CN114888373A - 一种用于电火花加工的三电平buck脉冲电源 - Google Patents

一种用于电火花加工的三电平buck脉冲电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电火花加工的三电平BUCK脉冲电源，包括直流源、FPGA控制电路、驱动回路、三电平BUCK主功率电路，所述直流源用于将交流电压输出为可调节的直流电压给三电平BUCK主功率电路供电，所述FPGA控制电路用于输出PWM控制信号，所述驱动电路用于将PWM控制信号放大后产生驱动信号控制三电平BUCK主功率电路中的开关管的通断，所述三电平BUCK主功率电路用于连接机床间隙实现放电加工。本发明的三电平BUCK主功率拓扑在两个开关管都导通的过程中，三电平BUCK主功率拓扑可使***的开关频率等效提高，大大降低了电压和电流纹波，降低了对开关管、滤波电感和输出滤波电容的选型要求，提高脉冲电源的功率密度和可靠性。

Description

一种用于电火花加工的三电平BUCK脉冲电源
技术领域
本发明涉及电火花加工用脉冲电源领域，特别是涉及一种用于电火花加工的三电平BUCK脉冲电源。
背景技术
电火花加工技术是通过可控电能在电极丝和工件间形成连续火花放电来移除被加工材料的特种加工技术，可对各类导体和半导体材料，特别是传统接触式加工难于或不能加工的高硬度、高强度、高熔点、高脆性等特殊材料、复杂形状结构进行高效精密切割加工。现有往复走丝电火花脉冲电源大多电能利用率低、放电电流形状可控性差、能量调节量离散且范围小，直接制约机床性能和加工参数优化。电火花加工中的间隙在空载情况下并非绝缘，而是呈现一定阻性，传统的利用电容充放电原理为拓扑的脉冲电源受漏电流影响，能量耗散，无法实现电火花加工。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，通过一种用于电火花加工的三电平BUCK脉冲电源，能够实现大电流、低纹波的电火花。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种用于电火花加工的三电平BUCK脉冲电源，包括直流源、FPGA控制电路、驱动回路、三电平BUCK主功率电路，所述直流源用于将交流电压输出为可调节的直流电压给三电平BUCK主功率电路供电，所述FPGA控制电路用于输出PWM控制信号，所述驱动电路用于将PWM控制信号放大后产生驱动信号控制三电平BUCK主功率电路中的两个开关管的通断，所述三电平BUCK主功率电路用于连接机床间隙实现放电加工。
优选的，所述三电平BUCK主功率电路，其主要器件为分压电容(C1和C2)、开关管(Q1和Q2)、续流二极管(D1和D2)、滤波电感(L)、输出滤波电容(Co)，所述分压电容(C1)的阳极和直流源(Vin)的正极连接，所述分压电容(C1)的阴极与分压电容(C2)的阳极连接，所述分压电容(C2)的阴极和直流源(Vin)的负极连接，开关管(Q1)的漏极与分压电容(C1)的阳极和直流源(Vin)的正极的连接点相连接，开关管(Q2)的漏极与分压电容(C2)的阴极和直流源(Vin)的负极的连接点相连接，开关管(Q1)的源极与续流二极管(D1)的阴极连接，续流二极管(D1)的阳极和续流二极管(D2)的阴极连接，开关管(Q2)的源极与续流二极管(D2)的阳极连接，续流二极管(D1)的阳极和续流二极管(D2)的阴极的连接点与分压电容(C2)的阳极与分压电容(C1)的阴极的连接点相连接，滤波电感(L)的一端与开关管(Q1)的源极和续流二极管(D1)的阴极连接点相连接，滤波电感(L)的另一端与输出滤波电容(Co)的阳极连接，输出滤波电容(Co)的阴极与开关管(Q2)的源极和续流二极管(D2)的阳极连接点相连接，工件与滤波电感(L)和输出滤波电容(Co)的阳极的连接点相连接，工具与输出滤波电容(Co)的阴极相连接。
优选的，所述开关管采用碳化硅材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管，或使用硅和氮化镓材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管。
优选的，放电加工的单个周期包括如下步骤：
步骤S1：在给间隙引弧阶段，间隙未被击穿，由FPGA产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，控制开关管Q1和开关管Q2同时导通，此时由直流源Vin、开关管Q1、开关管Q2和负载形成的功率回路，向负载间隙提供比较高正向电压，以便于提供在间隙比较小时能击穿的电压；
步骤S2：当间隙导通时，进入间隙放电期间，由FPGA产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，去控制开关管Q1导通，开关管Q2关断，此时由分压电容C1、开关管Q1和负载形成的功率回路实现单路BUCK电路，向负载间隙提供正向电压；
步骤S3：然后再次产生相应的多路PWM信号，控制开关管Q2导通，开关管Q1关断，此时由分压电容C2、开关管Q2和负载形成的功率回路实现单路BUCK电路，向负载间隙提供正向电压；
步骤S4：重复上述步骤S2和步骤S3，直到放电持续时间达到FPGA里事先预设值时，通过控制开关管Q1和开关管Q2同时关断，进行消电离阶段使得间隙两端电压为零；
步骤S5：重复步骤S1～步骤S4，进入下一个加工周期。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明提出的一种用于电火花加工的三电平BUCK脉冲电源，使***的开关频率等效提高，大大降低了电压和电流纹波，降低了对开关管、滤波电感和输出滤波电容的选型要求，提高脉冲电源的功率密度和可靠性。
2.本发明提出的一种用于电火花加工的三电平BUCK脉冲电源，控制电路部分通过采用FPGA编程，可提供多种电气参数以满足不同加工场景的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的电火花三电平BUCK脉冲电源框架；
图2为本发明提出的电火花三电平BUCK脉冲电源拓扑；
图3为本发明所用驱动芯片应用原理图；
图4为基于本发明提出的电火花三电平BUCK脉冲电源放电加工波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明为一种用于电火花加工的三电平BUCK脉冲电源，包括直流源、FPGA控制电路、驱动回路、三电平BUCK主功率电路，所述直流源用于将交流电压输出为可调节的直流电压给三电平BUCK主功率电路供电，所述FPGA控制电路用于输出PWM控制信号，所述驱动电路用于将PWM控制信号放大后产生驱动信号控制三电平BUCK主功率电路中的开关管的通断，所述三电平BUCK主功率电路用于连接机床间隙实现放电加工。
作为一种具体示例，对于电路拓扑中的开关管，可以用硅材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管，也可使用碳化硅或氮化镓材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管，由于该电路拓扑主要作为电火花加工的脉冲电源，考虑到放电电流平均值为4A，最大值不超过10A，其两端承受电压最大值为Vin，输入电压最大值约为100V，充分考虑其裕量和可靠性，在一些应用场合中，选择Infineon公司的型号为IPP60R099CPA的MOSFET，其最大漏源极电压VDS为650V，漏极电流ID为31A(25℃)/19A(100℃)，最大导通电阻RDS(on)为99mΩ，可以适用于发明所述电火花加工的三电平BUCK脉冲电源场合。
作为一种具体示例，对于FPGA控制电路，主要是用FPGA(即现场可编程门阵列)来进行控制，由于内部已集成相应控制电路结构，可通过程序运算来自动得出对应开关管的驱动信号，同时可以利用程序控制来满足不同加工阶段的需求，本发明选用ALTERA公司的Cyclone IV系列芯片EP4CE6F17C8。
作为一种具体示例，驱动电路可以选择具有高低端双路驱动且具有隔离特性的驱动芯片，本发明选择的是Texas Instruments(德州电子)公司型号为UCC21521的驱动芯片，如图3所示，该芯片具有较小的传播延迟和脉宽失真度，该芯片的驱动器可配置为两个低侧驱动器、两个高侧驱动器或一个单区驱动器，并且是隔离式双通道的栅极驱动芯片，可以适用于高达5MHz频率的开关管，能够满足本发明脉冲电源中对于高效率、高电源密度和稳健性的要求。
如图4所示，所述的放电加工的单个周期包括如下步骤：
步骤S1：在给间隙引弧阶段，间隙未被击穿，由FPGA产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，去控制开关管Q1和开关管Q2同时导通，此时由直流源Vin、开关管Q1、开关管Q2和负载形成的功率回路，向负载间隙提供比较高正向电压，以便于提供在间隙比较小时能击穿的电压。
步骤S2：当间隙导通时，进入间隙放电期间，由FPGA产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，去控制开关管Q1导通，开关管Q2关断，此时由分压电容C1、开关管Q1和负载形成的功率回路实现单路BUCK电路，向负载间隙提供正向电压。
步骤S3：然后再次产生相应的多路PWM信号，控制开关管Q2导通，开关管Q1关断，此时由分压电容C2、开关管Q2和负载形成的功率回路实现单路BUCK电路，向负载间隙提供正向电压。
步骤S4：重复上述步骤S2和步骤S3，直到放电持续时间达到FPGA里事先预设值时，通过控制开关管Q1和开关管Q2同时关断，进行消电离阶段使得间隙两端电压为零。
步骤S5：重复步骤S1～S4，进入下一个加工周期。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种用于电火花加工的三电平BUCK脉冲电源，其特征在于，包括直流源、FPGA控制电路、驱动回路、三电平BUCK主功率电路，所述直流源用于将交流电压输出为可调节的直流电压给三电平BUCK主功率电路供电，所述FPGA控制电路用于输出PWM控制信号，所述驱动电路用于将PWM控制信号放大后产生驱动信号控制三电平BUCK主功率电路中的两个开关管的通断，所述三电平BUCK主功率电路用于连接机床间隙实现放电加工。
2.根据权利要求1所述的一种用于电火花加工的三电平BUCK脉冲电源，其特征在于，所述三电平BUCK主功率电路，其主要器件为分压电容(C1和C2)、开关管(Q1和Q2)、续流二极管(D1和D2)、滤波电感(L)、输出滤波电容(Co)，所述分压电容(C1)的阳极和直流源(Vin)的正极连接，所述分压电容(C1)的阴极与分压电容(C2)的阳极连接，所述分压电容(C2)的阴极和直流源(Vin)的负极连接，开关管(Q1)的漏极与分压电容(C1)的阳极和直流源(Vin)的正极的连接点相连接，开关管(Q2)的漏极与分压电容(C2)的阴极和直流源(Vin)的负极的连接点相连接，开关管(Q1)的源极与续流二极管(D1)的阴极连接，续流二极管(D1)的阳极和续流二极管(D2)的阴极连接，开关管(Q2)的源极与续流二极管(D2)的阳极连接，续流二极管(D1)的阳极和续流二极管(D2)的阴极的连接点与分压电容(C2)的阳极与分压电容(C1)的阴极的连接点相连接，滤波电感(L)的一端与开关管(Q1)的源极和续流二极管(D1)的阴极连接点相连接，滤波电感(L)的另一端与输出滤波电容(Co)的阳极连接，输出滤波电容(Co)的阴极与开关管(Q2)的源极和续流二极管(D2)的阳极连接点相连接，工件与滤波电感(L)和输出滤波电容(Co)的阳极的连接点相连接，工具与输出滤波电容(Co)的阴极相连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于电火花加工的三电平BUCK脉冲电源，其特征在于，所述开关管采用碳化硅材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管，或使用硅和氮化镓材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的一种用于电火花加工的三电平BUCK脉冲电源，其特征在于，放电加工的单个周期包括如下步骤：
步骤S1：在给间隙引弧阶段，间隙未被击穿，由FPGA产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，控制开关管Q1和开关管Q2同时导通，此时由直流源Vin、开关管Q1、开关管Q2和负载形成的功率回路，向负载间隙提供比较高正向电压，以便于提供在间隙比较小时能击穿的电压；
步骤S2：当间隙导通时，进入间隙放电期间，由FPGA产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，去控制开关管Q1导通，开关管Q2关断，此时由分压电容C1、开关管Q1和负载形成的功率回路实现单路BUCK电路，向负载间隙提供正向电压；
步骤S3：然后再次产生相应的多路PWM信号，控制开关管Q2导通，开关管Q1关断，此时由分压电容C2、开关管Q2和负载形成的功率回路实现单路BUCK电路，向负载间隙提供正向电压；
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