專利名稱：用于微弧氧化的高頻大功率多波形電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于供電電源，具體涉及高頻大功率多波形電源。
背景技術：
微弧氧化技術可處理鋁、鎂、鈦、鉭等閥金屬表面，使其表面生成一層陶瓷膜。這種陶瓷膜具有耐磨、耐腐蝕、耐熱沖擊等特點，可廣泛用于化工、機械、汽車、電子、航空航天等領域。此技術通過控制電參數(shù)和調節(jié)電解液成份來控制膜的組成結構及厚度。在實際工業(yè)應用中，國內外的大功率微弧氧化工藝電源普遍采用晶閘管整流式電源，為獲得可靠的負阻特性和穩(wěn)定的工作電流，還需要串入功率電阻；其能耗高、效率低、體積大、笨重、動態(tài)響應速度慢和控制性能差。另外，在實際生產中，對電源的電氣隔離有著嚴格要求，因此電源一般都具有隔離變壓器，其缺點是(1)由于存在工頻變壓器，體積大，重量笨重。(2)電源的功率轉換效率低，同時電源的諧波大、功率因數(shù)低，無功損耗大，對電網污染嚴重。(3)波形質量不高、響應較慢。(4)不能實現(xiàn)脈沖頻率、脈沖占空比等電源參數(shù)的連續(xù)調節(jié)。最近，也有前級采用工頻變壓器對三相交流電進行升壓，后級再采用由高頻電力電子器件組成的電路拓撲，例如BUCK電路，對輸出電壓或者輸出電流進行調節(jié)的電源。雖然能夠應用于大功率場合，但由于具有工頻變壓器，工頻變壓器所固有的缺點依然存在。采用逆變技術是微弧氧化電源實現(xiàn)高效大功率和小型化的必然途徑，也是提高其動態(tài)響應速度和控制性能的物質基礎。但是目前采用逆變技術的開關電源的輸出電壓都比較低，達不到微弧氧化工藝需要高電壓的要求，且基本是固定輸出，不能寬范圍連續(xù)調節(jié)，因此都無法滿足微等離子氧化工藝的要求。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有的用于微弧氧化的電源存在能耗高、效率低、體積大以及輸出波形不能寬范圍連續(xù)調節(jié)的缺陷，提供一種效率高、體積小而且脈沖頻率、脈沖占空比等電源參數(shù)可連續(xù)調節(jié)的高頻大功率多波形電源。本發(fā)明是通過下述方案予以實現(xiàn)的，一種用于微弧氧化的高頻大功率多波形電源，它由相同的兩個直流電源(E1、E2)、相同的四個功率開關(K1-K4)、相同的四個隔離驅動電路(2-1～2-4)和單片機3組成，功率開關(K1-K4)都是絕緣柵雙極晶體管，直流電源E1的正極連功率開關K1的集電極，功率開關K1的發(fā)射極連微弧氧化工作槽1的一端和功率開關K2的集電極，微弧氧化工作槽1的另一端連功率開關K3的發(fā)射極和功率開關K4的集電極，功率開關K3的集電極連直流電源E2的正極，直流電源E2的負極連功率開關K4的發(fā)射極、功率開關K2的發(fā)射極和直流電源E1的負極并接地，功率開關(K1、K2、K3和K4)的柵極分別連接隔離驅動電路(2-1、2-2、2-3和2-4)的輸出端，隔離驅動電路(2-1、2-2、2-3和2-4)的輸入端分別連接在單片機3的四個輸出端上。本發(fā)明的電源在工作中通過單片機3控制功率開關K1、K2、K3和K4，當功率開關K1、K4同時導通，K3、K2同時截止時，微弧氧化工作槽兩端所承受的電壓為直流電源E1的輸出電壓，本發(fā)明電源輸出正向脈沖；當功率開關K3、K2同時導通，K1、K4同時截止時，微弧氧化工作槽1兩端所承受的電壓為直流電源E2的輸出電壓，此時本發(fā)明電源輸出負向脈沖；當四支功率開關全部截止時，沒有脈沖輸出，微弧氧化工作槽1兩端電壓為零。因此，通過以單片機為核心構成的脈沖電源智能控制系統(tǒng)對K1～K4的控制，即可輸出如圖2、圖3和圖4所示的各種脈沖波形，并可對輸出脈沖進行頻率、占空比控制，以實現(xiàn)對本發(fā)明電源輸出脈沖幅度、頻率、占空比的連續(xù)調節(jié)。本發(fā)明采用了高頻開關器件“絕緣柵雙極晶體管”做為功率開關，能適應高頻高壓波形，摒棄了工頻變壓器，因此本發(fā)明的電源能耗低、效率高、體積小而且對電網無污染。本發(fā)明具有設計合理、工作可靠和具有較大推廣價值的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的結構示意圖，圖2、圖3和圖4是本發(fā)明輸出的電壓波形的示意圖，圖5是本發(fā)明實施方式二的結構示意圖，圖6是實施方式二中開關調整電路5-3的電路圖，圖7是實施方式三的結構示意圖。
具體實施例方式
一下面結合圖1具體說明本實施方式。它由相同的兩個直流電源(E1、E2)、相同的四個功率開關(K1-K4)、相同的四個隔離驅動電路(2-1～2-4)和單片機3組成，功率開關(K1-K4)都是絕緣柵雙極晶體管，直流電源E1的正極連功率開關K1的集電極，功率開關K1的發(fā)射極連微弧氧化工作槽1的一端和功率開關K2的集電極，微弧氧化工作槽1的另一端連功率開關K3的發(fā)射極和功率開關K4的集電極，功率開關K3的集電極連直流電源E2的正極，直流電源E2的負極連功率開關K4的發(fā)射極、功率開關K2的發(fā)射極和直流電源E1的負極并接地，功率開關(K1、K2、K3和K4)的柵極分別連接隔離驅動電路(2-1、2-2、2-3和2-4)的輸出端，隔離驅動電路(2-1、2-2、2-3和2-4)的輸入端分別連接在單片機3的四個輸出端上。單片機3選用普通單片機即可，K1、K2、K3和K4選用絕緣柵雙極晶體管，隔離驅動電路選用型號為EXB841的芯片。
具體實施方式
二下面結合圖5、圖6具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式一的不同點是，直流電源E1和E2分別由EMI及整流電路5-1、功率因數(shù)校正電路5-2、開關調整電路5-3、整流濾波電路5-4和控制電路5-5組成，EMI及整流電路5-1的輸入端接入交流電源，EMI及整流電路5-1的輸出端連功率因數(shù)校正電路5-2的輸入端，功率因數(shù)校正電路5-2的輸出端連開關調整電路5-3的一個輸入端，開關調整電路5-3的另一個輸入端連控制電路5-5的輸出端，開關調整電路5-3的輸出端連整流濾波電路5-4的輸入端，整流濾波電路5-4的一個輸出端連控制電路5-5的輸入端，整流濾波電路5-4的另一個輸出端輸出直流電。交流電經EMI(抑制電磁干擾電路，屬于現(xiàn)有技術)處理和整流及功率因數(shù)校正后，再經開關調整電路5-3調整、變換后，接著整流濾波加到功率開關K1至K4上，以備輸出到微弧氧化工作槽。開關調整電路5-3由相同的四個功率開關(S1-S4)、十二個具有高頻快恢復性能的二極管(D1-D12)、電感線圈L、電容C和包含四個線圈(T1-T4)的變壓器T組成，正極輸入端A連功率開關S3的集電極、二極管D4的負極、功率開關S1的集電極和二極管D2的負極，功率開關S3的發(fā)射極連二極管D3的負極和線圈T4的非同名端，線圈T4的同名端連二極管D4的正極和功率開關S4的集電極，功率開關S4的發(fā)射極連負極輸入端B、二極管D3的正極、二極管D1的正極和功率開關S2的發(fā)射極，功率開關S1的發(fā)射極連二極管D1的負極和線圈T3的同名端，線圈T3的非同名端連二極管D2的正極和功率開關S2的集電極，正極輸出端E連電容C的正極、電感線圈L的一端，電感線圈L的另一端連二極管D6的負極和二極管D5的負極，二極管D5的正極連線圈T1的同名端和二極管D7的負極，線圈T1的非同名端連二極管D6的正極和二極管D8的負極，二極管D7的正極連二極管D8的正極、二極管D10的負極和二極管D9的負極，二極管D9的正極連線圈T2的同名端和二極管D11的負極，線圈T2的非同名端連二極管D10的正極和二極管D12的負極，二極管D12的正極連二極管D11的正極、電容C的負極和負極輸出端F，功率開關(S1、S2、S3和S4)的柵極分別連接在控制電路5-5的四個輸出端上。變壓器T是高頻變壓器，功率開關(S1-S4)都是絕緣柵雙極晶體管，A與B之間連接功率因數(shù)校正電路5-2，E與F之間連接整流濾波電路5-4，功率開關S1和S2同時導通和關斷，S3和S4同時導通和關斷。為得到高電壓輸出，設計了高頻變壓器副邊采用兩個繞組經整流后，再串聯(lián)的拓撲方式，使輸出整流二極管承受的電壓受到高頻變壓器副邊繞組的箝制，這樣在利用普通大功率二極管獲得高電壓輸出的同時，降低了每支二極管上的電壓應力、又不需要采取串聯(lián)均壓措施，提高了電源工作的可靠性；與全橋變換器或半橋變換器相比，圖6電路中的每一個橋臂都是由一個二極管與一個開關管串聯(lián)組成的，不存在橋臂直通的問題，并降低了每支開關管的電壓應力、可靠性高。通過在開關調整電路中采取以上措施，實現(xiàn)了電源輸出高電壓、大功率的目的。
具體實施方式
三下面結合圖7具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式二的不同點是，控制電路5-5由PWM控制與頻率調節(jié)實現(xiàn)電路5-5-1、相同的兩個最小和最大脈寬限制電路5-5-2和相同的兩個隔離驅動電路5-5-3組成，PWM控制與頻率調節(jié)實現(xiàn)電路5-5-1由三個集成運算放大器(A1、A2、A3)、型號為UC3825的PWM集成控制芯片U1、9個電阻(R7、R6、R8、R9、R5、R4、R3、R10和R2)、二個電位器(P1、P2)、三個電容(C2、C3和C1)、三極管Q1和二極管D1組成，電阻R6的一端連整流濾波電路5-4的輸出端，電阻R6的另一端連電容C2的一端、電阻R7的一端和集成運算放大器A1的反相輸入端，電阻R7的另一端連電容C3的一端，電容C3的另一端連電容C2的另一端、電阻R8的一端和集成運算放大器A1的輸出端，電阻R8的另一端連電阻R9的一端和芯片U1的腳3，電阻R9的另一端接地，集成運算放大器A1的同相輸入端連電阻R5的一端、電位器P2的一端和集成運算放大器A2的同相輸入端，電阻R5的另一端連電源UD，電位器P2的另一端連電位器P2的滑動觸頭和電阻R4的一端，電阻R4的另一端接地，集成運算放大器A2的反相輸入端連二極管D1的負極和集成運算放大器A2的輸出端，二極管D1的正極連電阻R3的一端、電阻R10的一端和電阻R2的一端，電阻R3的另一端連電源UD，電阻R10的另一端連集成運算放大器A3的同相輸入端，電阻R2的另一端接地，集成運算放大器A3的反相輸入端連三極管Q1的發(fā)射極和電位器P1的一端，集成運算放大器A3的輸出端連三極管Q的基極，三極管Q1的集電極連芯片U1的腳5，電位器P1的另一端連接其滑動觸頭和電容C1的一端并接地，電容C1的另一端連芯片U1的腳6。由于本發(fā)明的電源的輸出電壓是連續(xù)可調的，因此與之相對應的振蕩頻率在某一范圍內也必須是連續(xù)可調的。圖7中，A1構成電壓環(huán)誤差放大器，輸出電壓調節(jié)是通過調節(jié)電位器P2實現(xiàn)的，U反為從整流濾波電路5-4反饋回來的輸出電壓。當輸出電壓大于某個值時，由于D1負極處的U變電壓比D1正極處的UT電壓高，D1截止，因此UT值是恒定的，此時集成控制芯片的振蕩頻率是固定不變的，對電源進行PWM(周期不變而調節(jié)每周期的脈沖寬度)控制；在低電壓輸出時，D1導通，不同的P2阻值，對應著不同U變、UT值，即改變了流過C1的充電電流IP1?？梢姡坏㏄1的值整定之后，IP1的值將與UT成嚴格的線性關系，因此流過P1的電流給定，振蕩頻率也就可以確定，也就是說振蕩頻率隨著U變變化，此時電源是PWM控制與頻率調節(jié)相結合的控制策略。最小和最大脈寬限制電路5-5-2由555時基電路芯片U2、二個電阻(R51、R52)和三個電容(C51、C52、C53)組成，芯片U2的腳2連電阻R51的一端和芯片U1的腳11，芯片U2的腳1連電容C53的一端和電容C52的一端并接地，電容C53的另一端接芯片U2的腳5，電容C52的另一端連芯片U2的腳6、腳7和電阻R52的一端，電阻R52的另一端連芯片U2的腳8和電容C51的一端，電容C51的另一端連芯片U2的腳4和電阻R51的另一端，芯片U2的腳3連隔離驅動電路5-5-3的輸入端；隔離驅動電路5-5-3由型號為EXB841的芯片組成，隔離驅動電路5-5-3的二個輸出端分別連開關調整電路5-3的二個輸入端。由于采用PWM控制與頻率調節(jié)相結合的控制策略，所以必須進行最小脈寬限制和最大脈寬限制。當控制芯片輸出正常的高電平脈沖時，電源VCC開始對C51進行充電。當C51充電到4腳為低電位促使555輸出從高電平向低電平翻轉時，即使是Vpulse-in繼續(xù)為低電平，也不能使Vpulse-out為高電平。當Vpulse-in為高電平時，Vpulse-in為電容C51進行放電。這樣當下一個脈沖來時，由于C51兩端有一個固定的低電壓，C51又可以進行充電了，這樣可使每次充放電的時間達到一致，這樣就實現(xiàn)了最大脈寬限制。而最小脈寬限制是當Vpulse-in的低電壓脈寬小于由R52和C52決定的7腳電壓從低電壓充電到3腳輸出翻轉的時間常數(shù)時，脈寬由后者決定。當然要是前者大于后者時，后者不起作用，時間則由前者決定。
權利要求
1.一種用于微弧氧化的高頻大功率多波形電源，其特征是它由相同的兩個直流電源(E1、E2)、相同的四個功率開關(K1-K4)、相同的四個隔離驅動電路(2-1～2-4)和單片機(3)組成，功率開關(K1-K4)都是絕緣柵雙極晶體管，直流電源(E1)的正極連功率開關(K1)的集電極，功率開關(K1)的發(fā)射極連微弧氧化工作槽(1)的一端和功率開關(K2)的集電極，微弧氧化工作槽(1)的另一端連功率開關(K3)的發(fā)射極和功率開關(K4)的集電極，功率開關(K3)的集電極連直流電源(E2)的正極，直流電源(E2)的負極連功率開關(K4)的發(fā)射極、功率開關(K2)的發(fā)射極和直流電源(E1)的負極并接地，功率開關(K1、K2、K3和K4)的柵極分別連接隔離驅動電路(2-1、2-2、2-3和2-4)的輸出端，隔離驅動電路(2-1、2-2、2-3和2-4)的輸入端分別連接在單片機(3)的四個輸出端上。
2.根據權利要求1所述的用于微弧氧化的高頻大功率多波形電源，其特征是直流電源(E1)和(E2)分別由EMI及整流電路(5-1)、功率因數(shù)校正電路(5-2)、開關調整電路(5-3)、整流濾波電路(5-4)和控制電路(5-5)組成，EMI及整流電路(5-1)的輸入端接入交流電源，EMI及整流電路(5-1)的輸出端連功率因數(shù)校正電路(5-2)的輸入端，功率因數(shù)校正電路(5-2)的輸出端連開關調整電路(5-3)的一個輸入端，開關調整電路(5-3)的另一個輸入端連控制電路(5-5)的輸出端，開關調整電路(5-3)的輸出端連整流濾波電路(5-4)的輸入端，整流濾波電路(5-4)的一個輸出端連控制電路(5-5)的輸入端，整流濾波電路(5-4)的另一個輸出端輸出直流電。
3.根據權利要求2所述的用于微弧氧化的高頻大功率多波形電源，其特征是開關調整電路(5-3)由相同的四個功率開關(S1-S4)、十二個具有高頻快恢復性能的二極管(D1-D12)、電感線圈(L)、電容(C)和包含四個線圈(T1-T4)的變壓器(T)組成，正極輸入端(A)連功率開關(S3)的集電極、二極管(D4)的負極、功率開關(S1)的集電極和二極管(D2)的負極，功率開關(S3)的發(fā)射極連二極管(D3)的負極和線圈(T4)的非同名端，線圈(T4)的同名端連二極管(D4)的正極和功率開關(S4)的集電極，功率開關(S4)的發(fā)射極連負極輸入端(B)、二極管(D3)的正極、二極管(D1)的正極和功率開關(S2)的發(fā)射極，功率開關(S1)的發(fā)射極連二極管(D1)的負極和線圈(T3)的同名端，線圈(T3)的非同名端連二極管(D2)的正極和功率開關(S2)的集電極，正極輸出端(E)連電容(C)的正極、電感線圈(L)的一端，電感線圈(L)的另一端連二極管(D6)的負極和二極管(D5)的負極，二極管(D5)的正極連線圈(T1)的同名端和二極管(D7)的負極，線圈(T1)的非同名一端連二極管(D6)的正極和二極管(D8)的負極，二極管(D7)的正極連二極管(D8)的正極、二極管(D10)的負極和二極管(D9)的負極，二極管(D9)的正極連線圈(T2)的同名端和二極管(D11)的負極，線圈(T2)的非同名端連二極管(D10)的正極和二極管(D12)的負極，二極管(D12)的正極連二極管(D11)的正極、電容(C)的負極和負極輸出端(F)，功率開關(S1、S2、S3和S4)的柵極分別連接在控制電路(5-5)的四個輸出端上。
4.根據權利要求2所述的用于微弧氧化的高頻大功率多波形電源，其特征是控制電路(5-5)由PWM控制與頻率調節(jié)實現(xiàn)電路(5-5-1)、相同的兩個最小和最大脈寬限制電路(5-5-2)和相同的兩個隔離驅動電路(5-5-3)組成，PWM控制與頻率調節(jié)實現(xiàn)電路(5-5-1)由三個集成運算放大器(A1、A2、A3)、PWM集成控制芯片(U1)、9個電阻(R7、R6、R8、R9、R5、R4、R3、R10和R2)、二個電位器(P1、P2)、三個電容(C2、C3和C1)、三極管(Q1)和二極管(D1)組成，電阻(R6)的一端連整流濾波電路(5-4)的輸出端，電阻(R6)的另一端連電容(C2)的一端、電阻(R7)的一端和集成運算放大器(A1)的反相輸入端，電阻(R7)的另一端連電容(C3)的一端，電容(C3)的另一端連電容(C2)的另一端、電阻(R8)的一端和集成運算放大器(A1)的輸出端，電阻(R8)的另一端連電阻(R9)的一端和芯片(U1)的腳3，電阻(R9)的另一端接地，集成運算放大器(A1)的同相輸入端連電阻(R5)的一端、電位器(P2)的一端和集成運算放大器(A2)的同相輸入端，電阻(R5)的另一端連電源(UD)，電位器(P2)的另一端連電位器(P2)的滑動觸頭和電阻(R4)的一端，電阻(R4)的另一端接地，集成運算放大器(A2)的反相輸入端連二極管(D1)的負極和集成運算放大器(A2)的輸出端，二極管(D1)的正極連電阻(R3)的一端、電阻(R10)的一端和電阻(R2)的一端，電阻(R3)的另一端連電源(UD)，電阻(R10)的另一端連集成運算放大器(A3)的同相輸入端，電阻(R2)的另一端接地，集成運算放大器(A3)的反相輸入端連三極管(Q1)的發(fā)射極和電位器(P1)的一端，集成運算放大器(A3)的輸出端連三極管(Q)的基極，三極管(Q1)的集電極連芯片(U1)的腳5，電位器(P1)的另一端連接其滑動觸頭和電容(C1)的一端并接地，電容(C1)的另一端連芯片(U1)的腳6，最小和最大脈寬限制電路(5-5-2)由555時基電路芯片(U2)、二個電阻(R51、R52)和三個電容(C51、C52、C53)組成，芯片(U2)的腳2連電阻(R51)的一端和芯片(U1)的腳11，芯片(U2)的腳1連電容(C53)的一端和電容(C52)的一端并接地，電容(C53)的另一端接芯片(U2)的腳5，電容(C52)的另一端連芯片(U2)的腳6、腳7和電阻(R52)的一端，電阻(R52)的另一端連芯片(U2)的腳8和電容(C51)的一端，電容(C51)的另一端連芯片(U2)的腳4和電阻(R51)的另一端，芯片(U2)的腳3連隔離驅動電路(5-5-3)的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高頻大功率多波形電源——用于微弧氧化的高頻大功率多波形電源。它由直流電源(E1、E2)、功率開關(K1－K4)、隔離驅動電路(2－1～2－4)和單片機(3)組成，直流電源(E1)的正極連功率開關(K1)的集電極，(K1)的發(fā)射極連微弧氧化工作槽(1)的一端和功率開關(K2)的集電極，(1)的另一端連(K3)的發(fā)射極和(K4)的集電極，功率開關(K3)的集電極連直流電源(E2)的正極，直流電源(E2)的負極連功率開關(K4)的發(fā)射極、功率開關(K2)的發(fā)射極和直流電源(E1)的負極并接地，單片機(3)通過隔離驅動電路控制功率開關，本發(fā)明采用了高頻開關器件“絕緣柵雙極晶體管”做為功率開關，摒棄了工頻變壓器，因此本發(fā)明的電源能耗低、效率高、體積小而且對電網無污染。
文檔編號H02M3/155GK1523745SQ0313260
公開日2004年8月25日 申請日期2003年9月4日 優(yōu)先權日2003年9月4日
發(fā)明者賁洪奇, 姜兆華, 李延平, 辛世剛, 王福平 申請人:哈爾濱工業(yè)大學