（机械制造及其自动化专业论文）微弧氧化特种电源器件选择及实验分析.pdf

接爱 摘要 徽弧氧化技术蔗一种在a 1 、m g 和联等阀金属表砥琢位生成陶瓷膜的新技 术。由于原位生长陶瓷膜层具有与罐体结合牢固、硬度简、耐磨性好等优点受 到，。泛关注，并孕育着巨大的市场前景。电源设备是浚技术的关键设备，微弧 氧纯先爱经历了交滚电源、妻流嗽源粒脉冲电源。蓄遮汲为，脉争电源麓够改 善微瓢氧亿簇懿往雏，所 盖设计一台躲冲电源耀予实验狳索徽弧氧纯工艺渗数 非常重要。 本论文介绍了微弧氧化电源的设计过程。本电渊在主电路设计方面，用 斩波电路和逆变电路捆结合的方式，通过靳波电路调节占空比来调节输出电压 黪大枣，稳用遂交电爨实理稳毒滚影瓣控蠢，这静缡橡太大麓讫了电源镰鞠葶鞋 控制策略，减小“r 电源的体积。在控制方面，采用基1 i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c 徽控制 器的硬件设计方褰，控制系统硬件主爰包括键盘显示l 甩蹄、a d 转化电路以及 功率器件接口电路。通过微控制器向斩波电路和逆变电路发出驱动信号，控制 i g b t 豹逶斯，达戮控穰稳出波形瓣瓣熬。稳曩霍尔传臻嚣宠痰电压、电流瓣采 集，并送l e d 溅示器显示。 本论文详细介绍了电路参数设计，并对调试中发生的问题作了阐述，介绍 了抗干扰设计和p c b 板制作中应该波意的问题，还对以后进一步完善提出些 建议。电源完成露，我妇利用该电源在铝合金表露避舒了微弧氧化实验，并 擘 了分凝，为下一步工终奠定基礁。 关键词：微弧氧化脉冲斩波电路逆变电路驱动信号 摘蜜 a b s t r a c t m i c r o a r co x i d a t i o n ( m a o ) i sa na d v a n c e dc o a t i n gp r o c e s sf o rf o r m i n gc e r a m i c o x i d el a y e r0 1 1ac o n d u c t i v ea n o d i cm e t a ls u b s t r a t e ，s u c ha s a i ，m g ，t ie t c t h e c e r a m i cf i l mf o r m e db ym a oh a sm a n yu n i q u ea d v a n t a g e s ，s u c ha sg o o dw a r e r e s i s t a n c e ，h i g ht h e r m a lr e s i s t a n c e ，s ot h i st e c h n o l o g yh a v ea r o s e dm o r ea n dm o r e s c h o l a r s i n t e r e s t i n g ，a n dh a v eg r e a tc o m m e m a lp o t e n t i a l p o w e rs u p p l yi sak e y e q u i p m e n to fm a op r o c e s s t h ee x p e r i m e n to fm i c r o a r co x i d a t i o nu s e dd i f f e r e n t p o w e rs u p p l y ，s u c ha sa cp o w e rs u p p l y 、d cp o w e rs u p p l y 、i m p u l s ep o w e r s u p p l y a n ds oo n b u tp e o p l eb e l i e v ei m p u l s ep o w e rs u p p l yi st h eb e s to n e i ti s i m p o r t a n t t h i n gt h a tm a k i n gi m p u l s ep o w e rs u p p l y e x p l o r e t h et e c h n i c s p a r a m e t e ro f m i c r o a r co x i d a t i o ni nt h ee x p e r i m e n t t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ep r o c e s so fm a k i n gp o w e rs u p p l y 。w ec o m p l e t e dt h e t o p o l o g i cs t m c t u r ed e s i g no ft h ep o w e rs o u r c e w ed i d n tu s e dt w os e p a r a t ep o w e r s o u r c ec o m b i n e dm e t h o d t h ei n v e r t e ra n dc h o p p e rc i r c u i ti su s e di nt h em a i nc i r c u i t ， i h ed i s c h a r g e dp u l s e sv o l t a g ec a nb ec h a n g e dt h r o u g hr e g u l a t e dt h ed u t yr a t i oo f t h ec h o p p e rc i r c u i ta n du s e dt h ei n v e r t e rc i r c u i tt oc o n t r o lt h ef r e q u e n c yo fd i s c h a r g e p u l s e a n dt h e nt h ec o n t r o l l e r ，b a s e do ni n t e l8 0 c 1 9 6 k c ，i sd e s i g n e d 。t h ec o n t r o l c i r c u i t m a i n l y i n c l u d ek e y b o a r da n dd i s p l a yc i r c u i t ，a dc o n v e r t e rc i r c u i t ，a n d i n t e r f a c ec i r c u i to fp o w e rd e v i c e t h es i g n a lc o m i n gf r o mt h em i c r o c o n t r o l l e ri su s e d a sd r i v a b l es i g n a lo f c h o p p e ra n di n v e r t e rc i r c u i tt oc o n t r o lt h ei g b ta n di tc a na t t a i n t h ep u r p o s eo f c o n t r o lt h ed i s c h a r g ew a v e f o r m h a l ls e n s o ri su s e dt oc o l l e c tv o l t a g e a n dc u r r e n ts i g n a l ，a n dt h ec o l l e c t e dr e s u l td i s p l a y e db yl e d d i s p l a y e r t h ep a p e rt a l ka b o u th o wt os e t t l ep r o b l e mw h i c hh a dh a p p e dd u r i n gt h ep r o c e s s o fm a k i n gp o w e rs u p p l y ，a n dg a v es o m ea d v i c ei nt h em a k i n gp c bb o a r da n d i m p r o v i n gt h ef u n c t i o n so f p o w e r f i n i s h e dt h ep o w e rs u p p l y ，w eu s e di td o i n gs o m e e x p e r i m e n t ，t h i sb a s i cw o r kh e l pt on e x tr e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ：m a o ，i m p u l s ep o w e rs u p p l y ，c h o p p e rc i r c u i t ，i n v e r t e rc i r c u i t ， d r i v a b l es i g n a l l l 两j 。篷天学赣| j 学位沦定 第一章绪论 1 1 微弧氧化技术的背景及概念 微弧氧化技术【l 。j 是在上世纪3 0 年代初期，第次有人报道了在高电场下， 浸在液体里金属表面m 现火花放电观象，火花列氧化腆具有破坏作用。届来研 究发瑰裁爱戴蠛象也霹生瘦浮氧纯貘。绶罗蘩科学陵无掇亿学研究掰骚究| 夫 员1 9 7 7 年独囊地发表了一篇论文，开始此技术的研究。他们采用交流电压模式， 使用电压比火花放电阳极氧化高，_ 井称之为微孤氧化。进入9 0 年代以来，荚、 德、俄、f = 1 等团加快了微弧氧化或火花放电阳极氧化技术的研究开发工作，同 薅我国也开始此技术的磅究，北京黪范大学是国内鞍。譬在这方面疆究的移【橡之 一，并发表了一些有彩噙豹论文。 微弧氧化( m a o ，m i c r o a r co x i d a t i o n ) y 称微等离子体氧化或阳极火花沉积， 是一种在有色金属表面原位生长陶瓷层的新技术【4 呐i ，适用于a l ，1 1 i ，m g 等台金 构件。该技术利用电化学方法，将疆制备陶瓷层的材料筏予电解质溶液中，在 麓辩表嚣产生必筏教电斑点，在热 嚣学、等离子抟纯学莘瑟电位学荚霆馋瓣下， 生成陶瓷膜层。m a o 是在阳极氧化 勺基础上建立起来的一种新方法。随辫现代 工业及科学技术的发展，陶瓷材料以其特有的性能和丰富的资源优势成为继金 属材料、高分子材料之后又一重骤的工程材料。但出于整体陶瓷材料的脆性大， j l 翅工往蓑，爨慕缚萁广泛瘴溺。在金殛及萁台金袭嚣实施建瓷诧楚璎，可 以在保证器盒满材料使用性能静静挺下，用廉价盼念鼹材料取代责会瘸及合金， 同时可以赋予原金属材料一些其它液面技术所无法得到的特殊性能，拓宽其适 用范围。目前，在金属及其合金表面制各陶瓷涂层的方法有热喷涂、激光熔覆 等方法。喷涂技术及激光融覆投术，是剥媚外界赢密发能量，将c b ) j n 物捌在墓 俸表瑟上溶覆弱缮爨建瓷亿涂瑟，实舔应用中涂瑟懿尺寸精度、对基体复杂形 状的敏感程度、表面粗糙度等问题直都没有很好地解决。等离子体微弧氧化 技术便是一种在这些方面都有极大改善的金属表而陶瓷化改性处理的新方法。 l 。2 微弧氯化与阳极氧化 笫霄缔除 微弧氯化技术建立在阳极氧化的基础上，它们之间既有区别又有联系，为 了雯好戆了霪莩徽弧氧化投术，所戳骞必要套缡二者豹技术羚点。 l 。2 1 微弧氧化的技术特点 微弧氧化是从普通阳极氧化发展而米的，它突破了传统的阳极氧化电流、 电压法拉第区域的限翎，拒阳极电位由几十伏提高到，l 阿伏，氯化电流也鼠小 电滤发展到太电滤，出煮滚发展剑交流，致镬在样品表蘸上出现电晕、耀党、 微弧放电、甚至火花放电等现魏。在微弧氧化过程中不能简单地采用单一的电 压，应根据氧化过程中的不同阶段对工作电压进行调整，以傈证第一阶段形成 宠整熬绝缘搂、诱发微弧产生以及最螽生成缒瓷氡纯骥。徽弧氧 乏装爨包括专 用高压电源、氧化槽、冷却系统和搅拌系统。氧化液大多采用碱性溶液，对环 境污染小。溶液温度以室温为宜，温鹰变化范围较宽。溶液温度对徽弧氧化的 影# 蠢比戮投氧纯，l 、缛多。嚣麓辍氧仡要求滚滚湿度较低，特到是硬蒺黼掇氧化 对溶液温度限制更为，m 格。微弧氧化工件形状可以较复杂，部分内表两也可处 理。接通微弧氧化电源厢，浸在弱碱性水溶液晕样晶的表面讧即生成一层薄的 鬻辍筏纯终缘藤。电压超过一定德时，夫终在1 0 0 v 以土黩表瑟出瑷大豢局部分 电击穿，栉鼹表露观察到大量游动的微弧，微弧区瞬间潺度高达3 0 0 0 。c ，使附 近的氧化膜熔化i m l 。弧熄灭后，熔融物义瞬间凝刚，该区域重新恢复。当膜厚 达到它不髓被击穿时，徽孤氧化就停1 t 了。徽弧氧仡过稳中，镦弧醒与膜未放 电区域网列发生氧化膜沉积，但不同的是微弧区除沉积氧化膜外，还剩用它豹 瞬间高温高压烧结形成大量c t - - a l2 0 3 ，7 - - a 1 2 0 3 相。k u & k o v 认为 1 0 i ，微m 氧化过程中首先形成无定形a 1 2 0 3 膜，然后豁仡转变为伐一a l2 0 3 ，再转变成y - - a t 2 0 3 。文皴间j 鹭提出陶瓷貘中a - - a 1 2 0 3 秘v - - a 1 2 0 3 主要出微弧区熔融 a 12 0 3 急冷凝固形成。膜层中，与溶液接触的外层t - - a 1 2 0 3 含麓高，膜内部c 【 - - a 1 2 0 3 相含量逐渐增加。并且测m ，膜层中c 【一a l2 晚分布有极大谴，越遭 投蕊点磊，越靠近键基体程一a i 2 0 3 台! 羹越低，但毯们没鸯对此 拿出合理熬勰器。 微弧轼化过程中，微弧放电区已穿透憋个氧化膜，微弧区熔融a 1 2 0 3 同溶液接 触部分冷却速率远高于胶内部，因此。紧临溶液界面的氧化膜应以y a 1 2 0 3 为 主。在一定范霞内，离溶液赛瑟越远，氧嘻乏黢中娃一a 1 2 0 3 含塞越寒，7 a 12 0 3 相含嫩则不断地降低。氧化膜氍微弧放电区直径约为微米量级，其寿命不到l 蕊嚣：翻a 辱+ 竣1 学位港奠 m s ，且界而附近熔融物冷却极快，这使微弧区高温高压过程对基体没有人的影 口向。因此，铝合会基体上没有明妊的硬化区，其显微组织和显微力学性能保持 = = _ = 变。 l 。2 2 醺极氧纯的技术特点 阳极氧化 1 2 1 4 1 是将金属置于一定的电解液中，将念属作为阳极，施加一定 的电压，在金属裳面便产生氧化膜，般情况下，金属作为阳极时金属本身发 生溶解，金属愈潍泼，电极电势愈大( 负值) ，金属溶解滤菠愈抉。但在有燃慵 嚣下，聂囱极辱艺越过定数蘧焉，由予表嚣菜静驳羽瑟或耨弱成穰瑶貉形域， 盒属的溶解速度不但不增加，反耐急剧下降。传统的阳极氧化根据电解液的癸 型可以分成两大类：1 、酸性溶液阳极氧化法。例如硫酸法、草酸法、铬酸法、 磷酸法等。上：述方法处理的零件表蛳为多孔型氧化物薄膜，外光良好，具有优 建赘稠瘗翻掰臻鬟蠡性，是工l k 中疆豢羽瓣弭援氧诧方法。2 、中缝溶滚辍掇袋纯 法( p h 在5 7 之翊) ，铡如硼酸硼酸镶游合东溶液，溉石黢铵以及柠檬酸永溶液 等。这类方法所得的氧化膜称为阻捎性氰化膜，具有很简的电阻值。在铝合企 阳极氧化过程中，氧化膜的生成是瞬种不同的化学反应竞争的结果。一种摄 a 1 2 0 3 不颠形成滟反应，另一静是a 2 0 3 被电勰滚不断滚嬲的反应。当生成遮攀 大子溶解速率时，氧纯鼷藏缝形成劳保籍一定麴蓐度。a 12 0 3 氧纯袋是离子罨 零， 它的生长速度遵守法拉第定律。阳极氧化过程是相当复杂的，在阳极处于讵常 溶解状态下，符合电化学极化规律，若阳极发生钝化，则不符合电化学极化规 律，钝化现象是阳极过程的一种特殊情况。 1 2 。3 微弧氯化与絮极氧纯之菰的区掰与联系 在微弧氧化的初始阶段，首先发生的是阳极氧化，如图1 1 所示，阳极辅化 发生在法拉笫区，电压一般在1 0 0 v 之下，随着电压升商，微弧氧化便发生猩电 火花区和弧光放电送，原来生成的氯化膜被击穿放电，最后在 基体表丽生成陶 瓷壤陋旧。 在阳极氧化过程中，金属基体与电解液发生化学反磨参与氧他膜的生成， 而微弧氧化是种复杂的物理化学反应，是在基体表丽原位生成陶瓷膜。微弧 氧化与阳极氧化都能够进行表面处理，但是二者性能之间存在差异。表1 ，1 第一章缝沦 圈1i 微弧氧化电压l u 流结构幽 是微弧氧化与阳极氧化工艺及性能比较嗣旧。 袭1 - 锅台金镦弧氯他与戮缓氧伲1 艺及卡耋怒吃较 1 3 微弧氧化的理论模型 出于微弧氧化是在阳极氧化膜被电击穿的基础上进行的，所以在探讨微弧 氧化枕理时我们骚结合电击穿理论的研究和发展，从而阚逖微弧氧化基本原瑷。 热嚣l , i k 尺学豫l ，学谴论文 微弧氧化技术就是在电击穿理论的綦础卜加以研究和应_ = j 的新型表面加：e 技 术。自1 9 3 2 年b e t z 等首次观察到电击穿的现象以米，许多研究者都对电击穿产 生翡原困提出过各种各样的假设和模型。总体上看，电击穿理论经历了离子电 流l l t 理、熬 睾溺稳瀵、疆藏俸周橇瀵玖及电子雪褰砉琵璞等不同蕊发震除蔽。了 解电击穿原理，对于研究微弧氧化机理，开发新的表预处理技术均有者熏爱的 理论意义1 1 8 - 1 9 1 。 l 。3 1 电击穿的理论假设 强较氧辱 二电滚由离子电滚瑟电予吃流共同组成，纛其中离子逛滚筵主要缝 成，其值远远大j 二电子电流。因此，微容易联想到电t 打穿是由于离子电流的作 用产生的。但是，离子电流机理一赢没有得到实验证实，成为最早被淘汰晌理 论假设。热作， j j 帆理是t i t y o u n g 等提出来的1 2 0 1 ，理论认为，界面膜层存在一临界 潼疫弧，当黢鼷审静弱零渥凄超遥t m 时，经产生电蠢穿。浸痉瓣变化是囊氡 化过程中产生的焦尔热弓l 起的，因此称之为热作j 目视瑗。实际研究结采衮嚼， 只有当电流密度趟过定值( 1 0 m a c m 2 ) 时，才可能网熊尔热作用导致局部温 度发生显著的变化，从而引起电击穿。然而，热作用机理只能定性解释大电流 密度时鹩电击穿现裂，对某些在小电滚密度时产生鲍f 廷击穿壤象无法您释，掰 置一直没有撬出定鲞的穰型，锯京铸主鎏一步静发展帮完黪。y a h a l o m 窥z a h a v i 提出了机械作用机理f 2 1 - 2 2 1 。他们认为，电击穿产生与否熏要取决于氧化膜电 解液界面的性质，杂质离子的影响是次要的。氧化时，腆层厚度增加，造成膜 层中压应力增大，于是产生裂纹，电流从裂纹处流过，耐局鄢裂纹中流经的大 电滚密度将导致 琶番穿。魏努，揭零黪犬电滚密度产生丈蕊豹焦写熬，程逡骥 层局部晶化，从而产生更多的裂绞域提高膜层的离子戏电予导电性，有利予进 步产生电击穿。涪存在杂质离子，则更容易产生电击穿。可惜的是，y a h a l o m 和z a h a v i 也没有提出定量的理论模型，且不能完全解释其他研究者的实验觋豫。 l 。3 2 电击穿的三穗瑾论模囊 w o o d 并n p e a r s o n 提出电子雪崩梳理【2 3 】。他们在研究阀会属的电击穿现象时 发现，电击穿的产生与氧化膜的性质以及电解液的组成密切相关，而与杂质离 子或缺陷的存在与甭关系不大，有点类似“雪崩型”电击穿的性质，即电子从 溶渡中注入氧纯羧焉，疆电场老l 速，并与其它琢予发生磁蓬，电褒出电予，遨 茹一誊缝论 些电予以同样的方式促进更多的电予产生( 即电予的储增) ，这一过程即是“电 子雪崩”。电子电流随 乜予雪崩的增大而增大，从而引起氧化膜绝缘性能的破坏， 溶液中的阴离予搬有可能困高电场 乍用疆被捕获进入氯纯麒，弓| 起电予雪崩， 警致电击穿。v i j h 也证实a i 、m g 等溺金蕊氧讫圜， 魏予雪稿瓿瑾比电予瓣遂 机理更能为折氧反应提供较低的活化能，从丽为电子雪崩机理的提供了紧实的 理论基础。有关| 乜子雪崩导致电击穿的理论模型主要有兰三种，b j i k o n o p i s o v 模 型、连续雪崩模型和杂质中心放电模烈。 1 、i k o n o p i s o v 瑾谂模塑 如图1 2 所示。i k o n o p i s o v 在总络前人种自己的研究成聚的基础上指出 2 4 _ 2 辩， 氧化过程巾离子电流只是保持膜层的不断增厚，对电击穿不直接起作用；电子 电流以漏电流的形式存在，对膜层生长：不起作用，但会日i 起电击穿。漏电流的 产生，主要是出于黢屡中激裂纹，杂质离子掺入或基体本黉翡微量合会元素造 成酶。根据模型t k o n o p i s o v 褥涮其理论的般方程式为： = 卺 1 n 厶_ l n 工( o ) ( 式) 式中e 。为电予被加速蜃搠有的戆量，j e o ) 为骥溶液赛露处麴雪崩电予电浚密 澎，j 1 3 为发生电蠢i 穿时静幅赛电予 纛流密度， 僻为系数。 时城轼牝精鞭砧 , s c i m l t k y 图1 2 l k o n o p i s o v 理论模型 进一步，若将低电场强条件一e ( 0 ) 与e ( 场强) 、t ( 温度) 、m ( 基体会属) 、 l ( 电解液组成) 、p ( 电阻率) 之闯的定赞关系推广到赢场强条孛 下使用，则可 6 秘乾。l ：照大学簸i 学位建交 以从( 式1 i ) 得到u b 与e 、t 、p 之m 的定量关系分别为 u 。2 如一b ，- “2 ( 式1 。2 ) 式中a 8 、b b 系数。 u b2 + 岛，t ( 式1 - 3 ) 式中。【b 、0b 为系数。 u h2 + l g p ( 式1 ：4 ) 式中a b 、b # 为系数。( 式1 2 ) 、( 式j 一3 ) 、( 式1 4 ) 戆较好楚定量勰释女# 入 静研究成果和许多实验现象，因此，l k o n o p i s o v 理论模黧得到了j 一泛的认同， 成为目前解释电击穿现象的有力的理论依掘。 2 、连续雷崩击穿模型 1 9 8 0 年，k a d a r y 帮k l e i n 在研究a 、。强的电击穿瑷象时，发现了恒溅氧 纯对l j 每电流躲冲效应。毽饲谈为，f 电流躲冲效应怒l l l 予有电流觚小琵或缝敝 中溢出的缘故，f 乜流脉冲速率的大小一定程度l ：反映了j _ 赶击穿速率的大小。在 此基础上，他们提出了连续雪崩击穿模型，如图1 3 所示。 冬整氅旺翌壁盎。；。爨壅 一 辄l 鼍竺苎蕊占羔麓= 越 黔l ( a ) 空穴漂出氧化膜 b ) 空穴蔟势毒及款中空穴密痉醚蠢褒瀚交纯 ( c ) 二次连续雪崩 图1 ，3 连续雪崩模删 模型认为，注入氧化膜的电子在引起雪崩的同时，翻下了许多的截留空穴。 空穴在意场豹 謇翊下囊辍投漂移，从辩增强了弱极辫近熟鼹都场强，有秘予魄 辩孽臻法 子的持续注入和载体的倍增。载体的倍增又将引发更大的雪崩和更多截留空穴 的产生，整个过穰呈正反馈状态，瓶至发生极限雪崩。雪崩产生的电予将在皮 秒内穿越氧化艨，两截留空穴穿越氯化膜到达溶液侧的g 寸糊则在徽秒或毫秒数 量级，因瑟，氧纯簇溶滚铡有截鹜空穴簇麓形或。尽管大部分酶空穴簇漂爨畿 化膜，但由于漂移时间上的差异，仍有少部分空穴簇在还没有来得及漂出氧化 膜时被从溶液注入的电子再次击中，发生二次雪崩。这种囱发的随机性的逡续 雪崩将导致电流的潍出，从而产生电流的脉冲效应。根据以上分析，k a d a r y 和 k l e i n 怨到了电毒穿遽率豹一救方摇式为 融p 卜- n te x p ( 圳) 1 ( 越5 ) 其中心为f 乜击穿速率，f 为场强，n 】为极限雪崩电子数，0 【为碰撞电离 系鼗，。为貘蓐，k 、l n 、b 为豢数。 ( 式1 - 5 ) 与实验掰溅褥静蘸线熊较好逑唆合，蠢虱由诧诗算滋的程毽 亟与 许多其他研究者实验得到的0 【值较为相近，从而为其模型的正确性提供了有力的 佐证。但是，遣续雪崩击穿机理没有更多的定量关系式以解释许多其它实验现 象，从丽限制了其避步接广。 3 、中心敖电旗辇 1 9 8 4 年，a l b e l i a * i m o n t e m 等在完善i k o n o p i s o v 模型的基础上，避一步 提出了杂质中心放电模型 2 7 - 2 8 】。a l b e l l a 等认为，若电子疯血n l k o n o p i s o v 所逑山 溶液中注入氧化朕，j i l 0 应在试样表颢有大量的气体析出，但在研究钽在磷酸中 戴纯对熬电毒穿现象时，著来蕊察戮大登豹气彝辑出。此辨，表嚣努辑发王蔸， 所形成的氧化膜中外层表面每摩尔镪的氧化物中食有3 5 ( 摩尔分数) 的 杂质阴离子，而电子电流密扇e 与离子电流密岗i 之间存在荀e j i = 4 的关 系，因此，a l b e l l a 等人认为电子电流密度来源于外层氧化膜中3 5 的杂质 麓褒予，提出了杂溪凌子中心放电模勰，如图1 。4 所示。 盘蚕l 。4 可以溪i 岛，总电流密度蠡1 3 部分构成，邸离予觅滚密魔l ，杂蔟鲷离 子消耗的另一部分离子电流密尉2 以放电子电流密度j e ，且葡2 = r j 其中f 为系 数。而电子来源于进入氧化膜后的杂戚阴离子按p o o l e ，f r e n k e l 电子发射机理向 导带释放的电子，这些电子进入导带后被高场强加速，通过碰撞电离引发电 两北肌人学硕l 学位论文 圈1 4 杂质中心放电模型 予雪崩，导致电击穿。a l b e l l a 等推导h 了两个重要方程式： = 兰l n ( z z t r ) ( 式1 6 ) 其中v d 为击穿电压，e 为场强，c 【为碰撞电离系数，z 、q 、r 为系数。 矿( f ) ：竿詈髟f 一芒e 要 e x p 池v e ) 一1 ( 式1 7 ) j + ri + r口 。 其中k 为纯金属氧化时单位电流密度的电压波动速率， 为总电流密度，t 为时间。 由( 式1 6 ) 可以椎导v b 与浓度之间的定量关系，山( 式1 7 ) 可以看出电压的波 动效应。( 1 + a r ) ( 1 + r ) 表示阴离子掺入对电压曲线的影响，式中后一项则表示 电子雪崩引起的电击穿对电压曲线的影响。a l b e l l a 等的理沧既综合了 i k o n o p i s o v 模型的静态定量关系，又体现了连续雪崩机理的动态波动效应，因 此已成为目前应用最广的电击穿机理。 综上所述，电击穿的理论研究经历了。个从简单到复杂，从定性到定量， 从考察单因素到综合考察多种因素的过程。i k o n o p i s o v 模型虽可推出许多定 量关系，但只适用于能发生大量雪崩的场合，而且还没有考察动态的波动效应； 连续雪崩模型虽提供了对动态效应的剖析，但又缺乏定量的关系式；杂质中心 放电模型综合考虑了以上两个模型的优缺点，但只适用于有杂质离子掺入的情 形，具有很大的局限性。鉴于电击穿过程是一个包含化学和电化学过程，以及 光、电、热等作用的复杂行为，理论研究十分困难，因此，到目前为止，仍没 有一种理论模型能定量圆满地解释所有的实验现象，对其机理的研究仍需进一 步的探索和完善。 卜“革臻站 1 4 微弧氧化电源的影响 近年来，微弧氧化的工艺研究主溪集中在电流密度、电解液组成、电源模 式、纂兹戏分等工艺澍素剜+ 氧纯骥鹩厚度、结稳与淫麓麴影穗方蘑。文献擐出， 电流密度对徽鞭甄化膜厚度有若狭定性影响。在含有浓鹰6 承玻璃的电解液 中，使用工业交流电源，对几种不同铝合金，依零件的不同几何形状和尺寸， f 乜流密度在1 5 0 a e m 2 范冈内，经6 0 次微弧氧化实验的结果表明，形成的氧 化膜殍瘦与电流密度戒线性关系。电流密度越大，骥越厚。最终获褥了1 2 0 ：a m 以上淳度酶强浚簸纯羧咎镯。毽是，徽添氧纯电流密度鹃遮定逐岿矮与其德】：艺 条件和性能要求相结合。这些工艺条件包括电解液组成和温度、基材成分、电 源模式等。微弧氧化突破传统刚极氧化的限制，利用电极间施加很高的电胍使 浸在电解液中的电檄表面发生微口放电现象，电压的离低怒影响微弧氧化的主 溪嚣素之一。实黢表l j l l ，不藏蕊滚滚有蚕弱熬电压工捧菠掏，翔莱电压过甄， 陶瓷层生长速度较小，陶瓷层较薄，颜色较浅，硬度也较低；工作电压过商， 工件易出现烧蚀现魏，生成的陶瓷滕敞密性较差，厚度不钧匀。随着研究的进 展人们发现脉冲电源可以改善膜的质慧，沟：多研究单位发飙利用j f 负向电压以 及占窆圪可以调节黪电源麓够改善按匏徽鼹结构。蒋百灵等人1 3 。3 羽钛台金微弧 筏化使用不同躲冲频率进行了研究，发臻颓攀能够彩确袋豹结合强度、蘩甥强 艘、粗糙度等。f 乜压和电流是微弧氧化最重要的工岂参数，电压是微弧氧化的 酋要条件，而f 晰f c 影响膜层的微观结构，微弧氧化电源对成膜_ ：常重要，所以 设计一台能够_ i | 三肉脓冲可以调节，负囱脉冲可以调节，以及频率可以调节的黻 渖电源对疆究镦弧戴纯工艺参数饕紫慧爱。 1 5 大功率脉冲电源的发展概况 在开关模式功率电源中，往往采用磁性元件( 如铁心电感、变压器等) 、继 电器、机械开关突现交直沆铡滤波、熊量存储移传输。这悠磁性元件及机械开 关在电源装嚣豹体较、重量、藏零中占煮缀太毪重。溪以电源体积大、笨囊、 噪声大，而且开关器件工作频率很难缓高。传统p w m 变抉器中的开关器件工作在 硬开关状态，硬开关工作有四大缺陷，妨碍了刀：关器件工作频率的提高； 1 、 开通和关断损耗大。在开通时， 玎关器件的电流上升和电压下降同时进行；关 鞭对，电压上燹和邀滚f 终霹对逮抒。电压、电 ； l 波形勰交釜致霞器待豹舅_ = 遴 损耗和关断损耗随丌关频率的提高_ m _ f 增加。2 、感性关断问题。电路中难兔存在 感性元件( 引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感) ，当开关器件关飚斤时， 由于通过该感性元件的击dt 很大，感应出攫裹的尖蜂r l l j = i i 加夺玎关器件蹲端， 赫造成l 莛歪毒穿。3 、容性开逶逡题。警，| ：关嚣俘在校高秘电压下玎遂露，髓簸 在丌关器件结电容中的能量将全部糕敞在该开关器件内，引起开关器件过热损 坏。4 、二极管反向恢复问题。二极管山导通变为截止时存在着反向恢复期，在 此期间内，二极铸仍处于导通状态，若立即开通与其串联的丌关器件，容易造 裁壹滚电源瓣瓣缎疆，产生镶大| 冬挣毒电浚，轻翻弓| 趣该开关器嚣秘二掇蛰功 耗急尉增加，露刚致其损坏。上溽阉题阻碍了开关电源的发展。 随着软丌关技术和电力电子技术的进展，克服以上缺陷的有效办法就媳采 用软”关技术( s o f ts w i t c hj n g ，简称s s ) 。最理想的软丌通过程是电压先“f 降 爨零磊，电流露缓浸上秀虱通悉毯，所以开通损耗近似为零。另羚，豳器臀玎 遂莆电压已下降劐零，器件集电容，匕豹电压夯为零，敖辫决了容性玎逶闯题，这 意味着二极管已缀截止，其反向恢复过程结束，因此二极管反向恢复问题办不 复存在。最理想的软关断过程是电流先卜| 降到零，电压再缓慢上升到断态慎， 所以关断损耗近似为零。出予器刊：关燃莳电流已下降到零，即线路电感中电流 夯为零，瑟软感瞧关菠滔邃缛戬菸决。鑫魏霹觅，较牙关技术司良簿凌磷开关 p w m 变换器的开关损耗问题、容髓开通问题、感性关断问题、二极管反向恢复 问题。电力电子技术和软丌关技术促进了火功率电源的发展，但是大功率电源 技术性能还有待避一步研究。 1 9 5 8 年，荚辫遵塌电气公司礤割了篱一个工盟爝戆磐邋器阉管，大大蕊扩 展了半导体器件功率控制静范阐，觚黼侵电麓的变挨和接铡从旋转的交流枫缝、 静止的离子变流嚣进入到以电力半导体器件构成的变流时代，它标志着电力电 子时代的到来。晶闸管属于半控型的器件，不能自关断，它属于第一代电力电 子器 孛。由予电力电子器件具有体积小、功耗低、响应遴残怏等特点，掰以自 它诞生醣素藏获得了快速豹发展。1 9 6 1 年，出现了，l 、功率酶可关颟晶阑管 ( g t o ) ，属于全控型器件，它和电力晶体管( g i r ) 、电子场晶体管( m o s f e t ) 等，被称为第二代电力电子器件。2 0 世纪8 0 年代后期，出现了以绝缘栅极裂檄 型晶体管( i g b t ) 为代表的复合型器件，它是用m o s f e t 驱动双极型晶体辫， 第一掌绪论 兼有m o s f e t 的海输入阻抗和g t r 的低导通阻抗与一身，被认为是最有前途 的第三代电力电予嚣什。 翔时数字控制技术也取得迅速发髅，电力技术与控露8 技术的结合促进了电 源戆发展，稷对n ! | = f 数字控裁，穰教控铡有以。羁交点： 1 、模拟控制电路的元器件较多，电源体积较大。 2 、灵活性不够，t i 电路设计完成，控制策略就无法更改。 3 、最主要的烧，电源不便于调试，参数不一致，由于所使用的器件各国的 跨毪差异、参数不一致，襞笈各邀滚之裁存在鞍大瓣转缝差异，电灏豹 一致性不好。 比较之下采用微控制器、d s p 处理器的电源，控制方便灵活。可以很方便 利用改写系统软件而改变控制策略。同时电源精度高，大蠛的减少了控制器件， 镘电源体积大牺痰城小。数字电爨鲍稳定性好，所以这撵也藏增如了电滚的稳 定往和一致性。 1 6 本论文的研究目标及意义 大量的微弧氧化试验表明采用交流模式、脉冲模式成膜质量优于直流模式。 瑷代电力电孑的发避，电力电予器 孛支持静频率越来越离，功率越来越大。疑 频率、大功率麓变颓，l ：关电源或为臻代电源技术酶一个发展方向。在控秘方藤， 微控制器、d s p 处理器及其一些专用芯片的出现，刀：关管电源在控制l ：也越来 越趋向于数字化，并代替以前的模拟控制。因此研制台i u 控脉冲电源不雨非 常困难。可控躲、抻电源不仅对微弧氧化工艺参数的研究具有重要意义，而且还 可籍予其氇疆究秘萋弄壤鋈，对魄枣蕊| 二已经开发豹辣冲奄滚，份貉昂贵，蕊戳 根据我们科研情况研制一台属于自己的电源非常有必要。本论文工作主要包括 以下几个方面。 1 、完成控制电路调试工作。 2 、完成主毫鼹方案确定，元爨伴参数迭器。 3 、各种模块保护电路设诗及参数确定。 4 、驱动电路设计及参数确定。 5 、a d 转换电路，霍尔传感器聚集与键盘显示电路设计渊试。 6 、程序设计调试。 嚣l 王照走学矮i 学位论定 7 、实验及理论分析等。 该电源方絮如表卜2 所示 表1 - 2 微弧氯化电源参数设置方絮 龟压( v )5 0 5 0 0 v 爰受狻立连续 虿疆 电流( a ) 3 0 a ，5 0 0 v 工作频率( h z )0 9 9 9 连续可调 波形非对称脉冲方波、懑流 功率 1 5 k 、 从各工芑参数对成膜质量的影响可以看到，电流密度对陶瓷膜的质黧有着 至关重要的影响。所以要求在成膜过程中电流密度耍相对稳定。所以在电源的 设计上采用电流控制。 论文蕊礤究幻懑义在于，磺期一台逡合擞弧氧化礤的躲挣电源。逶过渡电 滚探索徽弧氧化瓣工艺参数，为下一步黪实验研究餐 荚必要的设器手段。 第牵 教鬣载纯 越霹主电路袋计 第二章微弧氧化电源主电路设计 本章详细介绍了主电路的设计方案以及各种，i 器作的参数确定。部分元瓣 件参数在调试中i j l 行了渊整，在满足设计的要求下尽量使电路输出可靠、经济。 2 1 电源的基本结构 菝电源按零溪求亲羲，要实瑷嚣交冲电滚波形交接多、参数镳节范圈赛，必 定使电路复杂化、造价提高、可靠性降低。所以适用、可靠且经济性的电源结 构是设计方案的糕本出发点。现在圈内的大部分脉冲电源都是采用两个相互独 立的电源进行叠加而组成的，在两个电源之间加上i 刃换装置、控制j f 负脉冲电 瀛豹蔹i t 翻导懑团麓。但是，这样不键镬咆源结稳复杂讫，弱对也增热了掺铡 电路兹负整，使电源成本培魏l 。本文在考虑简化电源绣梅黝基确上，采蠢 笈合 功率转换f 邑路的形式，即由前级向后缄供电，由后级控制电流的设i - i - d 1 案。电 源通过设定不同的占空比进行直流调压，从而得到预定的输出电压，然后，利 用逆变电路实现波形控测。 蔽疆饺爱蝥求，该邀源主要卺会议下曩令部分，懿圈2 ，l 掰示。三稳蘩滚 赶 路、斩波调功电路、i g b t 逆变电路、传感器采集电路、a d 转换电路、驱动接 口电路、保护电路以及控制和键盘鼹示电路等。图2 2 为电源主电路图。 际习 f u 蹄i i _ j 幽2 1 电澈结构髑 4 l ：莓l t 王t a 学磷 学位德曼 i i i i i i i i i i _ _ 黼黼i i i i i i i i i 簟摹嗣麓稿黼兰i i i i i i i i i i i 黼i 黼黼i i i i i i i i i i i i 磷黼躺i 苗i 幽2 2 电源主电路图 2 2 整流滤波电路设计 整流电路是一种将交流电源电压转换为鸯流电源电压盼一静电路。将交流 电转换为真流电的过程又叫a c d c 转换，这种变换的功率流向是双向的，功率 流向有交流电源向负载的变换称之为“整流”，功率流向由负载流向电源的燮换 稼之为“有源逆褒”。 整流邀鼹怒电力电子技术出溪鬣军静静窀路，应j l 十分广泛，整滚电路 分类也比较多，但是在工业应用中最，“泛应用的是三褶桥式全控整流电路，它 是由两个三相半波整流电路发展而柬，本论文所选择即为三桐桥式整流电路， 是三相桥式全按熬流在自然换向点处控制角a = o 时的一釉电路。如圈2 3 所示。 3 8 0 v 1 d 匿2z 妊 d 1d 3d 5 c i 兰3 一 r ，0 一 一 p t雪6 -d 2 z 圈2 3 三相整流桥电容滤波电路 r 第章微弧辱l 化 ： ! i l 。皇l u 路吐i 十 2 2 量变压器设诗 电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软 磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。根据传送功率 的大小，电源变压器可以分为几档：1 0 k v a 以上为大功率，1 0 k v a 0 5 k v a 为中 功率，0 。5 k v a 2 5 v a 为小功率，2 5 v a 戳f 为擞功率。传送功率不强，电源变压 器的设计也1 i 一样，应当是不言而i 俞的。电源变艇器设计的线圈参数包括：匝 数，导线截面( 直径) ，导线形式，绕组排列和绝缘安排。原绕编匝数根据外加 激磁电压或者原绕组激磁电感( 储存能量) 来决定，匝数不能过多，也不能过 少。翅栗匿数过多，会耀魏瀑惑和绕线：时；如鬟匪数过少，亳癸燕激磁电压 比较高时，有可能使缀翔电压降和层间电压陲增大，丽必缀加强绝缘。设变压 器剐边相电压的有效值为u 2 ，对于三相整流桥，则可以得嘲熬流桥输出电压u d 与移相控制角d 的关系如下： u d = 2 ，3 4 u 2 e o s 球 ( 式2 - 1 ) 本设计采娟不可控整流二极管，所以搿在簿予零时自然换橱，我 ：| 要求斩波输 入f 电压为o 一5 1 0 v ，当辟一o 时取u f 5 1 0 v 则： u 2 = u d ( 2 3 4 + c o s “) ( 式2 2 ) u 2 = 2 1 8 v 可求得变压器副边的线电珏u 2 h 为： u 2 i = 34 = 3 7 8 v ( 式2 - 3 ) 考虑到线路的电压损耗取副边线电压为3 8 0 v ，所以确定变压器电压比为 3 8 0 v 3 8 0 v 。 根据以上的计算可以得出所要设计的变压器原副边电疆等级，即当原边输 入3 8 0 v 三相交流电时，变压器的副边输出3 8 0 v 的三相交流电。在这里变压器主 要作用就是绝缘隔离。当然，对于变压器来浇，还有一个重要的参数是变压器 黪餐爨闷题，考虑系绫浚窭乎稳蜜量为1 5k w ，霆藏，设诗浚变压器对选其容 量1 5 k w 。那么，源、戮边各自静平均魄流也能够算出： p = 3 u 2 + 1 2 。c o s # ( 式2 4 ) 6 蕊乾王鼗灭学颤 j 学位论_ 耍= 其中m 角撼卡日电压与相电流之问的相位差。 对电路星星连接时， 呸”2 4 3 g ，2 1 2 ( 式2 ，5 ) 辩三焦形连接时， u 2 2 u z ，2 ，。3 ，2 ( 式2 6 ) ) 假设电源负载为阻性负载时， 五2 p 3 4 砚2 1 5 4 lo ，3 4 2 2 拈2 2 t 列 等全控受电力龟予器馋。毫力m o s e f t 器馋是单援型( n 沟遴只 蕊 照火学谈l j 学位论文 有电子导电、p 沟道只有空穴导电) 、电爪控制的开关器件；阕此有驱动功率小， 开关速度快等优点，但是通态压将大，不太适合高艇大电流的场合。g t r 是双 极型( 电子、空穴两种载流予导电) 、电流控制型开关器件，其通态1 t i j # 4 , 、载 渡髓力大，餐燕开关羧耗大，开关速度低。2 0 世纪，8 年代遗凌了嚣耪器箨款 复合型器件绝缘门极双极型晶体管( i s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ，i g b t ) ， 它是m o s f e t 和g t r 组成的达林顿结构，其输入控制部分为m o s f e t ，输出 为双极型电力三极管。因此就兼有m o s f e t 和g t r 的优点，即高输入阻抗， 电压羟裁、驱动功率夸、牙关速发怏、键黧压涛低、逛歪、电滚骞量较大、安 全工作区域宽等系列优点。 i g b t 能在3 0 k h z 工作频率下稳定工作，且体积小、便。j 二控制、无噪声。 近年来i g b t 在开关电源中得到广泛应用，通过综合比较本电源采用i g b q l 作为 辑波电路的开关器件。考虑到电源羧大王 乍电流为3 0 a ，整流褥辕出f 乜压媛大 为5 1 4 v ，所隘确定i g b t 稿畜大熬安全余量，选努参数为：1 2 0 0 v 1 0 0 a 。 2 3 4 斩波电路电感、电容、二极管选择 根据斩波电蹄的工作原理【3 6 1 ，在这里假设输出电压不变，则当i g b t 锊通 时，电感中电浚为： 蠢：u 7 - ，u o f + 屯。； ( 式2 ，1 8 ) 式中i l 劬，初始状态下电流的最小值，u ，为斩波电路输入，即为图2 5 中u l