全数字控制大功率高频微弧氧化电源*

杜贵平 向锷 张薇琳

(1.华南理工大学电力学院，广东广州510640;2.广州电器科学研究院，广东广州510300)

微弧氧化或微等离子体表面陶瓷化技术，是指在普通阳极氧化的基础上，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，从而在以铝、钛、镁金属及其合金为材料的工件表面形成优质的强化陶瓷膜的方法.通过专用的微弧氧化电源在工件上施加电压，使工件表面的金属与电解质溶液相互作用，在工件表面形成微弧放电，在高温、电场等因素的作用下，金属表面形成陶瓷膜，达到工件表面强化的目的［1-3］.

目前国内外微弧氧化脉冲电源主要有三大类:第一类是阴阳极分别独立调压式电源;第二类是两级斩波式电源;第三类是两级逆变式电源［3］.第一类电源是由两组独立电源交替工作达到正负脉冲输出，电源成本高、体积庞大.第二类电源通过第一级斩波调压、第二级全桥斩波实现换向得到交流脉冲输出，两级都处于硬开关模式工作，工作效率较低.第三类电源第一级都是采用高频软开关工作，提高电源效率，但是第二级采用硬开关斩波，有一定开关损耗，降低电源效率而且后级高压斩波对开关器件要求苛刻［4-10］.为此，文中提出了一种新型低成本、体积小的采用高频逆变的高效率脉冲电源方案并进行了实验研究.

1 电源系统结构

电源由功率电路及控制电路两部分组成，系统结构如图1所示.

图1 电源系统结构图Fig.1 Block diagram of power supply system

功率电路主要由三相整流及滤波电路、全桥逆变、高频变压、高频整流、低频换向及滤波输出电路6部分组成.工作时电网三相电源由整流滤波电路整流成直流，经第一级PWM(Pulse Width Modulation)逆变成高频交流电压输入高频变压器变压，通过快速恢复二极管变成高频直流窄脉冲电压，再经第二级PWM换向及滤波得到设定的直流或交流方波输出.控制电路主要是由AD(Analog Digital)采集部分、PWM控制驱动部分及键盘、液晶显示部分组成.电源开始工作时，通过键盘和人机交互液晶界面设定工作参数，起动电源，AD采集输出电压及电流反馈来控制两组PWM，从而调节系统输出以达到预期要求.

2 功率电路设计

功率电路主要由三相整流及滤波电路、全桥逆变、高频变压、高频整流、低频换向及滤波输出电路等6部分组成，如图2所示.

图2 功率电路原理图Fig.2 Schematic diagram of the power circuit

2.1 全桥逆变电路设计

全桥逆变电路由Q1－Q4 4个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)组成，是电源功率电路的主要组成部分，在电路中的作用是变频功率传输、电压及电流控制，直接影响系统的转换效率和控制精度.全桥逆变电路采用了有限双极性控制方法，这种方法相对现在应用广泛的移相全桥控制的优点在于可以在较宽功率范围内实现软开关控制，而且对开通时间控制没有苛刻要求，便于控制.适合于微弧氧化电源这种输出波形多变、功率输出不固定的特殊电源，可以使电源在较大功率范围内高效工作.

有限双极性的控制方法是在超前桥臂上通过对IGBT的并联电容C3和C4充放电时间与超前桥路的死区配置得到合适的软开关控制时间，在滞后桥臂上是通过饱和电感L2的阻断时间来实现零电流开通.设计时要根据电源输出功率的范围及PWM频率合理选取电容及电感参数，并在实际调试时微调和验证软开关的工作状况.

2.2 全桥换向电路设计

第二级PWM即全桥换向电路，在系统中的作用就是正负脉冲输出的换向，从电源的高频变压器输出一串连续的高频窄脉冲，通过换向电路转变为不同极性的脉冲串，再通过后级的低通电感电容(LC)滤波得到相应的低频脉冲输出.这级PWM由 4个IGBT管Q5－Q8组成，正向输出时Q5和Q8导通，Q6和Q7截止;负向输出时，Q6和Q7导通，Q5和Q8截止.由于换向全桥处于LC滤波电路的前面，所以当第一级高频PWM关断时，换向电路前级基本无能量传输，换向电路可以方便地实现软开关的开通关闭，使第二级PWM变换也工作在软开关状态，从而使系统在最大程度上提高工作效率.

2.3 滤波电路设计

功率电路中有两级滤波网络.首先是在三相输入整流后的工频滤波，主波动频率固定，滤波输出为直流，滤波回路较易设计.第二级滤波输出设计在第二级PWM输出后，直接影响电源的输出特性，要考虑电源输出频率与第一级PWM逆变频率的相互影响，采用LC二阶滤波回路.若设计时，LC滤波器的转折频率远低于PWM频率，滤波效果较好.但是考虑到微弧氧化电源的脉冲输出特性，不能将LC滤波得太低.转折频率选取过高，输出脉冲的边沿效果好，脉冲的直流段则有较大的波纹;转折频率选取过低，滤波效果好，脉冲直流段纹波小，但脉冲输出边缘很差，甚至会出现三角波输出.所以LC回路的转折频率要根据实际输出要求初步计算LC取值范围，匹配好第一级PWM的工作频率.

2.4 控制电路设计

电源控制部分的控制器采用TI公司的电力电子专用DSP数字处理芯片TMS320LF2407A，运算速度达40MIPS，12路PWM输出，16路A/D输入，满足电源控制要求，控制系统框图如图3所示.

在电源中使用了8路PWM输出，其中4路作为第一级PWM逆变全桥驱动，频率较高，另外4路作为换向控制输出，频率为0～1 kHz.控制系统通过A/D转换，得到输出的电压、电流反馈值，在有限时间内经过与设定值比较计算得出PWM输出.同时，控制系统还要监控相应的电源安全运行，例如超温、限压、限流及PWM驱动输出死区保护等.另外，电源还设计了液晶及键盘人机接口电路，方便显示电源的各种工作状况及设定电源的各种输出模式，适合现场操作控制.

3 系统软件设计

电源系统软件包括DSP主程序、各模块驱动程序及控制算法程序.系统主程序主要完成系统上电初始化、内存分配、CPU模块配置等工作.模块驱动程序完成各种显示、键盘操作等工作.控制算法软件是电源软件中的关键部分，控制输出达到要求的脉冲电压或电流，上升沿和下降沿迅速变换，尽快进入恒压或恒流输出.为了达到好的控制效果，在控制软件中对边沿段和平稳段采取了不同的控制方法及参数，以求在各段都能达到最好的脉冲输出波形［11-14］，控制算法的流程图如图4所示.

图4 控制算法流程图Fig.4 Flow chart of control algorithm

4 实验研究

在系统设计的基础上，研制了60 kW的电源样机，并进行了实验研究.经过长时间测试试验，电源动态响应性能良好，系统输出波形的幅值、频率、占空比、脉冲个数等参数能够任意调节.在使用现场，可方便地根据工艺要求设置不同的电压、电流输出，满足工艺使用要求，达到预期设计要求.图5给出了电源双极性多脉冲输出及单极性多脉冲输出的波形图.

图5 双、单极性多脉冲输出的波形Fig.5 Waveforms of bipolar and single-polarity multiple pulse outputs

5 结语

文中介绍了基于全数字化控制双级变换的智能脉冲式电源的原理及设计与实验过程.该新型电源可输出多种特性波形，响应速度快，满足微弧氧化工艺需求;在设计上采用了高频软开关技术，电源功率密度显著提高，降低了能源损耗和生产成本.特别是在较低电压应用场合(低于400 V)，可以去掉升压变压器、高频整流电路及第二级PWM换向电路，从而减小电源体积及成本.

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