Abstract：　　TOP249 is a new type of single chip switching power with many virtues such as easily controllable and good EMC. A high frequency arcing circuit used in incising power based on TOP249 is introduced in this paper. The design scheme, the circuit parameters and the factors influencing the arcing are given and analyzed in this paper.

Keyword：incising power arcing circuit TOP249

1　引言

　　引弧质量的高低是决定切割质量的关键性因素。早期的引弧电路是通过工频变压器变压，产生与主电路隔离的高压，击穿火花放电器，在工件与电极之间产生电压大于3000V，频率在150~200KHZ高频高压振荡，击穿中性气体介质而形成电弧[1]。工频变压器的体积和重量都很大，引弧电路也不易控制。采用高频开关技术可以减小切割电源的体积和重量，但会使整机电路复杂化，而且高频开关及引弧所产生的电磁干扰（EMI）很容易干扰开关电源的正常工作，尤其是脉冲电路和控制电路，影响了稳定性。

　　美国动力公司PI(Power Integrations)研制的单片开关器件TOPSwitch-GX，有效地把高压功率MOSFET器件、PWM控制、故障保护和其它控制电路集成到单片CMOS上，还集成了很多内置的及用户可配置的功能[2]。我们采用了TOPSwitch-GX系列中的TOP249来实现切割电源的高频引弧电路，结构简单紧凑，控制方便，能够有效地抑制电磁干扰，引弧高效稳定，效果很好。


2　方案设计

　　我们所设计的切割电源高频引弧电路原理如图1所示，包括输入整流滤波电路、开关电路、反馈电路、保护电路、倍压整流电路以及引弧电路。电路中采用了TOP249实现高频开关部分。

图 1高频引弧原理电路图

2.1　TOP249功能简介

　　TOP249是PI公司研制的第二代单片集成开关芯片，在工作过程中利用反馈电流来调节驱动脉冲占空比，达到稳压目的[5]。对于Y型封装的 TOP249芯片，共有六个管脚，分别是D、C、S、L、X、F。其中D、C、S分别为漏极、控制极和源极。

　　L为输入欠压与过压检测端，R5（图1所示）为欠压或过压检测电阻，并能给线路提供电压前馈，以减少开关频率的波动。实验中取R5=2MΩ时，当直流输入电压达到100V时，电路起动。TOP249的欠压电流IUV=50μA，过压电流IOV=225μA。由此可以估算出 TOP249正常工作的电压范围：

　　X为外部电流调整端。在X端与源极S之间接入不同的电阻值，则可以将开关电流限定为不同的数值。

　　F为开关频率选择端。当F端与源极S相接时，TOP249的开关频率为132KHz，当F端与控制端C相接时，其开关频率为66KHz。

　　此外，只要将L、X、F端同时与源极S相接，即可以作为一般的三端TOP器件使用。

2.2　反馈电路

　　变压器的反馈线圈电压整流滤波，经过平滑滤波后向TOP249提供一个偏置电压，当电压波动时，就使控制端电流得以改变，通过调节输出占空比，使输出电压稳定。C3还与R6（X端电阻）一起构成尖峰电压滤波器，使偏置电压在负载较重时仍能保持稳定。

2.3　保护电路

　　当功率MOSFET由导通转为截止时，在高频变压器初级线圈上就会产生感应电压和尖峰电压，其中尖峰电压是由高频变压器的漏感而形成的，与感应电压叠加后产生的高压很容易损坏MOSFET。因此必须增加初级保护电路，对尖峰电压进行钳位或者吸收。在电路中利用瞬间变压二极管和超快恢复二极管组成TVS、 SRD钳位电路，能充分发挥TVS响应速度极快、可承受高能量瞬态脉冲等优点，具有良好的保护效果。

2.4　工作过程

　　电网交流电压220V经整流滤波得到约300V的直流电压，通过TOP249的开通和关断，在高频变压器T1初级得到频率为132KHZ的高频高压交流，经升压后约为600V的高频交流，再经过四倍压整流后得到幅值约2500V的直流高压加在电极两端，电极被击穿从而导致打火。并和后级的电容、点火变压器初级线圈形成高频振荡，振荡电压经点火变压器升压，可在工件和电极之间产生幅值为10000V左右、频率在150～200KHZ之间的高频高压，从而击穿中性气体介质引燃电弧。


3　主要参数设计

3.1　变压器原边参数

　　引弧电路工作时允许交流输入电压范围为85V～265V，引弧所需的功率大约为30W；根据引弧的频率范围，可以将TOP249的开关频率设置为132KHz。

　　U =U min时，TOP249产生最大占空比

　　
　　取MOSFET的通态漏源电压VDS=10V，最小直流输入电压

　　
　　可计算出Vmin为276V, 由此可得Dmax=0.33[3]

　　原边平均电流（设定开关转换效率为0.8[2]）

　　原边电流峰值

　　脉动电流

　　原边电流有效值

3.2　高频变压器的设计

1、选择磁芯

　　一般磁芯输出功率和磁芯面积的经验公式

　　Ae为变压器磁芯有效截面积，Pt为高频变压器输入输出平均值。通过对常用磁芯的特点比较，同时考虑漏磁、散热、功率等相关因素：

　　选用铁氧体EI28型磁芯，Ae=1.21，最大磁感应强度BS=4000×10-4T，100°C时为使变压器工作在低磁损状态，选最大工作Bmax为1500×10-4T。

2、原边电感

3、初、次级匝数NP、NS

可以选用初级匝数为62匝，次级124匝。

4、反馈线圈匝数NB

　　
　　VF为反馈电路整流管的正向压降，VFB为反馈电路的反馈电压，它与电路的类型有关，选改进型基本反馈电路，VFB=27.7V。，可得NB=5.7，实取6匝。

5、气隙长度

　　反激型变压器的铁芯必须留有气隙，以使变压器铁芯承受较大的励磁安匝数，防止铁芯饱和，气隙的宽度可由下式得出，我们设计为0.16cm。

　　在瞬变过程中，变压器漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及顶部振荡，造成损耗增加，严重时会造成开关管的损坏，因此应严加控制。在输出为高电压、输出绕组匝数多，层数多时，也应考虑分布电容带来的影响和危害。此外，降低分布电容有利于抵制高频信号对负载的影响和干扰[4]。

3.3　倍压电路电容、高压整流管

　　由倍压电路工作过程可知，每个周期电容的充电电压大都能达到1700V，而电流很小，故选择电容主要从耐压值入手，可以选用耐压2000V的陶瓷电容。高压整流二极管最大反向电压可达到1000V，可以选用耐压值达15000V高压整流硅堆。


4　影响引弧质量的主要因素

1、高频振荡频率对引弧的影响

　　要顺利引弧，振荡频率一般不能低于150～200 KHZ，但也不能太高。若频率很低，引弧电压对中性气体的穿透能力较低，不但不容易引弧，而且振荡电路长时间积累的大量能量可能会烧毁引弧装置；反之，若频率很高，电容电压过低，P的点火能量不够，也会造成引弧的不成功[6]。

2、火花放电器P的间隙对引弧的影响

　　若P的间隙过大，会导致电路的振荡频率偏低，不但不容易引弧而且会使整机工作不可靠；P的间隙过小，将使电路的振荡频率偏高，也会使引弧成功率下降。理想情况下的间隙应在1～1.5mm范围内。

3、充电电容对引弧的影响

　　充电电容量的大小直接影响振荡回路充电时间的长短，继而会影响振荡频率的高低和引弧的成功率。若容值过小，端压上升到P的击穿电压的时间变短，使得振荡频率ƒ过大，不易引弧；反之，若容值过大，则ƒ过小，也不易引弧。一般理想值为3000～5000pF。

5　实验结论

　　在实验时，当调压器输出交流电压为80V左右，经整流后直流电压可达100V，此时TOP249芯片刚刚启动（图2）。高频变压器出现自激振荡（图3）。在实际调试过程中，用倍压电路就能实现可靠引弧，在次级输出接上分压电阻可以测出波形（图4）。从波形可以看出TOP249处于正常工作状态，产生的波形比较理想。实验证明用TOP249实现的切割电源引弧电路工作稳定可靠。


参考文献

[1] 赵家瑞等，空气等离子弧切割机的原理和设计，机械工业出版社，1997

[2] TOPSwitch Tips,Techniques,and Troubleshooting Guide. Application Note AN-14.Power Integrations,INC.1996

[3] TOPSwitch Flyback Design Methodology. Application Note AN-16.　 Power Integrations,INC.1996

[4] TOPSwitch Flyback Transformer Construction Guide. Application Note AN-18. Power Integrations,INC.1996

[5] 沙占友等，特种集成电源最新应用技术，人民邮电出版社，2000

[6] 景有泉 唐西胜等，基于IGBT逆变焊接切割电源高频引弧电路的研究，电源世界，2001.6

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