目前逆变焊接电源的发展和研究主要集中在以下一些方面:
功率开关器件向IGBT更新换代;磁性材料的发展;功率控制方式的发展;自动化及智能控制技术的应用。
逆变弧焊电源采用传统的模拟控制方式，存在着一些弊端，很大程度上制约了逆变弧焊电源的进一步发展，由此产生并推动了数字化焊接电源的发展。
目前，国外已有数字化焊接电源产品问世，最具代表性的如奥地利FRONIIJS公司生产的TR.ANSPi.USSYNERGiC系列TPS2700/400015000全数字化焊接电源。
它的心脏部分是一个数字信号处理器，由它集中处理所有焊接数据，监测和控制整个焊接过程，焊机具有引弧、精确控制电弧、专家系统、一机多功能、焊接数据接口和评价系统等功能。
在国内，数字化焊接电源尚处于探索性研究阶段，某些高校和科研机构己在这方面开展了工作。
上海交通大学焊接研究所1999年提出了“数字化焊接电源”的研究课题，北京工业大学材料学院分析了数字化焊接电源的特征，提出了“全数字化控制焊接电源的方案”，华南理工大学提出了基于DSP的弧焊逆变电源数字化控制系统。
2）脉冲激光电源
激光器在工业生产中广泛应用，其中尤以C仇激光器，灯泵浦YAG固体激光器，以及准分子激光器为主。
激光电源是激光系统中一个重要的组成部分，是决定激光器整体性能的重要因素。
目前国内应用较广，技术上比较成熟的脉冲激光电源主要包括谐振充电式激光电源，开关型高频脉冲电源。
谐振充电式激光电源在激光器电源中应用十分广泛，它的原理简单，经过长期应用，技术上较为成熟，但整套装置体积庞大，可控硅全桥整流的控制和驱动电路复杂，成本较高。
开关型高频脉冲电源主要利用开关器件将一种形式的电能转变为另一种形式的电能，这类激光电源的体积小，重量轻，高效节能，动态响应速度快。
70年代中后期出现了MOS场效应晶体管，特别是80年代问世的功率MOSFET，以及派生的MOS型绝缘栅双极型晶体管IGBT，其特性和功能的改善和发展，使激光电源技术得到了极大的促进。
1.4课题的主要内容
由于脉冲电源拥有广阔的应用领域，因此研制高效、高可靠性、智能化、输出特性优良的脉冲电源对工程应用有重要的实际意义。
同时，脉冲电源的研究涉及电力电子、新型功率开关器件的应用、自动控制技术、电磁理论、材料科学和电路系统建模、优化等多方面内容，因此具有广泛的理论和学术意义。
本文的研究重点在于高压脉冲电源采用单片机控制高频PWM调制芯片SG3525工作时间的方法，改变逆变电路工作状态，最终使系统输出脉冲波形。
其输出脉冲电压幅度连续可调，脉宽和频率也均可由用户在规定范围内调整。
同时还采取了有效的电源输出保护策略，当系统过流时，立即进行保护动作，且不会因为实现保护功能而引起其他器件的损坏或对用户造成人身伤害，研究出一种安全性高，稳定可靠的可调高压脉冲电源。
2．脉冲电源总体结构
2.1脉冲实现方式
实现脉冲电源的方式有很多，但归结起来大致可分为三种。
第一种是利用储能元件，如L，C的充放电实现脉冲输出；第二种是利用逆变将直流电变换为脉冲输出；第三种是利用直流斩波原理输出脉冲电压。
比较而言，储能放电法结构简单，能获得高压窄脉冲，但脉冲波形不易控制，脉冲参数不易调节。
逆变法是利用开关管将直流电转换成一定频率的脉冲，这种电路的结构较为复杂，由于采用了高频变压器使其体积、重量、效率均有所提高，但它的缺点也在于脉冲的幅值、频率、占空比不易调节。
2.2脉冲电源总体结构
图2．2系统整体结构框图
图2.2为系统整体结构框图。
系统工作流程为：
系统上电之后，用户通过键盘设定满足要求的系统输出脉宽和频率，其间全部设定操作过程均可在液晶页面上得以体现。
当按下“ENTER’’键后，单片机立即产生高低电平控制SG3525工作时间，单片机引脚输出高电平时SG3525不工作，则无驱动脉冲，系统输出脉冲低电平；反之，系统输出脉冲高电平。
通过输出信号采样及检测电路，系统输出的脉冲电压、电流、脉冲和频率都会显示到液晶屏幕上。
系统运行过程中，可按下“MODIFY”键，进入修改页面进行输出参数的重新设定。
3．系统硬件电路的设计
.1主电路拓扑结构
3.1.1常用拓扑结构
开关变换器的拓扑结构指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。
开关变换器拓扑结构可分为两种基本类型，非隔离型和隔离型[6]。
非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的不同，可以分为降压型（Buck）电路、升压型（Boost）电路、升降压（Buck．Boost）型电路、Cuk型电路。
降压型电路只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单。
升压型电路只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单。
隔离型电路指输入侧与输出侧通过一个高频变压器隔离，可实现多路输出。
常用的有正激式、反激式、推挽式、半桥和全桥。
正激型电路较简单，成本低，可靠性高，但变压器单向励磁，利用率低，适用于各种中小功率开关电源。
反激型电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单，但难以达到较大的功率，适用于小功率场合。
全桥型电路中变压器双向励磁，容易达到较大功率，但电路结构复杂，成本高，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路，有直通和偏磁问题，适用于大功率工业开关电源、焊接电源、电解电源等。
由于本电源输出功率不高，输出最大电流为10mA，最大电压为50KV，最大输出功率为500W，属中小功率，故可采用半桥式逆变电路作为主电路拓扑结构。
3.1.2半桥逆变式变换器工作原理
半桥逆变电路具有高频变压器利用率高，截止开关管极间承受的电压低，抗不平衡能力强等优点，其工作原理如图3．1所示[9-11]。
当上管VFl的栅极驱动脉冲变为高电平时，vFl饱和导通，此时加在VF2漏极的高压电源+300V经C31到变压器T1的原边绕组，再经C33到地，形成C33的充电回路。
图3.1半桥式功率变换器简化电路
而电容器C32则经Tl、C31、VFl放电。
使2个电容器中点电位VA在前半周期结束时升高了AVEl。
当VFl变为截止、Ⅶ2尚未导通时，两管中点电压Vo又恢复到接近1／2的半电源电压值。
当桥壁下管VF2的栅极驱动脉冲变为高电平时，VF2饱和导通，电源电流又由+300V经C32、T1、C31到地，形成c32充电回路。
此时VFl截止，C33则经T1、C31、饱和导通的VF2放电。
因此中点电压V▲在后半周期结束时又下降了△VE20如果电路参数对称，则AVEl=△VE2，中点电位V▲在开关过程中将以电源电压一半值E／2为中心，按±△VE幅度作指数规律的上升和下降变化。
半桥逆变电路的工作波形如图3．2所示。
其中a、b是两路驱动脉冲电压波形，它们的相位差为1800。
在驱动电压的轮流开关作用下，半桥变换器的2只功率MOSFET交替导通和截止，在变压器T1的原边产生高压开关脉冲，从而在副边感应出交变的方波脉冲，实现功率转换。
当开关管VFl（或Ⅶ2）导通时，加于变压器原边绕组上的电压是电容器C32（或C33）两端的电压。
在电路中，由于开关管特性不一致，引起开关管VFl的导通时间比开关管VF2的长，则电容C32两端的平均电压就会比电容C33两端的低。
故VFl导通时，加于变压器原边绕组两端电压的幅值，就会比Ⅶ2导通时的要低，从而就能够使加到变压器原边绕组两端正负方波的伏·秒积分始终维持相等。
因此，此电路的抗不平衡能力是比较强的。
虽然半桥逆变电路自身具有抗不平衡能力，但在实际应用电路中，通常在高频变压器原边电路中，串入一只容量足够大的电容C31。
其作用是用来进一步增强电路的抗不平衡能力，防止由于开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和。
图3.2半桥式逆变电路工作原理波形
3.2高频开关电源主要功能模块
3.2.1全隔离单相交流调压模块
由于本脉冲电源系统适用于不同负载，因此要求输出脉冲电压的幅值需要在
10KV"-,50KV连续可调，那么就需要设计电压调节电路。
为了简化电路设计，本论文引入全隔离单相交流调压模块。
该模块是集同步变压器、相位检测电路、移相触发电路和输出可控硅于一体，当改变控制电压的大小，就可改变输出可控硅的触发相角，即实现单相交流电的调压。
根据输出可控硅器件不同分一只双向可控硅的普通型，两只单向可控硅反并联的增强型和一只单向可控硅的半波型等三类。
按单相交流负载的额定电压分220V和380V两类，按控制信号的不同分E、F、G、H型等四类。
根据要求，本系统采用普通型DTY．220D40E型交流调压模块。
图3．3为此模块220V交流电网控制电路图。
图3.3220V交流电网自动控制电路图
①②为输出端，即模块内部可控硅的两极，增强型和普通型的①②端无极性，半波型模块内部单向可控硅的阳极接①端，阴极接②端。
③④为模块内部同步变压器初级，分220Vac和380Vac两种规格：
220Vac规格的模块允许使用在165"--'240Vac范围的电网上，380Vac规格的模块允许使用在285"-'420Vac的电网上，③④不分极性。
COM为内部地端，CON为控制端，+5V端为内部产生，只供电位器手动控制用。
①②③④的强电部分和+5V、CON、COM端的弱电部分为全隔离，其应用电路如下所示。
图3．4为其输入输出关系曲线及波形图。
有关技术指标及应注意的问题为：
（1）通过①②加在负载上的电压相位和③④端的电压相位必须一致，否则失控。
电网频率须为50Hz。
（2）CON对COM必须为正，如极性相反则输出端失控（全开或全闭）。
当控制端CON从0"-5V改变时，交流负载上的电压从0V到最大值可调（对阻性负载而言）。
其中CON在O～0．8V左右时为全关闭区域，可靠关断模块的输出；CON在0．8V-一4．6V左右为可调区域，即随着控制电压的增大，导通角a从180。
到0。
线性减小，交流负载上的电压从0V增大到最大值；CON在4．6V"5V左右时为全开通区域，交流负载上的电压为最大值。
图3.4控制电压与可控硅输出导通角关系曲线及波形图
（3）CON对COM的输入阻抗分E、F和H型均为大于等于30Kf2；G型为250fl。
+5V电压信号只提供给手控电位器用，不作它用，所选用的电位器阻值在2KCJ"-'10KQ
间，注：
4mA"--20mA的G型不能用电位器手动调节，此时+5V端也没有用处。
（4）单相交流异步电动机的调速原则上应采用变频器，只有风机类、水泵类单相
电机在要求不高的场合可采用单相调压模块。
（5）三只单相调压模块不能使用在三相电网上对三相负载调压。
（6）弱电部分、强电部分、模块底板相互间绝缘电压均大于2000Vac。
（7）整个模块的发热量按负载实际电流安培数乘1．5W／A计算，散热器可选用的型号有E．40、F．70、F．100及G系列。
3.2.2辅助电源电路
辅助电源电路是一个系统的核心，是保障系统正常运行的必要条件。
开关电源的稳压精度高，但是只能稳定一路电压。
本系统的信号处理电路和各种驱动电路需要多组直流稳压电源为系统供电。
所以单纯的选择开关电源既不经济也无法满足系统的要求。
所以本系统采用2个三端稳压块分别构成+12V和+5V稳压电路输出，如图3．5所示。
+12V电源为脉宽调制芯片SG3525及各功能电路的运算放大器供电；+5V电源主
要为单片机及其所有外围设备供电，包括A／D转换芯片MAXl97，多路选择器CD4052，
以及液晶模块及其背光电源。
图3.5辅助电源电路
电网电压经过变压器与桥式整流电路后变成直流电。
在经过一个有极性电容和一个无极性电容后滤去低频和高频谐波分量，在稳压块的输入端产生一个基本稳定的电压，经过稳压块后产生一个稳定的直流电压。
稳压块的输入端要满足在电网电压下降至最低时还至少比输出端的电压高3V。
由于+5V所提供的负载电流很低所以可以直接将其连接至+12V稳压块的后端，这样节省了变压器副端的输出。
3.2.3脉冲形成电路
本系统选择AT89C51作为主控芯片，选择脉宽调制芯片SG3525提供半桥逆变电路开关管的驱动脉冲，通过主控芯片AT89C51产生控制脉冲改变SG3525驱动脉冲时间形成最终系统输出的高压脉冲。
下面简要介绍所用到的芯片和脉冲产生电路[12-13]。
（1）SG3525简介
SG3525采用双列直插式封装，CMOS工艺，具有功耗小、驱动能力强、开关动作快、外接元件少等优点。
各引脚功能如下：
1、2引脚分别为互差放大器的反相输入端和同相输入端，3脚为同步输出端，4脚为振荡器输出，5、6脚分别外接内部振荡器的时基电容和电阻，7脚接放电电阻，8脚为软启动，9脚为误差放大器的频率补偿端，10脚为关断控制端，11、14脚为驱动脉冲输出端，12脚为接地端，13脚接输出管集电极电源，15脚接SG3525的工作电源，16脚为5．1V基准电压引出端。
SG3525内部结构框图如图3．6所示，它在第一代脉宽调制芯片SG3524的基础上作了较大的改进，克服了SG3524的不足成为第二代集成电路脉冲宽度调制器，特别适合于半桥逆变电路的驱动信号控制。
主要表现在以下几个方面：
第一，电路中设置了欠压锁定和限流关断电路。
为了在欠压状态下（U<8V时）有效地使输出保持在关断状态，电路中设置了欠电压封锁电路，当U>2．5V时，欠电压封锁电路就开始工作，其上限值为8V，但在电路达到8V前，电路各部分已进入正常工作状态，而当从8V下降到7．5V时，锁定电路又开始恢复工作，其中有0．5V的回差电压，用于消除钳位电路在阈值点处的振荡。
在锁定电路工作期间，输出一高电平，加至组合逻辑门电路的输入端，以封锁PWM的脉冲信号。
SG3525没有电流限制放大器，它采用了关断控制电路来进行限流控制，只要将信号加于10脚就能实现限流控制。
另外，10脚也可提供各种程序控制的需要。
第二，改进了振荡电路。
主要是将时基电容CT的放电电路与充电电源分开，单独设立引脚7，CT放电通过外接电阻RD来实现，改变RD即可改变CT的放电时间常数，从而改变了死区时间，而CT的充电是由Ib规定的内部电流源决定的。
振荡器的振荡频率为：
第三，输出电路的改进。
SG3525输出级采用了图腾柱输出电路，它能使输出管更快地关断，Vl由达林顿管组成，最大驱动能力为100mA，Vz作为开关器件，在其导通时可以迅速把外接MOS管栅极上的电荷从它的集电极泄放至地，最大吸收电流为50mA。
SG3525的脉宽调制过程为：
SG3525的15脚为电源输入端，其启动电压为8V以上。
当电压从8V降低至7．5V时，欠压锁定电路开始工作。
输出端11和14无脉冲输出。
当15脚建立正常工作电压后，其内部即建立恒压源和恒流源，为其内部电路正常工作提供能源。
通过5，6脚外接定时元件以及7脚放电端，使5脚产生锯齿波信号，加于内部比较器的输人端。
当误差放大器输出端9脚电压上升时，比较器输出的脉冲宽度变窄，11或14脚输出的脉冲宽度反而变宽；当误差放大器输出端9脚电压下降时，情况与上述相反，从而实现输出脉宽调制，并控制脉宽调制信号的频率。
2脚接基准电压，1脚为输出电压取样端。
当1脚电压升高时，经误差放大9脚电压下降，反之，9脚电压上升。
9脚上电压的上升和下降；最终都表现在11，14脚输出脉冲的宽窄变化上，以实现电路的自动稳压调节。
10脚为检测电路输入端，即可用作过流检测或过压检测。
当10脚输人高电位时，将关闭11，14脚的脉冲输出，以保护开关管不受损坏。
图3.6SG3525内部结构框图
（2）控制脉冲产生电路设计
本系统通过单片机AT89C51控制SG3525的工作时间来产生半桥逆变电路的驱动信号，具体电路如图3．7所示。
用户通过键盘把要求的系统输出脉宽和频率值输入单片机，使其P1．0引脚输出控制脉冲，高低电平时间可以通过程序算法求得。
单片机P1．0引脚接到SG3525的关断控制引脚。
当P1．0为高电平时，触发SG3525关断引脚使其关断，同时引脚11、14停止输出驱动脉冲。
这样，半桥逆变电路的开关管无触发信号无法工作，此时刻开始为系统输出脉冲的低电平时间；反之，当单片机P1．0引脚输出低电平时，此时刻开始为系统输出脉冲的高电平时间。
图3.7脉冲产生电路
设输出频率设定值为fre_set，脉宽设定值为pl_wid_set，则AT89C51的P1．0引脚输出高电平的时间为：
低电平时间为：
当
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