基于TOP249的切割电源引弧电路研究

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