全數(shù)字控制大功率高頻微弧氧化電源*

杜貴平 向鍔 張薇琳

(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640;2.廣州電器科學(xué)研究院，廣東廣州510300)

微弧氧化或微等離子體表面陶瓷化技術(shù)，是指在普通陽(yáng)極氧化的基礎(chǔ)上，利用弧光放電增強(qiáng)并激活在陽(yáng)極上發(fā)生的反應(yīng)，從而在以鋁、鈦、鎂金屬及其合金為材料的工件表面形成優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)化陶瓷膜的方法.通過專用的微弧氧化電源在工件上施加電壓，使工件表面的金屬與電解質(zhì)溶液相互作用，在工件表面形成微弧放電，在高溫、電場(chǎng)等因素的作用下，金屬表面形成陶瓷膜，達(dá)到工件表面強(qiáng)化的目的［1-3］.

目前國(guó)內(nèi)外微弧氧化脈沖電源主要有三大類:第一類是陰陽(yáng)極分別獨(dú)立調(diào)壓式電源;第二類是兩級(jí)斬波式電源;第三類是兩級(jí)逆變式電源［3］.第一類電源是由兩組獨(dú)立電源交替工作達(dá)到正負(fù)脈沖輸出，電源成本高、體積龐大.第二類電源通過第一級(jí)斬波調(diào)壓、第二級(jí)全橋斬波實(shí)現(xiàn)換向得到交流脈沖輸出，兩級(jí)都處于硬開關(guān)模式工作，工作效率較低.第三類電源第一級(jí)都是采用高頻軟開關(guān)工作，提高電源效率，但是第二級(jí)采用硬開關(guān)斬波，有一定開關(guān)損耗，降低電源效率而且后級(jí)高壓斬波對(duì)開關(guān)器件要求苛刻［4-10］.為此，文中提出了一種新型低成本、體積小的采用高頻逆變的高效率脈沖電源方案并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電源由功率電路及控制電路兩部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of power supply system

功率電路主要由三相整流及濾波電路、全橋逆變、高頻變壓、高頻整流、低頻換向及濾波輸出電路6部分組成.工作時(shí)電網(wǎng)三相電源由整流濾波電路整流成直流，經(jīng)第一級(jí)PWM(Pulse Width Modulation)逆變成高頻交流電壓輸入高頻變壓器變壓，通過快速恢復(fù)二極管變成高頻直流窄脈沖電壓，再經(jīng)第二級(jí)PWM換向及濾波得到設(shè)定的直流或交流方波輸出.控制電路主要是由AD(Analog Digital)采集部分、PWM控制驅(qū)動(dòng)部分及鍵盤、液晶顯示部分組成.電源開始工作時(shí)，通過鍵盤和人機(jī)交互液晶界面設(shè)定工作參數(shù)，起動(dòng)電源，AD采集輸出電壓及電流反饋來控制兩組PWM，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出以達(dá)到預(yù)期要求.

2 功率電路設(shè)計(jì)

功率電路主要由三相整流及濾波電路、全橋逆變、高頻變壓、高頻整流、低頻換向及濾波輸出電路等6部分組成，如圖2所示.

圖2 功率電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the power circuit

2.1 全橋逆變電路設(shè)計(jì)

全橋逆變電路由Q1－Q4 4個(gè)IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)組成，是電源功率電路的主要組成部分，在電路中的作用是變頻功率傳輸、電壓及電流控制，直接影響系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和控制精度.全橋逆變電路采用了有限雙極性控制方法，這種方法相對(duì)現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的移相全橋控制的優(yōu)點(diǎn)在于可以在較寬功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)控制，而且對(duì)開通時(shí)間控制沒有苛刻要求，便于控制.適合于微弧氧化電源這種輸出波形多變、功率輸出不固定的特殊電源，可以使電源在較大功率范圍內(nèi)高效工作.

有限雙極性的控制方法是在超前橋臂上通過對(duì)IGBT的并聯(lián)電容C3和C4充放電時(shí)間與超前橋路的死區(qū)配置得到合適的軟開關(guān)控制時(shí)間，在滯后橋臂上是通過飽和電感L2的阻斷時(shí)間來實(shí)現(xiàn)零電流開通.設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)電源輸出功率的范圍及PWM頻率合理選取電容及電感參數(shù)，并在實(shí)際調(diào)試時(shí)微調(diào)和驗(yàn)證軟開關(guān)的工作狀況.

2.2 全橋換向電路設(shè)計(jì)

第二級(jí)PWM即全橋換向電路，在系統(tǒng)中的作用就是正負(fù)脈沖輸出的換向，從電源的高頻變壓器輸出一串連續(xù)的高頻窄脈沖，通過換向電路轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌瑯O性的脈沖串，再通過后級(jí)的低通電感電容(LC)濾波得到相應(yīng)的低頻脈沖輸出.這級(jí)PWM由 4個(gè)IGBT管Q5－Q8組成，正向輸出時(shí)Q5和Q8導(dǎo)通，Q6和Q7截止;負(fù)向輸出時(shí)，Q6和Q7導(dǎo)通，Q5和Q8截止.由于換向全橋處于LC濾波電路的前面，所以當(dāng)?shù)谝患?jí)高頻PWM關(guān)斷時(shí)，換向電路前級(jí)基本無(wú)能量傳輸，換向電路可以方便地實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的開通關(guān)閉，使第二級(jí)PWM變換也工作在軟開關(guān)狀態(tài)，從而使系統(tǒng)在最大程度上提高工作效率.

2.3 濾波電路設(shè)計(jì)

功率電路中有兩級(jí)濾波網(wǎng)絡(luò).首先是在三相輸入整流后的工頻濾波，主波動(dòng)頻率固定，濾波輸出為直流，濾波回路較易設(shè)計(jì).第二級(jí)濾波輸出設(shè)計(jì)在第二級(jí)PWM輸出后，直接影響電源的輸出特性，要考慮電源輸出頻率與第一級(jí)PWM逆變頻率的相互影響，采用LC二階濾波回路.若設(shè)計(jì)時(shí)，LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)低于PWM頻率，濾波效果較好.但是考慮到微弧氧化電源的脈沖輸出特性，不能將LC濾波得太低.轉(zhuǎn)折頻率選取過高，輸出脈沖的邊沿效果好，脈沖的直流段則有較大的波紋;轉(zhuǎn)折頻率選取過低，濾波效果好，脈沖直流段紋波小，但脈沖輸出邊緣很差，甚至?xí)霈F(xiàn)三角波輸出.所以LC回路的轉(zhuǎn)折頻率要根據(jù)實(shí)際輸出要求初步計(jì)算LC取值范圍，匹配好第一級(jí)PWM的工作頻率.

2.4 控制電路設(shè)計(jì)

電源控制部分的控制器采用TI公司的電力電子專用DSP數(shù)字處理芯片TMS320LF2407A，運(yùn)算速度達(dá)40MIPS，12路PWM輸出，16路A/D輸入，滿足電源控制要求，控制系統(tǒng)框圖如圖3所示.

在電源中使用了8路PWM輸出，其中4路作為第一級(jí)PWM逆變?nèi)珮蝌?qū)動(dòng)，頻率較高，另外4路作為換向控制輸出，頻率為0～1 kHz.控制系統(tǒng)通過A/D轉(zhuǎn)換，得到輸出的電壓、電流反饋值，在有限時(shí)間內(nèi)經(jīng)過與設(shè)定值比較計(jì)算得出PWM輸出.同時(shí)，控制系統(tǒng)還要監(jiān)控相應(yīng)的電源安全運(yùn)行，例如超溫、限壓、限流及PWM驅(qū)動(dòng)輸出死區(qū)保護(hù)等.另外，電源還設(shè)計(jì)了液晶及鍵盤人機(jī)接口電路，方便顯示電源的各種工作狀況及設(shè)定電源的各種輸出模式，適合現(xiàn)場(chǎng)操作控制.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)軟件包括DSP主程序、各模塊驅(qū)動(dòng)程序及控制算法程序.系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)上電初始化、內(nèi)存分配、CPU模塊配置等工作.模塊驅(qū)動(dòng)程序完成各種顯示、鍵盤操作等工作.控制算法軟件是電源軟件中的關(guān)鍵部分，控制輸出達(dá)到要求的脈沖電壓或電流，上升沿和下降沿迅速變換，盡快進(jìn)入恒壓或恒流輸出.為了達(dá)到好的控制效果，在控制軟件中對(duì)邊沿段和平穩(wěn)段采取了不同的控制方法及參數(shù)，以求在各段都能達(dá)到最好的脈沖輸出波形［11-14］，控制算法的流程圖如圖4所示.

圖4 控制算法流程圖Fig.4 Flow chart of control algorithm

4 實(shí)驗(yàn)研究

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研制了60 kW的電源樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試試驗(yàn)，電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能良好，系統(tǒng)輸出波形的幅值、頻率、占空比、脈沖個(gè)數(shù)等參數(shù)能夠任意調(diào)節(jié).在使用現(xiàn)場(chǎng)，可方便地根據(jù)工藝要求設(shè)置不同的電壓、電流輸出，滿足工藝使用要求，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求.圖5給出了電源雙極性多脈沖輸出及單極性多脈沖輸出的波形圖.

圖5 雙、單極性多脈沖輸出的波形Fig.5 Waveforms of bipolar and single-polarity multiple pulse outputs

5 結(jié)語(yǔ)

文中介紹了基于全數(shù)字化控制雙級(jí)變換的智能脈沖式電源的原理及設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)過程.該新型電源可輸出多種特性波形，響應(yīng)速度快，滿足微弧氧化工藝需求;在設(shè)計(jì)上采用了高頻軟開關(guān)技術(shù)，電源功率密度顯著提高，降低了能源損耗和生產(chǎn)成本.特別是在較低電壓應(yīng)用場(chǎng)合(低于400 V)，可以去掉升壓變壓器、高頻整流電路及第二級(jí)PWM換向電路，從而減小電源體積及成本.

［1］ 韓夏云，龍晉明.鎂及鎂合金應(yīng)用與表面處理現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.輕金屬，2003(2):48-51.Han Xia-yun，Long Jin-ming.Application of magnesium and magnesium alloy and present situation and development of surface treatment［J］.Light Metals，2003(2): 48-51.

［2］ Kurze P，Krysmann W，Schneider H G.Application fields of ANOF layers and composites［J］.Cryst Res Technol，1986，21(12):16031-16609.

［3］ 陳小紅，曾敏，曹彪.微弧氧化電源的研究現(xiàn)狀［J］.新技術(shù)新工藝，2008(3):87-89.Chen Xiao-hong，Zeng Min，Cao Biao.Status of research on MAO power supply［J］.New Technology＆ New Process，2008(3):87-89.

［4］ Martin T W，Ang S S.Digital control for switching converters［C］∥Proceedings of IEEE Symposium on Industrial Electronics.Athens:IEEE，1995:480-484.

［5］ Mattavelli Paolo.An improved deadbeat control for UPS using disturbance observer［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2005，52(1):206-212.

［6］ Deng Heng，Oruganti Ramesh，Srinivasan Dipti.PWM methods to handle time delay in digital control of a UPS inverter［J］.IEEE Power Electronics Letters，2005，3(1):1-6.

［7］ Kai Z，Yong K，Jian X，et al.Deadbeat control of PWM inverter with repetitive disturbance prediction［C］∥Proceedings of the 14th APPLIED Power Electronics Conference.Dallas:［s.n.］，1999.

［8］ Jiang Wei.The output controllability of linear system with delay［J］.Ann of Diff Eqs，1995，10(5):39-44.

［9］ Jiang Wei，Song Wen-zhong.Controllability of sinular systems with control delay［J］.Automatica，2001(11):10-20.

［10］ 賀明智，許建平，游小杰，等.環(huán)路延時(shí)對(duì)數(shù)字峰值電壓控制開關(guān)變換器瞬態(tài)性能的影響［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(6):1-7.He Ming-zhi，Xu Jian-ping，You Xiao-jie，et al.Time delay effect on transient performance of digital peak voltage controlled switching converter［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29(6):1-7.

［11］ 單鴻濤，彭力，孔雪娟，等.數(shù)字化過程對(duì)脈寬調(diào)制逆變電源性能的影響機(jī)理［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(6):29-35.Shan Hong-tao，Peng Li，Kong Xue-juan，et al.Effect of digital process on the performance of pulse width modulation inverter［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29 (6):29-35.

［12］ 楊水濤，張帆，錢照明.基于DSP的有效消除數(shù)字控制延時(shí)的UPS逆變器多環(huán)控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(12):84-91.Yang Shui-tao，Zhang Fan，Qian Zhao-ming.DSP-based multiple-loop control strategy for UPS inverters with effective control delay elimination［J］.Transactions of China Electro Technical Society，2008，23(12):84-91.

［13］ 李子欣，王平，李耀華，等.采用數(shù)字控制的400 Hz大功率逆變電源［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29 (6):32-42.Li Zi-xin，Wang Ping，Li Yao-hua，et al.400 Hz highpower voltage-source inverter with digital control［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29(6):32-42.

［14］ Lu Zheng-yu，Qian Zhao-ming，Zeng Yong.Reduction of digital PWM limit ring with novel control algorithm［C］∥Proceedings of IEEE Applied Power Electronics Conference.Anaheim:IEEE，2001:21-524.