CN1310411C - 用于微弧氧化的高频大功率多波形电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高频大功率多波形电源——用于微弧氧化的高频大功率多波形电源。它由直流电源(E1、E2)、功率开关(K1-K4)、隔离驱动电路(2-1～2-4)和单片机(3)组成，一号直流电源(E1)的正极连一号功率开关(K1)的集电极，(K1)的发射极连微弧氧化工作槽(1)的一端和二号功率开关(K2)的集电极，(1)的另一端连(K3)的发射极和(K4)的集电极，(K3)的集电极连二号直流电源(E2)的正极，(E2)的负极连四号功率开关(K4)的发射极、(K2)的发射极和(E1)的负极并接地，(3)通过隔离驱动电路控制功率开关，本发明采用了高频开关器件“绝缘栅双极晶体管”做为功率开关，摒弃了工频变压器，因此本发明的电源能耗低、效率高、体积小而且对电网无污染。
Description
技术领域
本发明属于供电电源，具体涉及高频大功率多波形电源。
背景技术
微弧氧化技术可处理铝、镁、钛、钽等阀金属表面，使其表面生成一层陶瓷膜。这种陶瓷膜具有耐磨、耐腐蚀、耐热冲击等特点，可广泛用于化工、机械、汽车、电子、航空航天等领域。此技术通过控制电参数和调节电解液成份来控制膜的组成结构及厚度。在实际工业应用中，国内外的大功率微弧氧化工艺电源普遍采用晶闸管整流式电源，为获得可靠的负阻特性和稳定的工作电流，还需要串入功率电阻；其能耗高、效率低、体积大、笨重、动态响应速度慢和控制性能差。另外，在实际生产中，对电源的电气隔离有着严格要求，因此电源一般都具有隔离变压器，其缺点是：(1)由于存在工频变压器，体积大，重量笨重。(2)电源的功率转换效率低，同时电源的谐波大、功率因数低，无功损耗大，对电网污染严重。(3)波形质量不高、响应较慢。(4)不能实现脉冲频率、脉冲占空比等电源参数的连续调节。最近，也有前级采用工频变压器对三相交流电进行升压，后级再采用由高频电力电子器件组成的电路拓扑，例如BUCK电路，对输出电压或者输出电流进行调节的电源。虽然能够应用于大功率场合，但由于具有工频变压器，工频变压器所固有的缺点依然存在。采用逆变技术是微弧氧化电源实现高效大功率和小型化的必然途径，也是提高其动态响应速度和控制性能的物质基础。但是目前采用逆变技术的开关电源的输出电压都比较低，达不到微弧氧化工艺需要高电压的要求，且基本是固定输出，不能宽范围连续调节，因此都无法满足微等离子氧化工艺的要求。
发明内容
为了克服现有的用于微弧氧化的电源存在能耗高、效率低、体积大以及输出波形不能宽范围连续调节的缺陷，提供一种效率高、体积小而且脉冲频率、脉冲占空比等电源参数可连续调节的高频大功率多波形电源。本发明是通过下述方案予以实现的，一种用于微弧氧化的高频大功率多波形电源，它由相同的两个直流电源、相同的四个功率开关、相同的四个隔离驱动电路和单片机3组成，第一功率开关K1至第四功率开关K4都是绝缘栅双极晶体管，第一直流电源E1的正极连第一功率开关K1的集电极，第一功率开关K1的发射极连微弧氧化工作槽1的一端和第二功率开关K2的集电极，微弧氧化工作槽1的另一端连第三功率开关K3的发射极和第四功率开关K4的集电极，第三功率开关K3的集电极连第二直流电源E2的正极，第二直流电源E2的负极连第四功率开关K4的发射极、第二功率开关K2的发射极和第一直流电源E1的负极并接地，第一功率开关K1至第四功率开关K4的栅极分别连接第一隔离驱动电路2-1至第四隔离驱动电路2-4的输出端，第一隔离驱动电路2-1至第四隔离驱动电路2-4的输入端分别连接在单片机3的四个输出端上。本发明的电源在工作中通过单片机3控制功率开关K1、K2、K3和K4，当功率开关K1、K4同时导通，K3、K2同时截止时，微弧氧化工作槽两端所承受的电压为直流电源E1的输出电压，本发明电源输出正向脉冲；当功率开关K3、K2同时导通，K1、K4同时截止时，微弧氧化工作槽1两端所承受的电压为直流电源E2的输出电压，此时本发明电源输出负向脉冲；当四支功率开关全部截止时，没有脉冲输出，微弧氧化工作槽1两端电压为零。因此，通过以单片机为核心构成的脉冲电源智能控制系统对K1～K4的控制，即可输出如图2、图3和图4所示的各种脉冲波形，并可对输出脉冲进行频率、占空比控制，以实现对本发明电源输出脉冲幅度、频率、占空比的连续调节。本发明采用了高频开关器件“绝缘栅双极晶体管”做为功率开关，能适应高频高压波形，摒弃了工频变压器，因此本发明的电源能耗低、效率高、体积小而且对电网无污染。本发明具有设计合理、工作可靠和具有较大推广价值的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图2、图3和图4是本发明输出的电压波形的示意图，图5是本发明实施方式二的结构示意图，图6是实施方式二中开关调整电路5-3的电路图，图7是实施方式三的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。它由相同的两个直流电源、相同的四个功率开关、相同的四个隔离驱动电路和单片机3组成，第一功率开关K1至第四功率开关K4都是绝缘栅双极晶体管，第一直流电源E1的正极连第一功率开关K1的集电极，第一功率开关K1的发射极连微弧氧化工作槽1的一端和第二功率开关K2的集电极，微弧氧化工作槽1的另一端连第三功率开关K3的发射极和第四功率开关K4的集电极，第三功率开关K3的集电极连第二直流电源E2的正极，第二直流电源E2的负极连第四功率开关K4的发射极、第二功率开关K2的发射极和第一直流电源E1的负极并接地，第一功率开关K1至第四功率开关K4的栅极分别连接第一隔离驱动电路2-1至第四隔离驱动电路2-4的输出端，第一隔离驱动电路2-1至第四隔离驱动电路2-4的输入端分别连接在单片机3的四个输出端上。单片机3选用普通单片机即可，K1、K2、K3和K4选用绝缘栅双极晶体管，隔离驱动电路选用型号为EXB841的芯片。
具体实施方式二：下面结合图5、图6具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是，第一直流电源E1和第二直流电源E2分别由EMI及整流电路5-1、功率因数校正电路5-2、开关调整电路5-3、整流滤波电路5-4和控制电路5-5组成，EMI及整流电路5-1的输入端接入交流电源，EMI及整流电路5-1的输出端连功率因数校正电路5-2的输入端，功率因数校正电路5-2的输出端连开关调整电路5-3的一个输入端，开关调整电路5-3的另一个输入端连控制电路5-5的输出端，开关调整电路5-3的输出端连整流滤波电路5-4的输入端，整流滤波电路5-4的一个输出端连控制电路5-5的输入端，整流滤波电路5-4的另一个输出端输出直流电。交流电经EMI(抑制电磁干扰电路，属于现有技术)处理和整流及功率因数校正后，再经开关调整电路5-3调整、变换后，接着整流滤波加到功率开关K1至K4上，以备输出到微弧氧化工作槽。开关调整电路5-3由相同的四个功率开关、十二个具有高频快恢复性能的二极管、电感线圈L、电容C和包含四个线圈的变压器T组成，正极输入端A连三号功率开关S3的集电极、四号二极管D4的负极、一号功率开关S1的集电极和二号二极管D2的负极，三号功率开关S3的发射极连三号二极管D3的负极和四号线圈T4的非同名端，四号线圈T4的同名端连四号二极管D4的正极和四号功率开关S4的集电极，四号功率开关S4的发射极连负极输入端B、三号二极管D3的正极、一号二极管D1的正极和二号功率开关S2的发射极，一号功率开关S1的发射极连一号二极管D1的负极和三号线圈T3的同名端，三号线圈T3的非同名端连二号二极管D2的正极和二号功率开关S2的集电极，正极输出端E连电容C的正极、电感线圈L的一端，电感线圈L的另一端连六号二极管D6的负极和五号二极管D5的负极，五号二极管D5的正极连一号线圈T1的同名端和七号二极管D7的负极，一号线圈T1的非同名端连六号二极管D6的正极和八号二极管D8的负极，七号二极管D7的正极连八号二极管D8的正极、十号二极管D10的负极和九号二极管D9的负极，九号二极管D9的正极连二号线圈T2的同名端和十一号二极管D11的负极，二号线圈T2的非同名端连十号二极管D10的正极和十二号二极管D12的负极，十二号二极管D12的正极连十一号二极管D11的正极、电容C的负极和负极输出端F，一号功率开关S1至四号功率开关S4的栅极分别连接在控制电路5-5的四个输出端上。变压器T是高频变压器，功率开关S1-S4都是绝缘栅双极晶体管，A与B之间连接功率因数校正电路5-2，E与F之间连接整流滤波电路5-4，功率开关S1和S2同时导通和关断，S3和S4同时导通和关断。为得到高电压输出，设计了高频变压器副边采用两个绕组经整流后，再串联的拓扑方式，使输出整流二极管承受的电压受到高频变压器副边绕组的箝制，这样在利用普通大功率二极管获得高电压输出的同时，降低了每支二极管上的电压应力、又不需要采取串联均压措施，提高了电源工作的可靠性；与全桥变换器或半桥变换器相比，图6电路中的每一个桥臂都是由一个二极管与一个开关管串联组成的，不存在桥臂直通的问题，并降低了每支开关管的电压应力、可靠性高。通过在开关调整电路中采取以上措施，实现了电源输出高电压、大功率的目的。
具体实施方式三：下面结合图7具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是，控制电路5-5由PWM控制与频率调节实现电路5-5-1、相同的两个最小和最大脉宽限制电路5-5-2和相同的两个隔离驱动电路5-5-3组成，PWM控制与频率调节实现电路5-5-1由三个集成运算放大器、型号为UC3825的PWM集成控制芯片U1、九个电阻、二个电位器、三个电容、三极管Q1和五十一号二极管D51组成，六号电阻R6的一端连整流滤波电路5-4的输出端，六号电阻R6的另一端连二号电容C2的一端、七号电阻R7的一端和一号集成运算放大器A1的反相输入端，七号电阻R7的另一端连三号电容C3的一端，三号电容C3的另一端连二号电容C2的另一端、八号电阻R8的一端和一号集成运算放大器A1的输出端，八号电阻R8的另一端连九号电阻R9的一端和PWM集成控制芯片U1的脚3，九号电阻R9的另一端接地，一号集成运算放大器A1的同相输入端连五号电阻R5的一端、二号电位器P2的一端和二号集成运算放大器A2的同相输入端，五号电阻R5的另一端连电源UD，二号电位器P2的另一端连二号电位器P2的滑动触头和四号电阻R4的一端，四号电阻R4的另一端接地，二号集成运算放大器A2的反相输入端连五十一号二极管D51的负极和二号集成运算放大器A2的输出端，五十一号二极管D51的正极连三号电阻R3的一端、十号电阻R10的一端和二号电阻R2的一端，三号电阻R3的另一端连电源UD，十号电阻R10的另一端连三号集成运算放大器A3的同相输入端，二号电阻R2的另一端接地，三号集成运算放大器A3的反相输入端连三极管Q1的发射极和一号电位器P1的一端，三号集成运算放大器A3的输出端连三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极连PWM集成控制芯片U1的脚5，一号电位器P1的另一端连接其滑动触头和一号电容C1的一端并接地，一号电容C1的另一端连PWM集成控制芯片U1的脚6。由于本发明的电源的输出电压是连续可调的，因此与之相对应的振荡频率在某一范围内也必须是连续可调的。图7中，A1构成电压环误差放大器，输出电压调节是通过调节电位器P2实现的，U反为从整流滤波电路5-4反馈回来的输出电压。当输出电压大于某个值时，由于D51负极处的U变电压比D51正极处的UT电压高，D51截止，因此UT值是恒定的，此时集成控制芯片的振荡频率是固定不变的，对电源进行PWM(周期不变而调节每周期的脉冲宽度)控制；在低电压输出时，D51导通，不同的P2阻值，对应着不同U变、UT值，即改变了流过C1的充电电流IP1。可见，一旦P1的值整定之后，IP1的值将与UT成严格的线性关系，因此流过P1的电流给定，振荡频率也就可以确定，也就是说振荡频率随着U变变化，此时电源是PWM控制与频率调节相结合的控制策略。最小和最大脉宽限制电路5-5-2由555时基电路芯片U2、二个电阻和三个电容组成，555时基电路芯片U2的脚2连五十一号电阻R51的一端和PWM集成控制芯片U1的脚11，555时基电路芯片U2的脚1连五十三号电容C53的一端和五十二号电容C52的一端并接地，五十三号电容C53的另一端接555时基电路芯片U2的脚5，五十二号电容C52的另一端连555时基电路芯片U2的脚6、脚7和五十二号电阻R52的一端，五十二号电阻R52的另一端连555时基电路芯片U2的脚8和五十一号电容C51的一端，五十一号电容C51的另一端连555时基电路芯片U2的脚4和五十一号电阻R51的另一端，555时基电路芯片U2的脚3连隔离驱动电路5-5-3的输入端；隔离驱动电路5-5-3由型号为EXB841的芯片组成，隔离驱动电路5-5-3的二个输出端分别连开关调整电路5-3的二个输入端。由于采用PWM控制与频率调节相结合的控制策略，所以必须进行最小脉宽限制和最大脉宽限制。当控制芯片输出正常的高电平脉冲时，电源VCC开始对C51进行充电。当C51充电到4脚为低电位促使555输出从高电平向低电平翻转时，即使是Vpulse-in继续为低电平，也不能使Vpulse-out为高电平。当Vpulse-in为高电平时，Vpulse-in为电容C51进行放电。这样当下一个脉冲来时，由于C51两端有一个固定的低电压，C51又可以进行充电了，这样可使每次充放电的时间达到一致，这样就实现了最大脉宽限制。而最小脉宽限制是当Vpulse-in的低电压脉宽小于由R52和C52决定的7脚电压从低电压充电到3脚输出翻转的时间常数时，脉宽由后者决定。当然要是前者大于后者时，后者不起作用，时间则由前者决定。
Claims (2)
1、一种用于微弧氧化的高频大功率多波形电源，其特征是它由相同的两个直流电源、相同的四个功率开关、相同的四个隔离驱动电路和单片机(3)组成，第一功率开关(K1)至第四功率开关(K4)都是绝缘栅双极晶体管，第一直流电源(E1)的正极连第一功率开关(K1)的集电极，第一功率开关(K1)的发射极连微弧氧化工作槽(1)的一端和第二功率开关(K2)的集电极，微弧氧化工作槽(1)的另一端连第三功率开关(K3)的发射极和第四功率开关(K4)的集电极，第三功率开关(K3)的集电极连第二直流电源(E2)的正极，第二直流电源(E2)的负极连第四功率开关(K4)的发射极、第二功率开关(K2)的发射极和第一直流电源(E1)的负极并接地，第一功率开关(K1)至第四功率开关(K4)的栅极分别连接第一隔离驱动电路(2-1)至第四隔离驱动电路(2-4)的输出端，第一隔离驱动电路(2-1)至第四隔离驱动电路(2-4)的输入端分别连接在单片机(3)的四个输出端上。
2、根据权利要求1所述的用于微弧氧化的高频大功率多波形电源，其特征是第一直流电源(E1)和第二直流电源(E2)分别由EMI及整流电路(5-1)、功率因数校正电路(5-2)、开关调整电路(5-3)、整流滤波电路(5-4)和控制电路(5-5)组成，EMI及整流电路(5-1)的输入端接入交流电源，EMI及整流电路(5-1)的输出端连功率因数校正电路(5-2)的输入端，功率因数校正电路(5-2)的输出端连开关调整电路(5-3)的一个输入端，开关调整电路(5-3)的另一个输入端连控制电路(5-5)的输出端，开关调整电路(5-3)的输出端连整流滤波电路(5-4)的输入端，整流滤波电路(5-4)的一个输出端连控制电路(5-5)的输入端，整流滤波电路(5-4)的另一个输出端输出直流电。
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