【正文】 源，如 :馳張式 RC 脈沖電源，可控硅脈沖電源等雖然在某些場合有應用，但是己經(jīng)不能完全滿足加工的一些要求 。 隨 著 電 力 電 子 技 術(shù) 、 計 算 機 控 制 技 術(shù) 的 發(fā) 展 以及現(xiàn)代控制理論的不斷豐富，電火花加工脈沖電源技術(shù)也得到了很大的發(fā)展。出現(xiàn)了許多新型的脈沖電源和新的發(fā)展趨勢。目前針對電火花加工脈沖電源主要有以下幾個研究趨勢 :節(jié)能式脈沖電源 。超精加工、微細加工脈沖電源 。智能化脈沖電源 。無電解脈沖電源 。毫微秒級高峰值電流脈沖電源 。專用輔助脈沖電源等。 電火花線切割加工用脈沖電源是由脈沖發(fā)生器、前置推動級、功放級及直流電源四部分組成，如圖 27 所示。 3）大功率高頻脈沖電源在印刷電路板鍍銅上的工業(yè)化應用 將電鍍槽與脈沖電源相連接構(gòu)成的電鍍體系，其所進行的電鍍過程就是脈沖電鍍。顯然，脈沖電鍍與直流電鍍的區(qū)別在于應用了脈沖電源。在電鍍過程的機 理中，要使晶核產(chǎn)生的速度大于晶格成長的速度，除了化學的方法 (輔助方法 )， 就要提高晶核產(chǎn)生的幾率，控制晶格成長的速度。在電鍍過程中，被 鍍件附近有 個極化區(qū)域，該區(qū)域的離子濃度隨著通電時間的延長，離子濃度也隨著降低，被 鍍件上金屬離子的沉積速度減慢，如果在此時將電源停電，致使離子濃度恢復加 快，再施加電源，必將提高金屬離子的沉積速度，并且也可解決不規(guī)則形狀被鍍 件的均鍍問題。當電源通電時，產(chǎn)生晶核，并且形成晶格，隨著通電時間的延長， 晶格隨之增長。故可采用間隙式供電控制方式達到目的，對于電源來說就是采用 具有脈沖方波輸出的控制方式來實現(xiàn)。顯然，脈沖電鍍時，當電流導通時，接近 陰極的金屬離子充分地被沉積 。當電流關(guān)斷時，利于金屬離子的還原。 從電源技術(shù)要求來看，要實現(xiàn)脈沖電源波形穩(wěn)定、參數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬，必定使 電路復雜化、造價提高、可靠性降低。因此，設計適用、可靠且便宜的電源是選 田 晨：大功率脈沖變換器高頻化技術(shù)研究 第 8 頁 擇方案的基本出發(fā)點。為了簡化設計，實現(xiàn)可靠又便宜的電鍍電源，本文（參考《 大功率高頻脈沖電源在印刷電路板鍍銅上的工業(yè)化應用 》）采用復合功率轉(zhuǎn)換電路的形式，即由前級向后級供電，由后級控制電流的設計方案。其前級的脈沖變換器如下圖所示： 本論文的主要內(nèi)容 設計內(nèi)容： 1. 了解脈沖電源 了解脈沖電源高頻化 交錯并聯(lián)拓撲基本結(jié)構(gòu)，特性和工作原理。 利用交錯并聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)，在輸出端產(chǎn)生頻率為電源頻率 2 倍的結(jié)果，以此倍頻電路圖來研究其他的步驟。 2. 基于 FPGA 編程實現(xiàn)交錯倍頻控制的高精度 PWM 波。 FPGA 具有如下的特點： 1）采用 FPGA 設計 ASIC 電路 (專用集成電路 )，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 2） FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片。 3） FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I/O 引腳。 4） FPGA 是 ASIC 電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險 最小的器件之一。 5) FPGA 采用高速 CMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容。 實現(xiàn)高精度的 PWM波是通過研究數(shù)字“抖動”的基本原理，以 FPGA為載體在 基于計數(shù)方式的數(shù)字 PWM上使用數(shù)字“抖動”來提高 DPWM的精度，精度達到 500ps。 西安理工大學本科生畢業(yè)設計（論文 ） 第 9 頁 第 2 章 脈沖電源的高頻化研究 提高開關(guān)器件的開關(guān)頻率可以使電源獲得多方面的好處。提高了電源的開關(guān) 頻率，能夠提高電源的功率密度，降低損耗 。并能提高系統(tǒng)的動態(tài)響應能力，減 小整機 體積 等。運 用新型電力電子器件配合高頻逆變技術(shù)，有利于克服目前功率 器件和磁性材料輸出功率的局限性，并且可以通過變壓器并聯(lián)方式提高單臺電源 輸出功率，或者通過電源單元串并聯(lián)提高系統(tǒng)總輸出功率。但是隨著開關(guān)頻率的 提高，功率開關(guān)管損耗在電源運行中所占的比例也將增加，使得效率有所降低。 高頻脈沖電源的電路拓撲及工作原理 高頻脈沖電源的電路拓撲利用了交錯并聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輸出頻率為輸入頻率的二倍，以此倍頻的方式來實現(xiàn)高頻情況。 并聯(lián)交錯電路結(jié)構(gòu)的基本原理： 取兩個模塊并聯(lián)為例進行分析。其并聯(lián)運行可能有 三種情況 :步 ,則整個系統(tǒng)特性類似于單個模塊 ,如圖 1(a)。 ,并且認為時鐘頻率不完全相同 ,則模塊之間輸入和輸出電流紋波隨機相消 ,如圖 1(b)。 作在相同的頻率下 ,各個模塊的開關(guān)控制信號彼此交錯 ,如圖 1(c)。因此輸出紋波的幅值有很大的降低 ,同時輸出紋波頻率也提高為單模塊的 n 倍。 由以上分析可知 ,交錯并聯(lián)電源系統(tǒng)是指并聯(lián)運行的各電源模塊的控制信號頻率相同 ,相角互相錯開的并聯(lián)運行模式。交錯并聯(lián)電源系統(tǒng)不但具有并聯(lián)電源系統(tǒng)的所有優(yōu)點 ,還具有如下特征 [1]:①交錯并聯(lián)拓撲輸出電流 outI 的紋波頻率為 fsN (fs=1/Ts),可以極大地降低濾波器和磁性元件的要求 , 從 而 提 高 了 整 個 交 錯 并 聯(lián)電源系統(tǒng)的功率密度 ,同時濾波器容量的減小可以提高系統(tǒng) 的瞬態(tài)響應特性。②交錯并 田 晨：大功率脈沖變換器高頻化技術(shù)研究 第 10 頁 聯(lián)拓撲的電壓增益和單個模塊相同 ,通過對單個模塊占空比的控制實現(xiàn)交錯拓撲輸出電壓的精確調(diào)節(jié)。③輸出電流紋波幅值 0≤△ outI ≤ rippleI 。通過合理的設計可以使輸出電流紋波幅值接近于或等于零 ,實現(xiàn)零紋波輸出。 綜上所述 ,交錯并聯(lián)電源系統(tǒng)適合高可靠、高功率密度和快速瞬態(tài)響應的電源技術(shù)要求。 具體的電路圖如下： 每個橋臂有 2 個 MOSFET 管子控制，每個橋臂上的管子均是分時工作，在 該圖的情況下，設置 Q1a 和 Q4a 管首先導通，導通角度均設定為 [0 90]，接著設置 Q1b 和 Q4b 管導通，導通角度設置為 [90 180]，再接著是 Q3a 和 Q2a 管導通，其導通角度為 [180 270]，最后是 Q3b 和 Q2b 管導通，其導通角度為 [270 360]。每一個 mos 管均給以正常工作狀況下的 PWM 波，如圖所示，在這樣的情況下，輸出 R1 的兩個周期內(nèi)，每一個 MOSFET管只工作在一個周期，因此完成了輸出頻率為每一個輸入 MOS 管的 2 倍，實現(xiàn)了倍頻的結(jié)果。 假定電路中各元器件為理想器件且負載工作在諧 振狀態(tài)。電路的穩(wěn)定運行狀態(tài)在一個周期內(nèi)可分為 4 個運行階段。圖 36 給出了電路一個周期內(nèi)工作時的理論分析波形，圖37 給出了各個工作模態(tài)的等效電路。 各階段運行模態(tài)如下 : 西安理工大學本科生畢業(yè)設計（論文 ） 第 11 頁 圖 36 工作波形圖 模態(tài) 1:[0t ~1t ] 在 t= 時刻， Q1a 和 Q4a 同時導通，電流開始流過 Q1a — R— Q4a，由初始狀態(tài)可知 :Q1 和 Q4 是零電流開 通在 t= 時刻 Q1 和 Q4 同時實現(xiàn)零電流關(guān)斷。 模態(tài) 2： [1t ~ 2t ] 在 t= 時刻， Q2a 和 Q3a 同時導通，電流向為 :Q3a— R— Q2a，在 t= 時刻，Q2 和 Q3 同時實現(xiàn)零電流關(guān)斷。 模態(tài) 3： [2t ~3t ] 在 t= 時刻 ,Q1b 和 Q4b 同時導通，電流流向為： Q1b— R— Q4b,在 t= 時刻，Q1 和 Q4 實現(xiàn)同時關(guān)斷。 模態(tài) 4： [3t ~ 4t ] 在 t= 時刻， Q3b 和 Q2b 同時導通，電流流向為： Q3b— R— Q2b,在 t= 時刻， Q2 和 Q3 實現(xiàn)同時關(guān)斷。 由以上分析可知， 8 個開關(guān)管均工作在零電流導通關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)管所承受的電壓電流的應力比較小，所以開關(guān)損耗比較小。負載諧振頻率是開關(guān)管工作頻率的二倍，極大的提高了輸出頻率 ，充分說明了此控制方法的優(yōu)越性。 田 晨：大功率脈沖變換器高頻化技術(shù)研究 第 12 頁 主電路參數(shù)計算 本課題設計的倍頻電路的基本參數(shù)為： 輸出功率 P=10KW 根據(jù)本課題選擇的調(diào)功方式計算整流橋的參數(shù)。三相整流橋進線電壓為 Us=380V，則整流橋的輸出電壓為 dU ==*220=514. 8V，根據(jù)最大輸出功率為 10kW，設整流器、逆變器以及高頻變壓器的效率都為 90%，并假設電源的功率因數(shù)為 ，整流橋的輸出電流為 : ?*0dd UpI ?= )(***220* 10 4 A? 流過整流二極管的平均電流為 : )(* * 1 AII dvd ??? 為安全起見，整流橋額定電流應是正常使用時工作電流的 至 2 倍，其額定電流應為 : DNI =（ ~2） * vdI =（ ~2） *=~（ A） 考慮判電網(wǎng)電壓的峰值及電壓擾動等偶然因索會產(chǎn)生很涌電壓，可選取整流二極管的反向阻斷電壓為電 網(wǎng)峰值電壓的兩倍，即 : )(1 0 7 53 8 0*2*2 VU R ?? 所以選取耐壓值為 1200V 額定電流為 200A 的日本三社公司的二極管整流橋模塊DF200AA 120 對主電路的拓撲進行仿真及結(jié)果分析 結(jié)果如下： 西安理工大學本科生畢業(yè)設計（論文 ） 第 13 頁 由上圖可知 : MOSFET 管（ 1 和 7,3 和 5,2 和 8,4 和 6）分時工作，其各自占空比如 1 圖所示。 MOSFET 頻率的 2 倍。 田 晨：大功率脈沖變換器高頻化技術(shù)研究 第 14 頁 第 3 章 高精度 PWM 波的產(chǎn)生 數(shù)字開關(guān)電源已逐漸成為一個發(fā)展趨勢。在長期 穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性等方面，數(shù)字化具有很多模擬控 制所不具備的優(yōu)點。目前，數(shù)字控制技術(shù)中，數(shù)字 PWM 的精度、 ADC采樣精度和數(shù)字控制系統(tǒng)的建模 等問題是研究的主要方向。高分辨率的數(shù)字 PWM 模塊是實現(xiàn)全數(shù)字高精度高開關(guān)頻率 DC/DC 開關(guān)電 源的重要組成部分，它的分辨率直接關(guān)系到輸出電壓 的穩(wěn)態(tài)精度。 PWM 實質(zhì)上是把幅度值轉(zhuǎn)換成時間值， 控制主電路開關(guān)的導通和關(guān)斷，以調(diào)節(jié)輸出電壓。 數(shù)字 PWM（ DPWM）的高精度已成為目前的研究熱點，也是數(shù)字控制開關(guān)電源中急需解決的一個問題。 DPWM 數(shù)字 PWM 波，即 DPWM,其原理與研究現(xiàn)狀有四種，分別如下： DPWM DPWM 的作用就是將 2 進制表示的數(shù)字