高压脉冲电子束的控制及其对焊缝形貌影响

研制出一台150 kV/30 kW高压脉冲电子束焊机,介绍了控制脉冲束流产生的偏压脉冲电源拓扑电路结构及脉冲束流频率、占空比、束流基值、束流峰值的调节控制技术.在0~1 kHz频率范围内,该电源可输出最大幅值200 mA的脉冲电子束束流,且工艺参数调节方便.分别采用脉冲束流与连续束流电子束工艺焊接了1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢,对不同工艺的焊缝形貌进行了对比分析.与连续束流电子束焊接工艺相比,采用脉冲电子束焊接工艺的焊缝熔深增加,深宽比增大;对于脉冲电子束焊接工艺,占空比给定时,随着束流频率增加,焊接缺陷减少.试验结果表明:脉冲束流频率、占空比是影响焊缝成形的关键工艺参数;脉冲调制方式控制偏压是获得高压脉冲电子束的理想控制技术之一.      

新型电子束焊机阴极加热电源自动调节系统

开发了一种新型电子束焊机阴极加热电源自动调节系统,包括新型主电路拓扑和对应控制策略,该系统能够使阴极处在最佳加热电流状态,从而提高电子束流稳定性.并且在检测到电子枪未加高压时,阴极加热电流自动关闭,在加有高压但束流给定为零时,阴极加热电流自动减少,能大幅增加阴极的使用寿命.经试验证明该系统相比传统阴极加热电源操作简洁、快速和准确,对焊缝成形质量好.     

150kV/30kW逆变式电子束焊接高压电源设计

针对150kV/30kW电子束焊接高压电源高电压、大功率输出的要求,低压电路采用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)逆变隔离直流电源与逆变全桥串联的主电路拓扑,高压电路由3组升压变压器与10倍压整流电路的串联结构并联组成;设计了高压采样电路、束流采样电路,以及双闭环控制电路.基于上述技术,实现了150kV/30kW高电压大功率输出.实验结果表明高压加速电源的输出线性度和束流输出线性度较好,同时高压稳定度和束流稳定度均在0.5%左右,能够满足电子束焊接的要求.     

新型脉冲电子束焊接偏压电源设计

开发了一种由偏压基值产生电路和偏压脉冲产生电路组成的新型脉冲电子束焊接偏压电源,该偏压电源装置能够实现直流偏压和脉冲偏压自由切换,即在同一套装置上既能够实现常规连续束流电子束焊接,又能够实现脉冲电子束流焊接.偏压基值产生电路控制偏压脉冲基值,偏压脉冲产生电路分别控制偏压脉冲峰值、偏压脉冲频率和偏压脉冲占空比.偏压电源的脉冲频率、占空比、脉冲基值和脉冲峰值均可调节,对应实现脉冲束流的脉冲频率、占空比和脉冲峰值调节.试验证明在平均束流焊透相同材料时,相比连续束流电子束焊接,脉冲电子束焊接热输入减少,焊缝宽度有减少趋势.     

新型电子束焊机高压电源的设计与实现

传统的电子束焊机高压电源电路结构复杂、体积庞大,为此研发了一种新型60 kV/100 mA逆变式电子束焊机高压电源,电路结构简单、电压输出稳定。电源调压电路采用脉宽调制(PWM)技术控制的全桥变换器,使三相整流后的约540 V电压转化为0~500 V幅值可调的稳压直流电,然后经全桥逆变电路逆变为频率为20 kHz方波交流电;升压电路采用变压器串联与倍压整流的方式,将前级20 kHz方波交流电转变为60 kV的直流高压;控制电路采用基于比例积分微分(PID)调节的电压双闭环控制策略,能够使电源实现稳定的高压输出。搭建了高压测试平台对所研制的高压电源进行了测试,结果表明电源高压输出稳定、控制精度高,高压输出纹波与稳定度均能稳定在1%范围内,能够满足电子束焊机的要求。     

航天器大功率并网控制技术研究

中国空间站各舱段均有各自独立的电源系统,为了解决由于阳光遮挡效应导致部分舱段供电能力不足问题,提出了通过配置大功率并网控制单机--并网控制器的并网供电方案。高压大功率模块化并网控制器采用四相交错双管正激高压拓扑技术、恒压恒流双环控制技术、最大电流并联均流技术、输出数字调节技术及故障检测、隔离和恢复 （Failure Detection Isolation and Recovery,FDIR ）技术,可以实现中国空间站舱段之间及与飞船之间功率4kW并网供电,并通过了试验验证。     

太阳帆板驱动机构内带电效应试验

太阳帆板驱动机构（Solar Array Drive Assembly,SADA）是长寿命、大功率航天器能源系统的关键部件.在空间高能电子环境下,SADA内部会发生静电放电甚至诱发二次放电,导致航天器丧失能源.利用双束加速器建立试验平台,对SADA进行内带电效应试验.试验中高能电子束的电子能量为2MeV,束流密度为5pA·cm-2,模拟SADA工作电压为50~150V,工作电流为0.5~1.5A.试验样品充电电位在辐照5h后达到平衡,形成的电场约为5×106V·m-1.相同工作电流下的放电次数随工作电压增大而明显增加,说明工作电压形成的电场与高能电子沉积形成的电场叠加会增加SADA发生放电的风险.依据试验结果,提出SADA抗内带电设计方案:一是降低SADA介质盘的体电阻率;二是改进导电环结构体的结构设计,降低导电环间电压在介质盘上形成的电场.      

超音频复合脉冲GMAW电源设计

提出了一种全新的脉冲熔化极气体保护焊(GMAW)方法,并研制出新型超音频复合脉冲GMAW电源,即在传统脉冲GMAW电流基础上复合叠加频率为20~80 k Hz、电流幅值为0~100 A、占空比为0%~100%的连续可调的超音频脉冲电流。设计了并联结构的主电路拓扑及MCU+DSP双处理器数字化控制系统,通过软件编程实现了电流给定信号与PWM信号的同步输出及不同逻辑组合,可实现不同工作模式的焊接电流波形输出。对电源输出电流波形的测试结果表明:本文所设计的超音频复合脉冲GMAW电源输出电流波形满足不同工作模式的设计目标,超音频脉冲电流频率在80 k Hz时,仍保持较快的电流上升沿与下降沿变化速率。初步进行了铝合金平板堆焊试验,焊缝成形良好。     

线性补偿型带隙基准电压源设计

设计了一种高准确度基准电压源电路,电路采用了电流镜技术,运放的输出作为驱动的同时还作为自身的偏置电路,双极晶体管EB结压降作运放的输入,获得正温度系数的电流IPTAT;同理将电阻的压降和双极晶体管EB结压降作运放的输入,获得负温度系数的电流ICTAT,通过电流的减法运算将在整个温度范围内分两段产生不同的补偿电流INL,进而产生不同的补偿电压,并完成对带隙基准电压的分段线性补偿。由此得到温度系数很小的带隙基准电压。采用TSMC0.18μm1.8/3.31P6MCMOS标准工艺,在1.8V电源下,-40℃~130℃温度范围内,仿真结果显示输出电压的温度系数小于1.88ppm/V,低频时电源电压抑制比为-86dB,功耗为237.5μW。     

一种低压低功耗CMOS运算放大器的设计

采用0.6μm CMOS工艺设计了一种低压低功耗的运算放大器。该放大器利用工作在亚阈值区的CMOS基准源,在此基础上运用了PMOS差分输入级,以及CMOS推挽输出级结构。电源工作电压1.8 V~5.5 V,静态工作电流仅为μA级,并具有80 dB的开环增益、高电源电压抑制比和高共模抑制比等特点。     

150 kV高压逆变电源倍压整流电路仿真

针对150 kV电子束高压电源特点,采取高压变压器与倍压整流电路相结合的方式产生150 kV高压.建立几种常见的倍压整流电路模型并进行分析,通过使用MULTISIM软件对倍压整流电路模型进行仿真,重点对科克罗夫特沃尔顿（C-W,Cockcroft-Walton）全波倍压整流电路的电容参数进行仿真设计,研究不同倍压电容参数对输出电压特性的影响,结果表明C-W全波倍压整流电路为最优方案.最终通过试验调试验证,对倍压电容参数优化可以使输出特性更好,且设计方案满足参数要求.     

大功率电推进电源处理单元技术

电推进作为一种先进的推进技术,其发射质量轻、比冲高,可以降低发射成本。高压电源是电源处理单元（PPU）的主要功率来源,是大功率、高效PPU设计的重点。新型电力电子技术的应用,将对未来地球同步轨道（GEO）通信卫星和深空探测的发展产生重要影响。本文以5kW等级PPU为研究对象,主要介绍大功率电推进技术的现状与发展,从电力电子的拓扑、器件和控制方法3个角度分析了大功率、高效PPU技术发展的特点与前景,为中国研制大功率PPU高压电源提供参考。      

空间光通信激光相干组束技术研究

介绍多种在输出功率得以提高的同时保持好的光束质量的激光相干组束技术原理.综合分析并评述激光相干组束技术研究状况,对主动相位控制和被动相位控制两种技术方案进行比较,基于主振荡放大的主动相位控制方案可以获得接近衍射极限、稳定、远场高亮度的光束,可为构建高效、可靠的长距离、高速率空间光通信系统提供技术支撑,对认识激光相干组束技术的发展趋势,研究空间激光通信系统具有一定的参考价值.     

安装位置感应钎焊逆变器拓扑及工作状态分析

针对安装位置导管感应钎焊的特点,选取电压源串联谐振回路作为方波电源逆变器主电路拓扑,重点对串联谐振回路的阻抗和逆变器主电路工作状态进行了分析,在此基础上确定了方波电源逆变器的最佳工作状态.设计了以SG2525A为核心的准谐振频率自动跟踪电路,对方波电源逆变器的工作频率进行动态调整,使感应加热回路始终工作在略偏感性的准谐振状态,不仅确保了方波电源逆变器安全可靠地工作,而且提高了感应钎焊电源的加热效率和功率因数.     

磁层电场仪前端信号处理电路研究

针对磁层稀薄等离子体环境中的电场测量,设计了一种电场仪前端信号处理电路方案.双探针电场仪通过向等离子体输出驱动电流,测量两探针间的电位差,从而测量空间电场的探测仪器.在磁层稀薄等离子体环境下,等离子体阻抗较高,电场仪探针将工作在较高的工作电压上.若探针电压接近或超过电路耐压值,则可能会影响探测结果,甚至损坏电场仪.本文结合低偏置电流的电压跟随方案和反馈悬浮电源控制方案,解决了稀薄等离子体环境中电场测量的弱电流采样和高动态电位处理问题,并采用低噪声元件和特殊电路设计,控制电路噪声.测试结果显示,本方案可使探针适应±100V的悬浮电位,实现150kHz带宽的电场信号测量,且噪声小于14nV·mHz-1/2,满足目前空间电场仪测量精度需求.      

直流电源输出端耦合的高频分量测试方法

针对直流电源输出直流电压中与变换器开关频率相同的高频交流电压分量的测量难题,介绍了一种基于数字示波器的测量方法,重点通过改善被测电源供电、示波器探头选择与连接、研究分析示波器操作设置等方式,解决了测量过程中受低频干扰和噪声影响而难以获得稳定高频交流电压波形或量值的问题,实现了高复现性的高频交流电压小信号测量,并对该方法的测量不确定度进行了分析与评定。