带软开关和能量释放功能的脉冲电解电源的研制

2015-01-23石必利张永俊罗红平

电加工与模具 2015年3期

石必利，张永俊，罗红平

（广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

20世纪80年代出现的脉冲电流电解加工较传统的直流电解加工在精度和稳定性上显示了其发展潜力[1]。电解电源作为电解加工工艺的核心环节，其精度和稳定性直接决定电解加工的精度和稳定性。目前，大多数电解电源直接采用逆变整流输出的拓扑结构，具有电路简单、成本较低的优点，但输出电流波形呈三角波，没有陡峭的上升沿和下降沿，导致加工效率低、精度不高。随着电解加工涉及领域日益拓宽，精度要求越来越高，于是出现了逆变加斩波的拓扑结构。国内外的研究及工艺试验表明，高频、窄脉冲电源能显著提高加工精度、表面质量和腐蚀速度[2]。传统电源的保护系统采用基本的过压保护、过流保护及过温保护，对电源的保护较完善，但没有针对工具、工件进行保护。

针对电路变化率作出判断会更迅速地察觉短路危险并作出及时保护，于是本文引入了能量释放模块，一方面及时关断电源，另一方面导通旁路IG-BT，及时为残留在电感电容中的电能提供泄放通道。针对因斩波IGBT在大电流下的开关损耗引起温升过高的问题，提出了斩波软开关的控制方式，实现了低电流时开关IGBT，保护了开关器件。本文研究的电解电源主控芯片选择FPGA，实现了数字电源控制及斩波软开关，同时，开发了友好的人机界面，实现了数字化控制和显示。

1 电源的总体设计

电源结构见图1。其设计思路主要分为主电路、控制电路和检测电路三部分。主电路采用全桥逆变加斩波的拓扑结构，控制电路采用FPGA控制驱动信号，检测电路将电压电流的检测情况反馈给FPGA。

图1 电源结构框图

1.1 主电路

主电路采用逆变加斩波的拓扑结构（图2）。380 V交流电网输入，经整流滤波变成高压直流，由全桥逆变器变成高频交流方波，经高频变压器降压后，再进行整流滤波变成低压直流，最后经斩波器得到高频方波输出。全桥逆变部分实现输出电压峰值的调节，斩波部分负责输出信号的频率和脉宽调节，进而实现电压、频率、脉宽均可调。

图2 脉冲电解电源主电路

1.2 检测电路

检测电路包括基本的电压检测和电流检测。电压采样点设置在二次整流之后，即肖特基二极管的负极，这样能及时跟踪到电压信息。电流采样点设置在输出端的地线上，使用分流器进行采样。

此外，为及时保护电源，还设置了电流变化率的采样电路（图3）。该电路主要由滤波器、微分器、比例放大器和比较器、与门及触发器组成。利用分流器进行采样，规格为500 A/75 mV。输出电压经滤波器后进行微分，输出阶跃信号再次放大，送入比较器LM339的同相端。电流上升率取10%，将其转化为电压基准送给LM339的反相端，若LM339输出高电平，则视为短路。与门74LS08接到高电平发生翻转，导致CD4013的Q端输出高电平，反馈给旁路管子的驱动电路和控制板。同时，CD4013的端为低电平，封住74LS08的输出，直到故障排除；复位信号到来后，Q端回到低电平，变为正常状态。其波形见图4。

图3 电流变化率采样电路

图4 电流变化率采样波形

2 能量释放系统

在电解加工过程中，加工间隙微小是其最基本的特征。极小的间隙空间使加工生成的大量电解产物积蓄在加工区内[3]。同时，间隙内混有导电微粒，往往会产生火花放电，引起短路，工件和工具因大电流流经而被烧伤，并损坏电源。因此，研制快速短路保护系统极其重要[4]。

阴阳极之间发生短路或产生火花时，电流基本成线性增长。相关研究表明，当电流上升率超过每秒1%～20%时，可视为极间产生火花或短路[5]。因此，可利用电流上升率作为检测标准。为达到有效保护，应做出快速反应关断电源，并将极间电容和电感存储的残留能量释放出去。

电流变化率可由图3所示的检测电路检测。从图4所示波形可看出，当电流上升率超过10%，便输出高电平作为反馈信号。能量释放装置包括关断逆变部分及导通并联管子，这两个动作都由反馈信号来决定。其中，并联管子释放结构见图5。当发现短路或火花现象时，导通IGBT管子，释放电路中的能量。

图5 能量释放的并联管子部分

检测电路的响应时间不到2 μs，直到反馈信号传到控制板关闭全桥，同时传到旁路管子驱动电路导通释放管，整个过程也只有数μs。因此，能量释放系统也称为快速保护系统。

3 软开关控制

软开关的基本原理主要基于电流变化率的正负符号反应电流变化的趋势，电流上升，斜率di/dt＞0；电流下降，斜率di/dt＜0。在全桥逆变并经整流之后，电路的电压电流波形见图6。可见，电流呈周期上升和下降的趋势，即每个周期内电流都出现一个最小值，当开关管在最小电流的时候打开和关断，开关管的开关损耗就会最小，产生的温升也会相应减小，这便是软开关的实质。

图6 整流后的电压、电流波形

电流变化率di/dt将传送到FPGA，分配2个寄存器分别记录di/dt初值v0和di/dt变值vt，其中：

从图6可看出，电流最小值出现之前的变化率为负值，之后变化率为正值。因此，v0为负时有效，每次符号翻转正，则将其清零，直到再次翻转为负，再次将此值赋给v0，周而复始。每次v0重新赋值前，判断 s=v0·vt的符号，若 s＞0，则未达到最小值不作处理；若s＜0，则可判定t时刻为电流最低的点，此时可打开或关断开关管。单次动作流程见图7。