EDT高頻脈沖電源設(shè)計(jì)及電路分析

陳 波，李 俊

CHEN Bo, LI Jun

（南京工業(yè)大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，南京 211816）

0 引言

隨著工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展，人們對冷軋薄板質(zhì)量的要求進(jìn)一步提高，由于電火花毛化（Electro-Discharge Texturing，簡稱EDT）具有可控性好，范圍寬的粗糙度，密度高的峰值等優(yōu)點(diǎn)[1]使得EDT在生產(chǎn)高附加值的冷軋薄板起著重要的作用，EDT脈沖電源是影響毛化結(jié)果的重要因素，其中大功率器件的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，故對其電路的設(shè)計(jì)研究有著重要的現(xiàn)實(shí)作用。

1 EDT工作原理

EDT是將一定幅值和頻率的脈沖電壓施加的軋輥和電極之上，在絕緣的工作液中進(jìn)行電極火花放電。放電間隙距離由伺服模塊控制，隨著電極間隙小到一定值時，電場強(qiáng)度變大，使工作液介質(zhì)發(fā)生電離、擊穿。放電通道產(chǎn)生后，粒子的電能轉(zhuǎn)化為動能，由于大量粒子的相互撞擊動能瞬間轉(zhuǎn)化為熱能， 軋輥表面的金屬氣化，氣泡不斷膨脹爆裂使金屬拋出進(jìn)入工作液，產(chǎn)生電蝕坑。往復(fù)循環(huán)以及軋輥?zhàn)陨淼倪\(yùn)動最終形成一定的表面粗糙度和峰值數(shù)的電蝕坑組成的毛化表面，過程如圖1所示[2]。

圖1 毛化過程

2 基于電火花加工脈沖電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 EDT系統(tǒng)高頻脈沖電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原理圖如圖2所示。PLC上位機(jī)控制整個EDT系統(tǒng)，對信號進(jìn)行編碼，把信號發(fā)送至脈沖電源控制板，主要參數(shù)為Ton和Toff。脈沖電源控制板將PLC上位機(jī)發(fā)送的編碼信號進(jìn)行解碼，通過光纖將解碼驅(qū)動信號發(fā)送到每個電源的脈沖電源驅(qū)動板，這樣就可以通過改變脈沖電壓信號的周期和占空比來調(diào)節(jié)脈沖電流的通斷時間，同時脈沖電源控制板將接受到的脈沖電源驅(qū)動板的狀態(tài)信號以編碼的形式上傳給PLC上位機(jī)。脈沖電源驅(qū)動板主要包括了器件的互鎖以及工作模式的使能，通過將接受到的解碼驅(qū)動信號經(jīng)過適當(dāng)調(diào)理后控制繼電器的開斷來進(jìn)行模式選擇和電流等級選擇，同時驅(qū)動MOSFET功率器件等得到高頻脈沖電源[3]。

圖2 EDT系統(tǒng)高頻脈沖電源原理圖

2.2 脈沖電源發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

脈沖電源發(fā)生器的拓?fù)涫且訫OSFET為主要功率器件的BUCK斬波電路，如圖3所示。左邊一路為點(diǎn)火回路，提供較高的電壓值為250V，用于擊穿電極與軋輥之間的以煤油為介質(zhì)的電介層，使得電極導(dǎo)電，當(dāng)電解質(zhì)液擊穿后迅速斷開250V電壓，脈沖模式時右邊的功率回路使用50V毛化電源，提供毛化時所需要的正常電壓，由前面電火花的毛化物理化學(xué)過程可知，如此設(shè)計(jì)不但減少電解質(zhì)液的擊穿時間，而且節(jié)約了能源，提高脈沖電流工作效率，確保電火花工作的穩(wěn)當(dāng)狀態(tài)。通過邏輯板控制電流選擇信號的繼電器，選擇不同的編程電阻回路組合，根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇不同的電流等級，圖3中兩回路中均有可編程電阻,R1到R3用于選擇點(diǎn)火時4種不同的電流等級, R1到R10用于選擇正常毛化時所需的8種不同等級的電流[4]。電容模式下時右邊回路加100V電壓值，經(jīng)過RC回路充電，即通過對可編程電容網(wǎng)絡(luò)(CAPBANK) 充電，如圖4所示，電容網(wǎng)絡(luò)C9到C17為不同幅值的回路，采用威馬電容，兩端與電極相連接，通過邏輯板的信號控制各個回路的繼電器來選擇回路實(shí)現(xiàn)不同的電流等級選擇，滿足不同工藝的毛化電流需求。電路中，使用電阻R001到R005和電容C2到C8以及快速二極管D12到D16組成MOSFET續(xù)流回路,防止電流沖擊保護(hù)MOSFET的安全，在管子兩端并聯(lián)兩個穩(wěn)壓管D1到D10，在斷電后確保不帶電，電阻R11投切到電極兩端進(jìn)行泄量保護(hù)電極壽命。

在脈沖電源發(fā)生器的前一級電路，由三相380V交流電經(jīng)過降壓變壓器T1轉(zhuǎn)變成250V直流電提供給點(diǎn)火回路使用，經(jīng)過T2轉(zhuǎn)變?yōu)?0V或者100V直流電供給功率回路使用，如圖5所示，該變壓器電路提供高壓和低壓兩路不同電壓分別對應(yīng)點(diǎn)火回路和功率回路。為了獲得較為精確的直流電壓，防止供電電源波動較大，在變壓器的二次側(cè)使用多個分接頭。通過三相橋式二極管整流提供脈沖電源發(fā)生器輸入電源，為了抑制在系統(tǒng)上電的時較大的充電電流對直流儲能電容的沖擊，在直流側(cè)使用采用電阻和晶閘管并聯(lián)組成的軟充電回路，充電10s后切換至晶閘管充電。

圖4 脈沖電源電容網(wǎng)絡(luò)(CAP-BANK)

圖5 整流回路原理圖

3 功率器件及其驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

為了脈沖電源可靠工作，選取合適的功率開關(guān)器件尤為關(guān)鍵。在此電路中開關(guān)管承受峰值電壓250V，取1.5倍的裕量，耐壓值應(yīng)該在375V以上。開關(guān)管承受的最大電流4.5A，取2倍的裕量，電流應(yīng)該在9A以上。Ton≥3μs，Toff≥3μs，為考慮設(shè)計(jì)裕度，器件最高開關(guān)頻率設(shè)定為200kHz，綜合考慮選用IR公司的IRFP460 MOSFET，其耐壓值500V，最大通過電流18A。MOSFET是壓控型器件，其觸發(fā)脈沖要求較快的上升沿和下降沿，針對本電源，其驅(qū)動電路選用IR2112芯片。

IR2112用于直接驅(qū)動電路的芯片用于電路中，主要有以下特點(diǎn)。

1）高壓、高速推挽驅(qū)動能力，自舉工作方式。

2）耐壓值達(dá)到500V，門極驅(qū)動電壓10到20V。

3）CMOS制造工藝，具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道。

4）邏輯電源地與功率地之間有百分之五的偏移量，工作頻率可達(dá)500kHz。

5）開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns。

該MOSFET驅(qū)動電路原理圖如圖6所示。IR2112具有雙通道,本能次設(shè)計(jì)采用高端通道。其中C1,D2分別為自舉電容和自舉二極管[5]，通過自舉電容C1的充放電實(shí)現(xiàn)MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)斷，自舉二極管D2為耐高壓的反向漏電流小的超快恢復(fù)二極管,減少電荷損失，本電源的MOSFET工作頻率較高，在靠近柵極處串聯(lián)一個小電阻R1，為了抑制寄生振蕩，在柵極和源極間并聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管D1和一個電阻R2組成緩沖電路,防止柵極電壓超過限制，保護(hù)器件安全。

圖6 IR2112高頻功率MOSFET驅(qū)動電路

4 電路仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證電路的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，對電路進(jìn)行仿真，使用proteus軟件，Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺。對驅(qū)動信號頻率為100K，200K觸發(fā)信號進(jìn)行了仿真，參數(shù)選擇如下，C1=0.47uf，R1=15Ω，R2=10K，R3=10K，IR2112芯片供電15V，漏源極電壓250V，R3模擬電極兩端波形，仿真波形如圖7、圖8所示，下面的紅色線為給定的脈沖信號，上面的信號為MOSFET導(dǎo)通后兩端的電壓波形，即電極波形，符合脈沖電源的設(shè)計(jì)效果。

圖7 100K仿真波形

圖8 200K仿真波形

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的電火花加工脈沖電源部分，該電路可靠、簡潔、實(shí)用，能夠滿足在實(shí)際毛化中對表面粗糙度和峰值密度指標(biāo)的要求，采用多模式加工方法，實(shí)現(xiàn)了對不同工藝等級的毛化結(jié)果。驅(qū)動電路采用IR2112高頻驅(qū)動芯片，對高頻信號進(jìn)行放大驅(qū)動高功率MOSFET，能實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工和減少損耗，符合節(jié)能優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

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