CN115070143A - 一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四开关Buck‑Boost成形加工脉冲电源及其控制方法，是基于四开关Buck‑Boost变换器，提出的一种全新的成形加工脉冲电源结构。电路结合电火花加工的间隙负载特性，通过对间隙电压检测和判断，实现升压模式和放电加工模式的切换。升压模式下可以提供间隙击穿所需要的高压，可通过两种方式实现，第一种方式是通过传统Boost模式实现升压；第二种方式是通过零电压开关实现升压。放电加工模式下脉冲电源处于Buck模式，持续给间隙提供放电电流。消电离模式下间隙间的能量快速释放，同时电感中的电流通过开关管体二极管实现续流，在下一加工周期开始时电感电流将不为0，可使电路快速到达稳定状态。

Description

一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源及其控制方法

技术领域

本发明属于成形电火花加工的高频脉冲电源控制领域，特别是涉及一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源及其控制方法。

背景技术

随着工业现代化以及时代的发展，传统的机械加工方式不能满足现代工业发展的需求。与此同时，成形电火花加工以其高精度、高效率、高质量加工等特点迅速发展，在工业精加工的领域有着极大的潜力。

成形电火花加工机床主要包括脉冲电源、加工工件、工具电极、电介质和工作台。电火花加工技术是一种非接触式特种加工技术，其通过受控电能在工具电极和工件之间形成火花放电，去除被加工材料。与传统加工相比，电火花加工可以加工高硬度、高强度、高熔点的特殊金属材料，以及一些结构特殊、形状复杂的精密零件。

脉冲电源是电火花加工系统重要组成部分之一。加工过程中，系统对于放电电流和放电能量的控制好坏，将会影响加工质量和加工效率。因此，通过提出全新的拓扑简化和改善电路的整体结构，提高能量利用率，进一步提高加工效率和质量，具有重要的应用价值以及发展前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，本发明通过一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源及其控制方法，能够简化了电路结构，使得电源体积变小。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，包括直流输入电源、四开关Buck-Boost脉冲电源主电路、驱动电路、电流检测电路、电压检测电路、FPGA控制器，直流输入电源供给四开关Buck-Boost脉冲电源主电路；所述四开关Buck-Boost脉冲电源主电路输出直接接到间隙负载的两端，所述电压检测电路对间隙两端电压进行检测，所述电流检测电路对四开关Buck-Boost脉冲电源主电路中的电感电流进行检测，FPGA控制器将反馈的检测值通过运算后，输出多路PWM信号，经过驱动电路放大后驱动四开关Buck-Boost脉冲电源主电路的开关管。

优选的，所述四开关Buck-Boost脉冲电源主电路包括输入电容C_in、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、第一体二极管D₁、第二体二极管D₂、第三体二极管D₃、第四体二极管D₄、第五体二极管D₅、第一结电容C₁、第二结电容C₂、第三结电容C₃、第四结电容C₄、第五结电容C₅、第一电感L、升压输出电容C_f、升压输出电阻R_f，第一体二极管D₁和第一结电容C₁分别是第一开关管Q₁的寄生二极管和寄生电容，第二体二极管D₂和第二结电容C₂分别是第二开关管Q₂的寄生二极管和寄生电容，第三体二极管D₃和第三结电容C₃分别是第三开关管Q₃的寄生二极管和寄生电容，第四体二极管D₄和第四结电容C₄分别是第四开关管Q₄的寄生二极管和寄生电容，第五体二极管D₅和第五结电容C₅分别是第五开关管Q₅的寄生二极管和寄生电容；其中，输入电容C_in、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、第一体二极管D₁、第二体二极管D₂、第三体二极管D₃、第四体二极管D₄、第五体二极管D₅、第一结电容C₁、第二结电容C₂、第三结电容C₃、第四结电容C₄、第五结电容C₅、第一电感L、升压输出电容C_f、升压输出电阻R_f组成四开关Buck-Boost脉冲电源主电路；第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄的导通与关断控制电路运行的不同模态；第五开关管Q₅控制升压模式下输出负载支路的通断，所述四开关Buck-Boost脉冲电源主电路的一端通过第一开关管Q₁连接直流输入电源的正极和输入电容C_in的一端，四开关Buck-Boost脉冲电源主电路的另一端通过第五开关管Q₅连接间隙的一端，间隙的另一端连接主电路直流输入电源的负极和输入电容C_in的另一端。

优选的，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采用N沟道的增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管。

优选的，所述第一体二极管D₁、第二体二极管D₂、第三体二极管D₃、第四体二极管D₄、第五体二极管D₅是开关管的寄生二极管。

优选的，所述第一结电容C₁、第二结电容C₂、第三结电容C₃、第四结电容C₄、第五结电容C₅是开关管的寄生电容。

优选的，所述FPGA控制器采用FPGA控制芯片构成。

优选的，所述电流检测电路、电压检测电路分别通过电流霍尔传感器和电压差分采样电路来实现，并且都配备了调理电路。

优选的，所述驱动电路通过单通道隔离栅极驱动器实现。

一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源控制方法，用于上述所述的一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，包括如下步骤：

步骤一：在间隙未被击穿之前，即引弧阶段，四开关Buck-Boost脉冲电源处于升压模式下，由FPGA控制器产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路后，控制第一开关管Q₁、第五开关管Q₅常开；第二开关管Q₂常关；第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第一电感L、升压输出电容C_f、升压输出电阻R_f组成Boost电路向间隙提供高压，等待间隙击穿；

步骤二：当间隙击穿后，形成放电通道，进入间隙放电期间，四开关Buck-Boost脉冲电源处于放电加工模式下，由FPGA控制器产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路后，控制第三开关管Q₃常开；第四开关管Q₄、第五开关管Q₅常关；第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第一电感L组成Buck电路，持续向间隙提供放电电流；

步骤三：在进入下一个放电周期前需要进行消电离，由FPGA控制器产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路后，控制第三开关管Q₃、第四开关管Q₄导通；第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第五开关管Q₅关断；间隙两端电压为零，进入电路消电离阶段，为下一周期的放电做准备；第二体二极管D₂、第一电感L、第四开关管Q₄形成续流回路，下一加工周期开始时电感电流将不为0，实现电路快速到达稳定状态；

步骤四：重复上述步骤一至步骤三，实现加工周期的循环。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明提供的一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源及其控制方法，采用的是高低压复合的形式，简化了电路结构，使得电源体积变小。

2.本发明提供的一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源及其控制方法，升压模式下可以提供间隙击穿所需要的高压，可通过两种方式实现，第一种方式是通过传统Boost模式实现升压；第二种方式是通过零电压开关实现升压。

3.本发明提供的一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源及其控制方法，消电离模式下间隙间的能量快速释放，同时电感中的电流通过开关管体二极管实现续流，在下一加工周期开始时电感电流将不为0，可使电路快速到达稳定状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统架构框图；

图2为本发明主电路拓扑图；

图3为本发明间隙电压、电感电流、间隙电流波形示意图；

图4为本发明电感电流检测电路图；

图5为本发明间隙电压检测电路图；

图6为本发明驱动芯片应用原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，包括直流输入电源、四开关Buck-Boost脉冲电源主电路、驱动电路、电流检测电路、电压检测电路、FPGA控制器，直流输入电源供给四开关Buck-Boost脉冲电源主电路；所述四开关Buck-Boost脉冲电源主电路输出直接接到间隙负载的两端，所述电压检测电路对间隙两端电压进行检测，所述电流检测电路对四开关Buck-Boost脉冲电源主电路中的电感电流进行检测，FPGA控制器将反馈的检测值通过运算后，输出多路PWM信号，经过驱动电路放大后驱动四开关Buck-Boost脉冲电源主电路的开关管，进而实现此脉冲电源的不同工作模式和目标功能。

作为一种具体的实施方式，所述四开关Buck-Boost脉冲电源主电路包括输入电容C_in、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、第一体二极管D₁、第二体二极管D₂、第三体二极管D₃、第四体二极管D₄、第五体二极管D₅、第一结电容C₁、第二结电容C₂、第三结电容C₃、第四结电容C₄、第五结电容C₅、第一电感L、升压输出电容C_f、升压输出电阻R_f，第一体二极管D₁和第一结电容C₁分别是第一开关管Q₁的寄生二极管和寄生电容，第二体二极管D₂和第二结电容C₂分别是第二开关管Q₂的寄生二极管和寄生电容，第三体二极管D₃和第三结电容C₃分别是第三开关管Q₃的寄生二极管和寄生电容，第四体二极管D₄和第四结电容C₄分别是第四开关管Q₄的寄生二极管和寄生电容，第五体二极管D₅和第五结电容C₅分别是第五开关管Q₅的寄生二极管和寄生电容；其中，输入电容C_in、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、第一体二极管D₁、第二体二极管D₂、第三体二极管D₃、第四体二极管D₄、第五体二极管D₅、第一结电容C₁、第二结电容C₂、第三结电容C₃、第四结电容C₄、第五结电容C₅、第一电感L、升压输出电容C_f、升压输出电阻R_f组成四开关Buck-Boost脉冲电源主电路；第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄的导通与关断控制电路运行的不同模态；第五开关管Q₅控制升压模式下输出负载支路的通断，所述四开关Buck-Boost脉冲电源主电路的一端通过第一开关管Q₁连接直流输入电源的正极和输入电容C_in的一端，四开关Buck-Boost脉冲电源主电路的另一端通过第五开关管Q₅连接间隙的一端，间隙的另一端连接主电路直流输入电源的负极和输入电容C_in的另一端。

作为一种具体的实施方式，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采用N沟道的增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管，本发明可选用Infineon公司的型号为IPP60R074C6的MOS管。

作为一种具体的实施方式，所述第一体二极管D₁、第二体二极管D₂、第三体二极管D₃、第四体二极管D₄、第五体二极管D₅是开关管的寄生二极管。

作为一种具体的实施方式，所述第一结电容C₁、第二结电容C₂、第三结电容C₃、第四结电容C₄、第五结电容C₅是开关管的寄生电容。

作为一种具体的实施方式，所述FPGA控制器采用FPGA控制芯片构成，本发明可选用ALTERA公司的芯片EP4CE15F23C8。

作为一种具体的实施方式，所述电流检测电路、电压检测电路分别通过电流霍尔传感器和电压差分采样电路来实现，并且都配备了调理电路，保证信号的精确和完整。本发明的电流霍尔传感器选用型号为ACS732的电流芯片，电感电流通过检测并调理后得到电流检测信号，间隙电压采用电阻分压的差分采样电路检测并调理后得到电压检测信号，电流、电压检测信号经过AD9226模块转换成数字量后传送给FPGA控制器。

作为一种具体的实施方式，所述驱动电路通过单通道隔离栅极驱动器实现，发明采用Infineon公司的单通道隔离栅极驱动器1ED3125MU12F。该驱动器通过无磁芯变压器实现隔离驱动功能，其最高驱动频率可达1MHz，驱动电流最高可达14A，隔离型驱动副边电源电压差高达40V。

一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源控制方法，用于上述权所述的一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，包括如下步骤：

步骤一：在间隙未被击穿之前，即引弧阶段，四开关Buck-Boost脉冲电源处于升压模式下，由FPGA控制器产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路后，控制第一开关管Q₁、第五开关管Q₅常开；第二开关管Q₂常关；第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第一电感L、升压输出电容C_f、升压输出电阻R_f组成Boost电路向间隙提供高压，等待间隙击穿；

步骤二：当间隙击穿后，形成放电通道，进入间隙放电期间，四开关Buck-Boost脉冲电源处于放电加工模式下，由FPGA控制器产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路后，控制第三开关管Q₃常开；第四开关管Q₄、第五开关管Q₅常关；第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第一电感L组成Buck电路，持续向间隙提供放电电流；

步骤三：在进入下一个放电周期前需要进行消电离，由FPGA控制器产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路后，控制第三开关管Q₃、第四开关管Q₄导通；第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第五开关管Q₅关断；间隙两端电压为零，进入电路消电离阶段，为下一周期的放电做准备；第二体二极管D₂、第一电感L、第四开关管Q₄形成续流回路，下一加工周期开始时电感电流将不为0，实现电路快速到达稳定状态；

步骤四：重复上述步骤一至步骤三，实现加工周期的循环。

作为一种具体的实施方式，在电火花加工的过程中，根据实际工况和加工模式的不同，可由FPGA控制器输出的多路PWM控制信号，经驱动电路后驱动相应开关管的导通和关断。针对电火花加工的间隙负载特性，在一个完整的加工周期中，通过对间隙电压检测和判断，实现升压模式和放电加工模式的切换；放电结束后，进入消电离模式，消电离期间电感电流不为0，使得电路在下一加工周期可以更快到达稳态的同时，也提高了能量的利用率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，其特征在于，包括直流输入电源、四开关Buck-Boost脉冲电源主电路、驱动电路、电流检测电路、电压检测电路、FPGA控制器，直流输入电源供给四开关Buck-Boost脉冲电源主电路；所述四开关Buck-Boost脉冲电源主电路输出直接接到间隙负载的两端，所述电压检测电路对间隙两端电压进行检测，所述电流检测电路对四开关Buck-Boost脉冲电源主电路中的电感电流进行检测，FPGA控制器将反馈的检测值通过运算后，输出多路PWM信号，经过驱动电路放大后驱动四开关Buck-Boost脉冲电源主电路的开关管。

2.根据权利要求1所述的四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，其特征在于，所述四开关Buck-Boost脉冲电源主电路包括输入电容C_in、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、第一体二极管D₁、第二体二极管D₂、第三体二极管D₃、第四体二极管D₄、第五体二极管D₅、第一结电容C₁、第二结电容C₂、第三结电容C₃、第四结电容C₄、第五结电容C₅、第一电感L、升压输出电容C_f、升压输出电阻R_f，第一体二极管D₁和第一结电容C₁分别是第一开关管Q₁的寄生二极管和寄生电容，第二体二极管D₂和第二结电容C₂分别是第二开关管Q₂的寄生二极管和寄生电容，第三体二极管D₃和第三结电容C₃分别是第三开关管Q₃的寄生二极管和寄生电容，第四体二极管D₄和第四结电容C₄分别是第四开关管Q₄的寄生二极管和寄生电容，第五体二极管D₅和第五结电容C₅分别是第五开关管Q₅的寄生二极管和寄生电容；其中，输入电容C_in、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、第一体二极管D₁、第二体二极管D₂、第三体二极管D₃、第四体二极管D₄、第五体二极管D₅、第一结电容C₁、第二结电容C₂、第三结电容C₃、第四结电容C₄、第五结电容C₅、第一电感L、升压输出电容C_f、升压输出电阻R_f组成四开关Buck-Boost脉冲电源主电路；第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄的导通与关断控制电路运行的不同模态；第五开关管Q₅控制升压模式下输出负载支路的通断，所述四开关Buck-Boost脉冲电源主电路的一端通过第一开关管Q₁连接直流输入电源的正极和输入电容C_in的一端，四开关Buck-Boost脉冲电源主电路的另一端通过第五开关管Q₅连接间隙的一端，间隙的另一端连接主电路直流输入电源的负极和输入电容C_in的另一端。

3.根据权利要求2所述的四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，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采用N沟道的增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管。

4.根据权利要求2所述的四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，其特征在于，所述第一体二极管D₁、第二体二极管D₂、第三体二极管D₃、第四体二极管D₄、第五体二极管D₅是开关管的寄生二极管。

5.根据权利要求2所述的四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，其特征在于，所述第一结电容C₁、第二结电容C₂、第三结电容C₃、第四结电容C₄、第五结电容C₅是开关管的寄生电容。

6.根据权利要求1所述的四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，其特征在于，所述FPGA控制器采用FPGA控制芯片构成。

7.根据权利要求1所述的四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，其特征在于，所述电流检测电路、电压检测电路分别通过电流霍尔传感器和电压差分采样电路来实现，并且都配备了调理电路。

8.根据权利要求1所述的四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，其特征在于，所述驱动电路通过单通道隔离栅极驱动器实现。

9.一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源控制方法，用于上述权利要求1-8所述的一种四开关Buck-Boost成形加工脉冲电源，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在间隙未被击穿之前，即引弧阶段，四开关Buck-Boost脉冲电源处于升压模式下，由FPGA控制器产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路后，控制第一开关管Q₁、第五开关管Q₅常开；第二开关管Q₂常关；第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第一电感L、升压输出电容C_f、升压输出电阻R_f组成Boost电路向间隙提供高压，等待间隙击穿；

步骤二：当间隙击穿后，形成放电通道，进入间隙放电期间，四开关Buck-Boost脉冲电源处于放电加工模式下，由FPGA控制器产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路后，控制第三开关管Q₃常开；第四开关管Q₄、第五开关管Q₅常关；第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第一电感L组成Buck电路，持续向间隙提供放电电流；

步骤三：在进入下一个放电周期前需要进行消电离，由FPGA控制器产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路后，控制第三开关管Q₃、第四开关管Q₄导通；第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第五开关管Q₅关断；间隙两端电压为零，进入电路消电离阶段，为下一周期的放电做准备；第二体二极管D₂、第一电感L、第四开关管Q₄形成续流回路，下一加工周期开始时电感电流将不为0，实现电路快速到达稳定状态；

步骤四：重复上述步骤一至步骤三，实现加工周期的循环。

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