基于RC延時斬波原理的脈沖電源設計

褚旭陽，胡志鵬，許世明

（廈門大學 物理與機電工程學院，福建 廈門 361005）

基于RC延時斬波原理的脈沖電源設計

褚旭陽，胡志鵬，許世明

（廈門大學 物理與機電工程學院，福建 廈門 361005）

文中提出了一種新型的微細電火花加工脈沖電源。該脈沖電源采用數字電位器及電容組成RC延時電路,利用MOSFET作為開關管，通過RC延時電路對上下兩路MOSFET的驅動信號進行延時，從而使上下兩路MOSFET先后開通，以斬波的方式獲得脈沖，脈寬可以達到納秒級。

脈沖電源；納秒級；RC延時斬波；微細電火花

脈沖電源作為微細電火花加工機床的主要組成部分,把工頻交流電轉換成一定頻率的單向脈沖,為擊穿加工介質提供所需要的電壓,并在間隙擊穿后提供能量用于蝕除金屬。它是影響加工工藝指標關鍵的設備之一,其性能的優劣直接影響放電加工的速度、精度、穩定性、工件表面粗糙度以及電極耐加工性,同時它也是產品升級換代的標志。

1 微細電火花加工脈沖電源研究現狀與發展

依據工作原理和所用的主要元件、脈沖波形等,電火花加工用脈沖電源可分為多種類型。按照間隙狀態對脈沖參數的影響分類,可分為非獨立式RC脈沖電源和獨立式晶體管脈沖電源兩類。RC式脈沖雖然可以達到很小的放電能量,但是電能利用效率很低、生產效率低,并且由于電源本身不獨立。在形成放電脈沖時,放電頻率、寬度、單個脈沖能量等都不穩定。放電過程中脈沖能量不可控,會影響工件加工的表面質量。

因此目前學者們的研究更傾向于獨立式晶體管脈沖電源。晶體管脈沖電源原理圖如圖1所示,主振級提供一定脈沖寬度和停歇時間的矩形脈沖信號,再經放大級放大,最后驅動末級功率晶體管開通或截止。末級晶體管起到開關作用。當晶體管導通時,直流電源電壓 U加在加工間隙上,擊穿工作液進行火花放電。當晶體管截止時,放電結束,間隙消電離,準備下一脈沖的到來。

圖1 晶體管脈沖電源Fig.1 The transistor pulse generator

為了使晶體管脈沖電源能夠應用于微細電火花加工,國內外有不少學者進行了進一步研究,研制了納秒級脈沖電源,并且在電源中加入了一些檢測控制模塊,使電源更智能化[1]。此外,哈工大張勇博士研制了一種以一個微處理計算機為核心的微能脈沖電源。該電路利用CPLD產生邏輯脈沖,信號經過放大后驅動功率 MOSFET開關管,由于采用高速高集成器件,減了電路之間的延時,使信號源脈寬得到很大程度上的減小。但由于功率器件的限制,后級的輸出無法跟上信號源的變化,所以存在延時問題[2]。

南京航空航天大學研制的微能脈沖電源,主振級能夠輸出穩定的0.1 μs數量級的時鐘信號。功率放大級采用互補型低輸入阻抗前置放大電路來驅動MOSFET,能夠提供足夠的充電電流和快速放電回路從而顯著縮短脈沖波形的前沿和后沿時間。試驗證明,該電源的最小脈沖寬度可以達到 0.1 μs以下,峰值電流 0.2～1.2 A可調,加工出的微細軸達到φ20 μm×200 μm,加工出的微細孔達到φ25 μm×150 μm[3]。

在日本農業科技大學做研究的韓福柱開發了一種基于高頻電流傳感器微能脈沖電源,該電源使用等脈沖模式,將電流脈寬可以控制在30 ns。由于矩形波脈沖每次放電電流幅值基本相同,則意味著每個脈沖放電電流持續時間相等[4]。檢測電路使用了一種電流感應器,它的響應頻率高達 2 GHz,輸出為電壓低于 5 V,可以直接用來接入脈沖控制電路,免去了傳統的脈沖電源檢測電路中存在的分壓和隔離等環節,使得電路簡化并且反饋的電路延遲很小。對試驗進行對比,相同加工參數下該電源比RC電源加工明顯提高了微細軸表面粗糙度。雖然此電路獲得超短脈寬,但是其中一個關鍵因素是采用超高頻率響應的電流傳感器,其昂貴的價格也是限制其推廣的因素[5]。

2 脈沖電源設計

2.1 原 理

目前,學者采用的獨立式晶體管脈沖電源還存在一定的問題。首先,MOSFET關斷不夠迅速,有延遲,脈沖寬度無法得到進一步的縮小。其次,需要運用高頻的控制芯片來產生主振信號,因此電源的制作成本普遍較高。針對上述的兩個問題,本文提出了一種應用單片機作為主控,基于RC延時斬波原理的脈沖電源。該脈沖電源脈沖波形由上下兩路MOSFET斬波形成。上下兩路由單片機的同一個I/O口進行控制,每一路串接一個RC延時電路,I/O口產生的脈沖信號,經過兩個RC延時電路后,產生時間差,利用這個時間差,使上下兩路MOSFET的先后開通,從而獲得脈沖波形。電路原理示意如圖2所示。

圖2 基于RC延時斬波原理的脈沖電源電路示意圖Fig.2 Diagram of the circuit of the pulse power supply based on RC delay chopping principle

該電源脈沖的產生是通過上下兩路MOSFET的開通,以斬波的方式完成的。由于MOSFET的開通時間會比關斷時間快很多,所以間隙電壓卸載時的延時問題會有很大程度的改善,響應速度很快。脈沖電源的主控采用普通單片機,通過數字電位器和多路選通器,可以實現RC延時電路中的電阻值的改變和不同電容的切換,從而控制脈沖寬度,實現脈寬連續可調。整個電路采用普通低速器件,也可實現納秒級的脈寬。

2.2 電源的組成

本脈沖電源主要由3部分組成,包括RC延時模塊電路、隔離驅動電路和放電主回路。

RC延時模塊的延時原理如圖3所示。利用電容器充電延時的原理,將控制脈沖進行適當的延時。該電源的RC延時模塊的電路如圖4所示,該模塊由數字電位器X9C102,多路選通器CD4051,和多個不同容值的電容C0-C7組成(C0-C7的電容值分別在100 pF～1 μF之間)。單片機通過IO_1,2,3控制數字電位器的輸出阻值,通過IO_4,5,6控制多路選通器的選通不同的電容。控制脈沖由IO_0發出,通過RC延時電路延時后再進下一級電路。

圖3 RC充電原理示意圖Fig.3 Diagram of the RC charging circuit

圖4 RC延時模塊電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of the RC delay module

為了方便計算,近似的認為RC電路充電達到90%能夠驅動光耦,而充電達到90%的時間T≈2.3*R*C。數字電位器X9C102的可調范圍是40 Ω～1 kΩ,最小變化量是10.1 Ω,若選擇C0(100 pF),則最小時間變化量是2.3 ns,即上下兩路最小的時間差為2.3 ns,若選擇C7(1 μF),則最小時間變化量是23 μs。一般加工的脈沖脈間寬度是幾十納秒至幾十微秒不等,所以需要上位機軟件在用戶設置好脈間之后,計算出數字電位器的電阻值和應該選擇的電容,傳給單片機。

隔離驅動電路原理圖如圖5所示。由于單片機輸出的脈沖信號與后級驅動電路電平不匹配,并且后級的模擬電路也會對數字電路產生干擾,降低電源的穩定性,所以需要隔離。隔離部分是采用高速光耦6N137,轉換速率高達10 M,滿足隔離要求。NPN三極管8050,特征頻率150 MHz,這里的主要作用是解決6N137和TPS2812的阻抗不匹配問題 (阻抗不匹配會導致波形畸變)。MOSFET驅動器采用TPS2812,峰值驅動電流可達2 A,最大上升/下降時間25 ns,能夠使MOSFET快速的開通和關斷。

放電主回路如圖6所示。電源正負極依次串接限流電阻和上下兩路 MOSFET的源極和漏極,放電間隙與下路MOSFET的源極和漏極并聯,利用兩個MOSFET的開通時間差,以斬波的方式獲得納秒級脈沖[6]。這里的限流電阻選用的是大功率的無感繞線電阻,MOSFET選用的是IRF840,Vds源漏級最大電壓能夠達到500 V,ID最大連續電流為8 A,上升時間15 ns,開通延遲時間35 ns,能夠滿足微細電火花加工對電壓和電流的要求。

圖5 隔離驅動電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of the isolated driver circuit

圖6 主回路示意圖Fig.6 Diagram of the primary loop

雖然按照理論設計,電源的理論脈沖寬度能達到幾十納秒。但是由于電路板的布線干擾及元器件的差異,電源的脈寬范圍為500 ns～1 ms,最小脈間50 μs,最大電壓500 V,最大電流8 A。

3 加工實驗

采用該脈沖電源,在煤油中進行了電火花加工實驗。實驗采用的電極為黃銅,工件材料為鈦合金。

實驗中采用的脈沖寬度為500 ns,電壓為100 V,電流為500 mA,單次放電的波形如圖7所示,圖中的兩個波形分別反映了間隙電流和間隙電壓,該波形顯示,當電壓上升至40 V時,開始放電。空載時的連續放電波形如圖8所示。

圖7 單次放電波形Fig.7 Single discharge wave

圖8 空載連續放電波形Fig.8 No-load continuous discharge wave

圖9和圖10分別是單次放電加工的蝕坑圖和連續放電加工的蝕坑圖。從圖中可以看出,放電蝕坑僅有5 μm大小,符合微細電火花加工的基本要求。

圖9 單次放電蝕坑圖Fig.9 The crater of single discharge

圖10 連續放電蝕坑圖Fig.10 The surface of continuous discharge

4 結論

本文通過對現有的微細電火花加工脈沖電源的分析,設計出了脈寬可調的納秒級脈沖電源,根據實驗波形與掃描隧道顯微鏡看到的加工蝕坑圖,可以確定所設計的脈沖電源完全滿足電火花加工要求,具有良好的加工性能,并且具有以下云計算平臺構建于數量眾多的硬件資源之上,不存在因為單點故障而造成性能、應用服務中斷的情況,也避免了服務器群集故障轉移時應用服務無法正常停止而造成的遷移失敗的情況。而傳統模式下采購符合PACS性能要求的高性能服務器、大容量存儲等硬件設備其本身就需要相當長的時間,其后硬件設備、OS的安裝調試,群集、容災系統的配置等等,需要耗費更多的人力物力,更加突顯出云計算平臺上的安裝部署的時效性、性價比。

5 結束語

云計算平臺的出現很好的解決了PACS一直存在的硬件性能與用戶需求相對滯后、群集模式硬件資源利用率低、群集構建難度大、管理維度要求高、故障轉移受多種因素影響、影像數據備份需第三方解決方案等問題,滿足了PACS對高運算能力、大內存使用、大容量存儲、高網絡吞吐量以及巨大數據量備份等方面的需求,其對虛擬機的副本、快照、計算節點同構可互換等災難恢復功能是對PACS這樣關鍵應用服務強有力的支撐,降低了因硬件、OS、應用程序等出現故障而造成意外停機的可能,有效減少停機時間。同時充分利用現有的硬件資源,合理配置,降低因不斷采購軟、硬件設備而造成的巨大成本消耗,有效的平衡投入、產出,性價比優異。

[1]高忠軍,楊驥，彭華，等.基于云計算的三維醫學影像后處理云計算平臺 [J].中國衛生信息管理雜志,2014(3)：251-254.

[2]亢軍賢，余艷紅，張鋒，等.基于云計算技術的療養院信息系統集成的研究與設計 [J].電腦知識與技術，2014(6)：1173-1175.

[3]姜曉旭，羅輝.基于云計算構建高校信息資源共享平臺的設計方案[J].中國醫學教育技術，2013(2)：38-41.

[4]馬錫坤，吳艷君，王鵬.基于云計算的數據中心容災系統的建設[J].中國醫療設備，2014(1)：93-95.

[5]馬錫坤，于京杰.醫院數據中心存在的問題及對策[J].中國醫學教育技術，2013(2)：215-217.

[6]王建強，仲曉偉.基礎設施即服務在醫院的應用研究[J].中國醫療設備，2013(4)：72-74.

Design of a pulse power supply based on RC delay chopping principle

CHU Xu-yang,HU Zhi-peng,XU Shi-ming
(School of physics and Mechanical&Electrical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

This paper presents a novel Micro EDM pulse power supply.This pulse power supply uses RC delay circuit which is made up of digital potentiometer and capacitors.RC delay circuit delays the driving signals of the two MOSFETs to turn on the below one after the upper one.This pulse power supply generates a pulse by chopping.Nanosecond pulse width can be achieved.

pulse power supply；nanosecond；RC dealy chopping principle；micro-EDM

TN05

：A

:1674-6236(2015)23-0082-03

2015-03-09稿件編號：201503118

福建省自然科學基金支持(2014J01211)

褚旭陽(1981—)，男，吉林長春人，博士，講師。研究方向：微細電火花。