霍尔传感器在Buck型EBW高压稳定电源的应用

　　1引言

　　电子束焊机(EBW) 以其功率大、焊接性能优异和性价比高, 广泛应用于诸如汽车、轮船、核反应堆、航空航天等高精尖军民用产品的焊接。该设备需要一个性能很高的稳定高压源(HVS) 来加速电子束以保证焊接质量。中容量 EBW 稳定 HVS输出电压 60kV, 稳压精度 1%, 工作电流 0～300mA。传统的 HVS调压模式有工频斩波调压式和三端线性稳压式两种。前者纹波过大且变压器结构复杂; 后者效率低下且油冷机构复杂。为此,文献提出了一种高频PWM- Buck 型开关电源式 HVS, 它采用脉宽(PWM)调压方式。

　　PWM- Buck 型 HVS 工作于高电压大功率模式, 存在严重的人身和设备安全隐患, 工作时又存在很强电磁干扰, 因此,HVS 的弱电控制系统要可靠工作, 必须与主电路强弱电隔离,并且这种隔离不能影响测量精度。常用的光电隔离测量电路不仅结构复杂, 而且影响主电路工作, 安装不便, 小电流测量时线性度差。

　　新一代闭环霍尔传感器电隔离性能良好, 而且具有频带宽、响应快、精度高、线性好、安装简便、不消耗主电路能量、不影响主电路工作、交直流并测等特点, 因此其应用效果大大优于光电隔离。本文根据 PWM- Buck 型 HVS 的工作原理, 通过 SABER仿真, 全面分析了霍尔传感(变送)器的特性参数对 HVS 控制系统的影响, 提出了设计或应用霍尔传感( 变送) 器的规则和必须注意的问题, 为设计一个性能优异的 EBW- HVS 奠定基础。

　　2 PWM- Buck 型 HVS 工作原理及其PID 控制特性

　　图1(a)为电子束焊机 PWM- Buck 型稳定 HVS 主电路。图1(b)为整个 HVS 系统的 SABER 仿真原理性电路图, 包含主电路、电感限流电路以及PID 闭环控制电路三部分。其中, 电子枪等效为300kΩ～∞可变电阻, 由电子枪栅极电压VG控制; LX、DX为扼流感抗及其续流管; R1为电压测量电阻; T 为开关电子管; 霍尔传感器H1、H2和 H3分别测量电感电流、输出电压和工作电流,其有效测量范围分别为: 0～10A, 0～200mA 和 0～1mA。控制电路通过调节频率为f=20kHz 脉冲的占空比d 来控制开关T 导通时间来调节输出电压VO。由于扼流电感感抗2πfLx<<R, HVS 的主电路可视为标准PWM- Buck 电路。其工作模式有电感电流连续模式(CCM)或电感电流断流模式(DCM)。稳态时HVS 主电路在只工作于DCM 模式, 此时被控量VO与控制量d 呈下列非线性关系:

　　但在过渡阶段, 电路可能会出现短暂电感 L 或开关T 上会产生很大的浪涌电流, 为提高系统可靠性, 系统设置了以比较器和RS 触发器组成的限流电路。

　　不难看出, HVS 控制系统由许多非线性环节组成, 其中主电路是一个工作于大信号模式的强非线性系统。把图1(b)的控制系统进行拆分归类, 经k1、k2适当定标后, 得图2 所示的 HVS 控制系统基本构成。图中, H(s)为电压测量系统的传递函数。为满足实时性要求, 系统控制器采用模拟PID 电路实现。其表达式为: