阅读说明：本技术 一种隔离式灯丝电源控制系统 (Isolated filament power control system ) 是由 曲延滨 宋蕙慧 其他发明人请求不公开姓名 于 2019-03-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种隔离式的灯丝电源控制系统,属于电源领域,特别是为了保持变压器原边低压和副边高压的完全隔离,实现对灯丝电流的稳定控制。为了能够实现高压隔离,通常采用变压器进行隔离,而为了实现完全的高压隔离,区别于以往的灯丝电源变压器副边采样控制系统的设计,本系统采用原边采样进行灯丝电源稳定性的控制。充分考虑乐变压器分布参数和灯丝电阻随温度变化而变化的情况,具有1.完全隔离性2.鲁棒性3.灵活性4.简约性5.体积小等优点,可以很好的替换以往的老式灯丝电源控制系统,并且具有良好的安全性、稳定性和可靠性。(The invention relates to an isolated filament power supply control system, belongs to the field of power supplies, and particularly aims to keep the primary side low voltage and the secondary side high voltage of a transformer completely isolated and realize stable control of filament current. In order to realize high-voltage isolation, a transformer is generally adopted for isolation, and in order to realize complete high-voltage isolation, the system is different from the design of a secondary sampling control system of a conventional filament power supply transformer, and primary sampling is adopted for controlling the stability of a filament power supply. The method fully considers the condition that distribution parameters of the transformer and the resistance of the filament change along with the temperature change, has the advantages of 1, complete isolation, 2, robustness, 3, flexibility, 4, simplicity, 5, small volume and the like, can well replace the prior old filament power supply control system, and has good safety, stability and reliability.)

一种隔离式灯丝电源控制系统

技术领域

本发明涉及一种隔离式的灯丝电源控制系统，属于电源领域，特别是为了实现变压器原边和副边的完全隔离和对灯丝电流的稳定控制。

背景技术

焊接技术被称为现代工业的“缝纫师”，电子束焊接技术因其能量密度极高而被广泛应用各种工业环境下，它实质上是将高速运动电子的动能转化为热能。电子束焊机主要依靠灯丝电源、高压电源和聚焦电源有效配合工作，首先，灯丝电源通过加热阴极灯丝来产生电子。其次，高压电源通过加速电场将电子加速，使其携带较大能量。最后，聚焦电源将分散的电子聚集成为电子束，在撞击工件表面后，电子束的动能转化为热能，使工件迅速融化。

电子束焊机装置中灯丝电源作为电子的发出装置，其稳定持续的发出电子的性能直接关系到整个装置能否正常工作，所以灯丝电源的稳定性是决定发出电子稳定的关键因素，而且由于浮动参考电位的影响，灯丝电源的一极通常与高压电源的一极相连，为了能够实现高压隔离，通常采用变压器进行隔离，而为了实现完全的高压隔离，区别于以往的灯丝电源变压器副边采样控制系统的设计，本系统采用原边采样进行灯丝电源稳定性的控制。而由于灯丝电阻随着温度的升高而升高，而且流过灯丝的电流要维持在一定范围内，超过最大工作电流，可能会减少灯丝的寿命，甚至在短时间内融化。所以进一步考虑灯丝电源稳定性的控制是非常有必要的。

《一种钢轨焊接用电子束焊机灯丝电源装置》（申请号201520166323.8）公开的一种应用于钢轨焊接用的电子束焊机灯丝电源装置，其特点是通过引入 LLC 谐振变换器，提高了电源的工作频率，减少了开关损耗和杂波，使开关器件可以很方便的实现软开关，但其未充分考虑到高压隔离和灯丝电阻随温度变化等问题。

《一种栅控电子枪电源》（申请号201710949894 .2）公开的是一种具有抗打火功能的栅控电子枪电源，高压输出端为变压器的输出，高压端设备与元件少，抗打火能力强，可靠性高；灯丝电源与栅控电源工作在地电位上，控制与安装方便但其未充分考虑变压器分布参数的影响。

《一种电子管灯丝电源供电电路》(申请号201720322612.1)公开的是一种电子管灯丝电源供电电路，其主要采用基准比较电路，差分采样电路，变压器电路，输出整流滤波电路和保护电路组成，通过PWM产生电路来控制电路，其未考虑高压隔离。

可见，国内目前存在的灯丝电源主要有以下几点不足。

①未充分考虑高频变压器分布参数，为了能够完全隔离变压器低压原边和高压副边，通常要加大变压器线圈之间距离和采用绝缘油进一步增强隔离效果，但是增大线圈之间的距离导致了漏感的增大，因为原边产生的磁链未能够在副边线圈上完全吸收，增大线圈或者优化变压器芯材的选取能够减少漏感，但是变压器的体积会变大，如何平衡漏感和体积之间的平衡是一个关键问题。

②未充分考虑高压隔离，因灯丝电源一端与高压电源一端相连，从安全行和运行稳定性角度考虑，需要高压隔离，而一般情况下只用到变压器隔离，而反馈环节的信号采样仍然要从变压器副边进行采样，未能够完全隔离，如果发生意外，副边高压侧依然有通路传到到前端，可能造成难易挽回的损失，所以反馈环节的信号采样只能从变压器前级进行采样。

③未充分考虑灯丝电阻随温度变化而变化的情况，灯丝电阻随着加热时间的上升，温度也会随之上升，而电阻率也会产生变化，另外，灯丝电流不能够超过最大工作电流，超过后可能会对灯丝造成不可恢复性损害。为了维持电子束发射的稳定性，必须维持通过灯丝电流的稳定性，因此需要通过负反馈控制来实现灯丝电流的稳定性。

发明内容

为了克服现有发明的不足，本发明的目的在于提供一种隔离式灯丝电源控制系统，采用变压器原边负反馈控制，能够实现灯丝电源与高压电源的完全隔离和维持灯丝电流的稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是。

隔离式灯丝电源控制系统包括直流电源、全桥逆变、LC滤波、变压器、灯丝电阻、采样电路、控制电路。

所述的直流电源，由蓄电池提供48V直流电源。

所述的全桥逆变，实质上是单相全桥逆变电路，由四个MOSFET型开关管组成。

所述的LC滤波，由电感和电容并结合变压器的分布参数构成的滤波网络。

所述的变压器，采用的是高频变压器。

所述的灯丝电阻，采用的是长用作灯丝的钨丝，达到一定温度，会使电子溢出。

所述的采样电路，采用差分运放原理，直接采集逆变器输出电压。

所述的控制电路，采样电路采得的电压信号传递给控制电路，控制电路采用基本运放电路实现PID控制，输出正弦信号给PWM芯片，PWM芯片通过信号比较，输出PWM控制信号，控制开关管占空比，进而控制输出电压。

由于采用以上技术方案，本发明相比现有技术具有以下有益效果。

1.考虑变压器分布参数，在设计滤波器的过程中，充分运用变压器的分布参数。

2.的高压隔离，由于控制电路从变压器原边采样，变压器的原边和副边无任何物理上的的连接，实现了完全的高压隔离。

3.分考虑灯丝电阻随温度变化而变化的情况，常温的灯丝电阻要小于热的灯丝电阻，而且灯丝电阻的变化是随着温度的上升而上升的，采用的电压斜坡式控制策略正好满足要使电流稳定的要求。

4.鲁棒性，因为损耗分散给四个开关管，增强开关管的稳定性。

5.灵活性，使用全桥逆变可以很方便的改变电压幅值（从0到最大值）和频率。

6.简约性，在二次侧不需要任何额外的采样电路和其他器件。

7.减小体积，逆变器可以工作在高频情况下，可以减小电感、电容和变压器的体积，从而进一步减小整个装置的体积。

附图说明

图1 为隔离式灯丝电源控制系统结构示意图。

图2 为隔离式灯丝电源控制系统电路图。

具体实施方式

为更好地了解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的工作原理和实施方式作进一步描述。

如图1所示为隔离式灯丝电源控制系统结构示意图，本发明隔离式灯丝电源控制系统包括直流电源、全桥逆变、LC滤波、变压器、灯丝电阻、采样电路、控制电路。其中直流电源与全桥逆变相连，为整个系统提供48V直流电源，经过逆变后的电流经过LC滤波网络，基波得以传递到变压器中，经过变比为1:1（原副边都为15匝线圈）的变压器隔离后，加到灯丝电阻上，由于灯丝电阻呈纯阻性，变压器原边的电压近似和灯丝电阻上的电压相等，从全桥逆变到变压器副边，其本质是为了实现阻抗匹配，使得全桥逆变出的基波电压近似与灯丝电阻上电压呈正比关系。实验测量数据如表1所示，其中各符号表示：

Vc：PWM参考控制电压

Vab： 逆变器输出电压

Ip：逆变器输出电流

Vout ：灯丝电阻上电压

Iout：灯丝电阻上电流

表1 Vc,Vab/10,Ip,Vout,Iout测量值。

。

从表1可以看出，随着PWM参考控制电压的升高，逆变器输出电压Vab和灯丝电阻Vout电压随之上升，通过Vout/ Vab和Iout/ Ip比值我们可以看出，逆变器输出电压Vab和灯丝电阻Vout电压近似呈10倍关系，因此我们可以直接从前端采集逆变器输出电压Vab的数值来作为反馈系统控制目标，实现对灯丝电阻Vout稳定性的控制。

整个控制系统的设计，总是围绕着完全隔离这一目的，首先是LC滤波网络的设计中考虑变压器的分布参数，其次是从变压器原边直接采样实现控制灯丝电阻电压的稳定，最后考虑灯丝灯丝电阻随温度变化而变化的情况，在控制上实现电压的调整，以保持电流的稳定性。

如图2所示为隔离式灯丝电源控制系统电路图，输入为48V直流，VMLSCCM为内部集成PWM驱动电路的MOSFET半桥模块，a端和p端分别接在直流定远的正负极，c端为输出端，vc为PWM参考控制电压的输入端。Lf、Ld为实现滤波串联的电感，Cf、Cs为实现滤波并联的电容，Cp、Lm为变压器寄生的杂散电容和漏感，Np=Ns=15为变压器原副边线圈匝数，Rload为负载电阻，全桥逆变输出的电压经过差分运放采样送给PI控制器，进一步将控制信号转换成0-10V的PWM驱动芯片的参考电压，进而控制逆变器的输出电压，实现负反馈闭环控制。

综上所述，本发明具有：1.完全隔离性2. 鲁棒性3. 灵活性4. 简约性5. 体积小等优点，可以很好的替换以往的老式灯丝电源控制系统，并且具有良好的安全性、稳定性和可靠性。