CN112620842B - 一种用于电火花线切割加工的反激式脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电火花线切割加工的反激式脉冲电源，包括直流源、FPGA控制电路、驱动电路、反激式主功率电路，所述反激式主功率电路包括输入电容、钳位电容、钳位电阻、钳位二极管、变压器原边侧漏感、变压器原边侧励磁电感、变压器原边侧开关管、变压器原边侧开关管结电容，变压器副边侧励磁电感、变压器副边侧漏感、二极管、消电离开关管，其中输入电容、钳位电容、钳位电阻、钳位二极管、变压器原边侧漏感、变压器原边侧励磁电感、变压器原边侧开关管变压器原边侧开关管结电容组成变压器原边侧功率电路，变压器副边侧励磁电感、变压器副边侧漏感、二极管、消电离开关管组成变压器副边侧功率电路。本发明能够实现多个能量等级的放电加工。

Description

一种用于电火花线切割加工的反激式脉冲电源

技术领域

本发明涉及电火花加工用脉冲电源领域，特别是涉及一种用于电火花线切割加工的反激式脉冲电源。

背景技术

电火花线切割加工技术是通过可控电能在电极丝和工件间形成连续火花放电来移除被加工材料的特种加工技术，可对各类导体和半导体材料，特别是传统接触式加工难于或不能加工的高硬度、高强度、高熔点、高脆性等特殊材料、复杂形状结构进行高效精密切割加工。现有往复走丝电火花线切割脉冲电源大多电能利用率低、放电电流形状可控性差、能量调节量离散且范围小，直接制约机床性能和加工参数优化。电火花线切割加工中的间隙在空载情况下并非绝缘，而是呈现一定阻性，传统的利用电容充放电原理为拓扑的脉冲电源受漏电流影响，能量耗散，无法实现电火花线切割加工。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种用于电火花线切割加工的反激式脉冲电源。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电火花线切割加工的反激式脉冲电源，包括直流源、FPGA控制电路、驱动电路、反激式主功率电路，所述直流源用于将交流电压输出为可调节的直流电压给反激式主功率电路供电，所述FPGA控制电路用于输出PWM控制信号，所述驱动电路用于将PWM控制信号放大后产生驱动信号控制反激式主功率电路中的开关管的通断，所述反激式主功率电路用于连接机床间隙实现放电加工，所述反激式主功率电路包括输入电容、钳位电容、钳位电阻、钳位二极管、变压器原边侧漏感、变压器原边侧励磁电感、变压器原边侧开关管、变压器原边侧开关管结电容，变压器副边侧励磁电感、变压器副边侧漏感、二极管、消电离开关管，其中输入电容、钳位电容、钳位电阻、钳位二极管、变压器原边侧漏感、变压器原边侧励磁电感、变压器原边侧开关管、变压器原边侧开关管结电容组成变压器原边侧功率电路，所述钳位电容、钳位电阻、钳位二极管形成RCD缓冲电路，实现吸收变压器原边侧漏感能量的功能；变压器副边侧励磁电感、变压器副边侧漏感、二极管、消电离开关管组成变压器副边侧功率电路；

输入电容的阳极和直流源的正极连接，输入电容的阴极和直流源的负极连接，钳位电容的阴极和直流源的正极与输入电容的连接点相连接，钳位电阻的一端和直流源的正极与输入电容的连接点相连接，钳位电阻的另一端与钳位电容的阳极连接，钳位二极管的阴极和钳位电阻与钳位电容阳极的连接点相连接，变压器原边侧漏感的一端和直流源的正极与输入电容的连接点相连接，变压器原边侧漏感的另一端和变压器原边侧励磁电感的一端连接，变压器原边侧励磁电感的另一端和钳位二极管的阳极连接，变压器原边侧开关管的源极和变压器原边侧励磁电感与钳位二极管阳极的连接点相连接，变压器原边侧开关管结电容的一端和变压器原边侧开关管的源极连接，变压器原边侧开关管的漏极接地，变压器原边侧开关管结电容的另一端和变压器原边侧开关管的漏极连接；

变压器副边侧励磁电感的一端与变压器副边侧漏感的一端连接，变压器副边侧漏感的另一端连接到消电离开关管的源极，变压器副边侧励磁电感的另一端和二极管的阳极连接，二极管的阴极和消电离开关管的漏极连接；

工件和二极管的阴极与消电离开关管的漏极的连接点相连接，工具和变压器副边侧漏感与消电离开关管的源极的连接点相连接。

进一步的，所述变压器原边侧开关管和消电离开关管采用硅材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管，碳化硅材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管，或者氮化镓材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管。

进一步的，所述变压器原边侧开关管和消电离开关管选择Infineon公司的型号为IPP60R099CPA的MOSFET。

进一步的，所述驱动电路选择具有高低端双路驱动且具有隔离特性的驱动芯片。

进一步的，所述驱动电路选择TexasInstruments公司型号为UCC21521的驱动芯片。

一种电火花线切割加工方法，基于任一项所述的电源进行电火花线切割加工，包括如下步骤：

步骤1：变压器原边侧开关管导通，此时，变压器原边侧功率电路形成通路，变压器原边侧励磁电感储能，变压器副边侧功率电路阻断，二极管加载反向电压；

步骤2：当接收到FPGA给的驱动信号后，控制变压器原边侧开关管关断，变压器原边侧励磁电感的部分能量将传递至变压器副边侧电感，此时，变压器副边侧功率电路导通，间隙两端电压迅速上升，变压器原边侧漏感上的能量将通过RCD缓冲电路吸收；

步骤3：当间隙两端电压达到一定电压时，间隙击穿，实现电火花线切割的放电加工，此时，间隙阻抗急剧减小，间隙电压迅速降至维持电压，间隙电流下降。

步骤4：当放电过程结束后，反激式主功率电路进入消电离阶段；

步骤5：重复步骤1～4，进入下一个加工周期。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提出的反激式脉冲电源无输出电容，在开关管关断的瞬间变压器副边侧将即时感应出高电压，可以在电火花线切割加工中实现迅速的高压放电加工；2)本发明在变压器原边侧开关管由导通至关断的暂态过程中变压器副边侧将立即感应出一个高电压，通过设定不同的输入电压及开关管导通时间，可以输出多个等级的放电能量，从而适配电火花线切割加工粗精加工及微细加工等多个不同的加工场景。3)本发明的脉冲电源拓扑中的RCD电路能够有效实现吸收变压器原边侧漏感的能量、避免开关管源极和漏极间的电压过冲和减小EMI干扰的作用。4)本发明的控制电路部分采用FPGA编程，可提供多种电气参数以满足不同加工场景的需求。

附图说明

图1为本发明的电火花线切割反激式脉冲电源的框架图。

图2为本发明的电火花线切割反激式脉冲电源的拓扑图。

图3为本发明所用驱动芯片的应用原理图。

图4为本发明提出的电火花线切割反激式脉冲电源放电加工波形示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1所示，本发明一种电火花线切割加工的反激式脉冲电源，包括直流源、FPGA控制电路、驱动电路、反激式主功率电路，所述直流源用于将交流电压输出为可调节的直流电压给反激式主功率电路供电，所述FPGA控制电路用于输出PWM控制信号，所述驱动电路用于将PWM控制信号放大后产生驱动信号控制反激式主功率电路中的开关管的通断，所述反激式主功率电路用于连接机床间隙实现放电加工，其中间隙为工具与工件间的部分。

如图2所示，所述反激式主功率电路包括变压器原边侧功率电路和变压器副边侧功率电路，主要器件为输入电容C_in、钳位电容C_σ、钳位电阻R_σ、钳位二极管D_σ、变压器原边侧漏感L_pσ、变压器原边侧励磁电感L_p、变压器原边侧开关管Q、变压器原边侧开关管结电容C_Q，变压器副边侧励磁电感L_s、变压器副边侧漏感L_sσ、二极管D、消电离开关管Q_off。其中输入电容C_in、钳位电容C_σ、钳位电阻R_σ、钳位二极管D_σ、变压器原边侧漏感L_pσ、变压器原边侧励磁电感L_p、变压器原边侧开关管Q、变压器原边侧开关管结电容C_Q组成变压器原边侧功率电路，变压器原边侧功率电路中钳位电容C_σ、钳位电阻R_σ、钳位二极管D_σ组成RCD缓冲电路，实现吸收变压器原边侧漏感L_pσ能量的功能。变压器副边侧励磁电感L_s、变压器副边侧漏感L_sσ、二极管D、消电离开关管Q_off组成变压器副边侧功率电路。具体连接如下：

所述变压器原边侧功率电路中，输入电容C_in的阳极和直流源V_in的正极连接，输入电容C_in的阴极和直流源V_in的负极连接，钳位电容C_σ的阴极和直流源V_in的正极与输入电容C_in的连接点相连接，钳位电阻R的一端和直流源V_in的正极与输入电容C_in的连接点相连接，钳位电阻R的另一端与钳位电容C_σ的阳极连接，钳位二极管D_σ的阴极和钳位电阻R与钳位电容C_σ阳极的连接点相连接，变压器原边侧漏感L_pσ的一端和直流源V_in的正极与输入电容C_in的连接点相连接，变压器原边侧漏感L_pσ的另一端和变压器原边侧励磁电感L_p的一端连接，变压器原边侧励磁电感L_p的另一端和钳位二极管D_σ的阳极连接，变压器原边侧开关管Q的源极和变压器原边侧励磁电感L_p与钳位二极管D_σ阳极的连接点相连接，变压器原边侧开关管结电容C_Q的一端和变压器原边侧开关管Q的源极连接，变压器原边侧开关管Q的漏极接地，变压器原边侧开关管结电容C_Q的另一端和变压器原边侧开关管Q的漏极连接。所述变压器副边侧功率电路中，变压器副边侧励磁电感L_s的一端与变压器副边侧漏感L_sσ的一端连接，变压器副边侧漏感L_sσ的另一端连接到消电离开关管Q_off的源极，变压器副边侧励磁电感L_s的另一端和二极管D的阳极连接，二极管D的阴极和消电离开关管Q_off的漏极连接。工件和二极管D的阴极与消电离开关管Q_off的漏极的连接点相连接，工具和变压器副边侧漏感L_sσ与消电离开关管Q_off的源极的连接点相连接。

此外，变压器副边侧功率电路与间隙连接的线路上存在线路电感L_c和线路电阻R_c。

作为一种具体示例，对于电路拓扑中的开关管，可以用硅材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管，也可使用碳化硅或氮化镓材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管，其中碳化硅材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管相对于硅材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管具有开关速度快、驱动能力要求低的特点，而氮化镓材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管价格昂贵，故本发明选用碳化硅材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管。由于该电路拓扑主要作为电火花线切割加工的脉冲电源，考虑到放电电流平均值为4A，最大值不超过10A，其两端承受电压最大值为V_in，输入电压最大值约为100V，充分考虑其裕量和可靠性，在一些应用场合中，选择Infineon公司的型号为IPP60R099CPA的MOSFET，其最大漏源极电压V_DS为650V，漏极电流I_D为31A(25℃)/19A(100℃)，最大导通电阻R_DS(on)为99mΩ，可以适用于发明所述电火花线切割加工的反激式脉冲电源场合。

作为一种具体示例，对于FPGA控制电路，主要是用FPGA(即现场可编程门阵列)来进行控制，由于内部已集成相应控制电路结构，可通过程序运算来自动得出对应开关管的驱动信号，同时可以利用程序控制来满足不同加工阶段的需求，本发明选用ALTERA公司的CycloneIV系列芯片EP4CE6F17C8。

作为一种具体示例，驱动电路可以选择具有高低端双路驱动且具有隔离特性的驱动芯片，本发明选择的是TexasInstruments(德州电子)公司型号为UCC21521的驱动芯片，如图3所示，该芯片具有较小的传播延迟和脉宽失真度，该芯片的驱动器可配置为两个低侧驱动器、两个高侧驱动器或一个单区驱动器，并且是隔离式双通道的栅极驱动芯片，可以适用于高达5MHz频率的开关管，能够满足本发明脉冲电源中对于高效率、高电源密度和稳健性的要求。

如图4所示，基于上述反激式脉冲电源的电火花线切割加工方法，利用耦合电感储能、原副边能量转移实现电火花线切割的放电加工，步骤如下：

步骤1：在加工准备阶段，如图4所示的t₀～t₁阶段，变压器原边侧开关管Q导通，变压器原边侧功率电路形成通路，变压器原边侧励磁电感L_p储能。在单端反激式开关电源中，变压器相当于一个耦合电感，起到储能、变压和传递能量的作用。直流源电压直接加在变压器原边侧励磁电感L_p上，L_p两端电压v_p＝V_in。在此阶段，变压器原边侧励磁电感L_p流过的电流为i_p，原边侧励磁电感电流上升斜率为

原边电流

变压器原边侧励磁电感电流峰值

直流源向变压器原边励磁电感L_p充能。变压器副边侧励磁电感L_s感应到同名端为正的电压，变压器副边侧功率电路阻断，变压器副边侧二极管D承受的反向电压的大小为

步骤2：在原副边电感能量传递阶段，如图4所示的t₁～t₂阶段，控制变压器原边侧开关管Q关断，变压器原边侧励磁电感L_p的部分能量将传递至变压器副边侧电感L_s，此时变压器副边侧功率电路导通，间隙两端电压v_g迅速上升。变压器原边侧漏感L_pσ上的能量将通过RCD缓冲电路吸收。

步骤3：在加工阶段，如图4所示的在t₂～t₃阶段，当间隙两端电压达到一定电压时，间隙击穿，实现电火花线切割的放电加工击穿过程非常迅速(一般小于0.1μs)，在此过程中，间隙阻抗急剧减小，间隙电压由开路电压迅速降至维持电压V_g(约16～30V)，间隙电流迅速上升。

步骤4：在消电离阶段，如图4所示的t₃～t₄阶段，当放电过程结束后，变压器副边侧励磁电感电流i_s和间隙电流i_gap基本为零。

步骤5：进入下一个加工周期，重复步骤1～4。

本发明反激式主功率拓扑在变压器副边侧无输出电容，在变压器原边侧开关管由导通至关断的暂态过程中变压器副边侧将立即感应出一个高电压，通过设定不同的输入电压及开关管导通时间。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种电火花线切割加工的反激式脉冲电源，包括直流源、FPGA控制电路、驱动电路、反激式主功率电路，所述直流源用于将交流电压输出为可调节的直流电压给反激式主功率电路供电，所述FPGA控制电路用于输出PWM控制信号，所述驱动电路用于将PWM控制信号放大后产生驱动信号控制反激式主功率电路中的开关管的通断，所述反激式主功率电路用于连接机床间隙实现放电加工，其特征在于，所述反激式主功率电路包括输入电容(C_in)、钳位电容(C_σ)、钳位电阻(R_σ)、钳位二极管(D_σ)、变压器原边侧漏感(L_pσ)、变压器原边侧励磁电感(L_p)、变压器原边侧开关管(Q)、变压器原边侧开关管结电容(C_Q)，变压器副边侧励磁电感(L_s)、变压器副边侧漏感(L_sσ)、二极管(D)、消电离开关管(Q_off)，其中输入电容(C_in)、钳位电容(C_σ)、钳位电阻(R_σ)、钳位二极管(D_σ)、变压器原边侧漏感(L_pσ)、变压器原边侧励磁电感(L_p)、变压器原边侧开关管(Q)、变压器原边侧开关管结电容(C_Q)组成变压器原边侧功率电路，所述钳位电容(C_σ)、钳位电阻(R_σ)、钳位二极管(D_σ)形成RCD缓冲电路，实现吸收变压器原边侧漏感(L_pσ)能量的功能；变压器副边侧励磁电感(L_s)、变压器副边侧漏感(L_sσ)、二极管(D)、消电离开关管(Q_off)组成变压器副边侧功率电路；

输入电容(C_in)的阳极和直流源(V_in)的正极连接，输入电容(C_in)的阴极和直流源(V_in)的负极连接，钳位电容(C_σ)的阴极和直流源(V_in)的正极与输入电容(C_in)的连接点相连接，钳位电阻(R)的一端和直流源(V_in)的正极与输入电容(C_in)的连接点相连接，钳位电阻(R)的另一端与钳位电容(C_σ)的阳极连接，钳位二极管(D_σ)的阴极和钳位电阻(R)与钳位电容(C_σ)阳极的连接点相连接，变压器原边侧漏感(L_pσ)的一端和直流源(V_in)的正极与输入电容(C_in)的连接点相连接，变压器原边侧漏感(L_pσ)的另一端和变压器原边侧励磁电感(L_p)的一端连接，变压器原边侧励磁电感(L_p)的另一端和钳位二极管(D_σ)的阳极连接，变压器原边侧开关管(Q)的源极和变压器原边侧励磁电感(L_p)与钳位二极管(D_σ)阳极的连接点相连接，变压器原边侧开关管结电容(C_Q)的一端和变压器原边侧开关管(Q)的源极连接，变压器原边侧开关管(Q)的漏极接地，变压器原边侧开关管结电容(C_Q)的另一端和变压器原边侧开关管(Q)的漏极连接；

变压器副边侧励磁电感(L_s)的一端与变压器副边侧漏感(L_sσ)的一端连接，变压器副边侧漏感(L_sσ)的另一端连接到消电离开关管(Q_off)的源极，变压器副边侧励磁电感(L_s)的另一端和二极管(D)的阳极连接，二极管(D)的阴极和消电离开关管(Q_off)的漏极连接；

工件和二极管(D)的阴极与消电离开关管(Q_off)的漏极的连接点相连接，工具和变压器副边侧漏感(L_sσ)与消电离开关管(Q_off)的源极的连接点相连接。

2.根据权利要求1所述的反激式脉冲电源，其特征在于，所述变压器原边侧开关管(Q)和消电离开关管(Q_off)采用硅材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管，碳化硅材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管，或者氮化镓材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管。

3.根据权利要求1所述的反激式脉冲电源，其特征在于，所述变压器原边侧开关管(Q)和消电离开关管(Q_off)选择Infineon公司的型号为IPP60R099CPA的MOSFET。

4.根据权利要求1所述的反激式脉冲电源，其特征在于，所述驱动电路选择具有高低端双路驱动且具有隔离特性的驱动芯片。

5.根据权利要求1所述的反激式脉冲电源，其特征在于，所述驱动电路选择TexasInstruments公司型号为UCC21521的驱动芯片。

6.一种电火花线切割加工方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的电源进行电火花线切割加工，包括如下步骤：

步骤1：变压器原边侧开关管(Q)导通，此时，变压器原边侧功率电路形成通路，变压器原边侧励磁电感(L_p)储能，变压器副边侧功率电路阻断，二极管(D)加载反向电压；

步骤2：当接收到FPGA给的驱动信号后，控制变压器原边侧开关管(Q)关断，变压器原边侧励磁电感(L_p)的部分能量将传递至变压器副边侧电感(L_s)，此时，变压器副边侧功率电路导通，间隙两端电压迅速上升，变压器原边侧漏感(L_pσ)上的能量将通过RCD缓冲电路吸收；

步骤3：当间隙两端电压达到一定电压时，间隙击穿，实现电火花线切割的放电加工，此时，间隙阻抗急剧减小，间隙电压迅速降至维持电压，间隙电流下降；

步骤4：当放电过程结束后，反激式主功率电路进入消电离阶段；

步骤5：重复步骤1～4，进入下一个加工周期。

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