掩膜电解电源频率分析及整流建模仿真

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(1.广东工业大学 机电工程学院,广州 510006; 2.广东农工商职业技术学院 智能工程学院,广州 510507)

0 引言

表面织构是指在物体表面具有一定尺寸和分布的凹坑、凹痕或凸包等图案的点阵，具有微纳米尺度表面织构的非光滑表面在表面能、密封特性、机械特性、热学特性、流体动力学特性等方面与具有光滑表面表现出截然不同的特点，在生物、工业、医学、航空、军事等领域具有广阔的前景。掩膜电解加工技术，一次可加工多个微小凹坑凹痕或凸包，加工过程工具基本没有损耗，而且避开了微细喷嘴难制造难定位，是表面微织构加工的新思路新方法。加工效果与电源的电压、电流、频率、占空比等参数密切相关，鉴于工艺的特殊性，需要设计一款高压脉冲电源来满足加工的要求[1-3]。

本课题来源于国家自然科学基金项目，分析开关器件的特点并对工作频率进行推导，通过Matlab/SimPowerSystems环境构建了三相桥式全控整流电路模型，并进行了仿真分析。

1 开关器件及频率分析

1.1 开关器件的分析

可以直接用于处理电能、实现电能转换或控制的电子设备称为电力电子设备。电力电子设备通常工作在开关状态。当设备开时阻抗非常小，管的压降接近于零，接近短路，电流由外部电路决定。当设备关时阻抗非常大，电流几乎为零，接近断路，设备两端的电压由外部电路决定。

按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可分为三种类型：不可控器件(整流二极管、电力二极管)；半控型器件(晶闸管及其大部分派生器件)；全控型器件(GTO、GTR、MOSFET、IGBT)。主要电力电子器件的特性及其应用领域如表1所示。

从表1可知：晶闸管所能承受的电压和电流是所有器件中最高的，工作可靠，价格便宜，但开关频率较低；MSOFET的开关速度是所有器件中最高的，可达200 kHz，可高频工作，而且不存在二次击穿问题；IGBT的开关频率可达到100 kHz，高电压大电流，成为中、大功率电力电子设备的主导器件。

1.2 工作频率及波形失真

绝缘栅双极型晶体管IGBT是三端器件，具有门(栅)

表1 器件特性及应用领域

极G、集电极C和发射极E，电气符号及等效电路如图1所示。

图1 IGBT等效电路和电气符号图

IGBT是场控器件，其开通和关断由门射极电压

U

GE

决定。当

U

GE

>

U

T

(开启电压)时，Power MOSFET内部形成沟道，并为晶体管提供基极电流，使IGBT导通；当门射极间施加反压或不加信号时，Power MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断；当

U

GE

<0时，J1结反向偏置，器件呈反向关断状态。IGBT的动态特性包括开通过程和关断过程两个方面

[4-5]

。

IGBT的开通时间ton为开通延迟时间td(on)与电流上升时间tr之和，即:

ton=td(on)+tr

(1)

IGBT的关断时间为关断延迟时间与电流下降时间之和，即:

toff=td(off)+tfi1+tfi2

(2)

可以看出，由于IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于MOSFET。IGBT开关损耗和频率成正比，随着频率的升高，IGBT的开关损耗会骤增。IGBT开关频率大小的确定需要考虑工作电路噪声大小、IGBT的功耗包括开通和关断、温升情况、开关管的电压电流尖峰、驱动波形的干扰情况(主要由于米勒效应引起)等。IGBT的工作频率是100 kHz，实际上只用到65 kHz左右，再考虑控制器触发IGBT的开通关断延时、高频发热等因素，实际工作频率是40 kHz左右，频率和占空比的分析过程如下：

IGBT开通时间约为100 ns,关断时间约为200 ns。

ton=110 ns=0.1 μs

toff=200 ns=0.2 μs

工作频率f=40 kHz，周期T=1/f=25 μs。

占空比为10%：脉冲宽度t为2.5 μs，周期T为25 μs。

同理，可得占空比和波形失真度的关系(f=40 kHz)如表2所表示。

表2 占空比和波形失真度的关系(f=40 kHz) %

同理，可得占空比和波形失真度的关系(f=30 kHz) 如表3所表示。

表3 占空比和波形失真度的关系(f=30 kHz) %

同理，可得占空比和波形失真度的关系(f=20 kHz) 如表4所表示。

表4 占空比和波形失真度的关系(f=20 kHz) %

由表2、表3、表4可得占空比和波形失真度关系图如图2所示。

图2 占空比和波形失真度关系图

从图2可知：工作频率越高，波形失真度越大，输出方波变形越严重；占空比越大，波形失真度越小，输出方波更规整。另外,输出方波的高电平持续时间需要是开通时间和关断时间的和的20～50倍(6～15 μs)，波形才得稳定。

2 电源整流SimPowerSystems建模仿真

2.1 单相桥式整流仿真

单相桥式全控整流电路的工作原理：晶闸管T1和T2组成一对桥臂，T3和T4组成另一对桥臂。当交流电压u2进入正半周期时，a端电位高于b端电位，两个晶闸管T1和T2同时承受正向电压，如果此时门极无触发信号ug,则两个晶闸管处于正相阻断状态，电源电压u2将全部加在T1和T2上。在ωt=α时刻，给T1和T2同时加触发脉冲，则两个晶闸管立即触发导通。当电流过零时，T1和T2关断。在交流电源的正、负半周里，T1、T2和T3、T4两组晶闸管轮流触发导通，触发脉冲在相位上应相差180°，可将交流电变成脉动直流电。改变触发脉冲出现的时刻，即改变α的大小，ud、id的波形和平均值随之改变[6-8]。

整流输出电压的平均值如式(3)所示：

(3)

即cosα=180°时，Ud-min=0.45U2;当cosα=0°时，Ud-max=0.9U2

单相桥式全控整流电路带电阻性负载时，移相范围α=0°～180°。由式(3)可得，当α=0°时，晶闸管全部导通，相当于不可控整流，此时输出电压为最大值Ud-max。

整流输出电压的有效值如公式(4)所示：

(4)

把U2=220 V,α=0°代入公式(3)、(4)，可得输出电压最大值Ud-max=198 V，整流输出电压的有效值U=220 V。

根据以上分析，构建单相桥式全控仿真电路。交流电压源模块设置为幅值220*sqrt(2)，频率为50 Hz。在Elements元件库中选择RLC串联支路模块，在PowerElectrionics元件库中选择UniversalBridge模块，设置桥臂数为2，器件类型为晶闸管，构成主电路设计部分。

在Sourses库中选择两个Pulse Generator模块。幅值设为1，周期设为0.02 s，即频率为50 Hz，占空比设置为10%。若触发角为α，则两个模块分别设置为α*0.02/360和(α+180)*0.02/360。第1个Pulse Generator模块的输出为晶闸管T1和T2的门极驱动脉冲，第2个Pulse Generator模块的输出为晶闸管T3和T4的门极驱动脉冲，第2个比第1个滞后π，即相位相差180°，完成控制电路设计部分。

串联RLC支路(Branch)中的电阻设置为R=10 Ω，去掉电感和电容，即H设置为0，F设置为inf(无穷大)。仿真时间设为0.1 s，选择ode23tb仿真算法，最大步长设为1e-5。使用MeanValue模块，把基波频率设为50 Hz，完成波形观察及分析，测量输出的平均值。设触发角为α=0°;α=03°;α=60°;α=90°，用SimPowerSystems仿真如图3所示。

图3 单相整流仿真图

由图3(a)可知，触发角为0时电压平均值195 V，而公式(3)计算值为198 V，仿真符合理论预期。由图3可得：峰值电压均为311 V。直流电压平均值和触发角有关，触发角越小，平均值越大。阻性负载，电压和电流成比例，波形一致。

2.2 三相桥式整流的计算及仿真

三相桥式整流电路由两组三相半波整流电路组成，其中一个为共阴极连接，另一个为共用阳极连接。如果工作条件相同，则负载电流为Id1=Id2。电流通过零点的平均值为I0=Id1-Id2=0。如果在不影响线路运行的情况下切断零线，则成为三相桥全控制整流电路。

三相全波整流桥由6个连接到桥整流电路的整流二极管封装，形成一个桥式全波整流电路。在输出波形中，N相直线虚线是经过整流和滤波后的平均输出电压。点线以上的小脉动波和每个正弦波的交点是经过整流后未滤波的输出电压波形。

选择整流桥的关键依据是整流桥二极管的最大耐压值和最大额定电流值。结合工程需要实际设计计算如下：

(1)三相整流桥的耐压值

整流桥的峰值电压按照下列公式计算：

式中,α为电网电压波动，取10%；Ut为三相交流电压输入值，即380 V代入公式计算可得，Umax=591 V，Umin=483 V。取最大值电压的2.5倍裕量，则耐压值为1 478 V，取1 600 V。

(2)三相整流桥的额定电流值

整流桥流经的最大电流计算如下：

本次工程设计要求输出电压为500 V，输出电流为20 A，则输出功率为:

Po=Uo-max×Io-max=500 V×20 A=10000 W=10 kW

式中,Po-max为最大输出功率，取1.2倍额定功率，为12 kW；η为电源效率，取0.9；代入公式计算可得:

取最大电流的3倍裕量，则最大额定电流值为67 A，取100 A。

综合最高耐压值和最大额定电流，选择100 A/1600 V的三相整流桥，选择ASEMI公司的三相整流模块MDS100-16，实物和原理如图4所示。

图4 三相整流模块实物和原理图

MDS100-16模块由6种超高速回收二极管芯片和一种高功率高压晶闸管芯片组成，该芯片在某一电路中连接后封装在PPS外壳中。由于电路的连接已在模块内完成，所以元件之间的连接被缩短，优化布线和对称结构的设计实现。[9]结合整流桥堆参数及结构特点，根据以上理论计算选择的MDS100-16模块， 满足工程实际。

3个由阴极连接的晶闸管叫共阴极组，3个由阳极连接的晶闸管叫共阳极组。传导序列为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。在自然换向过程中，每个时刻的两个晶闸管对应于阳极上的最高交流电压值和阴极的最低交流电压。[10]

整流输出id连续情况(即电阻性负载α≤60°)，整流输出电压ud的平均值为:

(5)

当cosα=60°时，Ud-min=1.17U2=1.17*220=257 V

当cosα=0°时，Ud-max=2.34U2=2.34*220=514 V

整流输出id断续情况(即电阻性负载60°<α<120°)，整流输出电压ud的平均值为:

(6)

即三相桥式全控整流电路带电阻性负载时，移相范围α=0°～120°。

三相桥式全控制整流器同时具有两个晶闸管，同时形成电路，其中共阴极组和共阳极组各为1个，不可能是同一相位装置。触发脉冲的顺序为T1-T2-T3-T4-T5-T6，相位差为60°。上、下两桥臂脉冲的差值在相同相位下为180°。

根据以上分析，构建三相桥式全控仿真电路。交流电压模块的phase-to-phase rms设置为380 V，频率为50 Hz，内部连接采用Yg结构。在Elements元件库中选择RLC串联支路模块，在PowerElectrionics元件库中选择UniversalBridge模块，设置桥臂数为3，电力电子器件为晶闸管，构成主电路设计部分。在Extras库中选择Synchronized 6-Pulse Generator模块产生六路触发脉冲，频率设置为50 Hz，脉冲宽度为10。alhpa_deg是脉冲触发角度，控制整流输出电压大小，完成控制电路设计部分。

串联RLC支路(Branch)中的电阻设置为R=20Ω，去掉电感和电容，即H设置为0，F设置为inf(无穷大)。仿真时间设为0.1 S，选择ode23tb仿真算法，最大步长设为1e-5。使用MeanValue模块，把基波频率设为50 Hz，完成波形观察及分析，测量输出的平均值。设置触发角为α=0°;α=30°;α=60°;α=90°，用SimPowerSystems仿真如图5所示。

图5 三相整流仿真图

由图5(a)可知，触发角为0时电压平均值509 V，而公式(5)计算值为514 V；由图5(b)可知，触发角为30时电压平均值443 V，而公式(5)计算值为446 V；由图5(c)可知，触发角为60时电压平均值257.5 V，而公式(5)计算值为257 V；由图5(d)可知，触发角为90时电压平均值68.63 V，而公式(5)计算值为69 V；仿真结果符合理论预期。

由图5可得：当α≤60°时，ud波形均为连续的；对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样；当α>60°时，ud波形每60°中有一段为零；一旦ud为零，则id也降为零，流过晶闸管的电流即降为零，晶闸管关断；直流电压一周期(0.02 s)脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。

在0～120°移相范围内改变触发角进行仿真，记录每个触发角对应的直流电压平均值，结合图5的仿真结果，可得带电阻负载移相特性曲线有如下性质：随着触发角的增大，直流电压平均值会减小，而且下降趋势陡度比较陡，呈反比关系。

2.3 整流仿真分析及方案选择

针对特殊工艺的需要，电源要求是500 V的高频方波。本次电源需要完成工频交流电整流为直流电。整流电路利用电力电子器件的单向导通特性将交流电变换为直流电。

由图3和图5的仿真结果可知：单相桥式整流的峰值电压为311 V，没有达到500 V的要求，而且直流脉动比较大；三相桥式整流的峰值电压为532 V，达到500 V要求，而且6脉波整流电路的波形比较平滑。

升压电路希望输入波形脉动较小平整规则，变压升压器的匝数比不应太大，这样更有利于进一步的斩波电路。综上所述，本次方案设计采用三相桥式全控整流电路，仿真结果表明达到预期的效果。

3 结束语

由于掩膜电解加工的复杂性和特殊性，需要设计一款特种电源。本文分析了开关器件的特点，重点讨论了频率特性和占空比的关系，随着频率的上升及占空比下降，波形失真度越变严重。分别对单相桥式和三相桥式进行SimPowerSystems建模仿真，三相桥式整流的电压峰值达到设计要求，纹波较小，波形平顺。仿真结果表明，各节点的实验波形符合预期。

下阶段的工作将构建滤波和斩波电路模型，进行参数计算，利用SimPowerSystems建模，得到可调占空比的方波，实现频率连续可调。