基于RC延时斩波原理的脉冲电源设计

褚旭阳，胡志鹏，许世明

（厦门大学 物理与机电工程学院，福建 厦门 361005）

基于RC延时斩波原理的脉冲电源设计

褚旭阳，胡志鹏，许世明

（厦门大学 物理与机电工程学院，福建 厦门 361005）

文中提出了一种新型的微细电火花加工脉冲电源。该脉冲电源采用数字电位器及电容组成RC延时电路,利用MOSFET作为开关管，通过RC延时电路对上下两路MOSFET的驱动信号进行延时，从而使上下两路MOSFET先后开通，以斩波的方式获得脉冲，脉宽可以达到纳秒级。

脉冲电源；纳秒级；RC延时斩波；微细电火花

脉冲电源作为微细电火花加工机床的主要组成部分,把工频交流电转换成一定频率的单向脉冲,为击穿加工介质提供所需要的电压,并在间隙击穿后提供能量用于蚀除金属。它是影响加工工艺指标关键的设备之一,其性能的优劣直接影响放电加工的速度、精度、稳定性、工件表面粗糙度以及电极耐加工性,同时它也是产品升级换代的标志。

1 微细电火花加工脉冲电源研究现状与发展

依据工作原理和所用的主要元件、脉冲波形等,电火花加工用脉冲电源可分为多种类型。按照间隙状态对脉冲参数的影响分类,可分为非独立式RC脉冲电源和独立式晶体管脉冲电源两类。RC式脉冲虽然可以达到很小的放电能量,但是电能利用效率很低、生产效率低,并且由于电源本身不独立。在形成放电脉冲时,放电频率、宽度、单个脉冲能量等都不稳定。放电过程中脉冲能量不可控,会影响工件加工的表面质量。

因此目前学者们的研究更倾向于独立式晶体管脉冲电源。晶体管脉冲电源原理图如图1所示,主振级提供一定脉冲宽度和停歇时间的矩形脉冲信号,再经放大级放大,最后驱动末级功率晶体管开通或截止。末级晶体管起到开关作用。当晶体管导通时,直流电源电压 U加在加工间隙上,击穿工作液进行火花放电。当晶体管截止时,放电结束,间隙消电离,准备下一脉冲的到来。

图1 晶体管脉冲电源Fig.1 The transistor pulse generator

为了使晶体管脉冲电源能够应用于微细电火花加工,国内外有不少学者进行了进一步研究,研制了纳秒级脉冲电源,并且在电源中加入了一些检测控制模块,使电源更智能化[1]。此外,哈工大张勇博士研制了一种以一个微处理计算机为核心的微能脉冲电源。该电路利用CPLD产生逻辑脉冲,信号经过放大后驱动功率 MOSFET开关管,由于采用高速高集成器件,减了电路之间的延时,使信号源脉宽得到很大程度上的减小。但由于功率器件的限制,后级的输出无法跟上信号源的变化,所以存在延时问题[2]。

南京航空航天大学研制的微能脉冲电源,主振级能够输出稳定的0.1 μs数量级的时钟信号。功率放大级采用互补型低输入阻抗前置放大电路来驱动MOSFET,能够提供足够的充电电流和快速放电回路从而显著缩短脉冲波形的前沿和后沿时间。试验证明,该电源的最小脉冲宽度可以达到 0.1 μs以下,峰值电流 0.2～1.2 A可调,加工出的微细轴达到φ20 μm×200 μm,加工出的微细孔达到φ25 μm×150 μm[3]。

在日本农业科技大学做研究的韩福柱开发了一种基于高频电流传感器微能脉冲电源,该电源使用等脉冲模式,将电流脉宽可以控制在30 ns。由于矩形波脉冲每次放电电流幅值基本相同,则意味着每个脉冲放电电流持续时间相等[4]。检测电路使用了一种电流感应器,它的响应频率高达 2 GHz,输出为电压低于 5 V,可以直接用来接入脉冲控制电路,免去了传统的脉冲电源检测电路中存在的分压和隔离等环节,使得电路简化并且反馈的电路延迟很小。对试验进行对比,相同加工参数下该电源比RC电源加工明显提高了微细轴表面粗糙度。虽然此电路获得超短脉宽,但是其中一个关键因素是采用超高频率响应的电流传感器,其昂贵的价格也是限制其推广的因素[5]。

2 脉冲电源设计

2.1 原 理

目前,学者采用的独立式晶体管脉冲电源还存在一定的问题。首先,MOSFET关断不够迅速,有延迟,脉冲宽度无法得到进一步的缩小。其次,需要运用高频的控制芯片来产生主振信号,因此电源的制作成本普遍较高。针对上述的两个问题,本文提出了一种应用单片机作为主控,基于RC延时斩波原理的脉冲电源。该脉冲电源脉冲波形由上下两路MOSFET斩波形成。上下两路由单片机的同一个I/O口进行控制,每一路串接一个RC延时电路,I/O口产生的脉冲信号,经过两个RC延时电路后,产生时间差,利用这个时间差,使上下两路MOSFET的先后开通,从而获得脉冲波形。电路原理示意如图2所示。

图2 基于RC延时斩波原理的脉冲电源电路示意图Fig.2 Diagram of the circuit of the pulse power supply based on RC delay chopping principle

该电源脉冲的产生是通过上下两路MOSFET的开通,以斩波的方式完成的。由于MOSFET的开通时间会比关断时间快很多,所以间隙电压卸载时的延时问题会有很大程度的改善,响应速度很快。脉冲电源的主控采用普通单片机,通过数字电位器和多路选通器,可以实现RC延时电路中的电阻值的改变和不同电容的切换,从而控制脉冲宽度,实现脉宽连续可调。整个电路采用普通低速器件,也可实现纳秒级的脉宽。

2.2 电源的组成

本脉冲电源主要由3部分组成,包括RC延时模块电路、隔离驱动电路和放电主回路。

RC延时模块的延时原理如图3所示。利用电容器充电延时的原理,将控制脉冲进行适当的延时。该电源的RC延时模块的电路如图4所示,该模块由数字电位器X9C102,多路选通器CD4051,和多个不同容值的电容C0-C7组成(C0-C7的电容值分别在100 pF～1 μF之间)。单片机通过IO_1,2,3控制数字电位器的输出阻值,通过IO_4,5,6控制多路选通器的选通不同的电容。控制脉冲由IO_0发出,通过RC延时电路延时后再进下一级电路。

图3 RC充电原理示意图Fig.3 Diagram of the RC charging circuit

图4 RC延时模块电路原理图Fig.4 Schematic diagram of the RC delay module

为了方便计算,近似的认为RC电路充电达到90%能够驱动光耦,而充电达到90%的时间T≈2.3*R*C。数字电位器X9C102的可调范围是40 Ω～1 kΩ,最小变化量是10.1 Ω,若选择C0(100 pF),则最小时间变化量是2.3 ns,即上下两路最小的时间差为2.3 ns,若选择C7(1 μF),则最小时间变化量是23 μs。一般加工的脉冲脉间宽度是几十纳秒至几十微秒不等,所以需要上位机软件在用户设置好脉间之后,计算出数字电位器的电阻值和应该选择的电容,传给单片机。

隔离驱动电路原理图如图5所示。由于单片机输出的脉冲信号与后级驱动电路电平不匹配,并且后级的模拟电路也会对数字电路产生干扰,降低电源的稳定性,所以需要隔离。隔离部分是采用高速光耦6N137,转换速率高达10 M,满足隔离要求。NPN三极管8050,特征频率150 MHz,这里的主要作用是解决6N137和TPS2812的阻抗不匹配问题 (阻抗不匹配会导致波形畸变)。MOSFET驱动器采用TPS2812,峰值驱动电流可达2 A,最大上升/下降时间25 ns,能够使MOSFET快速的开通和关断。

放电主回路如图6所示。电源正负极依次串接限流电阻和上下两路 MOSFET的源极和漏极,放电间隙与下路MOSFET的源极和漏极并联,利用两个MOSFET的开通时间差,以斩波的方式获得纳秒级脉冲[6]。这里的限流电阻选用的是大功率的无感绕线电阻,MOSFET选用的是IRF840,Vds源漏级最大电压能够达到500 V,ID最大连续电流为8 A,上升时间15 ns,开通延迟时间35 ns,能够满足微细电火花加工对电压和电流的要求。

图5 隔离驱动电路原理图Fig.5 Schematic diagram of the isolated driver circuit

图6 主回路示意图Fig.6 Diagram of the primary loop

虽然按照理论设计,电源的理论脉冲宽度能达到几十纳秒。但是由于电路板的布线干扰及元器件的差异,电源的脉宽范围为500 ns～1 ms,最小脉间50 μs,最大电压500 V,最大电流8 A。

3 加工实验

采用该脉冲电源,在煤油中进行了电火花加工实验。实验采用的电极为黄铜,工件材料为钛合金。

实验中采用的脉冲宽度为500 ns,电压为100 V,电流为500 mA,单次放电的波形如图7所示,图中的两个波形分别反映了间隙电流和间隙电压,该波形显示,当电压上升至40 V时,开始放电。空载时的连续放电波形如图8所示。

图7 单次放电波形Fig.7 Single discharge wave

图8 空载连续放电波形Fig.8 No-load continuous discharge wave

图9和图10分别是单次放电加工的蚀坑图和连续放电加工的蚀坑图。从图中可以看出,放电蚀坑仅有5 μm大小,符合微细电火花加工的基本要求。

图9 单次放电蚀坑图Fig.9 The crater of single discharge

图10 连续放电蚀坑图Fig.10 The surface of continuous discharge

4 结论

本文通过对现有的微细电火花加工脉冲电源的分析,设计出了脉宽可调的纳秒级脉冲电源,根据实验波形与扫描隧道显微镜看到的加工蚀坑图,可以确定所设计的脉冲电源完全满足电火花加工要求,具有良好的加工性能,并且具有以下云计算平台构建于数量众多的硬件资源之上,不存在因为单点故障而造成性能、应用服务中断的情况,也避免了服务器群集故障转移时应用服务无法正常停止而造成的迁移失败的情况。而传统模式下采购符合PACS性能要求的高性能服务器、大容量存储等硬件设备其本身就需要相当长的时间,其后硬件设备、OS的安装调试,群集、容灾系统的配置等等,需要耗费更多的人力物力,更加突显出云计算平台上的安装部署的时效性、性价比。

5 结束语

云计算平台的出现很好的解决了PACS一直存在的硬件性能与用户需求相对滞后、群集模式硬件资源利用率低、群集构建难度大、管理维度要求高、故障转移受多种因素影响、影像数据备份需第三方解决方案等问题,满足了PACS对高运算能力、大内存使用、大容量存储、高网络吞吐量以及巨大数据量备份等方面的需求,其对虚拟机的副本、快照、计算节点同构可互换等灾难恢复功能是对PACS这样关键应用服务强有力的支撑,降低了因硬件、OS、应用程序等出现故障而造成意外停机的可能,有效减少停机时间。同时充分利用现有的硬件资源,合理配置,降低因不断采购软、硬件设备而造成的巨大成本消耗,有效的平衡投入、产出,性价比优异。

[1]高忠军,杨骥，彭华，等.基于云计算的三维医学影像后处理云计算平台 [J].中国卫生信息管理杂志,2014(3)：251-254.

[2]亢军贤，余艳红，张锋，等.基于云计算技术的疗养院信息系统集成的研究与设计 [J].电脑知识与技术，2014(6)：1173-1175.

[3]姜晓旭，罗辉.基于云计算构建高校信息资源共享平台的设计方案[J].中国医学教育技术，2013(2)：38-41.

[4]马锡坤，吴艳君，王鹏.基于云计算的数据中心容灾系统的建设[J].中国医疗设备，2014(1)：93-95.

[5]马锡坤，于京杰.医院数据中心存在的问题及对策[J].中国医学教育技术，2013(2)：215-217.

[6]王建强，仲晓伟.基础设施即服务在医院的应用研究[J].中国医疗设备，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稿件编号：201503118

福建省自然科学基金支持(2014J01211)

褚旭阳(1981—)，男，吉林长春人，博士，讲师。研究方向：微细电火花。