摘要：根据微弧氧化技术要求，研制了一种基于高频变换的全数字化大功率微弧氧化电源。介绍了系统的组成及工作原理，详述了两级全桥PWM控制实现多特性输出的设计方案。采用DSP全数字化控制，使系统可以按照要求实现多特性输出。通过试验测试和用户使用验证表明，该电源满足微弧氧化工艺需求，可稳定输出变频变幅等多种波形组合，使用可靠。

　　关键词：全数字控制;多特性;微弧氧化电源

　　中图分类号： 文献标识码： 文章编号：

　　Abstract： A high-frequency digital controlled power source is developed for the specification of Micro-arc oxidation. Structure of the system and design principle of the power source are introduced and the design of two-stage inverter for multi characteristic output are also introduced。The output has multi characteristic waveform as desire based on digital control。Experimental results and practical work show that the design of the power supply can meet the requirements of micro-arc oxidation process fully and the frequency & amplitude of output waveform are variable as desire.

　　Keyword: digital control;multi characteristic;power source for Micro-arc oxidation 1 引 言

　　微弧氧化或微等离子体表面陶瓷化技术,是指在普通阳极氧化的基础上，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，从而在以铝、钛、镁金属及其合金为材料的工件表面形成优质的强化陶瓷膜的方法，是通过用专用的微弧氧化电源在工件上施加电压，使工件表面的金属与电解质溶液相互作用，在工件表面形成微弧放电，在高温、电场等因素的作用下，金属表面形成陶瓷膜，达到工件表面强化的目的。

　　目前，国内外微弧氧化脉冲电源主要有

基金项目：国家自然科学基金项目(50977033), 国家科技支撑计划项目(2008BAF34B09)、广东省自然科学基金 (7004271) 联合资助

　　作者简介：向锷(1979-)，男，湖南邵阳人，硕士，研究方向为电力电子技术及系统控制.

　　三大类，第一类是阴阳极分别独立调压式电源;第二类是两级斩波式电源;第三类是两级逆变式电源[3]。第一类电源是由两组独立电源交替工作达到正负脉冲输出,电源成本高、体积庞大;第二类电源通过第一级斩波

　　调压，第二级全桥斩波实现换向得到交流脉冲输出，两级都处于硬开关模式工作，工作效率较低。第三类电源一级都是采用高频软开关工作，提高电源效率，但是第二级采用硬开关斩波实现输出，有一定开关损耗，降低电源效率而且后级高压斩波对开关器件要求苛刻。针对现状，本文提出了一种新型低成本、体积小的采用高频逆变的高效率脉冲电源方案并开展了实验研究。

　　2 系统组成结构

　　电源由功率电路及控制电路两部分组成，电源系统结构图如图1所示 图1 系统结构框图

　　功率电路部分主要由三相整流及滤波电路、全桥逆变、高频变压、高频整流、低频换向及滤波输出电路等六部分组成。工作时电网三相电源输入经整流滤波电路整流成直流，经第一级PWM逆变成高频交流电压，输入高频变压器变压，通过快速恢复二极管变成高频直流窄脉冲电压，再经第二级PWM换向及滤波得到设定的直流或交流方波输出。控制电路主要是AD采集部分，PWM控制驱动部分及键盘、液晶显示部分组成，电源开始工作时，通过键盘和人机交互液晶界面设定工作参数，起动电源，AD采集输出的电压及电流反馈来控制两组PWM，从而调节系统输出以达到预期要求。

　　3 功率电路设计

　　功率电路部分主要由三相整流及滤波电路、全桥逆变、高频变压、高频整流、低频换向及滤波输出电路等六部分组成，其功率电路原理如图2所示。

　　图2 功率电路原理图

　　3.1全桥逆变电路

全桥逆变电路由Q1-Q4 四个IGBT组成，是电源功率电路的主要组成部分，在电路中的作用是变频功率传输、电压及电流控制，这部分的控制直接影响到系统的转换效率、控制精度等。全桥逆变电路采用了有限双极性控制方法，这种方法相对现在应用广泛的移相全桥控制的优点在于可以在较宽功率范围内实现软开关控制，而且对开通时间控制没有苛刻要求，便于控制，适合于微弧氧化电源这种输出波形多变，功率输出不固定的特殊电源控制，可以使电源在较大功率范围类达到高效工作。

　　有限双极性的控制方法是在超前桥臂上通过IGBT的并联电容C3,C4充放电时间与超前桥路的死区配置得到合适软开关控制时间;在滞后桥臂上是通过饱和电感L2的阻断时间来实现零电流开通。设计时要根据电源输出功率的范围及PWM频率合理选取电容及电感参数，并在实际调试微调并验证软开关工作状况。

　　3.2 全桥换向电路

　　第二级PWM即全桥换向电路，在系统中的作用就是在于正负脉冲输出的换向，从电源的高频变压器的输出是一串连续的高频窄脉冲，通过换向电路转变为不同极性的脉冲串，再通过后级的低通LC滤波得到相应的低频脉冲输出。这级PWM由四个IGBT管Q5-Q8组成，正向输出，Q5,Q8导通，Q6,Q7截止;负向输出，Q6,Q7导通，Q5,Q8截止;由于换向全桥处于LC滤波电路的前面，所以当第一级高频PWM关断时，换向电路前级基本无能量传输，换向电路可以方便的实现软开关开通关闭，使第二级PWM变换也工作在软开关状态，从而使系统在最大程度上提高工作效率。

3.3 滤波电路设计

　　功率电路中有两级滤波网络。首先是在三相输入整流后的工频滤波，主波动频率固定，滤波输出为直流固定，滤波回路较易设计。第二级滤波输出设计在第二级PWM输出后，直接影响电源的输出特性，要考虑电源输出的频率与第一级PWM逆变频率相互影响，采用LC二阶滤波回路。若设计时，LC滤波器的转折频率远低于PWM频率，滤波效果就会越好，但是考虑微弧氧化电源的脉冲输出特性，不能将LC滤波器的转折频率设计的太低，转折频率选取过高，输出脉冲的边沿效果好，脉冲的直流段则有较大的波纹，转折频率选取过低，滤波效果好，脉冲直流段纹波小，但是脉冲输出边缘很

差，甚至会出现三角波输出，所以LC回路的转折频率要根据实际输出要求初步计算LC取值范围，匹配好第一级PWM的工作频率、输出波形频率及LC滤波器的转折频率，在调试中要仔细调节最终确定LC滤波参数。

　　3.4 控制电路设计

　　电源的控制部分的控制器采用的是TI公司的电力电子专用DSP数字处理芯片TMS320LF2407A，芯片的运算速度达到了40MIPS，12路PWM输出，16路A/D输入，满足电源控制要求，控制系统框图如图3：

图3 控制系统框图

　　在电源中使用了8路PWM输出，其中4路作为第一级PWM逆变全桥驱动，频率较高，另外4路作为换向控制输出，频率为0-1KHz。控制系统通过A/D转换，得到输出的电压，电流反馈值，在有限时间中经过与设定值比较计算得出PWM输出。同时，控制系统还要监控相应的电源安全运行，例如，超温、限压、限流及PWM驱动输出死区保护等，另外电源还设计了液晶及键盘人机接口电路，方便设定电源的各种输出模式及显示电源的各种工作状况，适合现场操作控制。

　　4 电源软件设计

　　电源系统软件包括DSP主程序、各模块驱动程序及控制算法程序。系统主程序主要在于系统上电初始化、内存分配、CPU模块配置等工作;模块驱动程序完成各种显示、键盘操作等工作;控制算法软件是电源中软件的关键部分，控制输出迅速达到要求的脉冲电压或电流，上升沿和下降沿变换迅速，尽快进入恒压或恒流输出，为了达到好的控制效果，在控制软件中对边沿段和平稳段采取了不同的控制方法及参数，以求在各段都能达到最好的脉冲输出波形，控制算法的流程图如图4所示。

　　图4 控制算法流程图

　　5 实验研究

在系统设计的基础上，研制了60KW的电源样机，并进行了实验研究。经过长时间测试试验，无故障现象出现，电源动态响应性能良好，系统输出波形的幅值、频率、占空比、脉冲个数等参数的任意调节。在使用现场，可方便的根据工艺要求设置不同的电压、电流输出，满足工艺使用要求，达到预期设计要求。图5 、图6分别是电源双极性脉冲输出波形图及单极性双脉冲输出波形的波形图。

　　图5 双极性多脉冲输出波形

　　Figure 5 Bipolar multiple pulses output waveform

　　图6 单极性多脉冲输出波形

　　Figure 6 Single-polarity multiple pulses output waveform

　　6 结 论

　　以TMS320LF2407A为核心的采用逆变结构的脉冲式电源，可输出多种特性波形，响应速度快，达到微弧氧化工艺要求。在设计上采用了高频软开关的节能设计，降低了电源的生产成本及体积，降低了能源损耗。特别是在较低电压使用场合(低于400V)，可以去掉升压变压器、高频整流电路及第二级PWM换向电路，更可大大的减小电源体积及成本。

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