CN108672858A - 全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源，包括直流电源、脉冲电源主电路、电压电流检测电路、驱动电路、控制模块，其中直流电源经脉冲电源主电路向间隙负载供电，所述电压电流检测电路采集间隙负载两端的电压和间隙发电电流反馈给控制模块，所述控制模块产生多路PWM信号，经过驱动电路滤波、放大后驱动脉冲电源主电路开关管通断，完成对间隙的加工。本发明采用全桥交错并联的双极性脉冲电源拓扑，实现了交错并联和双极性电压的功能，降低了纹波和对开关管的耐流要求，提高了脉冲电源的开关频率和功率密度、可靠性。

Description

全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源及加工方法

技术领域

本发明涉及高频脉冲电源，特别是涉及一种全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源及加工方法。

背景技术

电火花是一种加工工艺，主要是利用具有特定几何形状的放电电极(EDM电极)在金属(导电)部件上烧灼出电极的几何形状。电火花加工工艺常用于冲裁模和铸模的生产，利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工的方法，叫电火花加工。电火花加工相比于传统的机械加工技术，具有不接触加工、可以“以柔克刚”、可以加工任何难加工的金属材料和导电材料、可以加工形状复杂的表面、可以加工特殊要求的零件等优良的特点。

随着现代工业的不断发展，被加工的材料也是多种多样，对加工需求精度、难度、加工速度、工作效率都有了很大的要求，而现有的脉冲电源很难同时满足大电流、低纹波和双极性的要求，传统的机械加工方式已经很难满足上诉要求。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种实现大电流、低纹波双极性电火花线切割脉冲电源。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源，包括直流电源、脉冲电源主电路、电压电流检测电路、驱动电路、控制模块，其中直流电源经脉冲电源主电路向间隙负载供电，所述电压电流检测电路采集间隙负载两端的电压和间隙发电电流反馈给控制模块，所述控制模块产生多路PWM信号，经过驱动电路滤波、放大后驱动脉冲电源主电路开关管通断，完成对间隙的加工。

一种基于上述电源的线切割加工的方法，包括如下步骤：

步骤一：在给间隙引弧阶段(间隙未被击穿)，控制模块产生多路PWM信号，经过驱动电路放大后，控制第一开关管Q₁、第六开关管Q₆导通，第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、消电离开关管Q_off关断，此时由Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆组成的全桥结构实现单路Buck电路，向负载间隙提供正向电压；

步骤二：当间隙导通时，进入间隙放电期间，控制模块产生多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，控制第一开关管Q₁、第三开关管Q₃、第六开关管Q₆导通，第二开关管Q₂、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、消电离开关管Q_off关断，此时由Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆组成的全桥结构实现双路交错并联的Buck电路，向负载间隙提供正向电压；

步骤三：当放电持续时间达到控制模块预设值时，控制模块产生多路PWM信号,控制开关管Q₂、Q₄、Q₅导通，开关管Q₁、Q₃、Q₆、Q_off关断，进入间隙截止期间，全桥结构实现的双路交错并联的Buck电路给间隙提供反压；

步骤四：在进入下一个周期前，通过开关管Q_off进行消电离，Q_off导通，使得间隙两端电压为零；

步骤五：重复上述四个步骤，实现加工周期的循环。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用全桥交错并联的双极性脉冲电源拓扑，实现了交错并联和双极性电压的功能；2)本发明的脉冲电源拓扑采用开关管构成的全桥结构实现双路交错并联Buck电路，使得的开关频率等效提高，大大降低了纹波，降低了对开关管的耐流要求，提高脉冲电源的功率密度和可靠性。

附图说明

图1为本发明全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源的框架图。

图2为本发明脉冲电源主电路的拓扑图。

图3为本发明全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源拓扑的快走丝电火花脉冲电源放电波形示意图。

图4为本发明霍尔传感器的应用示意图。

图5为本发明驱动芯片的应用原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方案作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提出一种全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源，包括脉冲电源主电路、电压电流采样电路、控制模块和驱动电路，其中直流电源经脉冲电源主电路向间隙负载供电，所述电压电流检测电路采集间隙负载两端的电压和间隙发电电流反馈给控制模块，所述控制模块产生多路PWM信号，经过驱动电路滤波、放大后驱动脉冲电源主电路开关管通断，完成对间隙的加工。

如图2所示，脉冲电源主电路包括第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、第六开关管Q₆、消电离开关管Q_off、第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C_in、第二电容C_o和二极管D₁，其中第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、第六开关管Q₆组成三相全桥；上桥臂包括开关管Q₁、Q₃、Q₅，下桥臂包括开关管Q₂、Q₄、Q₆；第一相桥包括开关管Q₁和开关管Q₂，二者串联，第二相桥包括开关管Q₃和开关管Q₄，二者串联，第三相桥包括开关管Q₅和开关管Q₆，二者串联；上桥臂的三个开关管没有串联的一端接到输入直流电源的正极，下桥臂三个开关管没有串联的一端接到输入直流电源的负极，即为接地；开关管Q₁和开关管Q₂的串联点接到第一电感L₁，开关管Q₃和开关管Q₄的串联点接到第二电感L₂；两个电感L₁和L₂的另一端连接在一起，并接到间隙，上面提到的间隙另一端接到输入直流电源的负极，即为接地，在间隙的两端还并联着第二电容C_o和消电离电路(消电离开关管Q_off)。

作为一种具体实施方式，本拓扑中开关管(第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、第六开关管Q₆、消电离开关管Q_off)选用金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。作为一种更具体实施方式，根据实际快走丝电火花线切割脉冲电源的需求，这里选用infineon公司的型号为IPP200N25N3G的N沟道MOSFET，其漏源极耐压V_DS高达250V，额定电流I_D为64A，其允许的最大脉冲电流256A，工作频率高达1MHz，可以用在高频率或大电流的中小功率的快走丝线切割电火花脉冲电源中。

如图4所示，为了更好的实现基于本拓扑全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源的功能，还需要有合适的电流电压检测电路，控制模块以及驱动电路。为了满足工业对脉冲电源的稳定性和可靠性的要求，作为一种具体实施方式，电流电压采样电路可以采取现有比较成熟的霍尔传感器来实现，作为一种更具体实施方式，这里选用LEM公司型号为htfs_200的电流霍尔传感器，最大可测电流200A，带宽达240kHz，电压霍尔传感器选用LEM公司型号为LV 20-P的电压传感器，可测电压范围10V～500V，可以根据你要测的实际需求来选择测量电阻，提高测量精度，提高系统的可靠性。

作为一种具体实施方式，控制模块由现场可编程门阵列FPGA来实现。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。用上述电压电流霍尔传感器来检测间隙两端电压以及间隙电流，数模转换后给FPGA控制模块，根据电源和加工要求，由FPGA完成相应的算法设计，输出多路PWM控制信号来送给驱动电路，再来控制开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q_off，以此实现脉冲电源的工作状态，及相应功能。

如图5所示，对于驱动电路，由于是全桥结构，作为一种具体实施方式，可以选择采用高低端的驱动芯片，作为一种更具体实施方式，这里采用Texas Instruments公司的型号为UCC21220的栅极驱动芯片，具有高低端双路驱动，并且带有隔离，原边和副边电源隔离，以驱动开关管Q₁和Q₂为例，由FPGA产生的驱动信号PWMA和PWMB经过R_in和C_in滤波，分别输入到驱动芯片UCC21220的INA和INB管脚，如图配置外围电路，生成高低端的驱动信号，分别加到开关管Q₁和Q₂的G、S端，实现MOSFET的驱动，此驱动芯片可以同时产生高侧和低侧驱动，并且原边和副边隔离，减小了主电路和控制模块之间的干扰。

综上所述，本发明的全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源拓扑，采用全桥结构实现交错并联Buck电路以及双极性电压输出，向间隙供电，用电压电流传感器来采集间隙电压和间隙电流，并且以此作为反馈量，通过FPGA实现电源加工需求的算法设计，输出PWM信号来控制三相全桥中开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆以及消电离开关管Q_off，实现快走丝电火花线切割脉冲电源功能(如图3所示)，具体过程如下：

步骤一：在给间隙引弧阶段，由FPGA产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，去控制第一开关管Q₁、第六开关管Q₆导通，第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、消电离开关管Q_off关断，此时由Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆组成的全桥结构实现单路Buck电路，向负载间隙提供比较高正向电压，以便于提供在间隙比较小时能击穿的电压。

步骤二：当间隙导通时，进入间隙放电期间，由FPGA产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，去控制第一开关管Q₁、第三开关管Q₃、第六开关管Q₆导通，第二开关管Q₂、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、消电离开关管Q_off关断,此时由Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆组成的全桥结构实现双路交错并联的Buck电路，向负载间隙提供正向电压。

步骤三：当放电持续时间达到再FPGA里事先预设值时，便再次产生相应的多路PWM信号,去控制开关管Q₂、Q₄、Q₅导通，开关管Q₁、Q₃、Q₆、Q_off关断,进入间隙截止期间，全桥结构实现的双路交错并联的Buck电路给间隙提供反压。

步骤四：在进入下一个周期前可以通过开关管Q_off进行消电离，Q_off导通，使得间隙两端电压为零。

步骤五：重复上诉四步骤，实现加工周期的循环。

Claims (8)

1.一种全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源，其特征在于，包括直流电源、脉冲电源主电路、电压电流检测电路、驱动电路、控制模块，其中直流电源经脉冲电源主电路向间隙负载供电，所述电压电流检测电路采集间隙负载两端的电压和间隙发电电流反馈给控制模块，所述控制模块产生多路PWM信号，经过驱动电路滤波、放大后驱动脉冲电源主电路开关管通断，完成对间隙的加工。

2.根据权利要求1所述的全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源，其特征在于，所述脉冲电源主电路包括第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、第六开关管Q₆、消电离开关管Q_off、第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C_in和第二电容C_o，其中六个开关管组成三相全桥，所述第一开关管Q₁和第二开关管Q₂串联组成第一相桥，所述第三开关管Q₃和第四开关管Q₄串联组成第二相桥，所述第五开关管Q₅和第六开关管Q₆串联组成第三相桥，所述三相全桥两端连接直流电源的正、负极和第一电容C_in，所述第一相桥中点和第二相桥中点分别通过第一电感L₁和第二电感L₂连接间隙负载的一端，所述第三相桥中点连接间隙负载的另一端，在间隙负载两端还并联消电离开关管Q_off和第二电容C_o。

3.根据权利要求2所述的全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源，其特征在于，所述第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、第六开关管Q₆、消电离开关管Q_off采用金属-氧化物半导体场效应晶体管，其材料为Si、SiC或GaN。

4.根据权利要求2所述的全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源，其特征在于，所述第一电感L₁、第二电感L₂选择独立电感。

5.根据权利要求1所述的全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源，其特征在于，所述电压电流检测电路选择电压霍尔传感器和电流霍尔传感器。

6.根据权利要求1所述的全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源，其特征在于，所述控制模块采用FPGA控制芯片。

7.根据权利要求1所述的全桥交错并联的双极性电火花线切割脉冲电源，其特征在于，所述驱动电路选择高低端驱动芯片。

8.根据权利要求1-7任一项所述电源的线切割加工的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在给间隙引弧阶段，控制模块产生多路PWM信号，经过驱动电路放大后，控制第一开关管Q₁、第六开关管Q₆导通，第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、消电离开关管Q_off关断，此时由Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆组成的全桥结构实现单路Buck电路，向负载间隙提供正向电压；

步骤二：当间隙导通时，进入间隙放电期间，控制模块产生多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，控制第一开关管Q₁、第三开关管Q₃、第六开关管Q₆导通，第二开关管Q₂、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、消电离开关管Q_off关断，此时由Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆组成的全桥结构实现双路交错并联的Buck电路，向负载间隙提供正向电压；

步骤三：当放电持续时间达到控制模块预设值时，控制模块产生多路PWM信号,控制开关管Q₂、Q₄、Q₅导通，开关管Q₁、Q₃、Q₆、Q_off关断，进入间隙截止期间，全桥结构实现的双路交错并联的Buck电路给间隙提供反压；

步骤四：在进入下一个周期前，通过开关管Q_off进行消电离，Q_off导通，使得间隙两端电压为零；

步骤五：重复上述四个步骤，实现加工周期的循环。