Design of pulse heating power supply based on energy-peak temperature control
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摘要:
为改善焊锡焊接过程中脉冲加热电源输出峰值温度不可控、升温速度慢、加热能量控制精度低的问题，提高加热过程温度控制的稳定性，实现升温曲线的平滑过渡，设计了一种基于能量-峰值温度控制的精密脉冲加热电源。分析了电源负载特性、热电偶动态响应特性对电源电气特性的要求。基于逆变变流技术设计了电源系统主电路及控制电路。基于高性能STM32控制器设计了数字化控制系统。提出了基于能量-峰值温度控制的控制算法，对设计的电源进行了输出温度-电特性测试，与传统PID控制进行了比较。对焊头端面加热温度分布特性进行了测试，以微型贴片电感验证电源的工艺适应性。试验结果表明，电源实现了加热脉冲能量的精密控制，输出温度、时间控制精度高，可实现快速升温条件下峰值温度的精确控制，有效抑制温度过冲，焊头温度分布均匀性得到改善，能满足电子器件微型化对焊接工艺参数精密控制的要求。
Abstract:In order to solve problems of uncontrollable peak temperature of pulse heating power supply, slow heating rate and low precision of heating energy control in soldering process, improve stability of temperature control in heating process and realize smooth transition of heating curve, a kind of precision pulse heating power supply based on by energy-peak temperature control was designed. Requirements of load characteristics of power supply and dynamic response characteristics of thermocouple on electrical characteristics of power supply were analyzed. Main circuit and control circuit of power supply system were designed based on inverter converter technology. Digital control system was designed based on high performance STM32 controller. A control algorithm based on energy-peak temperature control was proposed. Output temperature-electrical characteristics of the designed power supply were tested and compared with those of the traditional PID control. Heating temperature distribution characteristics of end face of welding head were tested and micro-patch inductance was used to verify process adaptability of the power supply. The test results showed that the power supply could realize precise control of heating pulse energy, had high precision control of output temperature and time, and could realize precise control of peak temperature under condition of rapid heating up, which effectively restrained temperature overshoot and improved uniformity of temperature distribution of welding head. It could meet requirements of precision control of welding parameters for miniaturization of electronic devices.
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Keywords:
- pulse heating /
- temperature control /
- inverter power supply /
- solder welding /
- thermocouple
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0. 前言
脉冲加热回流焊接是一种利用焊接机头对预先添加焊料的工件施加一定的压力，然后对热压焊头通以脉冲电流，焊头产生的焦耳热传至工件表面将预置的焊料熔化并润湿待焊面，加热停止后机头保持加压状态至焊料冷却凝固，从而实现引线与金属薄层连接的焊接方法。具有升温速度快、焊接温度和焊接时间精细可控、热影响区小等优点，广泛应用于电子器件、光伏发电、传感器等产品的焊锡焊接[1−3]。
随着电子器件微型化发展，微型器件热惯性小、焊点体积小、温度变化敏感的特点，要求焊接过程中温度控制更精确、升温更快速、峰值温度可控、焊头接触面温度分布更均匀[4−6]。焊接温度是影响焊锡焊接质量的关键因素，温度控制不稳定将导致出现气泡、虚焊、焊盘和工件的热损伤等缺陷。针对焊接温度需要精确控制的应用场合，多采用逆变式脉冲加热控制方式，该方式很好地解决了传统交流式加热方式温度波动大、加热时间长等不足。
目前，在逆变式脉冲加热电源控制技术研究领域，难点在于高动态响应的热电偶温度反馈补偿控制方法。传统的脉冲电流加热温度控制方法多采用温度增益调节的方式调控温度上升速率，温度增益越大升温速度越快，但也存在升温时间不可量化控制和增益过大时峰值温度不可控的问题，难以满足高速自动化焊接的需求。为解决热电偶温度反馈大滞后性造成的峰值温度过高的问题，国内外学者提出基于热电偶时间常数在线辨识，利用传感器动态补偿技术实时补偿算法、模糊PID控制算法、神经网络等方法[7−8]对热电偶冷端进行非线性补偿的方法，但升温快速性与平稳性匹配效果不理想。此外，高动态响应的温度控制有利于改善大尺寸焊头加热面的温度不均匀性[9−11]。
为实现短时间内温度快速平滑升温控制，设计了一种基于能量−峰值温度控制的脉冲加热电源。基于焊锡焊接接头成形机理和热电偶温度反馈控制模型，分析了电源负载特性。基于逆变+全波整流变流技术设计了2 kHz全桥逆变主电路，以高性能STM32H745芯片为核心设计了温度−电流−电压多参数反馈控制系统，提出了基于能量−峰值温度控制的智能PID控制算法，实现了升温速度、峰值温度和焊接时间的精确控制。通过开展电源输出电特性测试、焊头温度分布测试和贴片式微型电感漆包线−焊盘焊锡焊接工艺试验，验证电源输出性能和工艺适用性。
1. 电源负载特性分析
1.1 焊锡焊接成形机理
焊锡焊接工作原理与温度波形控制方案如图1所示。由如图1可知焊锡焊接过程实质就是一个热传导的过程[12]。
根据热力学第二定律，2个系统处于不同的温度，两者之间将实现热量的交换，傅里叶热传导数学模型为：
$$ q = \lambda \frac{{\partial T}}{{\partial X}} $$ (1) 式中：q为热流密度；λ为材料的导热率；
${\partial T}/{\partial X}$ 为温度梯度。由式（1）可知，热流密度主要是受温度差值的影响，对于焊头温度的快速加热能力提出了高要求。假设焊头形状和材料均匀，电流通过焊头端部产生的热量：
$$ Q = \eta {I^2}Rt $$ (2) $$ R = {{\sigma l} \mathord{\left/ {\vphantom {{\sigma l} A}} \right. } A} $$ (3) 式中：η为热传导效率；I为通过焊头的电流的有效值；R为焊头的电阻值；t为电流持续时间；A为焊头的端面面积；δ为焊头材料的电导率；l为焊头端部长度。由式（2）和式（3）可知，在焊头确定情况下，温度主要受加热参数（加热电流、加热时间）的影响，加热速度的提升实质要求高动态的电源输出脉冲电流特性。
典型的焊锡焊接过程温度曲线如图1b所示。加热过程主要包含：升温阶段1（t1～t2），焊头温度快速上升至恒温1，减少元器件热损伤；恒温阶段1（t2～t3）：焊头温度维持为恒温1，使得焊料获得均匀稳定的温度，随着加热时间增加焊料开始预热软化并慢慢在工件表面扩散，有利于减少焊接过程中气孔、裂纹、锡珠等缺陷；升温阶段2（t3～t4）：焊料预热后，焊头温度快速由恒温1上升至恒温2；恒温阶段2（t4～t5）：焊头温度维持为恒温2，高温作用下，焊料快速湿润，在焊锡表面张力作用下呈泪滴状，实现材料1和材料2的熔合；冷却阶段（t5～t6）：焊料完全熔化并与工件完全熔合，停止对焊头加热，焊头温度空冷条件下慢慢下降，当温度下降至焊锡凝固点后，焊锡开始冷却结晶，焊锡成形结束。由此可知，焊接过程中的温度上升速度、峰值温度、加热温度、加热时间等参数都需要精确控制。
1.2 热电偶温度反馈控制模型
焊锡焊接过程温度控制采用热电偶温度反馈控制方法，热电偶的动态响应特性是影响温度精确控制的关键因素，热电偶的时间常数一般在10～100 ms级别。热电偶动态响应特性是指热电偶的输出对随时间变化的输入量的响应特性，忽略其测量温度部分内部的内部温度场分布、热传导和热辐射的热交换，其动态响应微分方程[13−14]表示为：
$$ \tau \frac{{\rm d}T(t)}{{\rm{d}}t}+T(t)=T,\;\;\tau=mcR $$ (4) 式中：τ为时间常数；T(t)为温度随时间而变化的函数；T为被测对象温度；m为热电偶测量端质量；c为热电偶材料的比热容；R为热电偶传热热阻。
如果τ过大，显然T(t) ≠ T，存在动态误差，当采用阶跃信号输入，其阶跃响应为：
$$ T - {T_0} = ({T_{\text{e}}} - {T_0})(1 - {{\text{e}}^{ - \tfrac{t}{\tau }}}) $$ (5) 式中：T0为热电偶初始温度；Te为阶跃温度；t为阶跃温度产生所需的时间。当t = τ时，式（5）可简化为：
$$ T - {T_0} = ({T_e} - {T_0})(1 - {e^{ - 1}}) = 0.632({T_e} - {T_0}) $$ (6) 实际焊接过程中，热电偶因具有固有传热热阻和热惰性，假设当温度以恒定速率K上升时，则焊头温度可表示为：
$$ r(t) = Kt + {T_{0}},\;\;t \geqslant 0 $$ (7) 热电偶动态响应为：
$$ T(t) = K(t - \tau + \tau {{\text{e}}^{ - \tfrac{t}{\tau }}}) + {T_0},\;\;t \geqslant 0 $$ (8) 由式（8）可知，焊头的实际温度与热电偶测量的温度之间存在滞后性。由式（7）可知，当升温速率K越大，滞后性越严重，温度过冲越大、峰值温度越高。因此，在焊接温度控制中要兼顾好升温快速性与平稳性。
2. 电源系统设计
2.1 电源设计指标与设计方案
为满足微型电子器件的高速自动化生产工艺需求，电源采用的设计指标见表1。为实现表1所示的技术指标，设计的电源系统方案如图2所示。系统主要由主电路和控制系统两部分组成，主电路采用脉宽调制（PWM）全桥逆变拓扑，包括输入整流滤波电路、全桥逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路；控制系统以STM32 控制器为核心，包括供电电路、驱动电路、电流−电压−温度采样电路、最小控制系统、通信电路、输入输出电路及人机交互系统等。
表 1 电源设计技术指标输入电压
UI/V空载电压
U0/V温度范围
T/℃逆变频率
f/kHz额定电流
I/A时间分辨率
t/ms有无升温
时间控制温度控制精度
T0/℃热电偶类型 220 5.5 25-600 2 1000 10 有 ±5 E/K/J 电源的工作原理为：电网电压（220 V）整流滤波为直流电压，通过由IGBT构成的全桥逆变电路转换成交流方波脉冲电压，经主变压器降压后接入输出整流滤波电路，之后输出直流脉冲波形给焊头加热。采用高速热电偶对焊头温度进行采集并反馈至STM32控制器，控制器通过比较温度反馈值与温度给定值之间的偏差，经 PID 运算后实现对PWM 信号占空比进行补偿，实现对输出脉冲电流的调控，从而实现温度值的闭环反馈控制。
2.2 控制系统软件设计
设计的电源控制系统软件框图如图3所示。主要包括功能控制模块、系统配置模块、数据显示模块、报警模块4部分。控制模块实现通过高速热电偶实时反馈焊头温度，与设定值相比较通过PWM不断调整占空比改变输出电流和电压，以实现对焊接温度的精确控制、控制焊头与工件接触压力值；系统配置模块实现对加热过程温度参数、时间参数、过冲率、焊接模式、启动方式的设定，可设定32组焊接工艺参数，提供Modbus协议和自由协议2种通讯协议，以及用于连续焊接过程焊头烧损后的能量补偿和电极质量管控实现阶段计数、阶段温度和时间变化的阶梯功能设置和对机头三维运动控制各个轴参数的设定；数据显示模块实现对焊头温度的实时显示、焊接过程各工艺参数和温度曲线的显示；报警模块实现电源输出过载、电源异常、焊头加热故障和温度反馈异常进行报警，防止电源进行误操作。
2.3 能量−峰值温度控制方法
由电源负载特性分析可知，脉冲加热过程具有时变性、非线性、滞后性的特点，若仅使用传统的PID 或PI控制，在短时加热过程中由于热电偶的滞后性，系统输出存在偏差造成PI运算的积分积累，造成系统控制量超调或产生振荡[15−16]。为克服这一缺点，提出了一种能量−峰值温度控制算法。基于文中设计的软件控制系统，利用串口数据采集系统获得脉宽调制模式下的温度、电流、电压等参数，根据焦耳定律计算出脉冲能量值，脉宽调试模式下电流−能量−峰值温度曲线如图4所示，随着脉宽的加大，电流、能量及峰值温度都近似线性增长，且从图中看出能量和峰值温度之间的跟随性匹配更好，采用最小二乘法拟合能量−峰值温度关系曲线如式（9）所示，最大相对误差低于3%，最小相对误差0.8%。
$$ {T_{\rm{p}}}(Q) = 0.005\;3{Q^2} + 0.941\;4Q + 24.279\;8 $$ (9) 式中：TP为峰值温度；Q 为能量。
为实现升温快速性与平稳性，采取如下控制策略：①根据所建立能量−峰值温度关系，基于预设温度值建立安全阈值温度，安全温度值以下采用大功率加热，实现快速升温；②升温阶段采用在峰值温度控制条件下，基于焦耳定律保持能量的快速跟随，实时在线辨识热电偶时间常数补偿峰值温度，保证升温无过冲条件下迅速达到预设温度值；③在恒温阶段，采取基于温度控制和能量监控的控制策略温度保持恒定，通过温度、电压、电流反馈实现能量稳定输出。依据误差值大小进行相应的调整，当误差绝对值很大时，通过PD控制输出调整误差；当误差在增大时，选用Kp较大值调整误差；当误差减小或已达平衡时，选用Kp较小值调整误差；当误差绝对值很小时，通过PI控制减小稳态误差。其控制算法程序框图如图5所示。
3. 试验结果与分析
3.1 试验平台与方法
基于自制的伺服加压机头、前述1 kA脉冲加热电源和焊头搭建热压焊电源测试与工艺试验平台。采用TBS1000B示波器、Omega测温仪、米亚基电流表MM410和自制的串口数据采集系统，实时采集焊接电流、电压和焊头的温度信号，采样频率2 kHz；利用红外热像仪ThermoVision A20-M1检测焊头实时温度分布情况；利用微米测量仪和岛津AGX-50万能拉伸试验机对焊接接头分别进行形貌测试和接头力学性能测试。
电源输出特性测试采用试验材料为0.1 mm直径的聚酯亚胺漆包线（经去漆皮处理）和镀锡铜焊盘，焊头选用尺寸为：10 mm × 2 mm × 1 mm的钼焊头。电源工艺应用测试采用的试验材料为2512贴片封装微型电感和直径0.2 mm的漆包线（经去漆皮处理）, 焊头选用尺寸为：2 mm × 1 mm × 1 mm的硬质合金焊头。通过预试验得到较优的工艺参数见表2。
表 2 焊接工艺参数参数组 升温时间1
tup1/ms加热时间1
th1/ms恒定温度1
T1/℃1 200 500 200 2 200 600 510 参数组 升温时间2
tup2/ms加热时间2
th2/ms恒定温度2
T2/℃热电偶
类型1 300 2000 360 K 2 — — — E 3.2 电源输出特性分析
采用表2中的参数组1对应的工艺参数进行工艺试验，分析电源输出特性。焊接过程中电源的输出电压、电流、功率、温度等特性曲线如图6所示。 图6a为传统PID算法与文中控制算法的加热过程温度反馈曲线，可以看出采用文中提出的基于能量−峰值温度的控制算法在200 ms内实现温度快速上升和平滑过渡，峰值温度与设定温度偏差极小（预设值 + 5 ℃以内），有效地解决了传统PID控制算法存在的温度快速上升时的峰值温度不可控的问题。图6b为电源输出温度−电流−电压−功率曲线。由图6b可知，焊接过程各阶段电特性变化明显，焊接开始时电流快速上升（接近电源设计额定输出电流值1 kA），接近安全温度值后电流迅速减小，后进入温度闭环反馈控制，为防止温度过冲现象的发生，温度、电流、电压信号跟随功率曲线快速响应。恒温阶段各信号曲线纹波小，保证了对输出能量的精密控制和热量的快速、稳定输出，满足加热过程中升温的快速性要求，与前述分析能量−峰值温度规律一致。图6b中电流、电压、功率曲线变化趋势呈现高一致性，说明焊头负载整体呈阻性。由图6可知，所设计电源控制系统可以实现温度控制的高动态响应，温度控制精度和时间控制精度均满足电源设计指标要求。图6b对应的恒温2阶段（焊锡熔化阶段）以焊头中部为中心，焊头对称两端焊接面温度分布曲线如图7所示。焊头焊接面宽度10 mm。由图7可知，焊头温度分布曲线大体呈现两头低、中间高的规律，此时焊头的温度处于焊锡熔点以上，随着加热过程的持续，在热传导作用下，热量在焊接面中部不断积累，使得焊接面中间温度逐渐升高成为焊接面上温度最高的区域。随着加热时间的增加，这种温度分布不均匀更加明显，具体体现在两端温度与中间温度偏差值增大、中间温度均匀区域范围变窄，加热时间的延长，导热作用对于热量分布的影响高于产热作用的影响，加速了中部温度升高，焊头温度分布不均匀性加大。由上分析可知焊头加热速度和加热时间对焊头的温度分布影响较大，升温速度越快、加热时间越短焊头的温度均匀性越好。因此，短时快速加热是一种更适宜的加热方式。
3.3 微型贴片电感漆包线焊锡焊接接头性能
采用表2中的参数组2对应的工艺参数进行电源工艺试验。2512封装贴片电感漆包线焊锡焊接实际焊接效果如图8所示，由图8可知，漆包线与电感4个引脚端子均形成紧密连接，表面平整，漆包线表面金属光泽性较好，焊锡焊点表面受热均匀，未出现气孔、裂纹、无发黑产生，表明焊接产品外观形貌好。
对图8所示样品进行焊接接头力学性能测试，结果如图9所示，拉伸速度为0.2 mm/min。由图9可知，电感的4个引脚的焊接接头拉伸曲线呈现相同的变化规律，力与位移基本成线性关系，位移在2 mm处位移有一小段下降过程，主要是由于此时漆包线进入屈服阶段，突然产生塑性变形，试验力不能完全有效施加于材料上，此后进入塑性硬化阶段直到最大应力点。4个接头的失效形式均为母材断裂，最大拉伸载荷接近，均在1.37 N以上，漆包线自身拉剪力约为1.76 N，4个管脚的接头抗拉强度均达到母材75%以上，焊接效果符合实际生产效果，焊接一致性好。
4. 结论
（1）设计的脉冲加热电源，实现了最高600 ℃的宽范围输出，温度控制精度±3 ℃，升温时间精确可控，时间分辨率达到10 ms，兼容E/K/J型热电偶。
（2）采用提出的能量−峰值温度+滞后补偿的控制算法，可实现200 ms以内温度快速上升，且峰值温度与设定值偏差在5 ℃左右，较好地解决了快速升温时的温度过冲问题。
（3）快速升温和短时间加热有利于改善焊头温度分布均匀性，针对2512封装微型贴片电感焊锡焊接应用，采用单脉冲短时间高温度工艺，焊接接头焊点光滑，没有热损伤、裂纹等缺陷，接头强度均达到母材75%以上，焊点焊接一致性较好。
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表 1 电源设计技术指标
输入电压
UI/V空载电压
U0/V温度范围
T/℃逆变频率
f/kHz额定电流
I/A时间分辨率
t/ms有无升温
时间控制温度控制精度
T0/℃热电偶类型 220 5.5 25-600 2 1000 10 有 ±5 E/K/J 
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表 2 焊接工艺参数
参数组 升温时间1
tup1/ms加热时间1
th1/ms恒定温度1
T1/℃1 200 500 200 2 200 600 510 参数组 升温时间2
tup2/ms加热时间2
th2/ms恒定温度2
T2/℃热电偶
类型1 300 2000 360 K 2 — — — E
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[1] Patel A, Gupta S, Singh N P, et al. Controlled rectifier for improved harmonic performance of a pulse step modulated high voltage power supply[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2020, 48(12):4374 − 4380. doi: 10.1109/TPS.2020.3033839
[2] He Y Z, Tian G Y, Pan M C, et al. Eddy current pulsed phase thermography and feature extraction[J]. Applied Physics Letters, 2013, 103(8):84104. doi: 10.1063/1.4819475
[3] Liu J, Tian G Y, Gao B, et al. Investigation of thermal imaging sampling frequency for eddy current pulsed thermography[J]. NDT & E International, 2014, 62:85 − 92.
[4] 曾家铨, 曹彪, 杨凯. 基于热电偶动态补偿的热压焊温度控制方法[J]. 焊接学报, 2018, 39(8):97 − 101. doi: 10.12073/j.hjxb.2018390209 [5] 李文军, 孙宏健, 郑永军. 热电偶动态响应模型的贝叶斯推断[J]. 传感技术学报, 2018, 31(2):228 − 233. doi: 10.3969/j.issn.1004-1699.2018.02.013 [6] 李志玲, 王高, 师钰璋, 等. 热电偶延误量特性研究[J]. 国外电子测量技术, 2020, 39(11):88 − 93. doi: 10.19652/j.cnki.femt.2002225 [7] Wang Y Z, Zou H B, Tao J L, et al. Predictive fuzzy PID control for temperature model of a heating furnace [C]//Dalian, China: The 36th Chinese Control Conference (CCC 2017), 2017: 4523 − 4527.
[8] Wang Z G, Li X L, Lu X F. Temperature control based on a single neuron PID algorithm for a blackbody radiation source [C]//Takamatsu, Japan: IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA), 2017: 220 − 225.
[9] 王敏. SAC305钎料/Cu基板的热压焊工艺及焊点组织研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学硕士学位论文, 2018. [10] 包晔峰, 薛猛, 蒋永锋, 等. 脉冲热压焊焊咀温度分布计算[J]. 热加工工艺, 2007, 36(23):21 − 22. [11] 苗丽莎. 热压回流焊焊头有限元分析及结构优化[D]. 广州: 华南理工大学硕士学位论文, 2011. [12] 刘颖韬, 郭兴旺, 郭广平. 加热参数对表面温度信号的影响的建模与分析[J]. 无损检测, 2009, 31(7):534 − 537. [13] Li Y F, Zhang Z J, Hao X J, et al. A measurement system for time constant of thermocouple sensor based on high temperature furnace[J]. Applied Sciences, 2018, 8(12):2585. doi: 10.3390/app8122585
[14] Xu B, Han T L, Liu H, et al. Accurate compensation of armored thermocouple based on fireworks algorithm[J]. IEEE Sensors Journal, 2021, 21(8):9909 − 9918. doi: 10.1109/JSEN.2021.3057870
[15] Shi D Q, Gao G L, Gao Z W, et al. Application of expert fuzzy PID method for temperature control of heating furnace[J]. Procedia Engineering, 2012, 29:257 − 261. doi: 10.1016/j.proeng.2011.12.703
[16] Palaniyappan T K, Yadav V, Ruchira, et al. PID Control Design for a Temperature Control System [C]//Greater Noida, India: 2018 International Conference on Power Energy Environment and Intelligent Control (PEEIC), 2018: 632 − 637
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