基于MATLAB的微弧氧化電源仿真與分析

何飛　李宏戰(zhàn)　趙文　付有　喬江江　盧偉　張勇

摘 要：通過(guò)MATLAB中SimPowerSystems模型庫(kù)建立單脈沖電源模型，對(duì)主回路以及相應(yīng)的保護(hù)電路進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)負(fù)載模型的建立分析IGBT和負(fù)載波形的變化。結(jié)果表明，利用MATLAB對(duì)微弧氧化電源進(jìn)行仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)微弧氧化工藝要求，對(duì)電源的設(shè)計(jì)以及深入研究有著重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：MATLAB；微弧氧化電源；波形；IGBT

中圖分類號(hào)：TG174.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）35-0022-03

Abstract： The single pulse power supply model is established through the SimPowerSystems model library in MATLAB. The main circuit and the corresponding protection circuit are simulated. The changes of IGBT and load waveform are analyzed through the establishment of load model. The results show that the simulation of micro-arc oxidation power supply with MATLAB can meet the requirements of micro-arc oxidation process， which has important reference value for the design of power supply and in-depth research.

Keywords： MATLAB； micro-arc oxidation power supply； waveform； IGBT

引言

微弧氧化技術(shù)（MAO），又稱微等離子體氧化技術(shù)，是一種將Ti等閥金屬及合金放置于特制的電解液中，使其表面原位生長(zhǎng)出氧化陶瓷膜的表面處理技術(shù)。其主要的電參數(shù)電壓、電流密度、脈沖頻率等是由微弧氧化電源所決定的[1-2]，通過(guò)Matlab中SimPowerSystems模型庫(kù)建立微弧氧化單相脈沖電源模型，結(jié)合特定電參數(shù)對(duì)主回路及保護(hù)電路進(jìn)行仿真，從而可以有效減少電源設(shè)計(jì)前期投入，對(duì)電源的優(yōu)化有著重要的意義。

1 微弧氧化電源

微弧氧化電源主要包括變壓器、三相橋式整流電路、濾波電路和斬波電路等，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

蘭州理工大學(xué)陳明在單極性脈沖方式下鎂合金微弧氧化實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定電參數(shù)：電壓210V、頻率667Hz、占空比30%，用Tektronix TDS3034記憶示波器記錄的負(fù)載電壓和電流波形[3]，如圖2所示。單脈沖電源的負(fù)載電壓在脈沖高電平階段成平緩直線，而在脈沖低電平階段成斜線方式下滑。同時(shí)，在脈沖高電平初期，電流有一個(gè)尖峰，并逐步下滑；在脈沖低電平階段初期，存在強(qiáng)烈的抖動(dòng)，隨后趨于平穩(wěn)直到下一個(gè)脈沖階段。

2 微弧氧化主電路的分析與仿真

2.1 整流和濾波電路

通過(guò)人機(jī)界面輸入微弧氧化工藝所需的電壓或電流值，PLC將控制晶閘管控制電路給定整流電路中的晶閘管相應(yīng)控制角，從而調(diào)節(jié)晶閘管輸出電壓值。由于微弧氧化電源的負(fù)載很小，即生成的電流很大，會(huì)導(dǎo)致整流后的電壓波動(dòng)很大。為消除電壓波動(dòng)，在三相全控整流橋與斬波電路之間接入濾波電路。

在SimPowerSystems模型庫(kù)選擇相應(yīng)的元件， Constant給定晶閘管脈沖控制角為30°，Pulse Generator直接提供PWM脈沖寬度和延遲，負(fù)載電阻R選擇100Ω，濾波電容9400μF，搭建如圖3所示的仿真模型。

加入濾波電容元件前后，負(fù)載電流值仿真波形如圖4所示。波動(dòng)加大的曲線為不加濾波電容的負(fù)載電流波形，含一定諧波。比較平滑的曲線為加入濾波電容后的負(fù)載電流波形，含諧波成分少。因此，選擇合適的濾波電容可以得到波形比較平緩的直流電壓。

2.2 晶閘管保護(hù)電路

智能晶閘管模塊的內(nèi)部有過(guò)電流抑制功能，除此之外，可以在晶閘管模塊前串入快速熔斷器。快速熔斷器是針對(duì)晶閘管過(guò)流能力差的保護(hù)元件，熔斷時(shí)間小于0.02s，快速切斷短路電流，從而保護(hù)晶閘管不被損壞。

當(dāng)晶閘管承受反向電壓超過(guò)其反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間很短，也會(huì)造成晶閘管損壞。過(guò)電壓分為內(nèi)因過(guò)電壓和外因過(guò)電壓兩種。在晶閘管模塊兩端并聯(lián)阻容吸收電路，抑制晶閘管由導(dǎo)通到截止時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，有效避免晶閘管被擊穿。在變壓器和晶閘管模塊之間的每?jī)上嗌喜⒙?lián)金屬氧化物壓敏電阻，及時(shí)消除外因引起的過(guò)電壓。設(shè)置壓敏電阻耐壓1000V，電容0.33μF，電阻20Ω，建立仿真模型如圖5所示。

2.3 斬波及其保護(hù)電路

選擇絕緣柵雙極性晶體管（IGBT），其具有驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、通態(tài)壓降小且載流能力大等優(yōu)點(diǎn)，適合微弧氧化主電路?？紤]到電網(wǎng)電壓和變壓器的瞬態(tài)尖峰、電壓波動(dòng)、開關(guān)電流引起的尖峰等，選擇合適的IGBT參數(shù)可以延長(zhǎng)電源的使用壽命。

IGBT兩端需承受較大的電壓和通過(guò)很大的電流，因此容易造成浪涌電壓和過(guò)電流現(xiàn)象，從而損壞IGBT。為防止對(duì)IGBT造成損壞，則需要對(duì) IGBT 采取一定的保護(hù)[4]。IGBT保護(hù)電路主要分為過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)。設(shè)置RCD緩沖電路并用壓敏電阻輔助保護(hù)，如圖6所示。當(dāng)壓敏電阻兩端電壓高于額定值時(shí)，壓敏電阻就會(huì)迅速被擊穿而導(dǎo)通，起到了均值過(guò)電壓保護(hù)的作用。這里設(shè)置C1為2個(gè)1200V、4uF并聯(lián)，R1為5個(gè)500W、20Ω并聯(lián)，D為1200V、200A的快速恢復(fù)二極管。

3 負(fù)載電路仿真分析

在微弧氧化工藝工程中，由于R、R2、C2的數(shù)值和電解液、工件形狀以及工作狀態(tài)等有著密切關(guān)系，R表示電解液電阻等常量電阻和膜層電阻之和；C2表示電解槽形狀、電極位置等引起的常量無(wú)極性電容以及在微弧氧化過(guò)程中引起的有極性電容的等效；R2表示在微弧氧化過(guò)程中微區(qū)電弧放電通道的等效電阻，隨膜層狀態(tài)和加載電壓的改變而變化[5]。R2與C2并聯(lián)在R串聯(lián)作為負(fù)載電路模型，取參考值：R=4Ω，R2=80Ω，C2=24μF。

設(shè)定脈沖觸發(fā)器控制角為30°，得到負(fù)載和IGBT的電壓、電流波形仿真曲線，如圖7所示。

圖7（a）中虛線是IGBT兩端的電壓波形，實(shí)線是負(fù)載兩端的電壓波形；從圖中可以看出IGBT和負(fù)載的電壓之和為晶閘管輸出電壓。圖7（b）中虛線是IGBT兩端的電流波形，實(shí)線是負(fù)載兩端的電流波形，兩者的形狀比較相似，都有一個(gè)尖峰電流。

當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電源通過(guò)R、R2、C2組成的電路向IGBT保護(hù)電路進(jìn)行充電，其兩端的電壓將不斷升高，而負(fù)載電壓不斷降低，兩者之和保持不變。在負(fù)載模型上的電容C2開始通過(guò)R再和R2并聯(lián)的電路進(jìn)行放電，表現(xiàn)在電流以e為底的負(fù)指數(shù)函數(shù)衰減。

當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，其兩端電壓突變?yōu)?V，產(chǎn)生很大的電流瞬時(shí)值，接著電流以e為底的負(fù)指數(shù)函數(shù)衰減，這是由于IGBT保護(hù)電路中的電容C1通過(guò)電阻R1對(duì)IGBT放電導(dǎo)致的。在負(fù)載模型上，由于電壓發(fā)生躍變，開始通過(guò)R開始對(duì)電容C2進(jìn)行充電，也產(chǎn)生很大的電流瞬時(shí)值。因此，IGBT和負(fù)載的電流瞬時(shí)值產(chǎn)生原理是不同的。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比圖7中實(shí)線部分波形和圖2波形，發(fā)現(xiàn)實(shí)際波形和仿真波形具有高度的相似性，因此，通過(guò)SimPowerSystems模型庫(kù)建立微弧氧化電源模型是可行的。通過(guò)改變相應(yīng)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)電源的全數(shù)字控制，為微弧氧化電源的設(shè)計(jì)和分析帶來(lái)方便。

參考文獻(xiàn)：

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[2]趙玉峰.微弧氧化電流脈沖電源及其負(fù)載電氣特性的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[3]陳明.鎂合金微弧氧化微區(qū)電弧放電機(jī)理及電源特性的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2010.

[4]田健，郭會(huì)軍，王華民，等.大功率IGBT瞬態(tài)保護(hù)研究[J].電力電子技術(shù)，2000（04）.

[5]王鵬.具有多種輸出方式的微弧氧化脈沖電源研制[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012.