額定功率80 kW，額定電壓80 V，額定電流1 000 A，電源的主電路拓?fù)洳捎盟慕M電源并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，電源效率在85%左右[14].河北科技大學(xué)研制了基于TMS320F2812 的等離子噴涂數(shù)字化軟開關(guān)逆變電源，通過控制PID 參數(shù)解決電弧電流發(fā)散振蕩和熄弧的問題[15].但等離子噴涂逆變電源因設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，降低了電源的可靠性，增加了控制精度的不穩(wěn)定性.更重要的是，逆變電源沒有從根本上解決輸出電流紋波大的問題，造成噴槍壽命短、涂層質(zhì)量不穩(wěn)定，限制了涂層性能進(jìn)一步提升，很難在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行大批量生產(chǎn).

針對(duì)目前等離子噴涂電源效率低、電流紋波大、控制精度差、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高等缺點(diǎn)，文中提出一種基于2 個(gè)四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器通過CAN 總線并聯(lián)，形成八相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的大功率等離子噴涂斬波電源.其中，Buck 變換器作為一種傳統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)高頻，可以任意調(diào)節(jié)占空比，具有工作效率高、控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、參數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)[16].Buck 變換器采用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)可以大幅降低電流紋波，進(jìn)而降低等離子弧的波動(dòng).結(jié)合工程應(yīng)用背景，研制試驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行斬波電源的性能分析和等離子噴涂點(diǎn)火試驗(yàn)，驗(yàn)證理論分析和工程設(shè)計(jì)的正確性.

1 斬波電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 主電路拓?fù)?/h3>

等離子噴涂斬波電源主電路拓?fù)淙鐖D1 所示.三相380 V 交流電經(jīng)變壓器降壓為三相200 V 交流電后，通過整流橋模塊和濾波電容將交流電變?yōu)橹绷麟?Buck 變換器模塊使用四相交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，單模塊功率為40 kW，文中使用2 個(gè)Buck 變換器模塊通過CAN 總線交錯(cuò)并聯(lián)組成大功率等離子噴涂斬波電源，總功率為80 kW.若需要更大功率，可以使用多個(gè)Buck 變換器模塊并聯(lián)達(dá)到等離子噴涂電源大功率、低紋波、高效率的需求.

圖1 斬波電源的主電路拓?fù)銯ig.1 Main circuit topology of chopper power supply

圖2 為四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)洳捎霉舱龢O軌Buck 變換器的交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，降低了Buck 變換器驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性.其中，4 路Buck 變換器的電氣參數(shù)一致，各支路電感電流均為四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器總電流的1/4，4 個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)依次相差90°，有助于降低輸出電流紋波和開關(guān)器件的開關(guān)應(yīng)力.2 個(gè)四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器模塊通過CAN 總線進(jìn)行交錯(cuò)并聯(lián)，8 個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)依次相差45°，形成基于八相交錯(cuò)控制時(shí)序的等離子噴涂斬波電源.

圖2 四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器Fig.2 Four-phase interleaved parallel Buck converter

1.2 紋波產(chǎn)生機(jī)理

單相Buck 變換器的輸出電流為流過功率電感的電流.在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，功率電感有儲(chǔ)能和釋能兩種狀態(tài)，因此會(huì)產(chǎn)生電流紋波.

在輸入輸出不變的前提下，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感電流變化量為

式中：ΔiL1為電流增加量(A)；VS為輸入電源電壓(V)；VO為輸出電壓(V)；L為電感(H)；TS為開關(guān)周期(s)；D為開關(guān)管接通時(shí)間占空比；t1是開關(guān)管截止時(shí)刻.

當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電感電流變化量為

式中：ΔiL2為電流減少量(A)；t2是開關(guān)周期截止時(shí)刻.

由于穩(wěn)態(tài)時(shí)兩個(gè)電感電流變化量相等，即ΔiL1=|ΔiL2|，所以

圖3 為Buck 變換器運(yùn)行在連續(xù)導(dǎo)通模式時(shí)的兩種工作模式.開關(guān)管開通期間，電流通過負(fù)載流向開關(guān)管，功率電感處于儲(chǔ)能狀態(tài)，電感電流線性增加；開關(guān)管截止期間，負(fù)載通過續(xù)流二極管進(jìn)行續(xù)流，功率電感處于釋能狀態(tài)，電感電流線性減小.

圖3 Buck 變換器工作模式Fig.3 Buck converter working mode.(a) IGBT is turned on;(b) IGBT is turned off

文中采用2 組四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器模塊進(jìn)行交錯(cuò)并聯(lián)形成八相交錯(cuò)控制時(shí)序的斬波電源，其8 個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)交錯(cuò)導(dǎo)通，相位角兩兩之間相差45°，為等離子噴涂斬波電源提供更大的功率和更小的電流紋波.

通過分析，八相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的工作原理分別以1/8,1/4,3/8,1/2,5/8,3/4,7/8 作為分段點(diǎn).推導(dǎo)出八相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器輸出電感電流紋波與占空比關(guān)系為

式中：ΔiLo為輸出總電流紋波(A)；Uin為輸入電壓(V)；f為主功率管開關(guān)頻率(kHz)；L為8 路電感量，滿足L1=L2=L3=L4=L5=L6=L7=L8=L.

最大紋波電流值為

圖4 為多相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器輸出電流紋波系數(shù)與占空比關(guān)系曲線圖，可以看出，在相同條件時(shí)，并聯(lián)相數(shù)越多，輸出電流紋波越小.斬波電源選取八相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器，占空比在0.125,0.25,0.375,0.5,0.625,0.75,0.875 實(shí)現(xiàn)了零電流紋波，電流紋波頻率比單相電流紋波頻率擴(kuò)大了8 倍，最大電流紋波系數(shù)比單相Buck 變換器減小了8 倍，且最大電流紋波僅為ΔiLo_max=Uin/(32L·f)，保證了等離子噴涂斬波電源低紋波的特性.

圖4 多相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器輸出電流紋波系數(shù)與占空比關(guān)系Fig.4 Relationship between output current ripple coefficient and duty cycle of multi-phase interleaved parallel Buck converters

1.3 仿真驗(yàn)證

搭建四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，仿真參數(shù)見表1.對(duì)滿載的四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器模塊的工作狀況進(jìn)行仿真，輸入電壓為300 V，輸出功率為40 kW@400 A/100 V.

表1 四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器仿真參數(shù)Table 1 Four-phase interleaved parallel Buck converter parameters

通過仿真對(duì)比四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的4 路電感電流和輸出總電流.由圖5 知，IGBT 的開關(guān)頻率為5 kHz，各支路電感電流相位角兩兩相差90°，4 路電感電流的均流情況一致，單相電感電流紋波為17.8 A；對(duì)比圖6 的輸出總電流，電流紋波僅為4.8 A，電流頻率為20 kHz，且在占空比為0.25,0.5,0.75 時(shí)，4 路電感電流紋波相互抵消，理論上電流紋波為0 A.由仿真結(jié)果得出，四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器具有低紋波的優(yōu)勢(shì).

圖5 四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器支路電感電流Fig.5 Four-phase interleaved parallel Buck converter branch inductor current

圖6 四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器輸出總電流Fig.6 Four-phase interleaved parallel Buck converter total output current

2 電源研制

2.1 等離子噴涂工藝對(duì)電源的要求

基于氣體電離理論和等離子噴涂的實(shí)際工況，等離子弧的伏安特性呈現(xiàn)水平或者上升的趨勢(shì)，即隨電弧電流增大，電弧電壓基本不變或增大.等離子弧作為等離子噴涂電源的非線性負(fù)載，根據(jù)電弧物理理論，常見的恒壓源不能使等離子弧穩(wěn)定工作，只有具有緩降或陡降外特性的電源才能維持等離子弧的穩(wěn)定性.因此，等離子噴涂電源應(yīng)該具有陡降的外特性，這種特性不僅可以保證等離子弧穩(wěn)定工作，而且當(dāng)調(diào)節(jié)氣體流量時(shí)，電弧電流不會(huì)發(fā)生振蕩，進(jìn)而保證等離子噴涂工藝質(zhì)量.

為提高等離子噴涂引弧的成功率，等離子噴涂電源應(yīng)具有較高的空載電壓.從空載到穩(wěn)定點(diǎn)火需要在幾毫秒完成，因此等離子噴涂電源應(yīng)具有良好的動(dòng)特性.為進(jìn)一步提高涂層質(zhì)量，應(yīng)降低等離子弧根在陽極壁面的往復(fù)振動(dòng)，這就要求等離子噴涂電源應(yīng)具有較低的電流紋波.

基于等離子噴涂工藝的要求，等離子噴涂電源應(yīng)具有陡降的外特性、良好的動(dòng)特性、較高的輸出電壓和較低的電流紋波.

2.2 Buck 變換器設(shè)計(jì)

Buck 變換器主電路器件主要有IGBT、續(xù)流二極管、功率電感和濾波電容.根據(jù)四相交錯(cuò)Buck變換器額定功率40 kW 的需求，需要對(duì)這些器件進(jìn)行選型.表2 是額定功率40 kW 的四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的電氣參數(shù).

表2 四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器電氣參數(shù)Table 2 Four-phase interleaved parallel Buck converter electrical parameters

四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的輸入電壓為300 V，額定輸出電壓為100 V，額定輸出電流為400 A.因此選擇IGBT 和續(xù)流二極管串聯(lián)的IGBT 模塊，型號(hào)為英飛凌FF400R06KE3，其耐壓值為600 V，額定電流為400 A.電流紋波大小和電感量直接相關(guān)，為滿足低紋波的要求，電感量選用200 μH.濾波電容在電路中起到抑制電壓紋波的作用，選型依據(jù)是其電容量和耐壓能力.一般要求Buck 變換器的電壓紋波不大于5%.經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，選取8 個(gè)聚丙烯膜電容并聯(lián)作為濾波電容，單個(gè)濾波電容容量為10 μF，耐壓為600 V.

2.3 Buck 變換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使元器件充分散熱且結(jié)構(gòu)美觀，設(shè)計(jì)4 個(gè)IGBT 模塊和8 個(gè)濾波電容安裝在同一散熱器上，而將4 個(gè)功率電感安裝在與散熱器同一高度，在充分散熱的同時(shí)，又可降低樣機(jī)的高度.

四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器模塊結(jié)構(gòu)模型如圖7 所示，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：①將發(fā)熱量較大的4 個(gè)IGBT 模塊均勻擺放在靠近進(jìn)風(fēng)口的位置，上面放置8 個(gè)濾波電容，以獲得更好的散熱效果.②根據(jù)4 個(gè)IGBT 模塊的間距，繪制合適的電路板，為4 路IGBT 提供驅(qū)動(dòng)，優(yōu)化接線方式.③將4 個(gè)功率電感和散熱板拉開一定距離，放置于機(jī)箱另一側(cè)，使其得到充分散熱.④采用獨(dú)立風(fēng)機(jī)對(duì)散熱板進(jìn)行散熱.

圖7 四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Four-phase interleaved parallel Buck converter structure diagram

經(jīng)合理布局得到1 個(gè)四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器樣機(jī)，長(zhǎng)度為450 mm，寬度為405 mm，高度為150 mm，因此選擇4U*500 mm 的機(jī)箱，對(duì)四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器進(jìn)行裝配，外部接口位于機(jī)箱前面板，包括輸入正極端子、輸出正極端子、負(fù)極端子及通信端口.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 單模塊紋波驗(yàn)證

等離子噴涂電源因電流紋波過大會(huì)影響等離子噴涂設(shè)備的可靠性，并且還會(huì)導(dǎo)致等離子弧的波動(dòng)，影響等離子噴涂涂層質(zhì)量，因此，設(shè)計(jì)基于八相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的斬波電源，降低電流紋波，并對(duì)斬波電源的輸出電流紋波進(jìn)行測(cè)量.

圖8 為四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器滿載(40 kW)時(shí)的支路電感電流與總輸出電流，第一相電感電流為100.67 A，第二相電感電流為96.67 A，其相位角相差90°，能看出明顯電流紋波；總輸出電流為396 A，電流紋波較小且無法看出，驗(yàn)證了斬波電源可以通過交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)來降低電流紋波的效果.

圖8 四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器支路電感電流與輸出電流波形圖Fig.8 Waveform diagram of branch inductor current and output current of four-phase interleaved parallel Buck converter

3.2 不同電源紋波對(duì)比

圖9 是可控硅整流電源、逆變電源、斬波電源3 種等離子噴涂電源在實(shí)際噴涂過程中輸出電流的波形，根據(jù)輸出電流的峰-峰值和平均值，可以對(duì)比不同等離子噴涂電源的電流紋波率.

圖9 3 種等離子噴涂電源電流紋波對(duì)比Fig.9 Comparison of current ripple of three plasma spraying power supplies.(a) thyristor power supply;(b) inverter power supply;(c) chopper power supply

可控硅電源輸出電流578 A 時(shí)，峰-峰值為80 A，電流紋波率為13.84%；逆變電源輸出電流681 A時(shí)，峰-峰值為88 A，電流紋波率為12.92%；斬波電源輸出電流711 A 時(shí)，峰-峰值為56 A，電流紋波率為7.88%.斬波電源在滿足等離子噴涂設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，電流紋波率明顯低于可控硅電源和逆變電源.因此，斬波電源作為等離子噴涂電源可以有效降低等離子弧的波動(dòng)、延長(zhǎng)噴槍壽命、提高涂層的質(zhì)量.

3.3 效率對(duì)比

早期的磁放大器式二極管整流電源的效率僅為50%～ 60%，高性能可控硅整流電源的效率為70%～ 80%，最新研制的逆變電源也僅在85%左右.因此，等離子噴涂電源的效率亟需大幅度的提高.

圖10 為恒流模式下1 組四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器模塊的效率曲線.電流在100～ 400 A 范圍時(shí)，四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器效率都能達(dá)到87%以上.電流為350 A 時(shí)，效率最大為94.5%，額定電流為400 A 時(shí)，效率為92.7%.相比傳統(tǒng)的等離子噴涂電源，斬波電源的效率得到有效提高，提高了能量利用率.

圖10 四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器效率Fig.10 Four-phase interleaved parallel Buck converter efficiency

4 結(jié)論

(1) 分析了電流紋波產(chǎn)生機(jī)理.按照等離子噴涂電源80 kW 的功率需求，搭建2 個(gè)40 kW 的四相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的模塊并進(jìn)行交錯(cuò)并聯(lián)，完成了基于八相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的等離子噴涂斬波電源的研制.

(2) 通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了斬波電源的性能.相比可控硅整流電源和逆變電源，斬波電源輸出電流紋波率僅為7.88%，電源最高效率為94.5%，滿足了等離子噴涂電源低紋波和高效率的需求.