高频脉冲电源

高频脉冲电源（精选七篇）

高频脉冲电源 篇1

关键词：电解加工,高频脉冲电源,IGBT,SG3525A,快速短路保护系统

0前言

电解加工是金属工件在电解液中发生阳极溶解的一种加工工艺[1]。由于其高效率、高表面质量、工具无损耗和加工范围广尤其适合于难切削金属材料及复杂形状加工等特点已经成为模具、叶轮叶片、深小孔型孔、枪炮管膛线和去毛刺等加工领域中的重要技术和手段。近年来,高频脉冲电解加工的研究表明,使用高频脉冲电源可有效提高电解加工精度和表面质量,且频率越高、占空比越小,其脉冲效应越强,即杂散腐蚀越弱、稳定加工的最小间隙越小,加工效果越好[2]。新型大功率半导体,如MOSFET(电力场效应管)和IGBT的发展有利于解决脉冲电解加工技术应用于生产加工中的关键问题——研制出大电流、高频率的脉冲电源[3]。本文设计的脉冲电源采用逆变技术方案,其主要参数为:输出频率最高为40k Hz、输出峰值电流可达2 000A、输出平均电压达24V及占空比0.1~0.9之间可调。

1 电源整体结构

电源整体结构如图1,主要由三相交流电输入、三相整流滤波、全桥逆变器、高频变压、输出整流、PWM控制和快速短路保护系统组成。

图2为电源主体电路,其工作过程是:三相380V交流电压经过电磁干扰(EMI)滤波和三相整流得到直流高电压,通过全桥逆变电路将直流高电压变换成高频交流高电压,再经过高频变压器隔离变换,输出高频交流低电压,最后经过整流电路,把高频交流电压通过整流模块整流成高频脉冲直流电压。电源的三相整流桥可根据其承受的最大反向电流和反向电压来选择,其公式分别如下:

式(1)、(2)中,a为电网电压波动,取10%;Pomax为最大输出功率,取1.2倍的额定功率,其值为57.6k W;η为电源效率,取0.9;Ut为三相输入电压380V。

经计算,Imax为96A,URmax为593V,可选用200A/1600V整流桥模块。选用的逆变斩波元件IGBT具有MOSFET通断快速和GTR(电力晶体管)容量大的优点,可有效提高电源效率[4]。IGBT根据流经IGBT的电流和反向电压来选择,IGBT与三相整流桥的反向电压均为593V,下列公式可计算通过IGBT的电流:

式(3)中,Udmin是整流输出电压最小值,经计算其值为463V;D为占空比,取最大值0.9。

经计算Idmax为168A,考虑到1.5~2倍的裕量,采用三菱的CM300DY-24H的IGBT模块,其可承受的电流为300A,反向电压为1 200V,满足要求。

在IGBT集电极与发射极间接入RC吸收网络可减少开关应力,降低IGBT关断产生的尖峰电压,并联二极管起续流作用。高频变压器采用的磁芯为超微晶合金材料,具有非常高的电阻率,磁导率和饱和磁通[5],尺寸小,匝数比为9:1,采用水冷方式降温。输出整流模块采用大功率肖特基二极管,从而输出脉冲大电流。EMI滤波可大大减少交流电源输入的电磁干扰,同时防止电源产生的谐波串扰到输入端。

2 PWM控制电路设计

现代电力转换装置多采用PWM进行控制。从PWM控制模式上分有电流和电压两种控制模式,其中电流型控制模式响应较快。根据PWM控制技术不同有单片机控制和单片集成控制之分,其中单片集成型因其开关频率高和精度高等优点得到广泛应用。本电源采用的SG3525A是一款功能齐全的单片集成电流控制PWM芯片。与其他同类型芯片相比具有工作电压范围宽(8~35V),振荡器工作频率无级可调且可向外部同步输出,频率范围为100Hz~400k Hz,死区时间可调和可封锁PWM脉冲信号等特点[4]。

图3为利用SG3525A建立的电源部分控制电路。SG3525A的5、6、7引脚分别外接定时电容Ct,定时电阻Rt和Rd,其中,Rt决定Ct充电时间即振荡器产生锯齿波的上升时间,而Rd则决定Ct放电时间,即Rd决定锯齿波下降时间。其振荡频率可根据下列公式计算得出:

经计算选用10n F的Ct,3.6kΩ的Rt,100Ω的Rd,可使SG3525A的振荡器频率为40k Hz,满足逆变器工作频率为20k Hz要求。

电源的额定峰值输出电压为26.7V,通过调节占空比改变输出平均电压,占空比越高,输出平均电压值越大。为防止逆变桥上下臂直通以致短路损伤电源,需保证死区时间,因此最大输出占空比为0.9,其输出平均电压为24V,当占空比过低小于0.1时,因导通时间短,IGBT刚导通,旋即关断,输出波形成尖峰状,波形失真,因此占空比调节范围为0.1~0.9。图3中Uo为电源的输出平均电压采样值,经过电位器Rp1和电阻R39分压后经电压跟随器和R15送到误差放大器反相端,辅助电源输出稳定15V电压经过电阻R43和电位器RP2分压,得到与占空比要求电压对应的调定电压,至同相端。R34和C7跨接在反相端和输出端作为补偿网络构成比例积分PI调节器。输出电压和调定电压的偏差经过PI调节后经R26经2引脚送入内部高频放大器同相端,在9引脚和1引脚间接R20构成比例调节器。其输出电压与内部锯齿波相比较,产生占空比更改后的脉冲逻辑信号,送至逆变全桥IGBT的栅极,改变IGBT持续导通时间,从而实现电源输出平均电压和占空比调节。

3 IGBT驱动与保护

针对电源采用的CM300DY-12HIGBT模块,可选三菱的厚膜集成驱动器M57962L。它可驱动1200V/400A的IGBT模块,采用光电耦合器实现电气隔离,适合高频开关运行。其内部集成了退饱和、检测与保护单元。当全桥逆变IGBT发生过载时,M57962L能快速响应,向外部电路给出故障信号并软关断IGBT,在软关断过程中,若过载故障消失则电路恢复正常工作[6]。

图4是以M57962L为基础的IGBT驱动电路。M57962L的5引脚和IGBT栅极间接入的驱动电阻Rg非常重要,阻值较大的驱动电阻可有效抑制振荡、减缓开关开通时的电流上升率、改善电流上升波形、减少电压浪涌,但是,Rg增大会降低开关速度、增加开关损耗[6]。本设计使用的驱动电阻为5.1Ω,当驱动模块接入双供电电源时,输出电流Iop不会超过极限值5A,同时满足了较高的开关速度要求。当IGBT模块过载时,集电极电压上升,隔离二极管D1截止,1引脚为高电平,5引脚置于低电平,使得IGBT截止。同时,8引脚置于低电平,使得光电耦合器TLP521工作,输出高电平信号至SG3525A芯片的shutdown端(10引脚),送入其内部逻辑输出端的与非门一并输出低电平,关断IGBT逆变器实现过载保护。ZD2、ZD3组成限幅器,确保栅极不被击穿。

4 短路保护系统

电解加工过程中,极间间隙很小,在精密加工中可小于0.05mm。在此小间隙中,如果电解液中混有导电微粒、不导电绝缘物质以及工艺参数选择不合适等,往往会在加工间隙中产生火花,引起短路,巨大的电流流过阴阳极,将使工件和工具烧伤,同时会损伤电源。因此研制快速短路保护系统至关重要[1]。电解加工过程中,阴阳极发生短路或者产生火花时,电流呈线性增长,所以可将电流上升率di/dt作为短路信息检测的重要内容。对于快速关断装置,应当在μs级时间内熄灭前期火花和拉弧或关断电源,并将间隙中的电容和电感存储的残留电能转移出去。本电源采用关断逆变全桥和极间并联大容量功率元件相结合的方法实现快速关断和极间电能转移。

短路信息检测部分包括:电流采样、微分放大电路、电压比较以及D触发器。快速切断装置包括逆变全桥关断和并联IGBT导通。图5为快速短路保护电路,其工作过程如下:电源输出电流经分流器采样,输出0~75m V电压信号,当输出电流为2 000A时,分流器输出75m V。输出电压经LM324放大后,送到微分电路,输出阶跃信号经放大后送至电压比较器LM339同相端。据相关研究表明,当电流增长率di/dt变化超过每秒1%~20%时,可视为极间产生火花或短路,为兼顾各因素影响,取di/dt值为10%,将与其对应的调定基准电压信号作为参考信号送到LM339反相端。当同相端电压高于反相端时,LM339输出高电平,即认为极间发生短路。与门4081接到高电平,发生翻转,导致D触发器4013的Q端输出高电平至旁路IGBT驱动模块和SG3525A。同时,D触发器上端为低电平,封住与门4081的输出,直到故障排除,按下复位键后,恢复Q端为低电平,准备再次报警。由于微分放大电路响应时间为0.5μs,LM339响应时间为0.3~1.3μs,因此整个检测电路响应时间小于2μs。

输出高电平信号分为两路。第一路,输出高电平在0.25μs内经光纤隔离驱动后,在2~3μs内导通IGBT,将短路电流快速转移到并联的旁路中,保护阴阳极。第二路,高平信号送至SG3525A的shutdown端(10引脚),在1μs延迟时间内使SG3525A停止输出逻辑脉冲信号,驱动器M57962L在2.5μs内将关断信号送至全桥IGBT模块,在1μs内关断IGBT,停止电压输出,保护旁路IGBT不受损伤。因旁路IGBT是工作短路区,应选用抗短路性较好NPT非穿通型的IGBT,使用1SD536F2模块驱动并采取水冷的散热方式以保证安全。此短路保护系统具有较快响应速度,可在5μs内,导通旁路电路,在10μs内快速切断电源,有效地保护工件(阳极)、工具(阴极)及电源。

5 总结

本脉冲电源利用SG3525A作为PWM控制芯片,结合以IGBT作为斩波元件的逆变全桥电路,获得了占空比可调、频率达40kHz、峰值电流达2000A的输出。快速短路保护系统采用关断逆变全桥和极间并联大容量IGBT结合实现快速关断,可以有效保护电源和阴阳极。本电源的结构简单、体积小、质量轻、输出波形稳定、不失真,应用于实际电解加工中,效果良好。

参考文献

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高频脉冲电源 篇2

1励磁控制系统建模分析

电机扩大技术成熟、可靠性高,控制绕组多,是传统的消磁主电源励磁装置的首选。但扩大机作为特殊的直流发电机,本身时间常数大,且参数可调范围有限,并不适用于图2所示工况。研究和实践表明,针对图2所示的特殊工况,其励磁装置需采用适用于电机控制、参数可调范围大、反应迅速的基于数字控制的整流式励磁装置,得到消磁脉冲电源电气部分物理模型如图3所示。消磁脉冲电源交流发电机采用有刷励磁、励磁装置功率部分采用晶闸管整流,通过传感器将机端强电信号转换成弱电信号作为反馈信号,经模数转换,与给定信号比较,经数字PID调节形成控制信号控制晶闸管的开关,将三相交流电整成6脉波直流电,大小由控制信号决定,通过电刷给发电机励磁绕组供电,从而控制消磁电流波形。虽然图3所示模型中晶闸管整流部分和不控整流部分都是离散的工作模式,但相对于消磁主电源系统的机械时间常数来说,其间隔时间可忽略,从控制的角度讲图3所示的模型可当做连续系统处理[1]。系统的.储能飞轮重达数吨,再加上其它机械结构,系统有很大的惯性,工作过程中电枢转速可视为恒定:晶闸管整流部分可视为增益为k0、时间常数为T0的一阶惯性环节;发电机励磁绕组的电感为L、电阻为R;发电机电枢连同负载(包括不控整流装置和消磁绕组)可视为增益为k1、时间常数为T1的一阶惯性环节;反馈通道视为增益为k2、时间常数为T2的一阶惯性环节,则消磁主电源电气部分数学模型如图4所示。图4所示模型中,励磁装置的时间常数为毫秒级;交流发电机直接带整流负载,非对称工作模式,可认为它总是处于超瞬态,交流电机电枢的超瞬态电抗很小[3-6],电枢连同负载的时间常数为0.1s左右;反馈环节的时间常数约为数十毫秒;交流发电机励磁绕组的时间常数一般可达数秒,所以消磁主电源电气部分的惯性主要来自发电机励磁绕组,在计算PID控制环节参数时,可先不计其它各环节的影响,在不考虑PID环节的D参数时(D参数在后面考虑),得到简化的消磁脉冲电源励磁控制模型如图5所示。

2控制参数计算

消磁脉冲电流最后一个脉冲的幅值很小,这就需要对发电机输出的剩磁电压进行控制。根据图6所示的同步发电机短路特性曲线和图7所示的空载特性曲线可知,要使最后一个脉冲满足要求,发电机空载剩磁电压须控制在20V以下,而该发电机的空载剩磁电压接近100V,故励磁装置需产生偏置电流以补偿剩磁电压。补偿后实际输出空载剩磁电压小于2V。

3小结

正负脉冲式高频开关电源的研究 篇3

自铅酸蓄电池问世以来,由于各种技术条件的限制,所采用的充电方法均未能遵从电池内部的物理化学规律,使整个充电过程存在着严重的过充电和析气等现象,充电效率低且影响了电池的使用寿命[1]。

笔者通过长期的实践研究提出的以马斯三定律为理论基础的正负脉冲式高频开关电源[2,3],一方面加快了蓄电池的化学反应速度[4],缩短蓄电池达到满充状态的时间,提高了充电速度;另一方面保证了蓄电池负极能及时地吸收正极所产生的氧气,避免了电池的极化现象。较好地实现了铅酸蓄电池的快速充电与去除极化,提高了电池的有效容量并延长了电池的使用寿命。

1 正负脉冲的原理

蓄电池在充放电过程中,由于电池自身的差异,充放电电流会有不同的差异,但都满足下边的三定理,也就是1972年美国科学家马斯提出的著名的马斯三定律[5,6,7]。

1)对于任何给定的放电电流,蓄电池充电时的电流接受比a与电池放出的容量的平方根成反比,即

式中:K1为放电电流常数,视放电电流的大小而定;C为蓄电池放出的容量。

由于蓄电池的初始接受电流I0=a C,所以

2)对于任何给定的放电量,蓄电池充电电流接受比a与放电电流Id的对数成正比,即

式中:K2为放电量常数,视放电量的多少而定;k为计算常数。

3)蓄电池在以不同的放电率放电后,其最终的允许充电电流It(接受能力)是各个放电率下的允许充电电流的总和,即:

式中:I1、I2、I3、I4…为各个放电率下的允许充电电流。

综合上述三定律,可以推出,蓄电池的总电流接受比可表示为

式中:Ct=C1+C2+C3+C4+…为各次放电量的总和,即蓄电池放出的全部电量。

综上可知,在充电过程中,当充电电流接近蓄电池固有的微量析气充电曲线时,适时地对电池进行反向大电流瞬间放电(如图1所示),能够除去正极板上的气体,并使氧气在负极板上被吸收,可以提高蓄电池的充电接受能力。也就是说通过反向大电流放电,可以使蓄电池的可接受电流曲线不断右移,同时其陡度不断增大,即α值增大,从而大大提高充电速度,缩短充电时间,这个过程还可以降低电池内部压力、温度、阻抗,减少能量的损耗,使电能更有效地转化为化学能并存储起来,提高了充电效率和蓄电池的充电接受能力[8]。

2 最大充电电流的确定

给蓄电池充电时,并非在任何条件下任何充电电流都能接受。研究表明,如果在充电过程中保持等量、微量的气体析出和稳定的温升,则充电曲线是一条指数曲线。即:

式中:I0为最大初始电流;a为充电接受率;C为蓄电池额定容量。

根据上式,充电接受曲线如图2所示,这是一条自然接受曲线,如果充电电流大于该条曲线的充电电流,则会导致充电电流电解水;小于这条曲线的充电电流,均为充电接受电流。

3 主电路设计

根据上边的理论基础和电池的内部特性,为了实现每个充电周期的正负脉冲,设计的主电路拓扑结构如图3所示[9]。可分为四部分:电磁滤波(EMI)、功率因数校正(PFC)、正激变换充电和放电。

电磁兼容部分由L1、L2、C1、C2组成,功率因数校正部分由L3、Q1、C3、D5组成;正激变换充电部分由C3、Q2、D5、D7、D8、T、L4组成;放电部分则由Q3、L4、R3组成。

传统DC-DC充电电路一般由交流市电整流和大电容滤波后得到较为平滑的直流电压,由于滤波电容的储能作用使得输入电流为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流,含有丰富的高次谐波分量,严重污染了电网。电路引入Boost型功率因数有源校正电路使得输入电流和输入电压为同频同相正弦波,大大提高了功率因数。Boost有源功率因数校正电路输入电流连续,EMI小,RFI低,输入电感可以减小对输入滤波器的要求,并可防止电网对主电路高频瞬态冲击。

充放电波形如图4所示,脉冲充电时工作状态分析如下:

(1)t1~t2时刻,此时处于充电状态下,Q2导通,电容电压加到变压器两端,变压器T产生电流并储存能量,由于变压器初次级同相,所以变压器T次级感应的电压通过正偏的D8给电池充电,此时充电电流逐渐上升。当Q2截止时变压器的储能由复位绕组通过D6释放出来,充电电流下降。

(2)t2~t3时刻,Q2保持截止,L4中储存的能量通过续流回路D7向蓄电池放电,直到充电电流下降为零。

(3)t3~t4时刻,在t3时刻Q3导通,电池通过放电回路开始向R3放电,并在L4中储存能量,放电电流快速上升。

(4)t4~t5时刻,Q3保持关断,放电电流下降至零,在这个阶段电池既不充电也不放电,直到t5时间开始下一个充放电周期。

4 控制电路设计

控制电路分为功率因数校正控制电路和充放电控制电路两个部分。

4.1 功率因数校正控制电路

功率因数校正部分控制芯片采用UC3854A/B,UC3854A/B是一种新的高功率因数校正集成控制电路芯片,它是在UC3854芯片基础上的一种改进设计。采用平均电流控制方法,恒频控制,电流放大器的频带较宽。它可以完成升压变换器校正功率因数所需的全部控制功能,使功率因数接近于1,输入电流波形失真小于3%[10,11]。控制精度很高,开关噪声较低,芯片内部包括了软启动、输入电压前馈、输入电压钳位、过流保护的比较器等。当输入电压在85~260 V之间变化时,输出电压还可保持稳定。采用推拉输出级,具有很强的驱动能力。

4.2 充放电控制电路

该部分采用的是数字PWM控制器IXDP610芯片,该控制器的占空比、死区时间、工作频率等可由微处理器送来的数据控制,实现了全数字控制,开关频率可达300 k Hz,占空比可在0~100%之间变化,输出电流可达20 m A,能直接驱动光耦和小功率器件。

微处理器软件部分的功能是通过对蓄电池状态的检测,使充电转入不同的充电阶段并控制占空比的大小。实现各个不同阶段的充电或暂停充电和终止充电的控制,显示充电器当前状态。充电分为三个阶段:

第一阶段,通过采集电池电压,判断电池电压低于正负脉冲充电电压时采用小电流恒流充电,这样可以避免电池深度放电时大电流充电对电池造成的损害;

第二阶段,当采集到的电池端电压大于正负脉冲充电电压时采用正负脉冲充电方式;

第三阶段,当电池电压升至补足充电电压阈值时,转入补充阶段,此阶段采用恒压充电方式,充电电流逐渐减小,直到充电结束。

5 实验结果

我们用普通型的高频开关电源和正负脉冲式的高频开关电源分别对同一只12 V 100 Ah的电池进行充放电,得到的实验数据如表1所示。

通过实验结果可知,采用正负脉冲式高频开关电源在充电时间和提高电池容量方面明显优于普通型的高频开关电源。采用正负脉冲式高频开关电源时充电时间缩短了3 h,而电池容量提高了将近10%。

6 结语

采用正负脉冲式高频开关电源进行充电时在缩短充电时间和提高电池容量方面有了明显改善。并且该电路充电开关mos管频率可达156.24 k Hz,充电电流可达30 A,充电电压可在1.8~14.5 V之间调节,满足了大部分变电站和电厂对2 V、6 V、12 V单只电池的在线活化功能。同时该电路还采用了功率因数校正技术大大改善了开关电源的功率因数,主电路采用正激变换器的形式,驱动电路简单,控制电路具有良好的响应速度和控制精度。

参考文献

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高频脉冲电源 篇4

关键词：高频脉冲列,冲量定理,脉冲变压器,双窄脉冲触发,感性负载

1 引言

在微机励磁系统变流电路中,用于电气隔离的晶闸管触发脉冲变压器对高电平不具备保持能力,传输触发脉冲的宽度远小于晶闸管导通时实际所需的脉冲宽度。如不采取措施,将导致晶闸管不能可靠触发,整流输出波形不稳定,励磁系统不能正常工作[1]。常见的触发方式为双窄脉冲触发或宽脉冲,宽脉冲触发需要较大的输出功率和大容量的变压器,而双窄脉冲触发对物理硬件的要求较高。通常,采用模拟电路或数字电路生成高频脉冲列来代替晶闸管一定宽度的触发脉冲。

以高频脉冲列代替一定宽度的触发脉冲来触发晶闸管,其基本原理何在?如何确定整流电路感性负载时晶闸管触发脉冲宽度和高频脉冲列的频率与脉宽?本文提出运用冲量定理,对高频脉冲列触发晶闸管的机理进行了深入的分析;并依据晶闸管开通时间tgt、擎住电流IL、触发电流IG等额定参数以及感性负载电感量、脉冲变压器模型参数等数据,定量计算出晶闸管触发脉冲的宽度和高频脉冲列的频率与脉宽,设计微机控制高频脉冲列触发程序。LM-01型模拟微机励磁系统样机试验取得良好效果,三相整流电路各晶闸管触发可靠、系统稳定。

2 感性负载时晶闸管触发脉冲宽度及计算

在发电机微机励磁系统中,三相全控整流桥输出负载为发电机提供励磁功率,属于感性负载[2]。励磁回路如图1(a)所示。晶闸管导通后,励磁回路等效为直流电源E与晶闸管正向导通电阻R1、励磁绕组电感L和电阻R2构成的串联电路,晶闸管初始导通时,由于电感电流不能突变,励磁电流id(t)从零开始增大,须经过时间ton,并上升到晶闸管擎住电流iL后,晶闸管才能完全导通[3],见图1(b)。

晶闸管导通后的励磁回路电压方程式如下:

令R1+R2=R,则一阶微分方程的解为:

晶闸管从阻断转为导通,阳极电流id(t)必须上升到IL以上,即满足非线性关系:

由et的泰勒级数公式:

省略二次以上的高次项,可将(3)式化简为:

由式(4)可以算出晶闸管感性负载时导通所需的最小触发脉冲宽度ton。已知某发电机励磁绕组的电感L=3H,电阻R2=120Ω,整流励磁电压E=45 V,晶闸管的擎住电流IL=10 mA,导通时其电阻等于正向平均电阻R1=Ron=2Ω,解出t≥667μs,即触发脉冲宽度约为12°,考虑晶闸管的开通时间tgt和留有一定裕度[4,5],本文取ton=15°即833μs。

此触发脉冲宽度远超出脉冲变压器的传输脉宽极限,而脉冲变压器的传输脉冲宽度一般小于200μs[6]。为了解决这个问题,通常,采用高频脉冲列代替宽触发脉冲。

高频脉冲列代替宽触发脉冲的基本原理可运用采样控制理论中的冲量定理进行分析。

3 用高频脉冲列代替宽脉冲的机理分析

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上,其环节的输出响应波形基本相同,冲量即指窄脉冲的面积,图2为形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,其中图2(a~d)分别为矩形脉冲、三角形脉冲、正弦半波脉冲和单位脉冲函数δ(t),它们的面积即冲量都等于1。将输入f(t)加在看成惯性环节的图1(a)R-L电路上,设电流i(t)为电路的输出,图2(e)为不同窄脉冲时i(t)的响应波形。

上述原理称为面积等效原理,它是高频脉冲列代替宽脉冲的理论基础[7]。

以下分析用高频脉冲列来代替宽脉冲的机理。

把图3(a)的宽脉冲分成N等份,就可以把宽脉冲看成由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形。将该脉冲序列用数量相同的等幅不等宽的矩形脉冲代替,且矩形脉冲和相应的宽脉冲部分面积相等,得到图3(b)所示的高频脉冲序列。根据面积等效原理,此高频脉冲列的电流响应i(t)与宽脉冲的响应效果相近,i(t)响应波形如图3(c)。

从电压源e(t)的第一个脉冲上升沿起,i(t)由零逐渐增加,脉冲变压器的电感吸收能量,当脉冲高电平结束时,电感释放储能,i(t)减小。当i(t)下降到晶闸管的门极触发电流IG时,下一个脉冲同时开始,并重复此过程,则触发电流将始终大于晶闸管门极触发电流IG,从而实现励磁回路电感性负载下晶闸管的导通。

4 高频脉冲列的周期与脉宽计算

由以上电流波形图3(c)可知,要计算高频脉冲列的周期T,只需计算出图中电流上升时间t1和下降时间t2,该高频脉冲周期T=t1+t2。

晶闸管导通后,其电阻很小,可忽略不计。将脉冲变压器模型经过简化,晶闸管触发回路等效为脉冲电压源e(t)、变压器短路漏抗Lx和短路电阻Rx的串联电路[8],其电路模型如图4所示,图中虚线框内为脉冲变压器等效图,脉冲电压源e(t)为激励信号,触发电流i(t)为响应信号。

当高频脉冲为高电平时,电路等效为直流电源给电感Lx与电阻Rx供电,由式(2)知触发电流i(t)呈指数函数快速增大,直到高频脉冲高电平结束,因此t1=t0,此时电流为最大值i(0+):

当高频脉冲从高电平变为低电平,电路变为具有初始电流i(0+)的电感Lx与电阻Rx构成的闭合回路,此回路电压方程式:

其解为:

由i(t)≥IG,即临界情况:

解出电流下降时间t的最大值t2:

同时由冲量定理面积相等原则,如图3所示,E×t0=U×T=U×(t0+t2),得到:

式中U为晶闸管门极触发电压,E为高频脉冲高电平幅值。由式(7)、(8)联立解出:

而高频脉冲周期T和频率f分别为:T=t1+t2=t0+t2,f=1/T,高频触发脉冲列个数N=ton/T。

已知脉冲变压器的短路阻抗参数Rx=24Ω,Lx=2.62 mH以及E=24 V,U=10 V,IG=2 mA,代入式(8)、(9),算出t2=103.2μs,t0=72.8μs,当T=t0+t2=176μs时,对应的最小频率为5.5 K,则导通晶闸管的高频触发脉冲个数N至少为5个,高频脉冲宽度t0=72.8μs。为了提高可靠性,实际取频率略大于临界值,即频率为9.6K,周期为104μs,脉冲宽度为43.4μs,此时高频触发脉冲个数N等于8。

根据高频触发脉冲的伏微秒积小于等于脉冲变压器额定伏微秒积的原则[9],采用72.8μs脉宽或43.4μs脉宽的两种频率的脉冲列,其脉宽均小于该脉冲变压器的传输脉宽(100μs),满足传输要求。

5 高频脉冲列微机触发程序的实现

微机励磁系统功率单元采用三相桥式整流电路,要求每隔60°,按[VT6、VT1]→[VT1、VT2]→[VT2、VT3]→[VT3、VT4]→[VT4、VT5]→[VT5、VT6]的顺序导通晶闸管,触发脉冲为上文计算出的高频脉冲列。图5为实现“双窄脉冲触发方式”的高频脉冲列电压波形。

微机励磁系统采用TMS320LF2812为CPU芯片,其独特的硬件设计和精确的定时功能,能很好地完成高频脉冲列双窄脉冲的设计,用C语言在CCS3.0上编写调试程序,并下载到Flash上。

6 试验结果

试验在电力系统动态模拟实验室进行。同步发电机采用自并励方式励磁,感性负载时,触发角的变化范围为0到90度。采用微机励磁系统高频脉冲列晶闸管触发方式,示波器观察的晶闸管高频脉冲列电压波形如图6,触发角为65°时励磁电压波形如图7,图中电压幅值已缩小十倍,脉冲列波形和励磁整流波形对称性和稳定性好,无波头缺失。

试验时,调节触发角α给定值,比较励磁电压实际测量值与α对应的励磁电压计算值(Ud=2.34 UaCOSα),并计算出每次实测值与计算值的相对误差,如表1,表中数据表明,励磁电压连续可调,两者相对误差范围(0.05%~0.3%),触发精度高。

7 结论

(1)提出运用冲量定理,深入分析用高频脉冲列代替宽脉冲触发晶闸管的机理。

(2)建立了励磁回路和晶闸管触发回路数学模型,推导出感性负载下晶闸管导通的最小脉冲宽度和高频脉冲列周期与脉宽的计算公式,揭示了高频脉冲列的周期和脉宽与电路参数的关系。

(3)设计的高频脉冲列实现三相可控整流桥晶闸管“双窄脉冲触发”程序,经样机试验与现场运行均取得了满意效果,证明了理论分析和计算方法的正确性和可行性。

参考文献

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关于脉冲功率电源的介绍 篇5

关键词：脉冲功率电源,电容器组,发电机系统,电池组,技术阻碍

当前, 电源的相关问题得到了广泛的关注, 其中最敏感的为小型化电源问题。在科学技术的支持下, 电源的小型化得到了快速的发展, 此类电源的应用是广泛的, 其作用日益显著。但小型化电源的发展也存在不足, 为了促进其发展, 需要对先进的技术进行积极的、全面的运用。在此背景下, 文章研究了脉冲功率电源, 该电源是借助不同方式进行提供的, 具体的方式有电容器组、发电机系统、电感储能系统与蓄电池组等。脉冲功率电源的应用满足了国防武器系统的电能需求, 为我国国防工作的开展奠定了坚持的基础。

1 脉冲功率电源的概况

1.1 电容器组

目前, 在工业、军事等领域对电容器的应用具有一定的普遍性, 其中在电磁炮中的应用取得了良好的效果。随着电磁炮的快速发展, 对电容器组的要求不断提高, 在脉冲形状控制方面, 利用了闭合开关;在能量存储密度方面, 利用了新的介电材料, 在此基础上, 电容器组得到了进一步的发展, 进而适应了实际应用的需求[1]。

对于脉冲功率电源而言, 作为电源的电容器组存在一定的不足, 主要为偏低的转化效率, 同时, 其充电状态未能保持长期性。为了有效解决此问题, 需要借助高功率的大型充电设备, 以此保证充电的快速与便捷, 与此同时, 工作电压也将得到控制。在此基础上, 电容器组拥有较大的体积, 但在军事领域对于武器系统的体积有着严格的要求。因此, 在轨道炮系统中, 电容器组的应用缺少针对性与时效性, 此时的电源未能适应军事发展的需要。

在对电容器组展开设计过程中, 要关注其热量的控制。对于电容器的介电材料而言, 通常情况, 均属于电绝缘体与热绝缘体。在炮弹发射时, 电容器内部的热量将不断升高, 为了保证电容器组的安全性, 要对其给予高度的重视[2]。

1.2 发电机系统

关于电磁炮发电机的研究, 其应用的类型较多, 主要有单极脉冲发电机、补偿型脉冲交流发电机和高温超导体发电机。

单极脉冲发电机产生电流的原理为:将超导体线圈浸泡在液氮中, 在超导的作用下, 将出现高强励磁磁场, 并且借助转子的旋转促进了电流的出现。此时的转子可以为铜圆盘。电流的输出可以借助液体金属钠实现, 其引出的路径为圆盘中心或者周围, 此时发电机的输出电流为105A, 再利用高速的机械或电磁制动, 使转子在短时间内刹车, 在此基础上, 便实现了直流脉冲电流的获取。但此时的电流未能满足坦克车载电源的要求。

补偿型脉冲交流脉冲发电机也可以称之为CPA, 它的研究与应用弥补了单机脉冲发电机的不足, 作为同步发电机, 它保证了短回路电流的高效输出。通过持续的研究, CPA的存储密度满足了电磁炮电源的需求[3]。

超导体发电机的出现, 使发电机系统实现了革新, 它作为大功率发电机系统, 拥有良好的能量存储系统, 作为同步发电机, 对其设计主要体现在以下两方面:一方面, 超导体材料作为转子线圈, 而定子则选用普通的材料。此设计的优点为偏低的交流损耗与较高的效率, 但缺点为受技术的制约, 制冷设备在与定子保持隔离时, 与转子的连接缺少合理性。另一方面, 转子与定子均使用超导体材料, 此时要求运行过程中, 要全部制冷。此设计的优点为便捷的制冷, 但缺点为交流损耗相对较大。

超导体发电机与传统的发电机相比, 前者的优势是显著的, 它的重量较轻、机械效率较高、成本偏低, 同时污染相对较少。在超导体发电机中, 其应用的超导体材料主要为铋锶铜氧 (BSCCO) 陶瓷与钇钡铜氧材丰葺 (YBCO) , 两种材料相比, 后者的交流损耗相对较低, 同时其抗磁性能与抗应变能力等均相对较高。在此类发电机不断发展过程中, 低温制冷技术为其发展奠定了坚实的技术基础, 如:YBCO导体中的机械制冷设备, 此设备不仅体积小, 其制冷效果十分明显。

1.3 电感储能系统

该系统的优点较为显著, 主要为较高的能量密度、较长的使用时间与较低的成本, 同时, 它具有较高的安全性与可靠性。在实际应用过程中, 该系统最凸显的优势为较快的充电速度, 基本在5s内便可以结束充电。当前, 在轨道炮系统中对中型电感储能系统进行了应用, 但此时的应用仍处于实验阶段, 主要是由于电感储能技术具有滞后性, 未能满足实际应用的需求。该系统的缺点体现在以下两方面, 一方面为高功率电池的商业化水平偏低, 另一方面为高电流开关未能实现重复使用, 并且未能达到小型化的要求[4]。

1.4 蓄电池组

在电磁炮的能量存储系统中对蓄电池组进行了应用, 此时的电池为高能密度锂离子电池, 它的使用具有一定的安全性与高效性。高能密度锂离子电池能够提供100k J的能量, 此时其重量为5kg, 与此同时, 在2s内, 其电流为2k A, 因此, 其储能系统满足了电磁炮的要求。

2 脉冲功率电源发展的技术阻碍

现阶段, 电源的发展有着较快的速度, 它为国防提供了可靠的电能, 但与发达国家相比, 我国的小型化电源发展水平偏低, 未能适应高机动作战使用的需求, 此时的电源技术影响着电磁炮作用的发挥。电磁炮对于电源技术有着较高的要求, 不仅要保持小型化, 还要具备轻质的特点。在未来战场上, 高机动作战过程中, 电磁炮的作用是显著的, 主要是由于它具有较大的威力、较远的射程与丰富的功能。因此, 为了促进电磁炮作用的发挥, 要进一步研究小型化电源, 使其发展水平不断提高, 进而满足军事应用的需要。

当前, 脉冲功率电源发展受到了技术的制约, 它与电磁炮的实际需求存在一定的差距。为了有效解决小型化电源的问题, 对其技术要进行深入的研究, 同时要采取具有针对性的措施, 具体的改进方法如下:对新型的储能材料进行应用, 并且要提高储能密度, 同时还要不断丰富新型储能方法, 最后对发射装置所需能量进行改进[5]。

3 结束语

综上所述, 在世界范围内, 各个国家均十分注重国防竞争力水平的提升, 但国力的提高受诸多因素的影响, 其中最为关键的便是科学技术的发展水平, 在高科技的支持下, 国家才能够获得良好的发展, 其经济发展力、国防战斗力等也均将获得大幅度的提高。文章主要阐述脉冲功率技术电源, 它作为小型化的电源, 为国防的发展提供了可靠的电源。相信, 在小型化电源相关技术的持续发展下, 我国的国力将不断增强, 进而社会经济的发展也将更加稳定。

参考文献

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[4]曹荣刚, 李军.脉冲功率电源辐射电磁场屏蔽测量与分析[J].高电压技术, 2014, 4:1159-1164.

微弧氧化脉冲电源的研究 篇6

关键词：微弧氧化,整流,逆变

0 引言

从日常生活到最尖端的科技，都离不开电源技术的参与和支持，我国金属表面处理用电力半导体电源行业，电源技术正是在这种环境中一步步发展起来，随着电力半导体器件品种和技术水平的不断提高，应用行业包括电镀、铝合金型材表面氧化、电子铝箔腐蚀等，金属表面处理用电力半导体整流电源的品种越来越多[1,2]。近几年来，微弧氧化技术由于广泛的用途和良好的金属表面加工效果，其中微弧氧化脉冲电源应用最为广泛，对应用于微弧氧化技术的大功率微弧氧化电源的研究取得了很大的进步，因其效果和广泛的用途而受到很大的关注[3]。

1 微弧氧化脉冲电源原理

微弧氧化脉冲电源因为可以输出不对称的正负两路电压脉冲，又被称为正负脉冲电源。微弧氧化电源在电源工作时，正负脉冲交替工作，但正脉冲峰值大于负脉冲峰值。在较低电压下，工件首先在水溶液中被氧化，表面生成一层薄薄的氧化膜，在这之后让工件处于正脉冲的高电压放电区，当达到一定程度的电场强度时，就在氧化膜与内层金属发生微弧放电，使工件表面的氧化膜在高温下被烧结而变得致密。

图1所示为微弧氧化电源的原理框图。

2 硬件主电路图

包括三相主变压器、三相全控整流电路、斩波电路，所设计的微弧氧化脉冲电源主电路如图2所示，整个电源主电路包括正、负两个电源，负电源经整流滤波后可向后级提供300V/300A直流，正电源经整流滤波后可向斩波电路提供600V/500A直流。

3 控制电路

本电源选择DSP为核心芯片，通过编程产生驱动信号去控制开关模块，并且对传感器采集的信号进行处理。DSP产生的斩波脉冲同时控制IGBT1和IGBT4的开通与关断，从而得到了微弧氧化的正向脉冲电源。

同样，当负电流经过IGBT2需要进行微弧氧化的工件和IGBT3时，DSP产生的另一路斩波脉冲也同时控制IGBT2和IGBT3的开通与关断，得到微弧氧化的反向脉冲电源。

4 软件

单片机系统上电后，主程序首先要对系统进行初始化，初始化程序包括内存空间的分配、初始变量的设置。（图4)

5 结论

本文对微弧氧化脉冲电源的主电路及控制电路的设计进行了详细的阐述，同时对微弧氧化脉冲电源的原理进行了详细的介绍。微弧氧化脉冲电源实际上也可以称作正负脉冲电源。本设计立足于实用的基础上对双向不对称脉冲式微弧氧化电源的主电路、控制电路及控制程序做了系统的研究。

参考文献

[1]段关文,高晓菊,满红,张武,姜光华,李金富.微弧氧化研究进展[J].兵器材料科学与工程,2010(05).

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恒功率激光脉冲电源的设计 篇7

目前激光切割机中主要使用大功率二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器, 使用计算机软件控制工件或激光束运动, 辅以高压气体。激光切割技术已广泛应用到各种领域, 激光电源的研究与设计[1,2]也引起了人们的重视。脉冲激光电源是专门为脉冲Nd:YAG激光器设计的电源, 内部是由单片机控制, 通过触摸式操作面板选择激光输出功率、频率和脉宽等参数, 是多功能激光切割机的理想配置, 具有误操作和超温自动保护等功能。脉冲激光电源实现了非线性化, 取代了线性倍压整流技术, 使得整体的转换效率、体积、重量及充放电时间等重要参数均有了较大的改善。

数字与模拟共存是电源的发展趋势[3], 只有充分发挥数字和模拟的各自优势, 才能设计出高性能的电源解决方案。本文设计的就是一种模拟与数字相结合的激光脉冲电源, 其输出的频率:20 Hz～1 000 Hz;脉冲宽度t:30 μs～999 μs;平均功率P:0.5 kW～8 kW, 输出电压范围:200 V～400 V。

1脉冲电源的设计原理

激光切割机脉冲电源采用单片机技术对电流设定、逻辑功能及接口信号进行控制, 并使调试、检测更简单。考虑电磁兼容问题, 在供电电源进线采用LC元件减少内外的电磁串扰。外接口采用光电隔离或共模抑制比较好的输入输出方式, 提高抗干扰能力。脉冲电源的电路总框图如图1。

脉冲电源采用两级功率器件IGBT构成前级功率控制及后级输出单元, 可使电源工作效率达95%以上。前级功率控制单元采用专用恒流控制模块实现快速电流控制, 并对功率器件IGBT进行安全可靠的保护, 电源输出电流的波纹极小, 电流稳定度高。电源工作频率在超声频段, 无电流噪声。后级采用恒频恒脉宽功率输出, 单片机8051F020采样前级输出的电流及电压值, 可得到前级输出功率P=U*I, 而后级是恒频恒脉宽输出, 所以只要控制前级的功率输出与设定一致, 就可实现脉冲电源的恒功率输出。

1.1引燃点灯电原理

根据氙灯管的伏安特性曲线, 需要一个一万伏左右的高压脉冲将氙灯管的气体击穿, 并使工作电流大于最低燃弧电流 (I1) , 这时氙灯被点燃, 工作电流越大发光越强。引燃点灯电原理图见图2, 约1 600 V的交流电源经二极管D2整流后通过R11、R10、L2向C8、C7充电, 点灯时J3-2接通, C8上的电能通过高压包B1的原边急速释放时, 高压包的副边输出一个高压脉冲, 将氙灯管的气体击穿。由于这一高压脉冲的能量很小, 击穿电流不足以维持到C4、C5放电, 故而接入了C7和L2维持放电电流到C4、C5放电为止。C4、C5放电后恒流源开始工作, 提供工作电流, 这时点灯成功。如果点灯失败, 工作电流为零, 自动点灯装置将断开J3-2, 重新向C8、C7充电, 并在点灯保护延时时间内重复点灯过程, 直至点灯成功为止。引燃点灯电原理图如图2所示。

1.2电源的电流调节

采用独特的PWM控制技术, 通过专用智能恒流模块来实施。电流调节原理图见图1, 通过控制IGBT1导通和截止来调节电流的大小。IGBT1工作在脉宽调节的开关状态, 当它开通时间加长, 关断时间变短时, 电流则增大;反之电流则减小。智能恒流模块根据霍尔电流传感器反馈的实际电流值、实际电流的上升斜率以及给定电流值来快速调节IGBT1导通和截止的时间, 实现高速电流内环的闭环控制。在此基础上, 本电源引入的高精度的电流外环可对电流实施精密控制。

由于存在平波电感L及回路电感, 当IGBT关断时, 流经C极的电流要在1 μs的时间迅速降为零, 平波电感上储存的能量势必在IGBT的CE两端产生过高的过电压而击穿IGBT, 因此接入了续流快速恢复二极管D1。L和C3组成的LC平波回路, 更加减小了机器输出电流的纹波。

2脉冲电源恒功率控制的实现

采用恒功率算法去控制电源, 可以使输出仍然是脉冲波形, 而对电源本身, 因为负载的等效电阻是不变的, 所以电源输入端的电压及电流是稳定的。

脉冲电源控制参数有:

脉冲频率f:脉冲电源输出的频率, 范围20 Hz～1 000 Hz;

脉冲宽度t:范围30 μs～999 μs;

单脉冲能量J:2 J～100 J;

平均功率P:0.5 kW～8 kW。

换算公式:

公式一: P=f×J=UO×IO. (1)

由实验数据得到负载氙灯的等效阻值R约为1.5 Ω, 则:

undefined. (2)

由此可得到:当平均功率P确定后, UO或IO就确定了。

公式二:占空比为⊿t, 脉冲宽度为τ, 单脉冲周期为T:

⊿t=τ/T=τ×f. (3)

公式三:峰值功率为p,

p=P/⊿t=J/τ. (4)

采用C8051F020单片机来实现数据的运算及整个电源的控制。由公式一可知, 当前级输出功率P恒定且后级输出频率f及脉宽恒定时, 整个脉冲电源的输出也是恒定的。C8051F020单片机提供12位的DA及AD接口, 前级的电压、电流值可通过相应的采样电路从12位AD口转化为对应的数值:输入电压UI、输入电流II。经单片机与设定的功率值比较, 通过电流PID运算得到一个控制电流输出值IO, 由DA接口输出一相应的模拟信号到电流输出控制电路 (PWM控制器) , 改变前级输出电流的大小。从而控制前级输出功率与设定一致且恒定, 达到恒功率输出。

3结束语

在激光切割机作业时, 要求其脉冲电源的电压或电流输出是脉冲波形, 如果在电源内部没有处理好, 不但电源本身会有很大的电感啸叫声, 而且还会对电网电压产生很大影响, 严重时会使电网上的其它设备不能正常工作。文献[4]作者设计的是输出为6A的脉冲激光电源, 文献[5]作者设计的是激光焊接机所用的脉冲电源。专门用于激光切割机的数字与模拟相结合的实用的脉冲电源的研究还不多见。因此, 研制适合激光切割机用的高性能的脉冲电源有着十分重要的意义。

摘要：设计与实现了用于激光切割机的脉冲电源, 采用功率器件IGBT构成功率驱动单元, 利用单片机实现电流的恒功率算法快速控制输出电流, 并对功率器件IGBT进行安全可靠的保护。该电源工作频率在超声频段, 无电流噪声, 输出电流的波纹极小, 电流稳定度高。

关键词：脉冲电源,恒功率,单片机,IGBT

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