高频逆变电阻点焊电源设计和应用

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电阻焊是电子制造领域常用的焊接方法。随着电子器件微型化发展,微尺度连接对焊接过程能量的控制精密度和响应速度都需要进一步提高。焊接电源高频化,有利于提高电源的控制响应速度、输出能量控制精度、减小设备体积、节能减排。然而,电源高频化会导致功率管开关损耗增加和变压器占空比丢失等问题。论文以研制面向微电子器件制造的高精密电阻焊点焊电源为目标,围绕高频逆变电源设计与仿真、样机试制与测试、电源工艺适应性与质量监控等内容开展研究。(1)基于PSpice和MATLAB软件,完成25 k Hz逆变电阻点焊电源建模与仿真。利用参数提取法构建主电路PSpice模型,并进行开环仿真测试。建立主电路的数学模型,利用伯德图分析系统稳定性,基于零极点补偿方法设计并优化系统Simulink控制器。通过PSpice和Simulink联合闭环仿真,验证了电源设计方案的可行性,仿真结果表明设计的电源方案能满足设计指标输出要求。(2)在仿真模拟的基础上,对电源主电路和控制系统进行了研究,并对样机的输出特性进行了测试分析。重点研究了全桥逆变电路软开关技术、高频变压器设计、同步整流技术等关键技术问题。基于高性能STM32H745控制器设计了全数字化电源控制系统。采用有限双极性方法可实现逆变电路的高频软开关,采用同步整流技术可降低次级整流二极管开关损耗。电源输出波形具有电流上升快、超调量低、纹波小等优点。(3)基于研制的电源样机,构建微点焊实验平台,开展微型线材与铜箔薄片的微点焊工艺研究,并基于过程信息对微点焊焊接质量进行监控。铝丝-铜箔工艺试验结果表明,采用25 k Hz点焊电源焊接可获得更优的接头拉伸强度。基于焊接过程的电信号,获取电极动态电阻动态变化曲线,实现电极的烧损状态预测,依据均方根值、均值、标准差和均值-标准差图等多种统计信息实现对连续焊接过程焊接质量的评估。
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