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基于TOP249的切割电源引弧电路研究
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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
[p] 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#402;过大，不易引弧；反之，若容值过大，则#402;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
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。
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
[p] 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#402;过大，不易引弧；反之，若容值过大，则#402;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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