CN110247644B - 基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，包括：直流电源、充电电路、放电电路、驱动脉冲输入电路和陡化波形电路，其中，充电电路包括：第一限流电阻R1和二极管D1；放电电路包括：储能电容C1、第一雪崩三极管T1和控制电阻R2；驱动脉冲电路包括：第二限流电阻R3和第三限流电阻R4；陡化波形电路包括：第二雪崩三极管T2；驱动脉冲输入电路控制放电电路中雪崩三极管的通断，根据输入的驱动脉冲的类型，产生单个或者连续多个纳秒级放电脉冲，峰值电压可通过直流电源调节。该电源采用雪崩三极管作为开关元件，打开速度快，开关频率高，可以获得纳秒级脉宽脉冲，有效提高微细电火花加工质量和加工效率。

Description

基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源

技术领域

本发明涉及微细特种加工技术领域，特别涉及一种基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源。

背景技术

脉冲电源对微细电火花加工效率、加工精度、加工过程稳定性，以及工具电极损耗等多个方面有着重要影响。一般情况下，在电火花加工中采用窄脉宽放电脉冲电源，能够获得更好的加工质量、更高的加工效率。并且，窄脉宽放电蚀除中气化蚀除比例更高，有利于获得更薄的重铸层，从而可减小甚至避免微裂纹和热影响层的表面损伤。因此，窄脉宽脉冲电源是提高电火花加工工艺效果的有效技术途径之一。

窄脉宽窄至纳秒级的脉冲电源是一个重要研究发展方向。为实现纳米尺度(纳米去除分辨率)的更微细电火花加工，更微小单脉冲放电能量的纳米级窄脉宽脉冲电源是工艺研究和装备研发的前提。但限于电路结构和电子元件性能，目前纳秒级窄脉宽脉冲电源仍然难以实现。

现有的电火花加工用脉冲电源的电路结构主要分为两类：电子管或晶体管独立式和RC弛张式。电子管或晶体管独立式脉冲电源难以获得足够窄脉宽的脉冲，而常规RC弛张式脉冲电源放电频率较慢，并且这两种电路都难以获得稳定可控的单脉冲放电。在这两种电路结构中，为了获得纳秒级窄脉宽，现有技术中都较多地采用开关频率高的功率管。然而受制于功率管的制造工艺和开关频率限制，使得电路的成本高昂，而且难以获得足够窄的脉宽。

特别是对于超窄脉宽电火花加工用脉冲电源(比如，脉宽<25ns)，目前尚缺乏一种电压可调、放电频率高、稳定性好并且脉宽达到纳秒级的脉冲电源。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，该电源采用雪崩三极管作为开关元件，打开速度快，开关频率高，可以获得纳秒级脉宽脉冲，可有效提高微细电火花加工质量和加工效率。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，包括：直流电源、充电电路、放电电路、驱动脉冲输入电路和陡化波形电路。

所述充电电路包括：第一限流电阻R1和二极管D1；

所述放电电路包括：储能电容C1、第一雪崩三极管T1和控制电阻R2；

所述驱动脉冲电路包括：第二限流电阻R3和第三限流电阻R4；

所述陡化波形电路包括：第二雪崩三极管T2；

其中，所述第一限流电阻R1一端与所述直流电源正极相连，另一端分别与所述储能电容C1和所述第一雪崩三极管T1的集电极相连；

所述二极管D1的正极分别与所述储能电容C1、所述第二雪崩二极管T2的发射极和所述控制电阻R2相连，负极分别与所述直流电源负极、脉冲输入信号的输出端、所述第二限流电阻R3、所述第一雪崩三极管T1的发射极和所述第二雪崩二极管T2的集电极相连；

所述储能电容C1一端分别与所述第一限流电阻R1和所述第一雪崩三极管T1的集电极相连，另一端分别与所述二极管D1的正极、所述第二雪崩二极管T2的发射极和所述控制电阻R2相连；

所述第一雪崩三极管T1的基极分别与所述第二限流电阻R3和所述第三限流电阻R4相连，集电极分别与所述第一限流电阻R1和所述储能电容C1相连，发射极分别与所述直流电源负极、所述脉冲输入信号的输出端、所述第二限流电阻R3、所述二极管D1的负极和所述第二雪崩二极管T2的集电极相连；

所述控制电阻R2一端分别与所述储能电容C1、所述二极管D1的正极和所述第二雪崩二极管T2的发射极相连，另一端与所述第二雪崩二极管T2的基极相连；

所述第二限流电阻R3一端分别与所述第三限流电阻R4和所述第一雪崩三极管T1的基极相连，另一端分别与所述直流电源负极、所述脉冲输入信号的输出端、所述第一雪崩三极管T1的发射极、所述二极管D1的负极和所述第二雪崩二极管T2的集电极相连；

所述第三限流电阻R4一端分别与所述第二限流电阻R3和所述第一雪崩三极管T1的基极相连，另一端与所述脉冲输入信号的输入端相连；

所述第二雪崩三极管T2的基极与所述控制电阻R2相连，发射极分别与所述储能电容C1、所述二极管D1的正极和所述控制电阻R2相连，集电极分别与所述直流电源负极、所述脉冲输入信号的输出端、所述第二限流电阻R3、所述第一雪崩三极管T1的发射极、所述二极管D1的负极相连；

所述直流电源负极接地。

本发明实施例的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，根据本发明实施例提出的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，充电电路对电路中的储能电容进行充电，放电电路利用储能电容中能量进行放电从而产生脉冲，驱动脉冲输入电路为放电电路提供驱动信号，陡化波形电路起到陡化脉冲下降沿的作用。采用雪崩三极管作为开关元件，打开速度快，开关频率高，可以获得纳秒级脉宽脉冲，可有效提高微细电火花加工质量和加工效率。该电源可根据驱动脉冲信号类型，产生单个或连续的纳秒级脉冲，单个脉冲可以用于微细电火花加工原理的研究，连续脉冲可以实际应用于微细电火花加工工艺及装备中。并且纳秒级脉冲电源结构小巧紧凑，易于集成于微细电火花加工装备中，成本低廉、稳定性高。

另外，根据本发明上述实施例的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述充电电路通过所述直流电源为所述储能电容C1充电。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过控制所述驱动脉冲输入电路输入的脉冲信号来控制所述放电电路中所述第一雪崩三极管T1的通断。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述驱动脉冲输入电路输入正脉冲信号时，所述放电电路中的所述第一雪崩三极管T1打开，所述放电电路输出端之间产生电压并具有脉冲上升沿，当所述放电电路中放电并有电流流过时，所述控制电阻R2产生电压差从而使所述陡化波形电路中的所述第二雪崩二极管T2打开，所述放电电路输出端短路，获得脉冲下降沿和窄脉宽。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述驱动脉冲输入电路输入脉冲的类型产生单个或者连续多个纳秒级放电脉冲。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过调节所述直流电源来调节所述纳秒级放电脉冲的峰值电压。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述陡化波形电路受所述放电电路反馈控制，在所述第二雪崩三极管T2的基极与集电极之间的工具电极和工件之间放电击穿后，所述陡化波形电路将工具电极和工件短路以陡化所述纳秒级放电脉冲的下降沿。

进一步地，在本发明的一个实施例中，将所述直流电源接入所述充电电路输入端，将驱动脉冲信号接入所述驱动脉冲输入电路输入端，将工具电极和工件接入所述第二雪崩三极管T2的基极和集电极之间，输入驱动信号后，工具电极和工件之间将产生单个或连续纳秒级窄脉宽脉冲。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源电路图；

图2为根据本发明一个实施例的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源的原理意图；

图3为根据本发明一个实施例的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源的实物图；

图4为根据本发明一个实施例的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源的操作流程图；

图5为根据本发明一个实施例的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源的放电波形示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源。

图1为根据本发明一个实施例的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源电路图。

如图1所示，该基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源包括以下步骤：直流电源、充电电路、放电电路、驱动脉冲输入电路和陡化波形电路。

其中，充电电路包括：第一限流电阻R1和二极管D1。

放电电路包括：储能电容C1、第一雪崩三极管T1和控制电阻R2。

驱动脉冲电路包括：第二限流电阻R3和第三限流电阻R4。

陡化波形电路包括：第二雪崩三极管T2。

充电电路通过直流电源对电路中的储能电容进行充电，放电电路利用储能电容中能量进行放电从而产生脉冲，驱动脉冲输入电路为放电电路提供驱动信号，陡化波形电路起到陡化脉冲下降沿的作用。

如图1所示，基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源的连接关系为：第一限流电阻R1一端与直流电源正极相连，另一端分别与储能电容C1和第一雪崩三极管T1的集电极相连；

二极管D1的正极分别与储能电容C1、第二雪崩二极管T2的发射极和控制电阻R2相连，负极分别与直流电源负极、脉冲输入信号的输出端、第二限流电阻R3、第一雪崩三极管T1的发射极和第二雪崩二极管T2的集电极相连；

储能电容C1一端分别与第一限流电阻R1和第一雪崩三极管T1的集电极相连，另一端分别与二极管D1的正极、第二雪崩二极管T2的发射极和控制电阻R2相连；

第一雪崩三极管T1的基极分别与第二限流电阻R3和第三限流电阻R4相连，集电极分别与第一限流电阻R1和储能电容C1相连，发射极分别与直流电源负极、脉冲输入信号的输出端、第二限流电阻R3、二极管D1的负极和第二雪崩二极管T2的集电极相连；

控制电阻R2一端分别与储能电容C1、二极管D1的正极和第二雪崩二极管T2的发射极相连，另一端与第二雪崩二极管T2的基极相连；

第二限流电阻R3一端分别与第三限流电阻R4和第一雪崩三极管T1的基极相连，另一端分别与直流电源负极、脉冲输入信号的输出端、第一雪崩三极管T1的发射极、二极管D1的负极和第二雪崩二极管T2的集电极相连；

第三限流电阻R4一端分别与第二限流电阻R3和第一雪崩三极管T1的基极相连，另一端与脉冲输入信号的输入端相连；

第二雪崩三极管T2的基极与控制电阻R2相连，发射极分别与储能电容C1、二极管D1的正极和控制电阻R2相连，集电极分别与直流电源负极、脉冲输入信号的输出端、第二限流电阻R3、第一雪崩三极管T1的发射极、二极管D1的负极相连；

直流电源负极接地。

可以理解的是，第一雪崩三极管T1的发射极与放电电路的正输出端口电连接，控制电阻R2的一端和储能电容C1另一端电连接，控制电阻R2的另一端与放电电路的负输出端口电连接。第二雪崩三极管T2的集电极与放电电路的正输出端口电连接，第二雪崩三极管T2的基极与负输出端口电连接，第二雪崩三极管T2的发射极与控制电阻R2的另一端电连接。

进一步地，如图2所示，充电电路对电路中的储能电容充电。放电电路使用雪崩三极管作为开关元件以获得较陡的脉冲上升沿，并外接工具电极和工件。驱动脉冲输入电路控制放电电路中雪崩三极管的通断。陡化波形电路受放电电路反馈控制，当电极与工件之间放电击穿后，陡化电路将工具电极与工件短路从而陡化脉冲下降沿。根据输入的驱动脉冲的类型，能够产生单个或者连续多个纳秒级放电脉冲，峰值电压可通过直流电源调节。

进一步地，在本发明的一个实施例中，驱动脉冲输入电路输入正脉冲信号时，放电电路中的第一雪崩三极管T1打开，放电电路输出端之间产生电压并具有脉冲上升沿，当放电电路中放电并有电流流过时，控制电阻R2产生电压差从而使陡化波形电路中的第二雪崩二极管T2打开，放电电路输出端短路，获得脉冲下降沿和窄脉宽。

具体地，本发明的电源利用雪崩三极管超快的开关速度获得短上升沿和短下降沿，从而获得纳秒级超窄脉宽脉冲。充电电路对储能电容充电，驱动脉冲输入电路输入正脉冲信号时，放电电路中雪崩管打开，使得放电电路输出端间产生电压并具有较陡的脉冲上升沿，当放电电路发生发电而有一定电流流过，控制电阻将有一定的电压差从而引起陡化波形电路中雪崩管的打开，因此放电电路输出端短路，获得较陡的脉冲下降沿和较窄的脉宽。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过控制驱动脉冲输入电路输入的脉冲信号来控制放电电路中第一雪崩三极管T1的通断。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据驱动脉冲输入电路输入脉冲的类型产生单个或者连续多个纳秒级放电脉冲。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过调节直流电源来调节纳秒级放电脉冲的峰值电压。

进一步地，在本发明的一个实施例中，陡化波形电路受放电电路反馈控制，在第二雪崩三极管T2的基极与集电极之间的工具电极和工件之间放电击穿后，陡化波形电路将工具电极和工件短路以陡化纳秒级放电脉冲的下降沿。

进一步地，在本发明的一个实施例中，将直流电源接入充电电路输入端，将驱动脉冲信号接入驱动脉冲输入电路输入端，将工具电极和工件接入第二雪崩三极管T2的基极和集电极之间，输入驱动信号后，工具电极和工件之间将产生单个或连续纳秒级窄脉宽脉冲。

具体地，上述的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源的具体操作步骤为：(1)将直流电源接入充电电路输入端；(2)将驱动脉冲信号接入驱动脉冲输入电路输入端；(3)将工具电极和工件接入放电电路输出端；(4)输入驱动脉冲信号，工具电极和工件间将产生单个或连续纳秒级窄脉宽脉冲。

需要说明的是，放电电路中的储能电容C1的容量较小，可以保证充电和放电速度快，放电脉宽也比较窄。

充电电路中使用的二极管D1保证储能电容C1可正常充电，且能保证充电过程中工具电极与工件间不放电，放电过程中工具电极和工件间正常放电。

放电电路和陡化脉冲电路使用的雪崩三极管打开速度极快，可以保证脉冲上升沿和下降沿均比较短。

如图3和图4所示，图3展示了基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源的实物图，图4展示了基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源的具体操作方法，首先，(1)将直流电源接入充电电路输入端，直流电源的输入范围在7V-150V；(2)将驱动脉冲信号源接入驱动脉冲输入电路输入端，调节驱动脉冲信号源的参数，驱动脉冲信号幅值为5-10V，频率1KHz-100MHz均可；(3)将工具电极和工件接入放电电路输出端；(4)各个元器件的参数示例范围为：第一限流电阻(R1)：10欧姆-1000欧姆，控制电阻(R2)：2欧姆-50欧姆，第二限流电阻(R3)：10欧姆-200欧姆，第三限流电阻(R4)：10欧姆-200欧姆，储能电容(C1)：3pF-1000pF，雪崩三极管(T1)和雪崩三极管(T2)：有雪崩特性的三极管，如型号MCH3245和MMBT2222；(5)输入连续驱动脉冲信号，工具电极和工件间将产生连续窄脉宽脉冲；若输入控制脉冲为单个上升沿，工具电极和工件间将产生单个窄脉宽脉冲。

如图5所示，通过上述操作，得到了一个幅值15.4V、脉宽中值10ns的单个窄脉宽脉冲放电。

根据本发明实施例提出的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，充电电路对电路中的储能电容进行充电，放电电路利用储能电容中能量进行放电从而产生脉冲，驱动脉冲输入电路为放电电路提供驱动信号，陡化波形电路起到陡化脉冲下降沿的作用。采用雪崩三极管作为开关元件，打开速度快，开关频率高，可以获得纳秒级脉宽脉冲，可有效提高微细电火花加工质量和加工效率。该电源可根据驱动脉冲信号类型，产生单个或连续的纳秒级脉冲，单个脉冲可以用于微细电火花加工原理的研究，连续脉冲可以实际应用于微细电火花加工工艺及装备中。并且纳秒级脉冲电源结构小巧紧凑，易于集成于微细电火花加工装备中，成本低廉、稳定性高。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，其特征在于，包括：直流电源、充电电路、放电电路、驱动脉冲输入电路和陡化波形电路；

所述充电电路包括：第一限流电阻R1和二极管D1；

所述放电电路包括：储能电容C1、第一雪崩三极管T1和控制电阻R2；

所述驱动脉冲输入电路包括：第二限流电阻R3和第三限流电阻R4；

所述陡化波形电路包括：第二雪崩三极管T2；

其中，所述第一限流电阻R1一端与所述直流电源正极相连，另一端分别与所述储能电容C1和所述第一雪崩三极管T1的集电极相连；

所述二极管D1的正极分别与所述储能电容C1、所述第二雪崩三极管T2的发射极和所述控制电阻R2相连，负极分别与所述直流电源负极、脉冲输入信号的输出端、所述第二限流电阻R3、所述第一雪崩三极管T1的发射极和所述第二雪崩三极管T2的集电极相连；

所述储能电容C1一端分别与所述第一限流电阻R1和所述第一雪崩三极管T1的集电极相连，另一端分别与所述二极管D1的正极、所述第二雪崩三极管T2的发射极和所述控制电阻R2相连；

所述第一雪崩三极管T1的基极分别与所述第二限流电阻R3和所述第三限流电阻R4相连，集电极分别与所述第一限流电阻R1和所述储能电容C1相连，发射极分别与所述直流电源负极、所述脉冲输入信号的输出端、所述第二限流电阻R3、所述二极管D1的负极和所述第二雪崩三极管T2的集电极相连；

所述控制电阻R2一端分别与所述储能电容C1、所述二极管D1的正极和所述第二雪崩三极管T2的发射极相连，另一端与所述第二雪崩三极管T2的基极相连；

所述第二限流电阻R3一端分别与所述第三限流电阻R4和所述第一雪崩三极管T1的基极相连，另一端分别与所述直流电源负极、所述脉冲输入信号的输出端、所述第一雪崩三极管T1的发射极、所述二极管D1的负极和所述第二雪崩三极管T2的集电极相连；

所述第三限流电阻R4一端分别与所述第二限流电阻R3和所述第一雪崩三极管T1的基极相连，另一端与所述脉冲输入信号的输入端相连；

所述第二雪崩三极管T2的基极与所述控制电阻R2相连，发射极分别与所述储能电容C1、所述二极管D1的正极和所述控制电阻R2相连，集电极分别与所述直流电源负极、所述脉冲输入信号的输出端、所述第二限流电阻R3、所述第一雪崩三极管T1的发射极、所述二极管D1的负极相连；

所述直流电源负极接地。

2.根据权利要求1所述的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，其特征在于，所述充电电路通过所述直流电源为所述储能电容C1充电。

3.根据权利要求1所述的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，其特征在于，通过控制所述驱动脉冲输入电路输入的脉冲信号来控制所述放电电路中所述第一雪崩三极管T1的通断。

4.根据权利要求1所述的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，其特征在于，所述驱动脉冲输入电路输入正脉冲信号时，所述放电电路中的所述第一雪崩三极管T1打开，所述放电电路输出端之间产生电压并具有脉冲上升沿，当所述放电电路中放电并有电流流过时，所述控制电阻R2产生电压差从而使所述陡化波形电路中的所述第二雪崩三极管T2打开，所述放电电路输出端短路，获得脉冲下降沿和窄脉宽。

5.根据权利要求1所述的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，其特征在于，根据所述驱动脉冲输入电路输入脉冲的类型产生单个或者连续多个纳秒级放电脉冲。

6.根据权利要求5所述的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，其特征在于，通过调节所述直流电源来调节所述纳秒级放电脉冲的峰值电压。

7.根据权利要求6所述的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，其特征在于，所述陡化波形电路受所述放电电路反馈控制，在所述第二雪崩三极管T2的基极与集电极之间的工具电极和工件之间放电击穿后，所述陡化波形电路将工具电极和工件短路以陡化所述纳秒级放电脉冲的下降沿。

8.根据权利要求1所述的基于雪崩三极管的微细电火花加工用纳秒脉冲电源，其特征在于，将所述直流电源接入所述充电电路输入端，将驱动脉冲信号接入所述驱动脉冲输入电路输入端，将工具电极和工件接入所述第二雪崩三极管T2的基极和集电极之间，输入驱动信号后，工具电极和工件之间将产生单个或连续纳秒级窄脉宽脉冲。

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