（电力电子与电力传动专业论文）电流型电火花加工电源研究与工程实现.pdf

a b s t r a c t t or e s o l v et h ed i s a d v a n t a g e so fe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) p u l s ep o w e r c u r r e n t l yu s e d c o m p o s i t e - s t r u c t u r ec u r r e n tm o d ee d mp o w e ra n dt w o s t a g ec u r r e n tm o d e e d mp o w e rh a v eb e e ni n t r o d u c e d i nt h i st h e s i s ，t h ea c a d e m i cf o u n d a t i o n ，c i r c u i t t o p o l o g y , o p e r a t i o np r i n c i p l e c o n t r o ls c h e m ea n dp a r a m e t e r sd e s i g no ft b et w on e w s t y l e e d mp o w e r sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l c u r r e n ts o u r c e so f2 0 a 2 5 va n d5 0 a 2 5 va r e d e s i g n e du s i n g t h e p a r a l l e l t w o t r a n s i s t o rf o r w a r dd e d ec o n v e r t e et h eo u t p u tc u r r e n tc a nb em o d u l a t e dt oac e r t a i n e x t e n t b a s e do nt h ec u r r e n ts o u r c e sd e s i g n e d ，2 0 ap e a kc u r r e n tc o m p o s i t e s t r u c t u r e c u r r e n tm o d ee d mp o w e ra n d2 0 a 、5 0 ap e a kc u r r e n tt w o s t a g ec u r r e n tm o d ee d mp o w e r a r eb u i l t t h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n i n gm e t h o da n dt h et o p o l o g yh a v eb e e nv e r i f i e db y e x p e r i m e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n tr e s u l t so ft h e o r e t i c p r o t o t y p e s r e s e a r c ha n de x p e r i m e n tv e r i f yt h a tt w o s t a g ec u r r e n tm o d ee d mp o w e rh a s m o r ea d v a n t a g e st h a nc o m p o s i t e s t r u c t u r ec u r r e n tm o d ee d mp o w e r t h ee n g i n e e r i n gp r o t o t y p eo f2 0 ap e a kc u r r e n tn e w - s t y l ee d m , p o w e ra r eb u i l tb a s e d o nt h et w o s t a g ec u r r e n tm o d ee d mp o w e r i ns y s t e mp r o g r a m m a b l el a r g es c a l e i n t e g r a t i o n ( i s p l s l ) i sa p p l i e dt ot h ee n g i n e e r i n gp r o t o t y p e k e y w o r d s ：c u r r e n ts o u r c e ，h i g hf r e q u e n c yp u l s ep o w e r ，e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g p u l s ep o w e r , f o r w a r dc o n v e r t e r , t w o - t r a n s i s t o rf o r w a r d ，i n t e r l e a v i n ga n dt r a n s f o r m e r p a r a l l e l i n g ，c u r r e n tm o d e ，e d m ，h i g h - l o wx , o l t a g ec o m p o s i t es t r u c t u r e ，t w os t a g e c o n v e r t e r , i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ，p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，i s p l s l i i 、 i i 、 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 电火花加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，e d m ) 是利用火花放电腐蚀金属以实 现金属切削的加工方法。苏联学者拉扎林科夫妇九四三年在研究电火花对金属的腐 蚀作用时发明了电火花加工技术。随着电子、自动控制等工业技术的不断进步，目前 电火花加工已经发展成一种极其重要的加工手段，在工业界发挥着不可替代的作用。 e d m 电源作为电火花加工系统中重要组成部分之一，其性能对电火花加工的各 项工艺指标( 如加工效率、加工精度、电极损耗、电能利用率等) 有较大的影响。 e d m 电源的主要电参数有： 脉冲宽度f ，。一般指电压脉冲的持续时间，一般在一个微秒至几千微秒。 脉冲间隔厶。指两个脉冲电压间的时间，一般在几微秒至几千微秒。 脉冲频率，。电火花加工用的脉冲频率一般为1 k 1 0 0 k h z ，其上限受到放 电间隙消电离的限制。 脉冲系数f 。f 为脉冲宽度与脉冲间隔之比，即f = t 。小脉冲系数用于 精加工，大脉冲系数用于粗加工。 空载电压【k 。指空载电压平均值，一般为几十伏到几百伏。 输出电流平均值厶。指加工过程电源输出电流的平均值。 输出电流峰值k 。指加工放电脉冲电流幅值。 e d m 电源经历了多次发展和革新，到现在已有多种类型的e d m 电源，如弛张式 r c 电源、脉冲发电机式e d m 电源、闸流管式e d m 电源、可控硅e d m 电源、电阻 限流式e d m 电源等。 弛弘式b c 电源是最早使用的e d m 电源，其电路原理如图1 1 所示。开关管g 开 通时，直流电压u ，经电阻r 向c 充电，当c 上电压 升至一定值时，放电间隙被高压击穿，c 快速放电。 当c 上电压下降到放电熄灭电压时，停止放电，电容 重新充电。 这种电源结构简单，但它存在如下缺点：( 1 ) 击 穿电压与间隙大小、介质导电情况有关，电参数不 q r 图1 - 1 弛张式r c 电源 稳；( 2 ) 自i i v 速度低。r c 电源的充电时间相对放电时间较长，加工频率低；( 3 ) 电能 利用率低，一般为2 5 3 5 。 电阻限流式e d m 电源是目前国内普遍使用的e d m 电源。电阻限流式e d m 电 源原理如图1 2 所示。功率开关管q 按一定规律导通和关断，实现电火花加工击穿延 迟、击穿放电、消电离三个状态的循环往复，完成电能的转化，达到加工的目的。功 率管q 开通时，电压u 。加到加工间隙上，使间隙击穿放电。击穿后间隙电压将 下降到电火花维持电压值( ，电阻r 起到限流的作用。 电流型电火花加工电源研究与工程实现 u ，= 2 2 0 v ，设u d c = 1 0 0 v 。当q 导通形成电火花时，= ，一般在2 0 2 5 v 之间。设= 2 0v ，则电阻r 上电压 u 。= 8 0 v 。因此电能利用率为2 0 。 电阻限流式e d m 电源存在的缺点：( 1 ) 电能利用率低，一般低于2 5 。电能浪费大 且通风散热条件要求很高：( 2 ) 输出短路时加 工电流大，会烧伤加工工件表面。 图1 2 电阻限流式e d m 电源 随着电力电子技术的不断发展，基于现代开关型d c d c 变换技术的无限流电阻 e d m 电源的研究受到了人们的关注。目前，无限流电阻高频开关型e d m 电源主要 采用单级式结构，其原理如图1 3 所示。主电路采用高频d c ，d c 变换器，利用电感 限流。 单级式高频开关e d m 电源效率远远高于电阻限流式，可以超过8 5 。但还仍存 在以下缺点：( 1 ) 加工效率低。击穿放电时 电流存在着上升和下降阶段，且上升时间和 下降时间随着电流设定值和滤波电感值的 增大而增大，为了保证加工电流上升到设定 值和下降到零，加工脉宽和消电离时间必须 足够长：( 2 ) 3 n q - 精度不高。电源的滤波电 感始终与加工间隙构成回路，当开关管关断 图1 3 单级式高频开关e d m 电源 时滤波电感储存的能量向加工间隙释放，加工电流拖尾，因此加工精度不高。 可见，研制高效节能、性能优良的e d m 电源不仅在理论研究还是在工程应用上 都有着十分重要的意义。 针对e d m 电源所存在的这些缺点，本文提出了两种新型的e d m 电源拓扑结构， 以克服原有e d m 电源所存在的缺点和不足。这两种新型的e d m 电源是： 1 复合结构电流型e d m 电源 复合结构电流型e d m 电源组成框图如图l - 4 所示。电流脉冲形成变换器前级为 图1 - 4 复合结构电流型e d m 电源组成框图 南京航空航天大学硕士学位论文 恒流输出d c d c 变换器。高压脉冲引弧电路与电流脉冲形成变换器在控制电路控制 下配合工作，实现电火花加工的击穿延迟、击穿放电和消电离过程的往复循环。 2 两级结构电流型e d m 电源 两级结构电流型e d m 电源组成框图如图1 5 所示。两级结构电流型e d m 电源 由恒流输出d c d c 变换器和电压、电流复合脉冲形成变换器所组成的两极变换器构 成，电路结构简单且性能优良。两级结构电流型e d m 电源输出为电压、电流复合脉 冲。脉冲前沿为尖峰高电压脉冲，随之是低压恒流电流脉冲。电压脉冲实现击穿引弧， 电流脉冲提供火花放电能量。 恒流泺 图1 - 5 两级结构电流型e d m 电源组成框图 本文主要研究内容及主要工作： 介绍e d m 电源发展及现状，通过深入研究各种e d m 电源，总结其工作优 缺点。研究火花放电特性，提出了新的解决方案。 详细介绍恒流输出双管正激交错并联d c d c 变换器的工作原理，并分析电 路模态。 设计2 0 a 2 5 v 、5 0 a j 2 5 v 恒流输出双管正激交错并联d c d c 娈搀器。 提出复合结构电流型e d m 电源拓扑，详细分析其工作原理并设计了2 0 a 峰 值电流复合结构电流型e d m 电源。 在复合结构e d m 电源基础之上，提出两级结构电流型e d m 电源方案。系 统地分析两级结构电流型e d m 电源工作原理和电路特点。设计研制2 0 a 峰 值电流两级结构电流型e d m 电源原理样机。 在原理样机基础上，设计2 0 a 、5 0 a 峰值电流两级结构电流型e d m 电源工 程样机。 分别对复合式和两级式2 0 a 峰值电流e d m 电源进行了电路仿真和分析，并 将仿真结果与实验结果进行了对比。然后将工程样机与使用中的e d m 电源 进行了性能比较。最后将两种新型的e d m 电源进行了对比研究，并给出了 各样级图片。 电流型电火花加工电源研究与工程实现 第二章恒流输出双管正激交错并联d c d c 变换器 本文提出的新型电流型e d m 电源前级电路是恒流输出d c d c 变换器，提供电 火花加工放电能量。电路拓扑采用双管正激交错并联d c d c 变换器。 本章讨论了采用双管正激交错并联d c d c 变换器来作为e d m 电源前级电路的 优点，介绍了正激交错并联d c d c 变换器工作在恒流输出状态下的工作原理，并对 电路工作模态进行了详细分析。 2 1 电路结构 新型电流型e d m 电源的后级电路工作在高频开关状态，并伴随着频繁的输出开 路和短路。因此前级变换器负载特性较为复杂，这要求变换器动态响应快，稳定性好。 综合考虑选取正激式变换器来实现其前级电路。 传统正激变换器器缺陷为：变压器铁芯单向磁化，利用率低，主功率管承受两倍 的输入电压，只能适合低压输入电路：占空比小于0 5 ；去磁绕组使变压器的结构复 杂化。 正激变换器磁复位除了用去磁绕组以外，还有：r c d 箝位技术，l c d 箝位技术 以及有源筘位技术等。r c d 籀位技术电路结构简单，成本低廉，但部分励磁能量消 耗在箝位网络中，效率不高。l c d 和有源箝位技术克服了r c d 筘位技术的缺点，但 电路结构较复杂。 因此，采用两路双管正激电路交错并联结构来实现。 1 采用双功率管正激电路是因为： ( 1 ) 去除正激式d c d c 变换器的去磁绕组，使变压器绕制方便，电路结构简单： ( 2 ) 损耗小，励磁能量回馈到电源； ( 3 ) 功率管只承受电源电压，电压应力小。单管正激电路主功率管承受两倍的电源 电压，而其主功率管承受电源电压。故主功率管可选用导通电阻更小的开关管，减小 了通态损耗。 2 采用两路交错并联结构的优点： ( 1 ) 并联结构使得功率管工作在同样频率下，输出电压频率提高了一倍，这样使得 d c d c 变换器的输出滤波 电感量减小。( 2 ) 由于两路 并联，使得输出电压占空 比也增加一倍。尽管功率 管工作在占空比小于o 5 的情况下，但整流侧输出 电压占空比可以在0 - - - 1 之 间变化，提高了电路的响 应速度；在同样输出电流 图2 1 恒流输出双管正激交错并联d c d c 变换器主电路 南京航空航天大学硕士学位论文 的情况下，整流、续流二极管平均电流减小，有利于选取反向恢复时间更短的快恢复 二极管。 恒流输出双管正激交错并联d c d c 变换器主电路结构如图2 1 所示。m l 、m 2 、 d 卜d 2 构成一路双管正激变换器，m 3 、m a 、d 3 、d 4 构成另路双管正激变换器，r d l 、 r d 2 分别为这两路变换器的整流二极管，d 5 为续流管，l 为滤波电感。 2 2 电路工作模态分析 在下面分析双管正激交错并联d c - d c 电流源主电路的工作过程时作如下假设： 所有的开关管及二极管均为理想器件； 电容、电感均为理想元件； m i 、m 2 的漏源结电容c = c o s l = c o s 2 ，m 3 、m 4 的漏源结电容c = c o s 3 = 3 ； 变压器t r l 、t r 2 原边激磁电感为三。 在不同占空比下，电路工作情况有不同之处。当d l 4 时，磁复位时间大于死 区时间，当d l 4 变换器主要原理波形如图2 2 所示，共可分为6 种工作模态。电路各模态的等效 电路如图2 - 4 所示。 m 蝎ff 蚂弛f fm 蝎ff 1 ll； 7 l 闺，l 、【 j lil 、 1： uj ；一 一| ： l f 厂 l r- 一乩 l 一】 f。f q l 一 ； 1 l 咋 一 图2 - 2d l 4 时变换器主要原理波形 电流型电火花加工电源研究与工程实现 ( 1 ) 开关模态1 【f 0 ， 参考图2 - 4 ( a ) 】 存储在t r 【线圈中的能量通过d i 、d 2 将能量回馈到电源，变压器t r l 进行磁复 位。t r l 原边电压u p ( t r l ) 箝位为- u i 。d 5 续流，r d l 关断。 在此过程之中，由于r d 2 、d 5 ，t r 2 副边绕组电压被箝位为0 ，u d s 3 和u d s 4 箝位 在u i n 2 。 ( 2 ) 开关模态2 t it 2 】 参考图2 - 4 ( b ) 】 t l 时刻，m 3 、m 4 开通，d 5 停止续流，r d 2 继续导通，t r 2 原边电压u p ( t r 2 ) = u i n ， t r 2 输出能量。 在此过程之中，m 。、m 2 这一路继续着模 态n ) 所示的工作状态。 ( 3 ) 开关模态3 t 2t 。】【参考图2 - 4 ( c ) 】 t 2 时刻，变压器t r l 原边磁恢复电流 i 。r r r l ) = o ，变压器t r l 磁复位结束，d 卜d 2 1 截止。m 1 、m 2 的漏源电容c 。、c 。和t r l 原边激磁电感l m l 开始谐振，c 。，、c 。放电， i p ( t r l 、开始反向流动，u d s i 和u d s 2 从u i 下降， u p ( t r o 从一u ；上升。 图2 - 3 模态3 电路分析图 图2 - 3 为m l 、m 2 这一路电路分析图，列电路方程 方程拉普拉斯变换，得 愧：+ k 挈= c d “出d l = f 棚) ( 2 - 1 ) c d u 西 2 = ( m 1 ) u 册i ( s ) + ( ，c 四2 ( s ) + l 【f ( 豫1 ) ( s ) 一i e ( r m ) ( r 2 一) 】= u 。s c s u o s i ( s ) 一“傩1 ( f 2 一) 】= p ( r r i ) ( s ) ( 2 _ 2 ) c s u 2 ( s ) 一u d s 2 ( t 2 一) = ，p ( 豫1 ) ( s ) l “l ( f 2 ) = u 。 初始条件： “。：( 2 一) = u 。，解方程得 【| p ( t r i ) ( f 2 一) = o 竺u 一苎一十丝 陋， ( s ) 。o s ：( s ) = 一面酽l n 丽+ 詈 6 南京航空航天大学硕士学位论文 拉晋拉斯反变换得： 卜彤卜肛 j 延， k 归蝴) = 孚 c o s 压( ) 所以 m m 一c o s j 蠢( f _ f ：) 】( 2 - 5 ) 理论上u d s i 和u d s 2 最低点为0 ，u p 仃r 1 ) 最大为u i 。但由于存在变压器原边绕组电 阻以及线路电阻，实际上u d s l 和u d s 2 波形最低点不能到达0 ，u p ( t r l ) 最高不超过u i n o 此时另一路处于导通能量输出状态，r d l 在另一路的输出电压下反偏截i e 。 ( a ) 【“，t 1 港? 莓1 章jj ? 砷；：气黼f 21d ， ( 图2 4d l 4 时变换器各开关模态等效电路 f ，一f 。的三个模态与前面岛一t ，的三个模态相似，只是m 1 、m 2 这一路与m 3 、m 4 一路互换了工作状态。开关模态4h ，4 参考图2 - 4 ( d ) ，开关模态5f ，4 ，5 参考图 2 - 4 ( e ) ，开关模态6k ，6 】参考图2 - 4 ( f ) 。为节省篇幅，在此不再叙述。 2 占空比d 1 4 电流型电火花加工电源研究与工程实现 主要原理波形如图2 5 所示，电路各模态的等效电路如图2 - 6 所示，分为1 0 种 工作模态。 m 剧 ， 屿纠。 m 型， 、 i l l、 一jj。 |l n j i 一 _ j川 l |j c 。 li1 一r 川 i lm l ! 一二 ：囊 i j i l ，。 - _ + r 、j r uj j 一 f 图2 - 5d i 4 时变抉器主要原理波形 ( 1 ) 开幕模态1 【t 0t 。】【参考图2 - 6 ( a ) 】 t r l 通过d l 、d 2 将能量回馈到电源，进行磁复位。t r i 原边电压u p ( t r 2 ) 筘位为 - u i 。r d l 截止，d 5 续流。 “时刻d 5 导通续流，r d 2 开通使得u p ( t r 2 ) 迅速回零，u d s 3 、u d s 4 上电压立即被充 至u i 。2 。在t o t l 里，正向流动的f p ( m 2 ) 作用之下，u d s 3 、u d s 4 和碣激磁电感l i l l 2 谐 振，u p ( t r i ) 变为负电压。 ( 2 ) 开关模态2 【f 1 ，f 2 参考图2 6 ( b ) t l 时刻，t r l 磁复位完成。u d s l 、u d s 2 和t r l 激磁电感l 。l 开始谐振a 谐振方程见 公式( 2 _ 4 ) e 此过程中，m 3 、m 4 这一路继续着模态( 1 ) 所示的工作状态，直到t 2 时刻，由于 r d 2 和d 5 作用，u p ( t f , 2 ) 被箝位为0 ，谐振停止。 ( 3 ) 开关模态3 【t 2t 3 1 参考图2 - 6 ( c ) 】 u d s 卜u d s 2 和t r i 激磁电感l m l 继续在谐振，t 3 时刻，u p ( t a l ) j e 升到0 ，u d s l 、u d s 2 下到u 。2 。由于r d i 和d 5 作用将使谐振停止，u p ( t r i ) 被筘位为0 ，u d s l 、u d s 2 筘位为 南京航空航天大学硕士学位论文 u i 以。 此过程中，r d 2 开通，d 5 续流。u p f r r 2 ) 被箝位为0 ，u d s 3 、u d s 4 箝位为u i 以。 ( a ) 【“，。】 。一 m ( c ) ，2 ，f 3 m ( e ) r 4 ，t 5 】 ( i ) t 8 ，t 9 】 豁虬糕； 8 秘 马 ( = 毒唪弼 ，焉 ( f ) 【t s , t 6 】 ( h ) f 7 ， 0 ) 【f 9 ，f l o 图2 - 6d 4 4 7m m 2 5 0 a 2 5 v 样机： 1 4 童塞堕至塾丕奎堂堡主兰焦堡苎 扩而：i l s o 脬瑚瓢 k 矿r j 芋以s 萼呲 ( 3 - 1 0 ) ( 3 1 1 ) f 3 1 2 ) 原边导线总截面积s u l ，= 量警：善望：1 6 8 聊聊：( 3 - 1 3 ) j j 副边导线总截面积s u 2 ，= 生予：翟害：1 1 1 7 m 阴：( 3 - 1 4 ) j j 原边用铜芯标称直径0 6 m m ( 面积为0 2 8 3 m m 2 ) 的漆包线，7 股并绕。实际导 线总面积为： 瓯1 = 7 x 0 2 8 3 = 1 9 8 1 m m 2 1 6 8 m 卅2 副边用厚0 4 m m ，宽3 0 m m 的紫铜带，实际导线总面积为 鼠2 = 0 4 3 0 = 1 2 m m 2 1 1 1 7 m m 2 4 核窗口面积 2 0 a 2 5 v 样机： 耻盥q= 型3 掣7 5 6 0 _ o - 1 7 3 ( 3 - 1 5 ) “ 1 2 。 7 能够绕下，设计合理。 5 0 a 2 5 v 样机： 弘华= 号筹7 5 61 0 一o s 。 b 坳 。 d3 2 。 能够绕下，设计合理。 3 1 2 滤波电感的设计 1 输出滤波电感值 滤波电感量三确定将在第六章详细推导。由第六章式( 6 4 ) 可知输出滤波电感值 设计公式： 2 0 a 2 5 v 样机： ，( r 。i l + ) ( 1 2 d “) 1 = - 一一 2 1 l2 f ，( r 。i l + ) ( 1 2 d 。“) 1 l = ；一一= 2 1 l2 f ( 2 + 2 5 ) ( 1 - 2 x0 4 4 9 ) 2 2 0 ( 3 1 7 ) 丽品=86my24 01 0 j 1 5 47 | | 7o 0 = 生m “ 50 = 眦 如 + z 刚鸭 = 缸 t 矿 = = 一皇堕型皇坐垄垫三皇塑婴窒量三堡塞望 实际设计中，取上= 1 0 0 饵。 5 0 a 2 5 v 样机： 三= 盟学万1 = 盟掣熹而：2 4 5 , u hl _ 1 甭：_ 。万2 赢焉i 厂一。夏薪2 实际设计中，取三= 3 0 a 彳。 2 铁芯选择 选用e e 5 5 b 铁氧体磁芯，一般取最大工作磁密= ( o 6 一o 8 ) e 。 3 确定电感气隙和匝数 2 0 a 2 5 v 样机： 取气隙占= l m m ，则由式 = 下, u o s c n 2 ( 3 - 1 8 ) 故_ 悼 胁 1 0 0 1 0 “1 1 0 3 1 4 n - x 1 0 - 7x3 5 4 x 1 0 - 4 取n = 1 5 。 5 0 a 2 5 v 样机 取气隙占= 2 5 m m ，n = = 1 4 8 j3 0 1 0 “2 5 l o 。3 一吖石i 矿i 菇瓣 取n = 1 3 。 4 校核磁芯工作最大磁通密度 根据下列式子计算磁芯工作最大磁通密度 = 胁m l 。 d r 3 1 9 ) 。1 2 8 5 ( 3 - 2 0 ) 2 0 a 2 5 v 样机： k=毕=塑铲=0377t 1 2 5 r a m 2 校核窗口： k 粤= 晕掣= 0 4 4 3 ，能够绕下。” 03 7 5 6 1 0 “ 3 1 3 器件选取 1 输入滤波电容 只。= p o 。r l = 5 0 0 0 9 = 5 5 6 w( 3 - 2 4 ) ，。= 只。u 。“= 5 5 6 2 1 0 6 = 2 6 4 a 设输入交流电压最小情况下，输入交流电半周期内，输入电流完全由电容来提供， 且电容上电压变化需在输入电压所允许峰一峰值纹波电压范围内。 c ：竽：等黑：1 0 2 5 z f ( 3 - 2 5 ) a c ，。 1 0 2 2 0 x 1 1 7 取c = 1 1 2 0 2 - ，两个5 6 0 4 0 0 v 电解电容并联，减小了e s r 。再并联一个高频 无感电容1 口4 0 0 v 和云母电容1n f 4 0 0 v ，以滤除高频纹波。 2 功率管的选择 2 0 a 2 5 v 样机： 最大漏源电压：u d 、一= u 。一= 2 5 0 2 = 3 5 0 v 7 丢 电流型电火花加工电源研究与工程实现 峰值电流：，。“= i 一= 3 1 5 a 以上计算是理想结果，实际的电路中由于高频变压器存在漏感，回路中还有引线 电感，在开关管关断瞬间会引起较大的电压尖峰。因此选用的开关管阻断电压还应留 有足够的裕度。因此，原理样机选用i r 公司的功率m o s f e t 管i r f 4 6 0 ，其参数为： u 2 5 0 0 v ，i o = 2 0 a ，r 0 = 0 2 7 q 。 5 0 a 2 5 v 样机： 最大漏源电压：“= u 。一= 2 5 0 2 = 3 5 0 v 峰值电流：1 = i l 一= 7 8 8 a 同样选用i r 公司的功率m o s f e t 管i r f 4 6 0 。 3 输出整流二极管选取 2 0 a 2 5 v 样机： 副边整流二极管最大反向电压为两倍的副边电压，有： = 2 u i 一n = 2 2 9 2 5 7 = 8 4 v 最大电流平均值为 i o = d “= 0 4 4 9 2 0 = 8 9 8 a 因此，副边整流二极管选用快恢复二极管f f a l 5 u 2 0 d n ，其参数为：最大反向 耐压。= 2 0 0 v ，平均电流，刖，) = 1 5 a ，最大反向恢复时间f ，= 4 0 n s 。它是共阴极 对管，在电路中将其对管并联使用。 5 0 a 2 5 v 样机： 最大反向电压：u o r = 2 一n = 2 2 9 2 5 7 = 8 4 v 最大平均电流：1 。= d ”，。= 0 4 6 5 5 0 = 2 2 4 5 a 因此，副边整流二极管选用快恢复二极管f f a 3 0 u 2 0 d n ，其参数为：最大反向 耐压珞肼= 2 0 0 v ，平均电流1 f ( 川= 3 0 a ，最大反向恢复时间t r r = 4 0 n s 。它是共阴极 对管，在电路中将其对管并联使用。 4 续流二极管选取 2 0 a 2 5 v 样机： 副边续流二极管的最大反向电压为 u o r = u i n 一n = 2 9 2 5 7 = 4 2 v 最大电流平均值为 1 d = i l ( 1 2 d “) = 2 0 ( 1 2 o 0 4 8 ) = 1 8 0 8 a 因此，副边续流二极管也选用快恢复二极管f f a 3 0 u 2 0 d n 。它是共阴极对管， 在电路中将其对管并联使用。 5 0 a 2 5 v 样机： 南京航空航天大学硕士学位论文 最大反向电压：u d r = u l n ”= 2 9 2 5 7 = 4 2 v 最大平均电流：1 d = 1 l ( 1 2 d “) = 5 0 ( 1 2 0 1 2 ) = 3 8 a 因此，副边续流二极管也选用快恢复二极管f f a 6 0 u 6 0 d n 。其参数为：最大反 向耐压。= 6 0 0 v ，平均电流，1 = 6 0 a ，最大反向恢复时间f ，= 1 1 0 n s 。它是共阴 极对管，在电路中将其对管并联使用。 5 原边续流二极管的选取 2 0 a 2 5 v 样机： 最大反向电压：u m = u m 一= 2 2 0 2 = 3 5 0 v 原边续流二极管所流过电流为变压器原边的磁化电流。设，为变压器副边电 流峰值折算到原边所得的电流值，l 为磁化电流，则取磁化电流的峰值为5 1 ：“， 则： r l 一= 5 1 2 m a x i = 5 1 2 一f f ，- ，l = 5 2 0 7 = o 1 4 a ( 3 - 2 6 ) v 1 设计时认为磁化电流流经续流二极管的时间为d “丁，则最大磁化电流平均值 为：，。= , l t u n l a x d 一= o 1 5 0 4 4 9 = o 0 6 7 a 因此，原边续流二极管选用软特性快恢复二极管b y v 2 6 c ，其参数为：最大反向 耐压f = 6 0 0 v ，最大平均电流川= 1 a ，最大反向恢复时间t ，= 3 0 n s 。 5 0 a 2 5 v 样机： 最大反向电压：u n r = 乩= 2 2 0 x 2 = 3 5 0 v x r ，。“= 5 1 2 “= 5 1 2 “等= 5 x 5 0 7 = 0 3 6 a( 3 2 7 ) jv i 最大磁化电流平均值为：i n = l d 一= 0 3 6 0 4 6 5 = 0 1 7 彳 因此，原边续流二极管选用肖特基二极管b y v 2 6 c 。 3 2 控制电路的实现 3 2 1p w m 控制芯片 控制芯片采用t e x a s 公司t l 4 9 4 集成p w m 控制芯片。t l 4 9 4 是一种性能优良、 功能全及通用性强的集成p w m 控制器。其所用的外围器件少，可比较灵活地用于电 压模式控制和电流模式控制，广泛应用于d c d c 变换电路之中。t l 4 9 4 功能框图如 图3 - 1 所示。 t l 4 9 4 内部结构包括如下几部分：基准电压，振荡器，误差放大器，p w m 比较 器，分相器，输出级，软启动及关断电路等。其具体电路介绍见参考文献2 2 。 t l 4 9 4 外围电路构成如图3 - 2 所示。 1 9 电流型电火花加工电源研究与工程实现 图3 - 1t l 4 9 4 功能框图 图3 - 2t l 4 9 4 外围电路构成 1 频率设定 频率由r t 与c t 值决定，图3 - 3 为频率设定曲线。开关频率为4 0 k h z ，内部振荡 频率为8 0 k h z 。由曲线或公式厂2 蠢寿可确定： r ，= 1 4 k ，c r = o 0 1 。 2 启动电容、输出控制设定 参考电压通过r 7 对电容c 3 充电，实现软起 动功能。软启动时间由时间常熟f = r ，c 3 决定。电 路中，c 3 = 1 0 a ，r 7 = 2 0 k 。1 3 脚接参考电压，输出 两路互补驱动信号，两个输出晶体管交替工作。最 大占空比为0 4 8 。 4 误差放大器 r t n a d n g r 一n 图3 - 3t l 4 9 4 的频率设定曲线 t l 4 9 4 内部有两个独立的误差放大器，分别用作电压和电流误差放大。由于在只 使用误差放大器2 ，故将误差放大器1 输入端通过r 2 、r ，接地，r 2 = r ，= 4 7 k 。同 相端( p 1 6 ) 接地，反向输入端( p 1 5 ) 接检测的电流反馈信号和参考端电压。尼、c 作为电流环的比例积分调节。 电压“，为输出电流反馈信号，当输出电流j ：变化时，改变t i a 9 4 输出脉冲波的 占空比d ，使输出电流围绕平均值在脉动范围内变化，实现电流输出恒定。 位可调电位器，调节，电流源输出电流值，。变化。越大，输出电流，。越 小。由下面式子 竖：一丝 ( 3 _ 2 8 1 风r 。 、7 可得： 2 0 南京航空航天大学硕士学位论文 i l = 一= 车尺6( 3 2 9 ) k 其中