CN107086810A - 一种高能脉冲电源控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高能脉冲电源控制电路，包括前级直流电源、第一储能电容、第二储能电容、第三储能电，所述前级直流电源、第一储能电容、第二储能电容和第三储能电容的一端与功率开关连接，功率开关还与负载的一端连接，负载的另一端与前级直流电源连接，所述第二储能电容的另一端与电感连接，电感与第一开关管的集电极连接并组成充电控制电路，电感与第二开关管的发射极连接并组成放电控制电路，所述第二开关管的集电极与续流二极管连接，续流二极管的一端与第二储能电容和第三储能电容连接，另一端与功率开关连接，所述第一开关管的发射极与前级直流电源和功率开关连接。本发明提供的高能脉冲电源控制电路可提高不同占空比所对应的高幅值当量，能精确满足有效电流和平均电流需要。

Description

一种高能脉冲电源控制电路
技术领域
本发明涉及电力电子电路领域，特别涉及一种高能脉冲电源控制电路。
背景技术
脉冲电源是一种使用功率开关器件对直流进行斩波输出的一种常用电源，脉冲电源目前被广泛应用于电加工行业，其被配置在精密电解切削加工设备上，用以满足电解进程中的电流需要，使之实现精密切削加工，是一种新兴的加工工艺。现有的脉冲电源主要有高压小电流、低压大电流，恒压源、恒流源、恒功率源等形式。目前常用的电镀脉冲电源、阳极氧化脉冲电源、电解加工电源、电火花加工电源等主要是低压大电流、恒压源等脉冲电源，这类脉冲电源通常是在大功率直流电源的正极上通过降压斩波输出脉冲电流，这些电源都难以进行精确调节任意频率、占空比下所对应的有效电流和平均电流。
低压大电流脉冲电源是一种可选择频率、调节占空比来满足负载电流需求的设备，不希望频率和占空比同时影响输出电流。但是，现有的低压大电流脉冲电源当占空比不变，调节频率时电流也随之变化，因而电流幅值也发生了改变，难以实现高幅值当量脉冲，也不能用占空比来准确衡量有效电流和平均电流。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明专利目的在于设计了一种高能脉冲电源控制电路，可提高不同占空比所对应的高幅值当量，能精确满足有效电流和平均电流需要。
本发明提供的高能脉冲电源控制电路通过设定一个基础幅值当量，然后有效控制储能电容的充放电过程，给不同占空比按基础幅值当量的比率释放相应的增加电量，来提高不同占空比所对应的高幅值当量，较好地实现了直流与脉冲电流的能量匹配，从而满足了精密电解切削加工的电流需求。本发明具体是通过以下技术方案实现的：
一种高能脉冲电源控制电路，包括前级直流电源DC，所述前级直流电源DC与第一储能电容C1并联，第一储能电容C1与第二储能电容C2、第三储能电容C3并联，所述前级直流电源DC、第一储能电容C1、第二储能电容C2和第三储能电容C3的一端与功率开关Q连接，功率开关Q还与负载R2的一端连接，负载R2的另一端与前级直流电源DC连接，所述第二储能电容C2的另一端与电感L1连接，电感L1与第一开关管Q3的集电极连接并组成充电控制电路，电感L1与第二开关管Q4的发射极连接并组成放电控制电路，所述第一开关管Q3的基极和第二开关管Q4的基极分别与外围的驱动电路连接，所述第二开关管Q4的集电极与续流二极管D1连接，续流二极管D1的一端与第二储能电容C2和第三储能电容C3连接，另一端与功率开关Q连接，所述第一开关管Q3的发射极与前级直流电源DC和功率开关Q连接。
具体的，本发明所述第一开关管Q3的基极和第二开关管Q4的基极分别与第一驱动电路连接，所述功率开关Q与第二驱动电路连接，所述第一驱动电路和第二驱动电路分别通过第一PWM调制电路和第二PWM调制电路与主控电路连接。
具体的，本发明所述功率开关Q由多个相同IPM模块并联而成，每一个IPM模块的正负极上都连接有相同的第三储能电容C3。
具体的，本发明所述前级直流电源DC由多个相同功率的逆变电源并联组成。
具体的，本发明所述第一储能电容C1、第二储能电容C2和第三储能电容C3各自都是多个相同的电容并联而成，其电容数值的大小由电路基础幅值电流的大小决定，同时应满足C2＞C1＞C3，且三者均与负载的运行功率相关。
具体的，本发明所述前级直流电源DC的负极与功率开关Q连接，正极直接与所述负载R2连接。
具体的，本发明所述高能脉冲电源控制电路通过使用较低频率的副频方波脉冲，改变其占空比，对主频脉冲进行定量打包输出，并通过调节其占空比来改变脉冲包的大小。
具体的，本发明所述前级直流电源DC工作时，按顺序控制每组IPM模块导通一个包，并将每个包按顺序紧密相加，然后按照副频方波脉冲周期的N倍周期循环执行，其中N为IPM模块的并联组数。
具体的，本发明由多个相同IPM模块并联而成的电路，按顺序控制每组IPM导通一个包，包的大小为100％占空比，D2＝1，并将每个包按顺序紧密相加，此时的总有效电流折算到单个包上而得到的幅值电流就是基础幅值电流。
具体的，本发明高能脉冲的定量为：高能幅值电流＝N×基础幅值电流；
或者为：高能幅值电流＝基础幅值电流÷D1；
其中D1为主频占空比，N为IPM并联路数
本发明提供的高能脉冲电源控制电路与现有技术相比具有以下优点：
1、在占空比和幅值电流不变的情况下，调节频率不影响脉冲输出电流的大小；
2、提供基础幅值当量，为提高脉冲能量的参照比率；
3、可实现小占空比下的高能量，提高不同占空比所对应的高幅值当量，从而满足负载需求；
4、解决大功率开关器件对储能放电量的导通损耗问题，使脉冲电流完全符合方波脉冲的计算规律。
本发明提供的高能脉冲电源控制电路，可较好地实现了稳态电化学加工的电流需要。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是本发明高能脉冲电源控制电路的电路结构图；
图2是本发明高能脉冲电源控制电路的打包叠加过程示意图；
图3是本发明高能脉冲电源控制电路的PWM调制电路的电路图；
图4是本发明高能脉冲电源控制电路的主控电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
低压大电流脉冲电源是一种可选择频率、调节占空比来满足负载电流需求的设备，因而低压大电流脉冲电源不希望频率和占空比同时影响输出电流，只希望频率为电流属性、占空比调节电流大小。然而现有技术中，当占空比不变，调节频率时电流也随之变化，说明电流幅值发生了改变，因而就不能用占空比来准确衡量有效电流和平均电流。本发明提供的高能脉冲电源控制电路，并调制脉冲输出形式，完全实现了电流幅值不随频率和占空比的改变而变化，占空比只改变有效电流和平均电流，且符合方波脉冲的计算规律，较好的解决了脉冲基础幅值当量守恒问题。
本发明提出了一种高能脉冲电源控制电路，请参阅图1，包括前级直流电源DC，所述前级直流电源DC与第一储能电容C1并联，第一储能电容C1与第二储能电容C2、第三储能电容C3并联，所述前级直流电源DC、第一储能电容C1、第二储能电容C2和第三储能电容C3的一端与功率开关Q连接，功率开关Q还与负载R2的一端连接，负载R2的另一端与前级直流电源DC连接，所述第二储能电容C2的另一端与电感L1连接，电感L1与第一开关管Q3的集电极连接并组成充电控制电路，电感L1与第二开关管Q4的发射极连接并组成放电控制电路，所述第一开关管Q3的基极和第二开关管Q4的基极分别与外围的驱动电路连接，所述第二开关管Q4的集电极与续流二极管D1连接，续流二极管D1的一端与第二储能电容C2和第三储能电容C3连接，另一端与功率开关Q连接，所述第一开关管Q3的发射极与前级直流电源DC和功率开关Q连接。
具体的，图1中的Q3、Q4开关器件应在一个打包叠加周期(T)内交替运行，其中Q3在IPM关断期间运行，Q4在IPM导通期间运行，并由单片机按特定数学模型自动产生相应的工作频率和占空比进行控制。
具体的，所述第一开关管Q3的基极和第二开关管Q4的基极分别与第一驱动电路连接，所述功率开关Q与第二驱动电路连接，所述第一驱动电路和第二驱动电路分别通过第一PWM调制电路和第二PWM调制电路与主控电路连接。请参阅图3和图4，第一PWM调制电路和第二PWM调制电路采用现行的PWM调制电路；主控电路采用单片机进行控制。
具体的，所述前级直流电源DC由多个相同功率的逆变电源并联组成。为了解决上述的技术问题，前级直流电源DC仍是整个电源的基础。直流电源DC有如下基本要求：其当量内阻应满足负载的应用范围，也就是在最低电压下应能达到的最小电流。因此本发明前级直流电源DC采用了多个相同的逆变电源并联输出结构，这样既能拓展功率，又能满足当量内阻需求。
具体的，第一储能电容C1、第二储能电容C2和第三储能电容C3各自都是多个相同的电容并联而成，其电容数值的大小由电路基础幅值电流的大小决定，并与功率相关。
具体的，所述功率开关Q由多个相同IPM模块并联而成，每一个IPM模块的正负极上都连接有相同的第三储能电容C3。
具体的，Q3和L1组成充电控制电路，并在IPM关断期间运行，它的控制频率为f3、占空比为D3，由系统自动产生对应数据。Q4和L1组成放电控制电路，并在IPM导通期间运行，它的控制频率为f4、占空比为D4，由系统自动产生对应数据。
具体的，所述前级直流电源DC的负极与功率开关Q连接，正极直接与所述负载R2连接。该电源的主要特征是负极斩波，正极由DC直达负载。
上述所有器件的参数均由基础电流幅值当量决定，并非唯一数据值，可以按照该原理进行拓展变化。
所谓高能脉冲，实质上就是高幅值当量脉冲，利用脉冲占空比可以减小电流的特点，在基础幅值当量不变的情况下，提高不同占空比所对应的幅值当量就是提高脉冲能量的途径。本发明通过设定一个基础幅值当量，然后有效控制储能电容的充放电过程，给不同占空比按基础幅值当量的比率释放相应的增加电量，来提高不同占空比所对应的高幅值当量，较好地实现了直流与脉冲电流的能量匹配，从而满足了精密电解切削加工的电流需求。本发明提供的高能脉冲电源控制电路具体实现原理如下：
为了解决脉冲能量守恒问题，我们提出了“打包”概念，也就是通过使用较低频率的副频方波脉冲，改变其占空比D2，对主频脉冲进行定量打包输出，并通过调节占空比D2改变脉冲包的大小。该副频方波脉冲要选择适当，其目标是保证在任意占空比下打包输出的主频脉冲不能出现电位下拉，包内所有脉冲的电位应等高。
确定基础幅值当量，是为了给不同占空比对应的高能量提供一个参照比率，它的基本特点是在任意打包占空比下电流幅值不变。因此，所述功率开关Q采用多个相同IPM模块并联而成，且每一个IPM模块的正负极上都连接有相同的第三储能电容C3。电源工作时通过主控电路按顺序控制每组IPM模块导通一个包，包的大小为100％占空比(D2＝1)，并将每个包按顺序紧密相加，此时的总有效电流折算到单个包上而得到的幅值电流就是基础幅值电流。
高能脉冲的定义：高能脉冲的幅值当量＝N×基础幅值当量。当电源工作时，负载R2的电阻在不断减小，电流逐渐增大，基础幅值当量不足以满足负载功率需求时，储能电容C1、C2、C3主动向负载释放电量，电量的多少通过控制阴极的进给速度和加工电压来实现，从而提高了脉冲能量。
由于储能电容相当于无源能量，它所释放的电量在IPM上损耗后，对应的电流就会减小。因此，L1、Q4组成的降压放电控制电路是为了在IPM开通期间，迫使储能电容多释放电量，用以弥补IPM损耗，损耗的多少取决于IPM的工作电流，因此Q4是根据电流大小来控制降压深度，从而控制储能电容的放电深度。同时，L1、Q3组成的升压充电控制电路是为了在IPM关断期间，前级直流向储能电容充电时，控制充电速率，稳定电源电压，确保充电过程平稳。
请参阅图2，打包与叠加的控制过程：通过一路PWM的副频方波脉冲信号对主频脉冲的控制信号进行通断处理，定量输出脉冲序列，即为脉冲包。叠加是对单路IPM模块产生的一个脉冲包按顺序相加，也就是每路只产生一个脉冲包，依次顺序导通，并按T＝Nt(N为IPM的并联路数，t为副频周期)的周期循环进行，图2是一个实施例的三路叠加的一个周期模拟过程，同时也是电源输出波形的表现特征。
Q3和Q4控制过程是通过两路PWM，分别在IPM关断和开通期间产生升压和降压来控制储能电容的充电和放电，系统根据已知变量和主机当前的工作状态，确定Q3和Q4的工作频率和占空比，以便满足当前的脉冲能量。
在精密电解切削加工中，本发明提供的高能脉冲电源控制电路能精确同步满足有效电流和平均电流需要，能准确匹配阴极进给速度与平均电流、加工间隙之间的关系，较好的符合了电化学动力学要求，从而实现了不同材料、不同参数的精加工，完美解决了该工艺的不稳定性，几乎完全消除了人为因素的影响。该脉冲电源控制电路严格符合方波脉冲计算规律，结合其它电加工规律，完全可以按该原理进行拓展开发，满足其它领域的应用。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高能脉冲电源控制电路，其特征在于，包括前级直流电源DC，所述前级直流电源DC与第一储能电容C1并联，第一储能电容C1与第二储能电容C2、第三储能电容C3并联，所述前级直流电源DC、第一储能电容C1、第二储能电容C2和第三储能电容C3的一端与功率开关Q连接，功率开关Q还与负载R2的一端连接，负载R2的另一端与前级直流电源DC连接，所述第二储能电容C2的另一端与电感L1连接，电感L1与第一开关管Q3的集电极连接并组成充电控制电路，电感L1与第二开关管Q4的发射极连接并组成放电控制电路，所述第一开关管Q3的基极和第二开关管Q4的基极分别与外围的驱动电路连接，所述第二开关管Q4的集电极与续流二极管D1连接，续流二极管D1的一端与第二储能电容C2和第三储能电容C3连接，另一端与功率开关Q连接，所述第一开关管Q3的发射极与前级直流电源DC和功率开关Q连接。
2.根据权利要求1所述的一种高能脉冲电源控制电路，其特征在于，所述第一开关管Q3的基极和第二开关管Q4的基极分别与第一驱动电路连接，所述功率开关Q与第二驱动电路连接，所述第一驱动电路和第二驱动电路分别通过第一PWM调制电路和第二PWM调制电路与主控电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种高能脉冲电源控制电路，其特征在于，所述功率开关Q由多个相同IPM模块并联而成，每一个IPM模块的正负极上都连接有相同的第三储能电容C3。
4.根据权利要求1所述的一种高能脉冲电源控制电路，其特征在于，所述前级直流电源DC由多个相同功率的逆变电源并联组成。
5.根据权利要求1所述的一种高能脉冲电源控制电路，其特征在于，所述第一储能电容C1、第二储能电容C2和第三储能电容C3各自都是多个相同的电容并联而成，其电容数值的大小由电路设定的基础幅值电流的大小决定，同时应满足C2＞C1＞C3，且三者均与负载的运行功率相关。
6.根据权利要求1所述的一种高能脉冲电源控制电路，其特征在于，所述前级直流电源DC的负极与功率开关Q连接，正极直接与所述负载R2连接。
7.根据权利要求3所述的一种高能脉冲电源控制电路，其特征在于，所述高能脉冲电源控制电路通过使用较低频率的副频方波脉冲，改变其占空比，对主频脉冲进行定量打包输出，并通过调节其占空比来改变脉冲包的大小。
8.根据权利要求7所述的一种高能脉冲电源控制电路，其特征在于，所述前级直流电源DC工作时，按顺序控制每组IPM模块导通一个包，并将每个包按顺序紧密相加，然后按照副频方波脉冲周期的N倍周期循环执行，其中N为IPM模块的并联组数。
9.根据权利要求5所述的一种高能脉冲电源控制电路，其特征在于，由多个相同IPM模块并联而成的电路，按顺序控制每组IPM导通一个包，包的大小为100％占空比，D2＝1，并将每个包按顺序紧密相加，此时的总有效电流折算到单个包上而得到的幅值电流就是基础幅值电流。
10.根据权利要求9所述的一种高能脉冲电源控制电路，其特征在于，高能脉冲的定量为：高能幅值电流＝N×基础幅值电流；
或者为：高能幅值电流＝基础幅值电流÷D1；
其中D1为主频占空比，N为IPM并联路数。
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