大功率低纹波等离子喷涂斩波电源研制

2023-05-16汪殿龙黄浩邹显鑫梁志敏吴朝军

焊接学报 2023年3期

汪殿龙，黄浩，邹显鑫，梁志敏，吴朝军

(1.河北科技大学,河北省材料近净成形技术重点实验室,石家庄,050000；2.航天材料及工艺研究所,北京,100076)

0 序言

等离子喷涂具有电弧温度高、喷涂粉末飞行速度快、涂层结合强度高、气孔率低等优点，成为应用最广泛的热喷涂工艺[1-2]，在航空、航天、冶金、石化、汽车、海洋防护、电子以及生物等领域发挥了重要作用[3-5].

等离子喷涂利用非转移型等离子弧，经等离子喷涂喷枪对喷涂气体进行机械压缩、热压缩和磁压缩，产生高温、高速的等离子弧，喷涂粉末在等离子弧中得到充分加速，进而与工件表面达到紧密的机械结合[6].等离子喷涂的工作气体为还原性气体(如H2气)和惰性气体(如Ar 气)，可保护喷涂粉末和工件不被氧化，因而可得到高质量的喷涂涂层[7].在等离子喷涂过程中，氩气流量主要影响等离子弧的速度，氢气流量主要影响等离子弧的温度[8].等离子弧温度高，可快速熔化难熔的喷涂粉末；喷涂粉末速度快，得到的涂层结合强度高、孔隙率低.

等离子喷涂设备主要包括电源、喷枪、控制柜、水电转接箱、送粉器及冷却装置[9].等离子喷涂电源为整个喷涂过程提供能量，其工作电流和电压是影响涂层质量的重要参数.为确保获得优良的涂层性能，等离子喷涂电源首先要提供足够的能量，其次要有良好的动特性.因此，等离子喷涂电源正朝着大功率、高效率、低纹波及高精度的方向发展[10].欧美国家对等离子喷涂电源的研究工作起步较早，现已涌现出一批大型的跨国公司，如瑞士的Oerlikon Metco、美国的Praxair 和德国的GTV 公司等都分别开发了自己的系列产品.

北京航空制造工程研究所在20 世纪70 年代成功研制了第一台80 kW 的磁放大器式二极管整流电源，其效率仅为50%～ 60%，且体积大、成本高、可控性差，基本已被市场淘汰[11].针对磁放大器式二极管整流电源存在明显的不足，20 世纪90 年代甘肃工业大学成功研制了PLC 控制的晶闸管整流式等离子喷涂电源，其控制特性好，但未能推广到工业应用上[12].北京航空制造工程研究所又自行研制了80 kW 高性能可控硅等离子喷涂电源，效率仅为70%～ 80%，由于主电路采用非全波整流，等离子喷涂工作中会产生高次谐波，对电网造成污染，并且抗干扰能力较差[13]，所以现阶段只有一部分性能稳定、技术成熟的可控硅整流电源仍在使用.

21 世纪以来，国内大学与研究院相继开展等离子喷涂逆变电源的研制.北京航空制造工程研究所于2002 年成功研制NB-800 型等离子喷涂逆变电源，其电源额定功率80 kW，额定电压80 V，额定电流1 000 A，电源的主电路拓扑采用四组电源并联组合结构，电源效率在85%左右[14].河北科技大学研制了基于TMS320F2812 的等离子喷涂数字化软开关逆变电源，通过控制PID 参数解决电弧电流发散振荡和熄弧的问题[15].但等离子喷涂逆变电源因设计过于复杂，降低了电源的可靠性，增加了控制精度的不稳定性.更重要的是，逆变电源没有从根本上解决输出电流纹波大的问题，造成喷枪寿命短、涂层质量不稳定，限制了涂层性能进一步提升，很难在工业领域进行大批量生产.

针对目前等离子喷涂电源效率低、电流纹波大、控制精度差、电路结构复杂且成本较高等缺点，文中提出一种基于2 个四相交错并联Buck 变换器通过CAN 总线并联，形成八相交错并联Buck 变换器的大功率等离子喷涂斩波电源.其中，Buck 变换器作为一种传统的电源结构更容易实现高频，可以任意调节占空比，具有工作效率高、控制精度高、动态响应快、参数稳定等优势[16].Buck 变换器采用交错并联技术可以大幅降低电流纹波，进而降低等离子弧的波动.结合工程应用背景，研制试验样机，并进行斩波电源的性能分析和等离子喷涂点火试验，验证理论分析和工程设计的正确性.

1 斩波电源拓扑结构

1.1 主电路拓扑

等离子喷涂斩波电源主电路拓扑如图1 所示.三相380 V 交流电经变压器降压为三相200 V 交流电后，通过整流桥模块和滤波电容将交流电变为直流电.Buck 变换器模块使用四相交错并联技术，单模块功率为40 kW，文中使用2 个Buck 变换器模块通过CAN 总线交错并联组成大功率等离子喷涂斩波电源，总功率为80 kW.若需要更大功率，可以使用多个Buck 变换器模块并联达到等离子喷涂电源大功率、低纹波、高效率的需求.

图1 斩波电源的主电路拓扑Fig.1 Main circuit topology of chopper power supply

图2 为四相交错并联Buck 变换器的拓扑结构，该拓扑采用共正极轨Buck 变换器的交错并联技术，降低了Buck 变换器驱动电路的复杂性.其中，4 路Buck 变换器的电气参数一致，各支路电感电流均为四相交错并联Buck 变换器总电流的1/4，4 个开关管的驱动信号依次相差90°，有助于降低输出电流纹波和开关器件的开关应力.2 个四相交错并联Buck 变换器模块通过CAN 总线进行交错并联，8 个开关管的驱动信号依次相差45°，形成基于八相交错控制时序的等离子喷涂斩波电源.

图2 四相交错并联Buck 变换器Fig.2 Four-phase interleaved parallel Buck converter

1.2 纹波产生机理

单相Buck 变换器的输出电流为流过功率电感的电流.在一个开关周期内，功率电感有储能和释能两种状态，因此会产生电流纹波.

在输入输出不变的前提下，当开关管导通时，电感电流变化量为

式中：ΔiL1为电流增加量(A)；VS为输入电源电压(V)；VO为输出电压(V)；L为电感(H)；TS为开关周期(s)；D为开关管接通时间占空比；t1是开关管截止时刻.

当开关管截止时，电感电流变化量为

式中：ΔiL2为电流减少量(A)；t2是开关周期截止时刻.

由于稳态时两个电感电流变化量相等，即ΔiL1=|ΔiL2|，所以

图3 为Buck 变换器运行在连续导通模式时的两种工作模式.开关管开通期间，电流通过负载流向开关管，功率电感处于储能状态，电感电流线性增加；开关管截止期间，负载通过续流二极管进行续流，功率电感处于释能状态，电感电流线性减小.

图3 Buck 变换器工作模式Fig.3 Buck converter working mode.(a) IGBT is turned on;(b) IGBT is turned off

文中采用2 组四相交错并联Buck 变换器模块进行交错并联形成八相交错控制时序的斩波电源，其8 个开关管驱动信号交错导通，相位角两两之间相差45°，为等离子喷涂斩波电源提供更大的功率和更小的电流纹波.

通过分析，八相交错并联Buck 变换器的工作原理分别以1/8,1/4,3/8,1/2,5/8,3/4,7/8 作为分段点.推导出八相交错并联Buck 变换器输出电感电流纹波与占空比关系为

式中：ΔiLo为输出总电流纹波(A)；Uin为输入电压(V)；f为主功率管开关频率(kHz)；L为8 路电感量，满足L1=L2=L3=L4=L5=L6=L7=L8=L.

最大纹波电流值为

图4 为多相交错并联Buck 变换器输出电流纹波系数与占空比关系曲线图，可以看出，在相同条件时，并联相数越多，输出电流纹波越小.斩波电源选取八相交错并联Buck 变换器，占空比在0.125,0.25,0.375,0.5,0.625,0.75,0.875 实现了零电流纹波，电流纹波频率比单相电流纹波频率扩大了8 倍，最大电流纹波系数比单相Buck 变换器减小了8 倍，且最大电流纹波仅为ΔiLo_max=Uin/(32L·f)，保证了等离子喷涂斩波电源低纹波的特性.

图4 多相交错并联Buck 变换器输出电流纹波系数与占空比关系Fig.4 Relationship between output current ripple coefficient and duty cycle of multi-phase interleaved parallel Buck converters

1.3 仿真验证

搭建四相交错并联Buck 变换器的仿真模型进行验证，仿真参数见表1.对满载的四相交错并联Buck 变换器模块的工作状况进行仿真，输入电压为300 V，输出功率为40 kW@400 A/100 V.

表1 四相交错并联Buck 变换器仿真参数Table 1 Four-phase interleaved parallel Buck converter parameters

通过仿真对比四相交错并联Buck 变换器的4 路电感电流和输出总电流.由图5 知，IGBT 的开关频率为5 kHz，各支路电感电流相位角两两相差90°，4 路电感电流的均流情况一致，单相电感电流纹波为17.8 A；对比图6 的输出总电流，电流纹波仅为4.8 A，电流频率为20 kHz，且在占空比为0.25,0.5,0.75 时，4 路电感电流纹波相互抵消，理论上电流纹波为0 A.由仿真结果得出，四相交错并联Buck 变换器具有低纹波的优势.

图5 四相交错并联Buck 变换器支路电感电流Fig.5 Four-phase interleaved parallel Buck converter branch inductor current

图6 四相交错并联Buck 变换器输出总电流Fig.6 Four-phase interleaved parallel Buck converter total output current

2 电源研制

2.1 等离子喷涂工艺对电源的要求

基于气体电离理论和等离子喷涂的实际工况，等离子弧的伏安特性呈现水平或者上升的趋势，即随电弧电流增大，电弧电压基本不变或增大.等离子弧作为等离子喷涂电源的非线性负载，根据电弧物理理论，常见的恒压源不能使等离子弧稳定工作，只有具有缓降或陡降外特性的电源才能维持等离子弧的稳定性.因此，等离子喷涂电源应该具有陡降的外特性，这种特性不仅可以保证等离子弧稳定工作，而且当调节气体流量时，电弧电流不会发生振荡，进而保证等离子喷涂工艺质量.

为提高等离子喷涂引弧的成功率，等离子喷涂电源应具有较高的空载电压.从空载到稳定点火需要在几毫秒完成，因此等离子喷涂电源应具有良好的动特性.为进一步提高涂层质量，应降低等离子弧根在阳极壁面的往复振动，这就要求等离子喷涂电源应具有较低的电流纹波.

基于等离子喷涂工艺的要求，等离子喷涂电源应具有陡降的外特性、良好的动特性、较高的输出电压和较低的电流纹波.

2.2 Buck 变换器设计

Buck 变换器主电路器件主要有IGBT、续流二极管、功率电感和滤波电容.根据四相交错Buck变换器额定功率40 kW 的需求，需要对这些器件进行选型.表2 是额定功率40 kW 的四相交错并联Buck 变换器的电气参数.

表2 四相交错并联Buck 变换器电气参数Table 2 Four-phase interleaved parallel Buck converter electrical parameters

四相交错并联Buck 变换器的输入电压为300 V，额定输出电压为100 V，额定输出电流为400 A.因此选择IGBT 和续流二极管串联的IGBT 模块，型号为英飞凌FF400R06KE3，其耐压值为600 V，额定电流为400 A.电流纹波大小和电感量直接相关，为满足低纹波的要求，电感量选用200 μH.滤波电容在电路中起到抑制电压纹波的作用，选型依据是其电容量和耐压能力.一般要求Buck 变换器的电压纹波不大于5%.经试验验证，选取8 个聚丙烯膜电容并联作为滤波电容，单个滤波电容容量为10 μF，耐压为600 V.

2.3 Buck 变换器结构设计

为使元器件充分散热且结构美观，设计4 个IGBT 模块和8 个滤波电容安装在同一散热器上，而将4 个功率电感安装在与散热器同一高度，在充分散热的同时，又可降低样机的高度.

四相交错并联Buck 变换器模块结构模型如图7 所示，设计要点如下：①将发热量较大的4 个IGBT 模块均匀摆放在靠近进风口的位置，上面放置8 个滤波电容，以获得更好的散热效果.②根据4 个IGBT 模块的间距，绘制合适的电路板，为4 路IGBT 提供驱动，优化接线方式.③将4 个功率电感和散热板拉开一定距离，放置于机箱另一侧，使其得到充分散热.④采用独立风机对散热板进行散热.

图7 四相交错并联Buck 变换器结构图Fig.7 Four-phase interleaved parallel Buck converter structure diagram

经合理布局得到1 个四相交错并联Buck 变换器样机，长度为450 mm，宽度为405 mm，高度为150 mm，因此选择4U*500 mm 的机箱，对四相交错并联Buck 变换器进行装配，外部接口位于机箱前面板，包括输入正极端子、输出正极端子、负极端子及通信端口.

3 试验验证

3.1 单模块纹波验证

等离子喷涂电源因电流纹波过大会影响等离子喷涂设备的可靠性，并且还会导致等离子弧的波动，影响等离子喷涂涂层质量，因此，设计基于八相交错并联Buck 变换器的斩波电源，降低电流纹波，并对斩波电源的输出电流纹波进行测量.

图8 为四相交错并联Buck 变换器满载(40 kW)时的支路电感电流与总输出电流，第一相电感电流为100.67 A，第二相电感电流为96.67 A，其相位角相差90°，能看出明显电流纹波；总输出电流为396 A，电流纹波较小且无法看出，验证了斩波电源可以通过交错并联技术来降低电流纹波的效果.

图8 四相交错并联Buck 变换器支路电感电流与输出电流波形图Fig.8 Waveform diagram of branch inductor current and output current of four-phase interleaved parallel Buck converter

3.2 不同电源纹波对比

图9 是可控硅整流电源、逆变电源、斩波电源3 种等离子喷涂电源在实际喷涂过程中输出电流的波形，根据输出电流的峰-峰值和平均值，可以对比不同等离子喷涂电源的电流纹波率.

图9 3 种等离子喷涂电源电流纹波对比Fig.9 Comparison of current ripple of three plasma spraying power supplies.(a) thyristor power supply;(b) inverter power supply;(c) chopper power supply

可控硅电源输出电流578 A 时，峰-峰值为80 A，电流纹波率为13.84%；逆变电源输出电流681 A时，峰-峰值为88 A，电流纹波率为12.92%；斩波电源输出电流711 A 时，峰-峰值为56 A，电流纹波率为7.88%.斩波电源在满足等离子喷涂设备正常运行时，电流纹波率明显低于可控硅电源和逆变电源.因此，斩波电源作为等离子喷涂电源可以有效降低等离子弧的波动、延长喷枪寿命、提高涂层的质量.

3.3 效率对比

早期的磁放大器式二极管整流电源的效率仅为50%～ 60%，高性能可控硅整流电源的效率为70%～ 80%，最新研制的逆变电源也仅在85%左右.因此，等离子喷涂电源的效率亟需大幅度的提高.

图10 为恒流模式下1 组四相交错并联Buck变换器模块的效率曲线.电流在100～ 400 A 范围时，四相交错并联Buck 变换器效率都能达到87%以上.电流为350 A 时，效率最大为94.5%，额定电流为400 A 时，效率为92.7%.相比传统的等离子喷涂电源，斩波电源的效率得到有效提高，提高了能量利用率.