CN111193428A - 微细高频分组脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微细高频分组脉冲电源，包括直流电源、脉冲电源主电路、间隙电压电流采样电路、FPGA控制电路、驱动电路，电路脉冲电源主电路包括反激变压器，以及原边开关管、微细放电开关管、消电离开关管、第一至第n开关管、第一电阻、钳位电容、第一二极管、第二电阻、第三电阻、第二二极管、第三二极管、第一至第n电容。脉冲电源主电路为间隙负载提供能量，间隙电压电流采样电路采样间隙两端的电压和间隙电流，FPGA控制模块根据采样电压和电流产生PWM信号，经过驱动电路的滤波、放大后，驱动脉冲电源主电路开关管的通断。本发明采用反激电路为放电电容充电，将输入与输出隔离，能够使放电不受输入电压影响，在一定范围内实现多等级能量加工。

Description

微细高频分组脉冲电源

技术领域

本发明涉及微细高频脉冲电源，特别是涉及一种微细高频分组脉冲电源。

背景技术

近几年，我国电火花加工技术发展迅猛，目前已是世界电加工机床产量和拥有量最多的国家，但同时也是电加工机床最大进口国，且在国际电加工机床贸易中呈现逆差。这主要是因为在高端精密电加工机床的研制和生产方面，我国与国际先进水平还有一定差距。因此，高端精密电加工机床相关技术，特别是微细电火花加工用脉冲电源技术的研究已迫在眉睫。

对微细电火花加工来讲，采用小而可控的单个脉冲放电能量，可以更好的提高加工精度和表面质量。目前，普遍认为微细电火花加工适合的最小单个脉冲放电能量应不超过10^-6J。同时，为了提高加工速度和材料去除率，在单次材料去除量较低的情况下，又需要提高火花放电的频率。这就使得微细电火花加工脉冲电源要具备不同于普通电火花加工电源的特殊能力，对微细电火花加工所使用的脉冲电源有着更高要求。

现有微细电火花脉冲电源多为RC式脉冲电源，其基本思想为直流源通过电阻为电容充电，再利用电容向间隙进行放电加工，虽然可以实现微能脉冲放电加工，但由于电容充电时间远大于放电时间，其放电脉冲间隔系数太大，加工效率很低；直流源与放电间隙无开关元件隔离，影响放电稳定性；同时由于电路中电阻消耗大部分能量，电能利用率很低，往往不超过36％。为克服现有微细电火花脉冲电源的缺点，解决加工效率和降低表面粗糙度的矛盾，开展新型微细电火花脉冲电源研究具有重要的科学意义和实际价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既具有RC电源单个脉冲放电能量小的特点,又能精确地对放电电压、能量进行控制的微细高频分组脉冲电源，以生成高频并且放电脉宽可调的电火花加工脉冲波形。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微细高频分组脉冲电源，包括直流电源、脉冲电源主电路、间隙电压电流采样电路、FPGA控制电路、驱动电路，脉冲电源主电路用于为间隙负载提供能量，间隙电压电流采样电路用于采样间隙两端的电压和间隙电流，FPGA控制模块根据采样电压和电流产生PWM信号，经过驱动电路的滤波、放大后，驱动脉冲电源主电路开关管的通断，其中：

所述电路脉冲电源主电路包括反激变压器，以及原边开关管、微细放电开关管、消电离开关管、第一至第n开关管、第一电阻、钳位电容、第一二极管、第二电阻、第三电阻、第二二极管、第三二极管、第一至第n电容；所述反激变压器包括原边第一电感、副边第二电感，其中原边第一电感一端接电源正极，另一端接原边开关管的漏极，原边开关管的源极接电源的负极；第一电阻与钳位电容并联，一端接电源正极，另一端与第一二极管的阴极相连，第一二极管的阳极接在原边开关管的漏极，构成RCD钳位电路；副边第二电感一端接第二二极管的阳极，另一端接第二电阻，第二电阻的另一端接第二二极管的阴极；第一至第n电容分别与第一至第n开关管串联，再并联在第二电阻两端；微细放电开关管的漏极接与第一至第n开关管的漏极相连，源极接第三二极管的阳极，第三二极管的阴极接工具电极；第三电阻的一端接放电电容的正极，另一端接加工工件；消电离开关管并联在间隙两端，其中漏极接加工工件，源极接工具电极。

所述电路包括原边充电开关管、微细放电开关管、消电离开关管、第一至第n开关管选用Infineon公司的型号为IRFR4620PbF的N沟道MOSFET。

所述第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃选用ON Semiconductor公司的型号为MBRF20200CTG的肖特基二极管。

所述反激变压器型号选用EE型高频铁氧体磁芯。

所述间隙电压电流采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，其中电压采样电路采用电阻分压电路，电流采样电路采用霍尔传感器。

所述驱动电路选择具有隔离式高低侧双通道输出的栅极驱动芯片UCC21521。

上述电源的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：在间隙开路阶段，由FPGA产生多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，控制原边开关管以及第一至第n开关管开始导通，微细放电开关管与消电离开关管关断，原边第一电感开始储能，由于此时副边第二二极管D₂处于断态，副边无电流通过；

步骤二：当储能时间达到预设值后，FPGA发出信号控制原边开关管关断，同时微细放电开关管与消电离开关管继续关断，第一至第n开关管继续导通，此时副边第二二极管处于通态，反激变压器中的磁场能量通过第二电感和第二二极管向放电电容充电；

步骤三：当电容充电时间达到预设值后，FPGA控制微细放电开关管及第一开关管导通，原边开关管、微细放电开关管Q2导通、消电离开关管及第二至n开关管关断，此时第一电容接入间隙，间隙迅电压迅速上升；

步骤四：当间隙击穿后时，进入间隙放电阶段，在一个加工周期内，FPGA控制第一字至第n开关管按一定频率依次导通，实现高频且脉宽可控的放电加工；

步骤五：在进入下一个加工周期前FPGA控制消电离开关管导通，其他开关管均关断，使间隙两端电压降为零，使消电离完成彻底，保证下一次放电稳定可靠；

步骤六：重复上述五步骤，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)采用反激电路为放电电容充电，将输入与输出隔离，使放电不受输入电压影响且副边输出电压灵活可调，能够在一定范围内实现多等级能量加工；2)采用多组电容并联对间隙进行放电加工，在实现微能放电加工基础上大幅提高放电频率，一定程度上解决了加工效率与表面粗糙度之间的矛盾；3)控制电路采用FPGA，能够自由控制脉冲电压幅值、放电能量以及放电频率，且无需改变硬件，降低了开发成本；4)用一个电路同时实现了高频且脉宽可控的微细电火花加工功能，大大减小了脉冲电源体积。

附图说明

图1为本发明微细高频分组脉冲电源的系统框架图。

图2为本发明脉冲电源主电路的拓扑图。

图3为基于本发明微细高频分组脉冲电源的加工波形示意图。

图4为本发明检测电路所使用的霍尔传感器的应用原理图。

图5为本发明驱动电路所用双端隔离的栅极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，本发明微细高频分组脉冲电源包括直流电源、脉冲电源主电路、间隙电压电流采样电路、FPGA控制电路、驱动电路；其中脉冲电源主电路接到间隙负载，采样电路分别对间隙两端电压和间隙电流进行采样，将采样信号输入给FPGA控制模块，按照加工要求进行计算产生PWM信号，经过驱动电路的滤波、放大再去分别驱动脉冲电源各电路中原边开关管Q₁、微细放电开关管Q₂、消电离开关管Q₃、与放电电容串联的开关管Q_{d_1}至Q_{d_n}，从而实现高频并且脉宽可调的电火花脉冲波形及消电离功能。

如图2所示，脉冲电源主电路包括原边开关管Q₁、微细放电开关管Q₂、消电离开关管Q₃、与放电电容串联的开关管Q_{d_1}至Q_{d_n}、原边第一电感L₁、第一电阻R₁、第一电容C₁、第一二极管D₁，副边第二电感L₂、第二电阻R_L、第三电阻R_d、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四电容C_{d_1}、第五电容C_{d_2}、一直到第n电容C_{d_n}。所述电路脉冲电源主电路包括反激变压器，以及原边开关管Q₁、微细放电开关管Q₂、消电离开关管Q₃、第一至第n开关管Q_{d_1}至Q_{d_n}、第一电阻R₁、钳位电容C₁、第一二极管D₁、第二电阻R_L、第三电阻R_d、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一至第n电容C_{d_1}至C_{d_n}；所述反激变压器包括原边第一电感L₁、副边第二电感L₂，其中原边第一电感L₁一端接电源正极，另一端接原边开关管Q₁的漏极，原边开关管Q₁的源极接电源的负极；第一电阻R₁与钳位电容C₁并联，一端接电源正极，另一端与第一二极管D₁的阴极相连，第一二极管D₁的阳极接在原边开关管Q₁的漏极，构成RCD钳位电路；副边第二电感L₂一端接第二二极管D₂的阳极，另一端接第二电阻R_L，第二电阻R_L的另一端接第二二极管D₂的阴极；第一至第n电容C_{d_1}至C_{d_n}分别与第一至第n开关管Q_{d_1}至Q_{d_n}串联，再并联在第二电阻R_L两端；微细放电开关管Q₂的漏极接与第一至第n开关管Q_{d_1}至Q_{d_n}的漏极相连，源极接第三二极管D₃的阳极，第三二极管D₃的阴极接工具电极；第三电阻R_d的一端接放电电容的正极，另一端接加工工件；消电离开关管Q₃并联在间隙两端，其中漏极接加工工件，源极接工具电极。上述拓扑中，第一电阻R₁、钳位电容C₁、第一二极管D₁构成RCD钳位电路，用来吸收变压器漏感能量，降低开关管关断电压尖峰，保护原边开关管Q₁；在加工周期放电结束后，FPGA控制开通开关管Q₃，使间隙在脉间时段内的电压始终为0，极间充分消电离，保证下一次放电的稳定可靠；通过控制与输出放电电容串联的开关管Q_{d_1}至Q_{d_n}和微细放电开关管Q₂的导通和关断，来控制电容进行放电加工，得到高频并且脉宽可调的电火花脉冲波形，实现电火花加工要求。放电电容数量n，根据工条件确定，n越大，在一个放电周期里频率越快，效率越高，但是同时控制复杂，电源体积也更大。

本拓扑中开关管选用金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。微细电火花加工可能需要70V以上的电压。电压越高，功率管就越难以实现快速的通断，这对功率管的性能有了更高的要求，这里根据实际微细高频分组脉冲电源的需求原边开关管Q₁、微细放电开关管Q₂、消电离开关管Q₃、与放电电容串联的开关管Q_{d_1}至Q_{d_n}选用Infineon公司的型号为IRFR4620PbF的N沟道MOSFET，其漏源极耐压V_DS高达200V，额定电流I_D为24A，其允许的最大脉冲电流100A，t_r＝22.4ns，t_f＝14.8ns，可以用在高频率，中小电流的小功率的高频可控微细电火花脉冲电源；本发明中第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃选用ONSemiconductor公司的型号为MBRF20200CTG的肖特基二极管，其反向重复峰值电压V_RRM高达200V，平均正向电流I_F(AV)为20A，导通压降低至0.9V，适用于高频、中小电流的电路拓扑；本发明中的反激变压器型号选用EE型高频铁氧体磁芯，材质为PC40，该磁芯引线空间大、绕制接线方便、适用范围广、工作频率高、热稳定性能好，主要用于高频变压器，非常适合本次设计。

为了更好的实现基于本拓扑而设计的微细高频分组脉冲电源的功能，其采样电路对间隙电压和电流进行实时采样，其中电压采样采用电阻分压，测量电阻根据实际需求来选择；电流采样可以采取现有比较成熟的霍尔传感器来实现，比如可选择ACEINNA公司推出的型号为MCA1101-20-3的电流霍尔传感器，检测的电流范围最大可达到正负50A，带宽1.5MHz，检测电流的灵敏度为60mV/A，线性度非常好，检测精度也很高。图4为MCA1101-20-3的典型应用原理图，V_out为输出信号，V_ref为零电流输入时，输出基准值。通过V_oc引脚选取电流检测的阈值，当超出检测范围时，FAULTB引脚输出为低电平，给驱动电路一个低电平有效的过流信号，配合驱动电路实现了硬件级的快速保护功能。

本发明控制模块采用FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列控制，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，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。将间隙两端电压以及间隙电流采样，数模转换后送入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，再来控制原边开关管Q₁、微细放电开关管Q₂、消电离开关管Q₃、与放电电容串联的开关管Q_{d_1}至Q_{d_n}的导通关断，可以实现微细高频分组脉冲电源的各个工作状态及相应功能。

对于驱动电路，由于副边是多路输出结构，这里采用Texas Instruments公司的具有隔离式高低侧双通道输出的栅极驱动芯片UCC21521来构建，它具有独立的双通道门极驱动器，频率高达5MHz，可同时配置两个高端驱动程序，专门用于驱动功率MOSFET、IGBT、SiC等，如图5所示。以驱动开关管Q₁和开关管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UCC21521的INA和INB管脚，外围电路如图5配置，生成两路独立的高端驱动信号，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两路独立的高端驱动分别控制原副边开关管，并且原边和副边隔离，减小了主电路和控制电路之间的干扰，非常适合本设计。

综上所述，本发明微细高频分组脉冲电源，采用反激电路拓扑结构，同时输出端并联电容，通过FPGA模块产生的多路PWM信号经过驱动电路的滤波、放大再去分别驱动脉冲电源各电路中原边开关管Q₁、微细放电开关管Q₂、消电离开关管Q₃、与输出电容串联的开关管Q_{d_1}至Q_{d_n}，从而实现高频并且脉宽可调的电火花脉冲波形及消电离功能(如图3所示为输出端并联三个电容时的典型放电波形)，具体过程如下：

步骤一：在间隙开路阶段，由FPGA产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，去控制原边开关管Q₁以及开关管Q_{d_1}至Q_{d_n}开始导通，微细放电开关管Q₂与消电离开关管Q₃关断，原边第一电感L₁开始储能，由于此时副边第二二极管D₂处于断态，副边无电流通过。

步骤二：当储能时间达到预设值后，FPGA发出信号控制原边开关管Q₁关断，同时微细放电开关管Q₂与消电离开关管Q₃继续关断，输出侧与放电电容串联的开关管Q_{d_1}至Q_{d_n}继续导通，此时副边第二二极管D₂处于通态，反激变压器中的磁场能量通过第二电感L₂和第二二极管D₂向放电电容充电。

步骤三：当电容充电时间达到预设值后，FPGA控制微细放电开关管Q₂及开关管Q_{d_1}导通，原边开关管Q₁、微细放电开关管Q2导通、消电离开关管Q₃及开关管Q_{d_2}至Q_{d_n}关断，此时放电电容C_{d_1}接入间隙，间隙迅电压迅速上升。

步骤四：当间隙击穿后时，进入间隙放电阶段，在一个加工周期内，FPGA控制开关管Q_{d_1}至Q_{d_n}按一定频率依次导通，实现高频且脉宽可控的放电加工。

步骤五：在进入下一个加工周期前FPGA控制消电离开关管Q₃导通，使间隙两端电压降为零，使消电离完成彻底，保证下一次放电稳定可靠。

步骤六：重复上述五步骤，实现加工周期的循环。

Claims (7)

1.一种微细高频分组脉冲电源，其特征在于，包括直流电源、脉冲电源主电路、间隙电压电流采样电路、FPGA控制电路、驱动电路，脉冲电源主电路用于为间隙负载提供能量，间隙电压电流采样电路用于采样间隙两端的电压和间隙电流，FPGA控制模块根据采样电压和电流产生PWM信号，经过驱动电路的滤波、放大后，驱动脉冲电源主电路开关管的通断，其中：

所述电路脉冲电源主电路包括反激变压器，以及原边开关管(Q₁)、微细放电开关管(Q₂)、消电离开关管(Q₃)、第一至第n开关管(Q_{d_1}至Q_{d_n})、第一电阻(R₁)、钳位电容(C₁)、第一二极管(D₁)、第二电阻(R_L)、第三电阻(R_d)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第一至第n电容(C_{d_1}至C_{d_n})；所述反激变压器包括原边第一电感(L₁)、副边第二电感(L₂)，其中原边第一电感(L₁)一端接电源正极，另一端接原边开关管(Q₁)的漏极，原边开关管(Q₁)的源极接电源的负极；第一电阻(R₁)与钳位电容(C₁)并联，一端接电源正极，另一端与第一二极管(D₁)的阴极相连，第一二极管(D₁)的阳极接在原边开关管(Q₁)的漏极，构成RCD钳位电路；副边第二电感(L₂)一端接第二二极管(D₂)的阳极，另一端接第二电阻(R_L)，第二电阻(R_L)的另一端接第二二极管(D₂)的阴极；第一至第n电容(C_{d_1}至C_{d_n})分别与第一至第n开关管(Q_{d_1}至Q_{d_n})串联，再并联在第二电阻(R_L)两端；微细放电开关管(Q₂)的漏极接与第一至第n开关管(Q_{d_1}至Q_{d_n})的漏极相连，源极接第三二极管(D₃)的阳极，第三二极管(D₃)的阴极接工具电极；第三电阻(R_d)的一端接放电电容的正极，另一端接加工工件；消电离开关管(Q₃)并联在间隙两端，其中漏极接加工工件，源极接工具电极。

2.根据权利要求1所述的微细高频分组脉冲电源，其特征在于，所述电路包括原边充电开关管(Q₁)、微细放电开关管(Q₂)、消电离开关管(Q₃)、第一至第n开关管(Q_{d_1}至Q_{d_n})选用Infineon公司的型号为IRFR4620PbF的N沟道MOSFET。

3.根据权利要求1所述的微细高频分组脉冲电源，其特征在于，所述第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃选用ON Semiconductor公司的型号为MBRF20200CTG的肖特基二极管。

4.根据权利要求1所述的微细高频分组脉冲电源，其特征在于，所述反激变压器型号选用EE型高频铁氧体磁芯。

5.根据权利要求1所述的微细高频分组脉冲电源，其特征在于，所述间隙电压电流采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，其中电压采样电路采用电阻分压电路，电流采样电路采用霍尔传感器。

6.根据权利要求1所述的微细高频分组脉冲电源，其特征在于，所述驱动电路选择具有隔离式高低侧双通道输出的栅极驱动芯片UCC21521。

7.根据权利要求1-6任一项所述电源的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在间隙开路阶段，由FPGA产生多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，控制原边开关管(Q₁)以及第一至第n开关管(Q_{d_1}至Q_{d_n})开始导通，微细放电开关管(Q₂)与消电离开关管(Q₃)关断，原边第一电感(L₁)开始储能，由于此时副边第二二极管D₂处于断态，副边无电流通过；

步骤二：当储能时间达到预设值后，FPGA发出信号控制原边开关管(Q₁)关断，同时微细放电开关管(Q₂)与消电离开关管(Q₃)继续关断，第一至第n开关管(Q_{d_1}至Q_{d_n})继续导通，此时副边第二二极管(D₂)处于通态，反激变压器中的磁场能量通过第二电感(L₂)和第二二极管(D₂)向放电电容充电；

步骤三：当电容充电时间达到预设值后，FPGA控制微细放电开关管(Q₂)及第一开关管(Q_{d_1})导通，原边开关管(Q₁)、微细放电开关管Q2导通、消电离开关管(Q₃)及第二至n开关管(Q_{d_2}至Q_{d_n})关断，此时第一电容(C_{d_1})接入间隙，间隙迅电压迅速上升；

步骤四：当间隙击穿后时，进入间隙放电阶段，在一个加工周期内，FPGA控制第一字至第n开关管(Q_{d_1}至Q_{d_n})按一定频率依次导通，实现高频且脉宽可控的放电加工；

步骤五：在进入下一个加工周期前FPGA控制消电离开关管(Q₃)导通，其他开关管均关断，使间隙两端电压降为零，使消电离完成彻底，保证下一次放电稳定可靠；

步骤六：重复上述五步骤，实现加工周期的循环。

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