CN104646775A - 一种节能型电火花加工脉冲电源 - Google Patents

一种节能型电火花加工脉冲电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种节能型电火花加工脉冲电源，包括全桥整流电路、半桥开关电路、LCL-T型谐振网络电路、同步整流电路和软开关脉冲放电电路，其中，所述全桥整流电路与所述半桥开关电路连接，所述半桥开关电路与所述LCL-T型谐振网络电路连接，所述LCL-T型谐振网络电路与所述同步整流电路连接，所述同步整流电路与所述软开关脉冲放电电路连接。本发明的有益效果是：将LCL-T拓扑结构应用于脉冲电源并设计软开关脉冲放电电路，实现了脉冲频率、占空比及输出电流连续可调且波动较小，满足了精加工的需求，提高了电源的平均能效，降低了电能损耗，因此具有重要的理论意义和工程应用价值。

Description

一种节能型电火花加工脉冲电源
技术领域
本发明涉及电源，尤其涉及一种节能型电火花加工脉冲电源。
背景技术
传统脉冲电源一般利用电阻限流，这类电源简单耐用，但由于电阻的功耗为Ploss＝I2R，电能损耗随电流的平方增大因此在输出大电流时电阻电能损耗难以承受，且当极间短路时，加工脉冲电流幅值将显著提高，恶化加工状态而且容易造成拉弧现象以至于烧伤工件，因此大功率脉冲电源一般不采用电阻限流，在大功率电火花加工领域中节能型脉冲电源得到了广泛的应用。
近几十年来，伴随着电力电子技术的进步与日趋成熟，国内外的企业及科研机构研发了一系列节能型脉冲电源，其中最近研发的节能型脉冲电源有2010年瑞士苏黎世联邦理工学院设计的半桥脉冲电源及西班牙塔布里亚大学2013年设计的LCC同步整流节能型脉冲电源，其电路结构框图分别如图1及图2所示。
图1为瑞士苏黎联邦理工学院2010年研发的半桥脉冲电源，其为电压型脉冲电源，包括全桥整流电路101、EDM电路102和击穿电路103，电源利用电感L完全代替了电阻限流，在极间开路或者短路时电感电流可以通过二极管D5与二极管D6回馈到电源端降低了损耗，但是由于MOSFET采用硬开通方式，在开关频率较高及电流较大时电能损耗较大。
图2为西班牙坎塔布里亚大学2013年研发的LCC串并联谐振同步整流节能型脉冲电源，其为电流型脉冲电源，包括全桥整流电路201、全桥开关电路202、LCC谐振网络203、同步整流电路204，利用LCC谐振为电流源，通过控制开关频率点在输出端产生高电压将工件击穿之后脉冲电流通过工件，其没有续流回路，在极间开路时变压器二次侧的能量完全由发热消耗，因此脉冲频率不能很高，导致该电源不能应用于精加工；由于需要输出大于80V的击穿电压，限于目前MOSFET的发展水平其采用同步整流技术的效果不是很不明显，因此电源能效水平不高；并且输出电流不能连续可调且波动较大。通过以上分析，目前节能型脉冲电源主要存在三方面缺陷：(1)放电脉冲频率大多在10KHz以下不能应用于精加工；(2)电流控制精度较差，输出电流波动较大；(3)能效水平大多在80％以下，需要进一步提高。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种能效较高、可适用于精粗加工、并且输出电流连续可调且波动较小的节能型电火花加工脉冲电源。
本发明提供了一种节能型电火花加工脉冲电源，包括全桥整流电路、半桥开关电路、LCL-T型谐振网络电路、同步整流电路和软开关脉冲放电电路，其中，所述全桥整流电路与所述半桥开关电路连接，所述半桥开关电路与所述LCL-T型谐振网络电路连接，所述LCL-T型谐振网络电路与所述同步整流电路连接，所述同步整流电路与所述软开关脉冲放电电路连接。
作为本发明的进一步改进，所述软开关脉冲放电电路采用非对称占空比方法调节脉冲频率、占空比及输出电路。
作为本发明的进一步改进，所述软开关脉冲放电电路包括续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6和脉冲放电MOSFET管Q7，所述续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6并联，所述脉冲放电MOSFET管Q7分别与所述续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6串联。
作为本发明的进一步改进，所述脉冲放电MOSFET管Q7并联有电容C5。
作为本发明的进一步改进，所述软开关脉冲放电电路还包括电容C4，所述续流MOSFET管Q5、电容C4、辅助MOSFET管Q6并联。
作为本发明的进一步改进，所述脉冲放电MOSFET管Q7的源极、辅助MOSFET管Q6的漏极之间串联有电感L2，所述电感L2与所述续流MOSFET管Q5并联
作为本发明的进一步改进，所述同步整流电路、脉冲放电MOSFET管Q7的源极之间串联有电感L1，所述续流MOSFET管Q5的漏极连接在所述电感L1、脉冲放电MOSFET管Q7的源极之间。
本发明的有益效果是：通过上述方案，将LCL-T拓扑结构应用于脉冲电源并设计软开关脉冲放电电路，实现了脉冲频率、占空比及输出电流连续可调且波动较小，满足了精加工的需求，提高了电源的平均能效，降低了电能损耗，因此具有重要的理论意义和工程应用价值。
附图说明
图1是现有技术中瑞士苏黎联邦理工学院2010年研发的半桥脉冲电源的电路图；
图2是现有技术中西班牙坎塔布里亚大学2013年研发的LCC串并联谐振同步整流节能型脉冲电源的电路图；
图3是本发明一种节能型电火花加工脉冲电源的电路示意图；
图4是本发明一种节能型电火花加工脉冲电源的工作模态一的电路示意图；
图5是本发明一种节能型电火花加工脉冲电源的工作模态二的电路示意图；
图6是本发明一种节能型电火花加工脉冲电源的工作模态三的电路示意图；
图7是本发明一种节能型电火花加工脉冲电源的工作模态四的电路示意图；
图8是本发明一种节能型电火花加工脉冲电源的工作模态五的电路示意图；
图9是本发明一种节能型电火花加工脉冲电源的工作模态六的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
图3至图9中的附图标号为：全桥整流电路1；半桥开关电路2；LCL-T型谐振网络电路3；同步整流电路4；软开关脉冲放电电路5。
如图3所示，一种节能型电火花加工脉冲电源，包括全桥整流电路1、半桥开关电路2、LCL-T型谐振网络电路3、同步整流电路4和软开关脉冲放电电路5，其中，所述LCL-T型谐振网络电路3又称为LCL-T型半桥谐振变换器，所述全桥整流电路1与所述半桥开关电路2连接，所述半桥开关电路2与所述LCL-T型谐振网络电路3连接，所述LCL-T型谐振网络电路3与所述同步整流电路4连接，所述同步整流电路4与所述软开关脉冲放电电路5连接。
如图3所示，所述软开关脉冲放电电路5采用非对称占空比方法调节脉冲频率、占空比及输出电路。
如图3所示，所述软开关脉冲放电电路5包括续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6和脉冲放电MOSFET管Q7，所述续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6并联，所述脉冲放电MOSFET管Q7分别与所述续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6串联。
如图3所示，所述脉冲放电MOSFET管Q7并联有电容C5。
如图3所示，所述软开关脉冲放电电路5还包括电容C4，所述续流MOSFET管Q5、电容C4、辅助MOSFET管Q6并联。
如图3所示，所述脉冲放电MOSFET管Q7的源极、辅助MOSFET管Q6的漏极之间串联有电感L2，所述电感L2与所述续流MOSFET管Q5并联
如图3所示，所述同步整流电路4、脉冲放电MOSFET管Q7的源极之间串联有电感L1，所述续流MOSFET管Q5的漏极连接在所述电感L1、脉冲放电MOSFET管Q7的源极之间。
如图3所示，当LCL-T型谐振网络电路3工作于电流谐振点时其具有电流源性质，在输入电压相位超前输入电流相位，并且半桥MOSFET漏源极电容满足一定条件时其为零电压开通。
如图3所示，当输出脉冲电流较大时，脉冲放电部分MOSET开关损耗较大，因此根据续流与放电回路工作的特点以及MOSFET软开关的特性设计软开关脉冲放电电路5，软开关脉冲放电电路5共有三个MOSFET管，分别是续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6和脉冲放电MOSFET管Q7，续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6和脉冲放电MOSFET管Q7交替工作，如图3所示，其中续流MOSFET管Q5为硬关断软开通，辅助MOSFET管Q6与脉冲放电MOSFET管Q7近似为软开通与软关断，软开关脉冲放电电路5共有六个工作模态分别如图4至9所示。
如图4所示，为软开关脉冲放电电路5的工作模态一，续流MOSFET管Q5关断，辅助MOSFET管Q6及脉冲放电MOSFET管Q7导通，此时电源正工作在脉冲放电状态，在脉冲放电MOSFET管Q7导通后与放电结束前辅助MOSFET管Q6导通，由于电感L2的作用，辅助MOSFET管Q6近似为零电流开通损耗极小。
如图5所示，为软开关脉冲放电电路5的工作模态二，续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6及脉冲放电MOSFET管Q7均导通。辅助MOSFET管Q6及脉冲放电MOSFET管Q7导通后，绝大部分电流经过辅助MOSFET管Q6时，脉冲放电状态将要完成，此时续流MOSFET管Q5导通，由于电感L2的电流不能突变，续流MOSFET管Q5近似为零电流开通损耗极小。
如图6所示，为软开关脉冲放电电路5的工作模态三，续流MOSFET管Q5与辅助MOSFET管Q6导通，脉冲放电MOSFET管Q7关断。当续流MOSFET管Q5与辅助MOSFET管Q6导通后电流完全流过续流MOSFET管Q5及辅助MOSFET管Q6时，脉冲放电MOSFET管Q7关断，此时，脉冲放电MOSFET管Q7为零电流关断。
如图7所示，为软开关脉冲放电电路5的工作模态四，续流MOSFET管Q5导通，辅助MOSFET管Q6与脉冲放电MOSFET管Q7关断。在脉冲放电MOSFET管Q7关断之后，当电流几乎完全经过续流MOSFET管Q5时，电感L2上电流下降接近为零时，辅助MOSFET管Q6关断，因此，辅助MOSFET管Q6近似为零电流关断。
如图8所示，为软开关脉冲放电电路5的工作模态五，续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6及脉冲放电MOSFET管Q7均关断。当需要脉冲放电时，续流MOSFET管Q5关断，电感L1电流给电容C3及C4充电，此时续流MOSFET管Q5为硬关断，这是此软开关脉冲放电电路5的缺点所在，续流MOSFET管Q5的关断损耗较大。
如图9所示，为软开关脉冲放电电路5的工作模态六，续流MOSFET管Q5与辅助MOSFET管Q6关断，脉冲放电MOSFET管Q7导通。当C4两端的电压充电到20V左右的极间维持电压时，脉冲放电MOSFET管Q7导通，此时，脉冲放电MOSFET管Q7其为零电压开通。
本发明提供的一种节能型电火花加工脉冲电源，续流MOSFET管Q5为硬关断软开通，辅助MOSFET管Q6与脉冲放电MOSFET管Q7近似为软开通与软关断压开通，软开关脉冲放电电路5有效的降低了放电部分MOSFET管的开关损耗，提高了系统的能效水平。
本发明提供的一种节能型电火花加工脉冲电源，将LCL-T拓扑结构应用于脉冲电源并设计软开关放电回路，实现了脉冲频率、占空比及输出电流连续可调满足了精加工的需求，提高了电源的平均能效水平至83％左右降低了电能损耗，因此具有重要的理论意义和工程应用价值。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种节能型电火花加工脉冲电源，其特征在于：包括全桥整流电路、半桥开关电路、LCL-T型谐振网络电路、同步整流电路和软开关脉冲放电电路，其中，所述全桥整流电路与所述半桥开关电路连接，所述半桥开关电路与所述LCL-T型谐振网络电路连接，所述LCL-T型谐振网络电路与所述同步整流电路连接，所述同步整流电路与所述软开关脉冲放电电路连接。
2.根据权利要求1所述的节能型电火花加工脉冲电源，其特征在于：所述软开关脉冲放电电路采用非对称占空比方法调节脉冲频率、占空比及输出电路。
3.根据权利要求1所述的节能型电火花加工脉冲电源，其特征在于：所述软开关脉冲放电电路包括续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6和脉冲放电MOSFET管Q7，所述续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6并联，所述脉冲放电MOSFET管Q7分别与所述续流MOSFET管Q5、辅助MOSFET管Q6串联。
4.根据权利要求3所述的节能型电火花加工脉冲电源，其特征在于：所述脉冲放电MOSFET管Q7并联有电容C5。
5.根据权利要求3所述的节能型电火花加工脉冲电源，其特征在于：所述软开关脉冲放电电路还包括电容C4，所述续流MOSFET管Q5、电容C4、辅助MOSFET管Q6并联。
6.根据权利要求3所述的节能型电火花加工脉冲电源，其特征在于：所述脉冲放电MOSFET管Q7的源极、辅助MOSFET管Q6的漏极之间串联有电感L2，所述电感L2与所述续流MOSFET管Q5并联。
7.根据权利要求3所述的节能型电火花加工脉冲电源，其特征在于：所述同步整流电路、脉冲放电MOSFET管Q7的源极之间串联有电感L1，所述续流MOSFET管Q5的漏极连接在所述电感L1、脉冲放电MOSFET管Q7的源极之间。
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