掩膜電解電源頻率分析及整流建模仿真

，， ，，

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510006; 2.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程學(xué)院,廣州 510507)

0 引言

表面織構(gòu)是指在物體表面具有一定尺寸和分布的凹坑、凹痕或凸包等圖案的點(diǎn)陣，具有微納米尺度表面織構(gòu)的非光滑表面在表面能、密封特性、機(jī)械特性、熱學(xué)特性、流體動力學(xué)特性等方面與具有光滑表面表現(xiàn)出截然不同的特點(diǎn)，在生物、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、航空、軍事等領(lǐng)域具有廣闊的前景。掩膜電解加工技術(shù)，一次可加工多個微小凹坑凹痕或凸包，加工過程工具基本沒有損耗，而且避開了微細(xì)噴嘴難制造難定位，是表面微織構(gòu)加工的新思路新方法。加工效果與電源的電壓、電流、頻率、占空比等參數(shù)密切相關(guān)，鑒于工藝的特殊性，需要設(shè)計(jì)一款高壓脈沖電源來滿足加工的要求[1-3]。

本課題來源于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，分析開關(guān)器件的特點(diǎn)并對工作頻率進(jìn)行推導(dǎo)，通過Matlab/SimPowerSystems環(huán)境構(gòu)建了三相橋式全控整流電路模型，并進(jìn)行了仿真分析。

1 開關(guān)器件及頻率分析

1.1 開關(guān)器件的分析

可以直接用于處理電能、實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或控制的電子設(shè)備稱為電力電子設(shè)備。電力電子設(shè)備通常工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備開時(shí)阻抗非常小，管的壓降接近于零，接近短路，電流由外部電路決定。當(dāng)設(shè)備關(guān)時(shí)阻抗非常大，電流幾乎為零，接近斷路，設(shè)備兩端的電壓由外部電路決定。

按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度，可分為三種類型：不可控器件(整流二極管、電力二極管)；半控型器件(晶閘管及其大部分派生器件)；全控型器件(GTO、GTR、MOSFET、IGBT)。主要電力電子器件的特性及其應(yīng)用領(lǐng)域如表1所示。

從表1可知：晶閘管所能承受的電壓和電流是所有器件中最高的，工作可靠，價(jià)格便宜，但開關(guān)頻率較低；MSOFET的開關(guān)速度是所有器件中最高的，可達(dá)200 kHz，可高頻工作，而且不存在二次擊穿問題；IGBT的開關(guān)頻率可達(dá)到100 kHz，高電壓大電流，成為中、大功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。

1.2 工作頻率及波形失真

絕緣柵雙極型晶體管IGBT是三端器件，具有門(柵)

表1 器件特性及應(yīng)用領(lǐng)域

極G、集電極C和發(fā)射極E，電氣符號及等效電路如圖1所示。

圖1 IGBT等效電路和電氣符號圖

IGBT是場控器件，其開通和關(guān)斷由門射極電壓

U

GE

決定。當(dāng)

U

GE

>

U

T

(開啟電壓)時(shí)，Power MOSFET內(nèi)部形成溝道，并為晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通；當(dāng)門射極間施加反壓或不加信號時(shí)，Power MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷；當(dāng)

U

GE

<0時(shí)，J1結(jié)反向偏置，器件呈反向關(guān)斷狀態(tài)。IGBT的動態(tài)特性包括開通過程和關(guān)斷過程兩個方面

[4-5]

。

IGBT的開通時(shí)間ton為開通延遲時(shí)間td(on)與電流上升時(shí)間tr之和，即:

ton=td(on)+tr

(1)

IGBT的關(guān)斷時(shí)間為關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降時(shí)間之和，即:

toff=td(off)+tfi1+tfi2

(2)

可以看出，由于IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度要低于MOSFET。IGBT開關(guān)損耗和頻率成正比，隨著頻率的升高，IGBT的開關(guān)損耗會驟增。IGBT開關(guān)頻率大小的確定需要考慮工作電路噪聲大小、IGBT的功耗包括開通和關(guān)斷、溫升情況、開關(guān)管的電壓電流尖峰、驅(qū)動波形的干擾情況(主要由于米勒效應(yīng)引起)等。IGBT的工作頻率是100 kHz，實(shí)際上只用到65 kHz左右，再考慮控制器觸發(fā)IGBT的開通關(guān)斷延時(shí)、高頻發(fā)熱等因素，實(shí)際工作頻率是40 kHz左右，頻率和占空比的分析過程如下：

IGBT開通時(shí)間約為100 ns,關(guān)斷時(shí)間約為200 ns。

ton=110 ns=0.1 μs

toff=200 ns=0.2 μs

工作頻率f=40 kHz，周期T=1/f=25 μs。

占空比為10%：脈沖寬度t為2.5 μs，周期T為25 μs。

同理，可得占空比和波形失真度的關(guān)系(f=40 kHz)如表2所表示。

表2 占空比和波形失真度的關(guān)系(f=40 kHz) %

同理，可得占空比和波形失真度的關(guān)系(f=30 kHz) 如表3所表示。

表3 占空比和波形失真度的關(guān)系(f=30 kHz) %

同理，可得占空比和波形失真度的關(guān)系(f=20 kHz) 如表4所表示。

表4 占空比和波形失真度的關(guān)系(f=20 kHz) %

由表2、表3、表4可得占空比和波形失真度關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 占空比和波形失真度關(guān)系圖

從圖2可知：工作頻率越高，波形失真度越大，輸出方波變形越嚴(yán)重；占空比越大，波形失真度越小，輸出方波更規(guī)整。另外,輸出方波的高電平持續(xù)時(shí)間需要是開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的和的20～50倍(6～15 μs)，波形才得穩(wěn)定。

2 電源整流SimPowerSystems建模仿真

2.1 單相橋式整流仿真

單相橋式全控整流電路的工作原理：晶閘管T1和T2組成一對橋臂，T3和T4組成另一對橋臂。當(dāng)交流電壓u2進(jìn)入正半周期時(shí)，a端電位高于b端電位，兩個晶閘管T1和T2同時(shí)承受正向電壓，如果此時(shí)門極無觸發(fā)信號ug,則兩個晶閘管處于正相阻斷狀態(tài)，電源電壓u2將全部加在T1和T2上。在ωt=α?xí)r刻，給T1和T2同時(shí)加觸發(fā)脈沖，則兩個晶閘管立即觸發(fā)導(dǎo)通。當(dāng)電流過零時(shí)，T1和T2關(guān)斷。在交流電源的正、負(fù)半周里，T1、T2和T3、T4兩組晶閘管輪流觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖在相位上應(yīng)相差180°，可將交流電變成脈動直流電。改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻，即改變α的大小，ud、id的波形和平均值隨之改變[6-8]。

整流輸出電壓的平均值如式(3)所示：

(3)

即cosα=180°時(shí)，Ud-min=0.45U2;當(dāng)cosα=0°時(shí)，Ud-max=0.9U2

單相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)，移相范圍α=0°～180°。由式(3)可得，當(dāng)α=0°時(shí)，晶閘管全部導(dǎo)通，相當(dāng)于不可控整流，此時(shí)輸出電壓為最大值Ud-max。

整流輸出電壓的有效值如公式(4)所示：

(4)

把U2=220 V,α=0°代入公式(3)、(4)，可得輸出電壓最大值Ud-max=198 V，整流輸出電壓的有效值U=220 V。

根據(jù)以上分析，構(gòu)建單相橋式全控仿真電路。交流電壓源模塊設(shè)置為幅值220*sqrt(2)，頻率為50 Hz。在Elements元件庫中選擇RLC串聯(lián)支路模塊，在PowerElectrionics元件庫中選擇UniversalBridge模塊，設(shè)置橋臂數(shù)為2，器件類型為晶閘管，構(gòu)成主電路設(shè)計(jì)部分。

在Sourses庫中選擇兩個Pulse Generator模塊。幅值設(shè)為1，周期設(shè)為0.02 s，即頻率為50 Hz，占空比設(shè)置為10%。若觸發(fā)角為α，則兩個模塊分別設(shè)置為α*0.02/360和(α+180)*0.02/360。第1個Pulse Generator模塊的輸出為晶閘管T1和T2的門極驅(qū)動脈沖，第2個Pulse Generator模塊的輸出為晶閘管T3和T4的門極驅(qū)動脈沖，第2個比第1個滯后π，即相位相差180°，完成控制電路設(shè)計(jì)部分。

串聯(lián)RLC支路(Branch)中的電阻設(shè)置為R=10 Ω，去掉電感和電容，即H設(shè)置為0，F(xiàn)設(shè)置為inf(無窮大)。仿真時(shí)間設(shè)為0.1 s，選擇ode23tb仿真算法，最大步長設(shè)為1e-5。使用MeanValue模塊，把基波頻率設(shè)為50 Hz，完成波形觀察及分析，測量輸出的平均值。設(shè)觸發(fā)角為α=0°;α=03°;α=60°;α=90°，用SimPowerSystems仿真如圖3所示。

圖3 單相整流仿真圖

由圖3(a)可知，觸發(fā)角為0時(shí)電壓平均值195 V，而公式(3)計(jì)算值為198 V，仿真符合理論預(yù)期。由圖3可得：峰值電壓均為311 V。直流電壓平均值和觸發(fā)角有關(guān)，觸發(fā)角越小，平均值越大。阻性負(fù)載，電壓和電流成比例，波形一致。

2.2 三相橋式整流的計(jì)算及仿真

三相橋式整流電路由兩組三相半波整流電路組成，其中一個為共陰極連接，另一個為共用陽極連接。如果工作條件相同，則負(fù)載電流為Id1=Id2。電流通過零點(diǎn)的平均值為I0=Id1-Id2=0。如果在不影響線路運(yùn)行的情況下切斷零線，則成為三相橋全控制整流電路。

三相全波整流橋由6個連接到橋整流電路的整流二極管封裝，形成一個橋式全波整流電路。在輸出波形中，N相直線虛線是經(jīng)過整流和濾波后的平均輸出電壓。點(diǎn)線以上的小脈動波和每個正弦波的交點(diǎn)是經(jīng)過整流后未濾波的輸出電壓波形。

選擇整流橋的關(guān)鍵依據(jù)是整流橋二極管的最大耐壓值和最大額定電流值。結(jié)合工程需要實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

(1)三相整流橋的耐壓值

整流橋的峰值電壓按照下列公式計(jì)算：

式中,α為電網(wǎng)電壓波動，取10%；Ut為三相交流電壓輸入值，即380 V代入公式計(jì)算可得，Umax=591 V，Umin=483 V。取最大值電壓的2.5倍裕量，則耐壓值為1 478 V，取1 600 V。

(2)三相整流橋的額定電流值

整流橋流經(jīng)的最大電流計(jì)算如下：

本次工程設(shè)計(jì)要求輸出電壓為500 V，輸出電流為20 A，則輸出功率為:

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

式中,Po-max為最大輸出功率，取1.2倍額定功率，為12 kW；η為電源效率，取0.9；代入公式計(jì)算可得:

取最大電流的3倍裕量，則最大額定電流值為67 A，取100 A。

綜合最高耐壓值和最大額定電流，選擇100 A/1600 V的三相整流橋，選擇ASEMI公司的三相整流模塊MDS100-16，實(shí)物和原理如圖4所示。

圖4 三相整流模塊實(shí)物和原理圖

MDS100-16模塊由6種超高速回收二極管芯片和一種高功率高壓晶閘管芯片組成，該芯片在某一電路中連接后封裝在PPS外殼中。由于電路的連接已在模塊內(nèi)完成，所以元件之間的連接被縮短，優(yōu)化布線和對稱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。[9]結(jié)合整流橋堆參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)以上理論計(jì)算選擇的MDS100-16模塊， 滿足工程實(shí)際。

3個由陰極連接的晶閘管叫共陰極組，3個由陽極連接的晶閘管叫共陽極組。傳導(dǎo)序列為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。在自然換向過程中，每個時(shí)刻的兩個晶閘管對應(yīng)于陽極上的最高交流電壓值和陰極的最低交流電壓。[10]

整流輸出id連續(xù)情況(即電阻性負(fù)載α≤60°)，整流輸出電壓ud的平均值為:

(5)

當(dāng)cosα=60°時(shí)，Ud-min=1.17U2=1.17*220=257 V

當(dāng)cosα=0°時(shí)，Ud-max=2.34U2=2.34*220=514 V

整流輸出id斷續(xù)情況(即電阻性負(fù)載60°<α<120°)，整流輸出電壓ud的平均值為:

(6)

即三相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)，移相范圍α=0°～120°。

三相橋式全控制整流器同時(shí)具有兩個晶閘管，同時(shí)形成電路，其中共陰極組和共陽極組各為1個，不可能是同一相位裝置。觸發(fā)脈沖的順序?yàn)門1-T2-T3-T4-T5-T6，相位差為60°。上、下兩橋臂脈沖的差值在相同相位下為180°。

根據(jù)以上分析，構(gòu)建三相橋式全控仿真電路。交流電壓模塊的phase-to-phase rms設(shè)置為380 V，頻率為50 Hz，內(nèi)部連接采用Yg結(jié)構(gòu)。在Elements元件庫中選擇RLC串聯(lián)支路模塊，在PowerElectrionics元件庫中選擇UniversalBridge模塊，設(shè)置橋臂數(shù)為3，電力電子器件為晶閘管，構(gòu)成主電路設(shè)計(jì)部分。在Extras庫中選擇Synchronized 6-Pulse Generator模塊產(chǎn)生六路觸發(fā)脈沖，頻率設(shè)置為50 Hz，脈沖寬度為10。alhpa_deg是脈沖觸發(fā)角度，控制整流輸出電壓大小，完成控制電路設(shè)計(jì)部分。

串聯(lián)RLC支路(Branch)中的電阻設(shè)置為R=20Ω，去掉電感和電容，即H設(shè)置為0，F(xiàn)設(shè)置為inf(無窮大)。仿真時(shí)間設(shè)為0.1 S，選擇ode23tb仿真算法，最大步長設(shè)為1e-5。使用MeanValue模塊，把基波頻率設(shè)為50 Hz，完成波形觀察及分析，測量輸出的平均值。設(shè)置觸發(fā)角為α=0°;α=30°;α=60°;α=90°，用SimPowerSystems仿真如圖5所示。

圖5 三相整流仿真圖

由圖5(a)可知，觸發(fā)角為0時(shí)電壓平均值509 V，而公式(5)計(jì)算值為514 V；由圖5(b)可知，觸發(fā)角為30時(shí)電壓平均值443 V，而公式(5)計(jì)算值為446 V；由圖5(c)可知，觸發(fā)角為60時(shí)電壓平均值257.5 V，而公式(5)計(jì)算值為257 V；由圖5(d)可知，觸發(fā)角為90時(shí)電壓平均值68.63 V，而公式(5)計(jì)算值為69 V；仿真結(jié)果符合理論預(yù)期。

由圖5可得：當(dāng)α≤60°時(shí)，ud波形均為連續(xù)的；對于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣；當(dāng)α>60°時(shí)，ud波形每60°中有一段為零；一旦ud為零，則id也降為零，流過晶閘管的電流即降為零，晶閘管關(guān)斷；直流電壓一周期(0.02 s)脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。

在0～120°移相范圍內(nèi)改變觸發(fā)角進(jìn)行仿真，記錄每個觸發(fā)角對應(yīng)的直流電壓平均值，結(jié)合圖5的仿真結(jié)果，可得帶電阻負(fù)載移相特性曲線有如下性質(zhì)：隨著觸發(fā)角的增大，直流電壓平均值會減小，而且下降趨勢陡度比較陡，呈反比關(guān)系。

2.3 整流仿真分析及方案選擇

針對特殊工藝的需要，電源要求是500 V的高頻方波。本次電源需要完成工頻交流電整流為直流電。整流電路利用電力電子器件的單向?qū)ㄌ匦詫⒔涣麟娮儞Q為直流電。

由圖3和圖5的仿真結(jié)果可知：單相橋式整流的峰值電壓為311 V，沒有達(dá)到500 V的要求，而且直流脈動比較大；三相橋式整流的峰值電壓為532 V，達(dá)到500 V要求，而且6脈波整流電路的波形比較平滑。

升壓電路希望輸入波形脈動較小平整規(guī)則，變壓升壓器的匝數(shù)比不應(yīng)太大，這樣更有利于進(jìn)一步的斬波電路。綜上所述，本次方案設(shè)計(jì)采用三相橋式全控整流電路，仿真結(jié)果表明達(dá)到預(yù)期的效果。

3 結(jié)束語

由于掩膜電解加工的復(fù)雜性和特殊性，需要設(shè)計(jì)一款特種電源。本文分析了開關(guān)器件的特點(diǎn)，重點(diǎn)討論了頻率特性和占空比的關(guān)系，隨著頻率的上升及占空比下降，波形失真度越變嚴(yán)重。分別對單相橋式和三相橋式進(jìn)行SimPowerSystems建模仿真，三相橋式整流的電壓峰值達(dá)到設(shè)計(jì)要求，紋波較小，波形平順。仿真結(jié)果表明，各節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)波形符合預(yù)期。

下階段的工作將構(gòu)建濾波和斬波電路模型，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，利用SimPowerSystems建模，得到可調(diào)占空比的方波，實(shí)現(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)。