大功率电化学脉冲电源技术研究

吕蒙　牛晨旭

【摘 要】大功率脉冲电源作为电化学加工领域的一项关键技术，其综合性能决定了脉冲电化学加工工艺的改进和加工质量。高频率、大电流、窄脉宽的电化学加工工艺在PFC技术、全桥软开关技术和同步整流技术以及高频斩脉冲技术的支撑下得以实现。电化学加工的效率、精度也在不断提高，应用范围不断扩大，为高质量的电化学加工提供有力保障。

【关键词】电化学；脉冲电源；大功率；DC-DC变换器；高頻斩脉冲

中图分类号： TG662 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0025-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.010

Research on High Power Electrochemical Pulse Power Technology

LV Meng NIU Chen-xu

（Zhengzhou Railway Vocational and Technical College， Zhengzhou， Henan 451460， China）

【Abstract】Pulse power supply is the key technology of Electrochemical Machining， and its performance determines the improvement and quality of processing technology. PFC， Full-Bridge soft switch technology and Synchronous Rectification technology and High Frequency Chopper Pulse technology are used to realize the electrochemical processing technology of high frequency， large current and narrow pulse width. The efficiency and precision of electrochemical machining are also improving， and the application scope is continuously expanded to provide strong guarantee for the high quality electrochemical machining.

【Key words】Electrochemical； Pulse power； High power； DC-DC converter； High-Frequency chopped pulse

0 引言

电化学加工即通过金属材料在外部加载电场的作用下而产生电化学反应，从而使得金属原子失去电子被溶解，进而对金属材料进行加工。电化学加工自20世纪50年代问世以来，经过近半个世纪的发展，现已成为机械制造学科中一个重要的分支，也是国防工业生产中的关键制造技术之一。[1]常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。高频（>1kHz）、窄脉冲（us级）电流电解加工显著改善了电解加工间隙过程的理化特性，简化了工艺，增强了加工稳定性，提高了加工精度、表面质量和加工效率，为电解加工的应用开拓了新的领域，而脉冲电源是实现此项新工艺技术并使之用于生产的关键设备。[2]

1 脉冲电源的总体结构

脉冲电源总体结构如图1所示。随着新型大功率半导体器件的发展，尤其是以高频著称的大功率MOSFET和以高耐压高通流能力著称的IGBT功率器件的出现和发展，使得高频大功率脉冲电源成为可能。[6]并推动高频脉冲电源不断向前发展，其功能得到了较大的完善，其性能指标也得到了很高的提升。

1.1 AC-DC交直流变换电路

我国电网采用电压为220V的交流电，因此，AC-DC变换器必须具有整流滤波电路，将交流电转换为直流电输出。其中滤波器主要用于抑制外界对电路产生的干扰，屏蔽电路对电网的干扰信号。常用的AC端滤波器主要是π型滤波器，其可有效抑制存在于电网和电路中的差模干扰和共模干扰，是一种简单有效的滤波电路。[3]整流器一般选用硅整流器件，由于输入工频正弦交流电压，因此需要选择耐压超过电网峰值的硅整流器件进行整流。

经过输入滤波和整流器整流后，工频交流电压的负半周期电压被翻转，其实质是脉动直流电压，该电压波动较大，为了使输出电压平稳还需要添加电容滤波电路。[5]电容滤波电路将整流过的直流脉动电压的直流分量滤除，使输出电压平稳且质量较高。通过使用电容滤波器输出所需的直流电压，然而，输入电流不是随输入电压变化的正弦波型，而是窄脉宽的脉冲波形。脉冲电流中的大量高次谐波不仅污染电网，且降低整流电路的功率因数。使用电容滤波器的整流电路，其功率因数只有0.6～0.7。功率因数校正技术（PFC）可提高功率因数，减小电流畸变。加入PFC电路的整流器，其功率因数高达0.99，甚至更高。

1.2 DC-DC直流变换电路

电化学加工过程中，为保证加工精度和效率，一般要求较高的电流密度，电化学抛光的电流密度达到30A/cm2。为了减小DC-DC变换器的体积，通常使用高频变压器作为DC-DC变换器的主变压器，以提高变换效率。[5]

由于电化学加工脉冲电源要求输出功率较大，因此采用结构较为复杂的全桥式电路拓扑才能够满足要求。通过更换大容量的开关管和优化驱动电路，并使用较大的高频变压器磁芯或多个变压器并联，同时适当的提高电路的工作频率，可以将全桥DC-DC变换器的最高输出功率提升至数十千瓦，完全能够满足较大功率的电化学加工要求。全桥软开关技术能够进一步降低开关管的开通和关断损耗，全桥软开关是在原有的电路中加入谐振电路，使主开关管的开通和关断发生在电压或电流的过零点，从而降低损耗的方法。[6]

全桥硬开关DC-DC变换器电路中，由于次级工作在低压大电流状态，因此大都使用具有低导通压降的肖特基二极管，以降低损耗。次级肖特基整流二极管与初级整流管都具有固定的正向导通压降，因此，有电流通过必然会产生损耗，且当次级工作电流数值大，导通损耗更大。为了降低损耗，使用通态内阻极低的MOSFET作为整流管，极大地降低导通压降，从而提高脉冲电源的效率。

1.3 直流斩脉冲电路

电化学加工中的脉冲电源需输出频率可调、占空比可调的电脉冲，因此，在上述电源模块的基础上需要加入直流斩脉冲电路。

直流斩脉冲电路要求能够长时间工作在低压、高频、大电流冲击的条件下，常采用通态电阻只有几毫欧姆的MOSFET作为开关管，为提高通流能力，可以使用多个MOSFET并联驱动的方法。通过调节MOSFET的驱动电压频率和波形，就可以获得电化学加工所需要的脉冲电流。

1.4 控制电路与保护电路

控制电路是脉冲电源的核心控制单元，包括中央处理器、专用控制器和驱动器。控制单元通过分析和处理外部输入的数据和系统传感器采集的电压、电流以及温度等数据，向各模块的驱动电路发送相应的控制指令，从而达到对脉冲电源的控制作用。[7]目前，一些高精度的脉冲电眼控制系统采用DSP和FPGA最为数据处理和逻辑控制核心。保护电路由过压/欠压保护、过流保护、温度保护和短路保护组成，过压/欠压保护可避免器件损坏，防止输出电压过高而损坏负载；过流保护可保护开关器件不受过电流的损坏；温度保护可防止开关器件等元件因过热而引起的损坏；短路保护可及时切断短路，保护系统和工件不受损坏。

2 总结

虽然加入了有源PFC技术、全桥软开关技术、同步整流技术以及高精度数字控制技术后，脉冲电源的控制精度、工作效率和稳定性都得到了一定的提高，但却面临结构和控制电路复杂、开发周期较长的难题，主高频变压器和初级整流效率仍有待提高。大功率脉冲电源技术在理论方面取得了较大突破，但在实际应用中仍需进一步完善，尤其关于输出容量、控制精度和工艺参数调整等方面仍需继续研究，使电化学加工朝精密化和智能化方向发展，并使之广泛成熟应用于制造加工行业。

【参考文献】

[1]杨明.电化学加工技术的原理与应用[J].机械，2011.

[2]狄士春，吴海波，王贤成，赵万生.电化学加工脉冲电源的研制与实验研究[J].电加工与模具，2005.

[3]王尧锋.高频脉冲电解开关电源研制及工艺试验[D].广东工业大学，2006.

[4]范植堅，杨森，唐霖.电解加工技术的应用和发展[R].西安工业大学学报，2012.

[5]曲学基，王增福，曲敬铠.新编高频开关稳压电源[M].电子工业出版社.2005年第1版：170-175.

[6]王增福，李昶，魏永明.软开关电源原理与应用[M].电子工业出版社.2006年第1版：95-101.

[7]余艳青.电解加工高频窄脉冲电流源特征试验研究及工程化样机研制[D].华南理工大学.2003.

[8]沈慕昭.电化学基本原理及其应用[M].北京师范大学出版社.1987年第1版：260-273.