全數字控制大功率高頻微弧氧化電源*

杜貴平 向鍔 張薇琳

(1.華南理工大學電力學院，廣東廣州510640;2.廣州電器科學研究院，廣東廣州510300)

微弧氧化或微等離子體表面陶瓷化技術，是指在普通陽極氧化的基礎上，利用弧光放電增強并激活在陽極上發生的反應，從而在以鋁、鈦、鎂金屬及其合金為材料的工件表面形成優質的強化陶瓷膜的方法.通過專用的微弧氧化電源在工件上施加電壓，使工件表面的金屬與電解質溶液相互作用，在工件表面形成微弧放電，在高溫、電場等因素的作用下，金屬表面形成陶瓷膜，達到工件表面強化的目的［1-3］.

目前國內外微弧氧化脈沖電源主要有三大類:第一類是陰陽極分別獨立調壓式電源;第二類是兩級斬波式電源;第三類是兩級逆變式電源［3］.第一類電源是由兩組獨立電源交替工作達到正負脈沖輸出，電源成本高、體積龐大.第二類電源通過第一級斬波調壓、第二級全橋斬波實現換向得到交流脈沖輸出，兩級都處于硬開關模式工作，工作效率較低.第三類電源第一級都是采用高頻軟開關工作，提高電源效率，但是第二級采用硬開關斬波，有一定開關損耗，降低電源效率而且后級高壓斬波對開關器件要求苛刻［4-10］.為此，文中提出了一種新型低成本、體積小的采用高頻逆變的高效率脈沖電源方案并進行了實驗研究.

1 電源系統結構

電源由功率電路及控制電路兩部分組成，系統結構如圖1所示.

圖1 電源系統結構圖Fig.1 Block diagram of power supply system

功率電路主要由三相整流及濾波電路、全橋逆變、高頻變壓、高頻整流、低頻換向及濾波輸出電路6部分組成.工作時電網三相電源由整流濾波電路整流成直流，經第一級PWM(Pulse Width Modulation)逆變成高頻交流電壓輸入高頻變壓器變壓，通過快速恢復二極管變成高頻直流窄脈沖電壓，再經第二級PWM換向及濾波得到設定的直流或交流方波輸出.控制電路主要是由AD(Analog Digital)采集部分、PWM控制驅動部分及鍵盤、液晶顯示部分組成.電源開始工作時，通過鍵盤和人機交互液晶界面設定工作參數，起動電源，AD采集輸出電壓及電流反饋來控制兩組PWM，從而調節系統輸出以達到預期要求.

2 功率電路設計

功率電路主要由三相整流及濾波電路、全橋逆變、高頻變壓、高頻整流、低頻換向及濾波輸出電路等6部分組成，如圖2所示.

圖2 功率電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the power circuit

2.1 全橋逆變電路設計

全橋逆變電路由Q1－Q4 4個IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)組成，是電源功率電路的主要組成部分，在電路中的作用是變頻功率傳輸、電壓及電流控制，直接影響系統的轉換效率和控制精度.全橋逆變電路采用了有限雙極性控制方法，這種方法相對現在應用廣泛的移相全橋控制的優點在于可以在較寬功率范圍內實現軟開關控制，而且對開通時間控制沒有苛刻要求，便于控制.適合于微弧氧化電源這種輸出波形多變、功率輸出不固定的特殊電源，可以使電源在較大功率范圍內高效工作.

有限雙極性的控制方法是在超前橋臂上通過對IGBT的并聯電容C3和C4充放電時間與超前橋路的死區配置得到合適的軟開關控制時間，在滯后橋臂上是通過飽和電感L2的阻斷時間來實現零電流開通.設計時要根據電源輸出功率的范圍及PWM頻率合理選取電容及電感參數，并在實際調試時微調和驗證軟開關的工作狀況.

2.2 全橋換向電路設計

第二級PWM即全橋換向電路，在系統中的作用就是正負脈沖輸出的換向，從電源的高頻變壓器輸出一串連續的高頻窄脈沖，通過換向電路轉變為不同極性的脈沖串，再通過后級的低通電感電容(LC)濾波得到相應的低頻脈沖輸出.這級PWM由 4個IGBT管Q5－Q8組成，正向輸出時Q5和Q8導通，Q6和Q7截止;負向輸出時，Q6和Q7導通，Q5和Q8截止.由于換向全橋處于LC濾波電路的前面，所以當第一級高頻PWM關斷時，換向電路前級基本無能量傳輸，換向電路可以方便地實現軟開關的開通關閉，使第二級PWM變換也工作在軟開關狀態，從而使系統在最大程度上提高工作效率.

2.3 濾波電路設計

功率電路中有兩級濾波網絡.首先是在三相輸入整流后的工頻濾波，主波動頻率固定，濾波輸出為直流，濾波回路較易設計.第二級濾波輸出設計在第二級PWM輸出后，直接影響電源的輸出特性，要考慮電源輸出頻率與第一級PWM逆變頻率的相互影響，采用LC二階濾波回路.若設計時，LC濾波器的轉折頻率遠低于PWM頻率，濾波效果較好.但是考慮到微弧氧化電源的脈沖輸出特性，不能將LC濾波得太低.轉折頻率選取過高，輸出脈沖的邊沿效果好，脈沖的直流段則有較大的波紋;轉折頻率選取過低，濾波效果好，脈沖直流段紋波小，但脈沖輸出邊緣很差，甚至會出現三角波輸出.所以LC回路的轉折頻率要根據實際輸出要求初步計算LC取值范圍，匹配好第一級PWM的工作頻率.

2.4 控制電路設計

電源控制部分的控制器采用TI公司的電力電子專用DSP數字處理芯片TMS320LF2407A，運算速度達40MIPS，12路PWM輸出，16路A/D輸入，滿足電源控制要求，控制系統框圖如圖3所示.

在電源中使用了8路PWM輸出，其中4路作為第一級PWM逆變全橋驅動，頻率較高，另外4路作為換向控制輸出，頻率為0～1 kHz.控制系統通過A/D轉換，得到輸出的電壓、電流反饋值，在有限時間內經過與設定值比較計算得出PWM輸出.同時，控制系統還要監控相應的電源安全運行，例如超溫、限壓、限流及PWM驅動輸出死區保護等.另外，電源還設計了液晶及鍵盤人機接口電路，方便顯示電源的各種工作狀況及設定電源的各種輸出模式，適合現場操作控制.

3 系統軟件設計

電源系統軟件包括DSP主程序、各模塊驅動程序及控制算法程序.系統主程序主要完成系統上電初始化、內存分配、CPU模塊配置等工作.模塊驅動程序完成各種顯示、鍵盤操作等工作.控制算法軟件是電源軟件中的關鍵部分，控制輸出達到要求的脈沖電壓或電流，上升沿和下降沿迅速變換，盡快進入恒壓或恒流輸出.為了達到好的控制效果，在控制軟件中對邊沿段和平穩段采取了不同的控制方法及參數，以求在各段都能達到最好的脈沖輸出波形［11-14］，控制算法的流程圖如圖4所示.

圖4 控制算法流程圖Fig.4 Flow chart of control algorithm

4 實驗研究

在系統設計的基礎上，研制了60 kW的電源樣機，并進行了實驗研究.經過長時間測試試驗，電源動態響應性能良好，系統輸出波形的幅值、頻率、占空比、脈沖個數等參數能夠任意調節.在使用現場，可方便地根據工藝要求設置不同的電壓、電流輸出，滿足工藝使用要求，達到預期設計要求.圖5給出了電源雙極性多脈沖輸出及單極性多脈沖輸出的波形圖.

圖5 雙、單極性多脈沖輸出的波形Fig.5 Waveforms of bipolar and single-polarity multiple pulse outputs

5 結語

文中介紹了基于全數字化控制雙級變換的智能脈沖式電源的原理及設計與實驗過程.該新型電源可輸出多種特性波形，響應速度快，滿足微弧氧化工藝需求;在設計上采用了高頻軟開關技術，電源功率密度顯著提高，降低了能源損耗和生產成本.特別是在較低電壓應用場合(低于400 V)，可以去掉升壓變壓器、高頻整流電路及第二級PWM換向電路，從而減小電源體積及成本.

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