专利名称：双极性大功率脉冲电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种脉冲电源，更详细地说，涉及一种双极性大功率脉冲电源。本实用新型脉冲电源主要用在微弧氧化方法中。它能在金属表面生成氧化物或氧化物陶瓷层，尤其适用在铝、镁、钛、鋯、铍、钽及它们的合金表面生成陶瓷层的微弧氧化方法中，也可以用于其它需要双极性大功率脉冲电源的场合。
近年开始采用的微弧氧化方法在金属表面生成的陶瓷层具有良好的物理、化学特性。用微弧氧化对铝、镁、钛、鋯、铍、钽及它们的合金表面进行处理的方法，在汽车、航空、航天、机械、电子等工业部门中得到了越来越广泛的应用。在该方法中，决定陶瓷层生成质量和速度的重要因素之一是施加在金属表面的电场特性，该电场特性是由脉冲电源的性能和工作方式决定的。在现有类似技术中，如用阳极氧化方法处理金属表面，所用的电源大多为直流或直流加单向脉冲式，并且是低电压电源。在有关微弧氧化方法的文献中，一般只简单介绍施加在金属表面的电压波形，都没有详细介绍所采用的电源。在PCT/GB97/00664中介绍了一种至少为700V的经波形修正的交流电源。它是用变压器和电容器串联以后再接输出的一种直接从电网获取大脉冲电流的单相交流电源。这种电源虽然简单，但存在一些弊病，如经波形修正而产生严重畸变的很大的单相交流脉冲电流会对电网造成严重冲击，带来严重污染电网的麻烦，并且电网三相供电是不平衡的，无法用于工业生产。串联不同数值的电容器虽然对波形进行修正，但同时也改变了工作电压的数值，而且工作电压幅度不能连续调节，给使用带来了不便。
本实用新型的目的是消除现有电源技术的一些不足之处，提供一种三相平衡的，对电网基本没有冲击、没有干扰和污染的，能够用于工业生产的双极性大功率微弧氧化脉冲电源。
本实用新型的另一目的是提供一种适宜微弧氧化工作的电源。它是正、负脉冲幅度和宽度分别连续可调的平顶的双极性大功率脉冲电源。通过对工作脉冲幅度、宽度和频率参数的优化选择，能确保获得最佳的陶瓷结构层，良好的生产效率和安全、可靠、方便的操作性能。
本实用新型双极性大功率脉冲电源的上述目的可以通过以下措施来实现将380伏三相交流电经电网滤波器滤波后分两路(
图1)，分别送至正电源变压器初级，和负电源变压器初级；变压器次级输出再分别经电网滤波器送至三相可控整流桥；整流后再分别经电感、电容滤波；取样；经可控硅移相触发稳压电路控制，获得0-+800伏连续可调的直流正电源(+V)和0--300伏连续可调的直流负电源(-V)；在正、负脉冲开关控制电路输出的控制脉冲作用下，经正、负功率开关斩波，获得脉冲幅度和宽度连续可调的正、负脉冲。在微弧氧化过程中，为了在金属表面生成优质的氧化层，双极性大功率脉冲的电压波形选用平顶的方波，脉冲的幅度和宽度分别连续可调。通过对电源正、负脉冲幅度和宽度的优化选择，在保证氧化物陶瓷层适宜的生长速率的情况下，还能有效地节省能源。
本实用新型电源采用的另一措施是可控整流的导通角采用慢启动在电源启动或按保护电路的复位按钮时(图4、图6)，慢启动控制电路产生一线性上升的电压，这个电压信号的幅度低于比较及误差放大器IC1的输出信号的幅度时，箝位二极管(图5 D1)导通，移相控制电路IC7由这一线性上升的电压控制，实现可控硅触发脉冲逐渐展宽的慢启动过程；这个电压信号的幅度高于比较及误差放大器的输出信号的幅度时，箝位二极管(图5D1)截止，移相控制电路由比较误差放大器控制，整个系统进入闭环稳压调控状态，完成慢启动过程。这样就可以使新的工件逐渐氧化，有利于形成优质陶瓷结构氧化层并能防止突然满功率供电造成对电容器和负载大电流的冲击。
本实用新型电源采用的又一措施是其功率开关脉冲工作频率是用三只小变压器分别将A、B、C三相交流信号(图10 AO、BO、CO)送到三个过零检测电路IC1、IC2、IC3，获得三组100周/秒的过零脉冲，再将它们送到加法电路D7、D8、D9相加，从而获得300周/秒的与电网频率有一定关系的同步频率脉冲，选取恰当的分频比(如2-n分频，n为0、1、2)进行分频，得到工作频率信号，使电源输出的工作脉冲频率对应于三相电网频率。以三相电网中各相轮流触发获得双极性脉冲，从而确保电网的用电平衡，对电网冲击和污染小。
本实用新型电源还采用一些其它措施，如功率开关控制脉冲的启动采用渐变慢展宽，过载复位后也采用渐变慢展宽，因而保证在电源的全部工作状态下，对电网冲击小和污染小。
本实用新型电源还采用以下保护措施，以确保长期、安全、稳定工作1.利用串联在电网滤波器和三相整流桥之间的互感器取样，来限制总功率(图1)。
2.利用串联在负载回路(微弧氧化工件)中的电流传感器取样，来限制功率开关脉冲电流的幅度值(图1)。
3.利用热继电器作为温度开关实现对斩波变换功率开关IGBT的过热保护(图11)。
4.利用互锁及设定死区时间(图7、图8)，防止正、负触发脉冲同时出现而使正、负功率开关同时导通，也就避免了正、负电源直通的情况的发生(图1、图2)。
由于采用了上述保护，所以确保了电源长期工作的安全性。
所述的脉冲电源还可以一机多用可以输出双极性大功率脉冲，也可以输出单极性大功率脉冲，还可以当作大功率直流电源，以满足不同用户各种用途的需求。
本实用新型双极性大功率脉冲电源的优点是当用在微弧氧化处理金属表面时，能提供优质的陶瓷结构层，对电网基本没有冲击、没有干扰和没有污染，三相平衡，在工业生产中能长时间安全稳定运行。
以下结合附图以用作微弧氧化电源为实例，对本实用新型作进一步的描述。图1双极性大功率脉冲电源原理框图图2斩波变换示意图图3负载(例如需镀覆的金属工件)上的脉冲电压和脉冲电流波形图图4慢启动的可控硅移相触发稳压电路直流正电源原理框图图5过载保护及慢启动的可控硅移相触发稳压电路直流正电源原理图图6慢启动的可控硅移相触发稳压电路直流负电源原理框图图7脉冲控制电路原理框图图8脉冲控制电路原理图图9脉冲过载保护及脉冲渐变展宽控制原理图图10 300Hz频率获得及分频原理图图11正、负脉冲开关控制器电路原理图图1双极性大功率脉冲电源原理框图380伏三相交流电经电网滤波器分两路，分别送至正电源变压器初级和负电源变压器初级，变压器次级输出再经电网滤波器送至三相可控整流桥；经三相可控整流桥整流后再经电感、电容滤波；取样；经可控硅移相触发稳压电路控制，获得0-+800伏连续可调的直流正电源(+V)和0--300伏连续可调的直流负电源(-V)；在正、负脉冲开关控制电路的控制脉冲作用下，经正、负功率开关斩波，获得脉冲宽度连续可调的正、负脉冲。本电源滤波电容取值比较大，它起到储能的作用，电源输出脉冲主要是靠该滤波电容提供能量。在电源输出脉冲期间，滤波电容两端电压变化很小，这个变化经滤波电感、整流桥、电网滤波器、电源变压器等隔离和过滤，其结果对电网的影响变得十分微小。
图2斩波变换示意图在控制脉冲作用下，当正功率开关闭合时，直流正电源给负载供电，正功率开关断开时，正电源结束对负载供电，正功率开关闭合的时间即为正脉冲的持续时间。负脉冲持续时间的道理与正脉冲相同。
图3负载(例如需镀覆的金属工件)上的脉冲电压和脉冲电流波形图经斩波变换后作用在负载(微弧氧化处理的工件)上的脉冲电压和脉冲电流波形。
图4慢启动控制的可控硅移相触发稳压电路直流正电源原理框图图5过载保护及慢启动的可控硅移相触发稳压电路直流正电源原理图下面将图5结合图4阐述。该部分的核心电路是移相控制电路，正取样电压与可调基准电压经过比较及误差放大器后，分成三路分别送到A、B、C三个移相控制电路，在A、B、C相同步信号的作用下，移相控制电路产生触发脉冲，经推动级输出。当互感器过流信号输入到保护电路时，移相控制电路被封锁，就没有触发脉冲输出。移相控制电路和一般的可控硅移相触发电路基本相同，不同处是增加了慢启动控制电路部分(图4、图6)。当启动高压使继电器J启动常闭触点断开和按复位按钮使双稳态IC5A的输出Q端变为低电平后，使IC2A截止，慢启动电路开始起作用。结型场效应管M1和自取栅偏压电阻R0构成的恒流源对电容器C2充电，慢启动受控端“A”点输出一由零伏缓慢线性上升的电压信号，经跟随器IC3隔离，通过箝位二极管D1施加到三个移相控制电路输入端“B”点，控制可控硅导通角逐渐打开，直流电源输出电压从零开始缓慢上升，只有当取样电压与可调基准电压比较，其差值经误差放大器IC1放大后的电压低于IC3输出的慢启动控制电压，即箝位二极管D1不再导通时，慢启动控制部分不再起作用，整个系统进入闭环调控，这时电源进入设定的稳压工作状态。当发生过载，从检测传感器(图1的互感器)送到电压比较器IC4的电平高于设定电平时，使比较器IC4输出也由低电平变成高电平，该电平触发双稳态IC5，IC5输出Q端也由低电平变到高电平并被锁定在高电平，这个高电平使IC2(IC2A、IC2B)导通，电容器C2被短路放电，三个移相控制电路的输入端“B”点电压即刻降至最低，将可控硅导通角关闭，起到对电源的保护。排除故障后，按复位按钮，慢启动电路恢复正常工作。IC6与IC7是可控整流导通角产生电路，可控硅触发信号由M2驱动后经变压器输出。
图6慢启动的可控硅移相触发稳压电路直流负电源原理框图它和慢启动的可控硅移相触发稳压电路直流正电源基本相同，只是在负取样电压后加了一级倒相器，它的作用是将负取样电压倒相转换成正电压，再送到比较及误差放大器与可调基准电压进行比较，其误差经放大器放大后送到A(B、C)移相控制电路进行稳压调整。
图7脉冲控制电路原理框图图8脉冲控制电路原理图图8结合图7阐述。AO、BO、CO(A、B、C)三相交流信号分别送到A相、B相、C相过零检测电路IC1B、IC2B、IC3B，经加法器D20、D26、D31，分频器IC7，T触发器IC6B，得到与三相供电有关的频率信号后，再分成两路分别送到延时电路IC8A、IC8B、IC9A、IC9B，正、负脉冲宽度调控电路IC11、IC13，经脉冲渐变展宽控制(慢启动控制)IC19B、IC10、IC15C、IC12，与门IC18A、IC18C，得到交替的正、负脉冲控制信号，后经推动级BT2、BT6、BT4、BT7，得到正、负驱动信号，输出到正、负脉冲开关控制器(图1、图2)，去控制正、负功率开关。在T触发器输出的两路中分别插入延时电路的目的，一方面是为了让正、负脉冲控制器脉冲产生的时间能处在电源可控硅关断期间或滤波电容充电之后，以达到储能式大功率脉冲发生器的效果，从而避免大功率脉冲对电网产生直接冲击、另一方面是为了给正、负脉冲之间留出足够的死区时间，避免造成正、负电源的功率开关管同时导通损坏功率开关。在正、负脉冲宽度调节环节中分别加入脉冲渐变慢展宽控制电路，它可以避免在启动和复位后重新开始工作时大脉冲电流的冲击。电路中利用与门IC18A和IC18C对正、负触发脉冲实施互锁，避免正、负触发脉冲同时出现，造成正、负电源直通损坏功率开关。
图9脉冲过载保护及脉冲渐变展宽控制原理图电路中BT1、IC1、IC2A、IC3C及其外围元件构成脉冲过载保护电路，BT2、JFET-N2、IC6及其外围元件构成锯齿波振荡器(其振荡频率与输入的控制脉冲频率一致)，JFET-N1、IC3C、IC4、D3、IC5、IC7及其外围元件构成渐变慢展开电路。启动电源和按复位按钮时，双稳态IC2A的Q端为低电平，IC3C截止不通，由JFET-N1和R10构成的恒流源开始对电容器C4充电，C4上电压慢慢线性增大，该电压经IC4跟随器输出并通过钳位二极管D3作用到比较器IC7的同相输入端，与IC7反相输入端的锯齿波进行比较，其结果是比较器输出的调宽脉冲逐渐展宽，直到C4电压上升到接近由脉冲宽度调节电位器P2设定的电压，钳位二极管D3不再导通后，输出脉冲宽度对应于设定值不再变化，脉冲电源投入正常运行。当发生脉冲电流过载时，从负载电流传感器或从功率开关IGBT(图1、图11)检测到超过脉冲电流设定值，比较器IC1输出变为高电平，该电平触发双稳态IC2A，双稳态IC2A的Q端变为高电平，并被锁定在高电平，使电子开关IC3C随即导通，电容器C4瞬间放电，电压跃降到零，输出脉冲迅速关闭，实现了保护功能。
图10 300Hz频率获得及分频原理图为了使输出工作脉冲能对应于三相电网，使电网能平衡供电，以及为了减小对电网的冲击，较好的办法是使输出工作脉冲与电网的频率有一定的同步关系。
本实用新型用三只小变压器分别将AO、BO、CO三相交流信号送到三个过零检测电路IC1、IC2、IC3(图8中IC1B、IC2B、IC3B)，获得三组100周/秒的过零脉冲，再将它们送到加法电路D7、D8、D9(图8中D20、D26、D31)相加，从而获得300周/秒的与电网频率有一定关系的同步脉冲。选取恰当的分频比n(如2-n分频，n为0、1、2)经SW、IC4(图8中SW-6、IC7)进行分频，电源输出的工作脉冲就能对应于三相电网。经分频后的脉冲送到T触发器(图8中IC6B)，在T触发器的两个输出端(Q、Q)获得互补的脉冲信号，这样就可以分两路产生与输出正、负脉冲对应的正、负开关控制脉冲。例如当取n＝0时，分频器输出为300周/秒的脉冲，经T触发器得到150周/秒占空比为二分之一的脉冲，这样经过后面电路处理，就可获得150周/秒的正、负双极性脉冲。正脉冲(或负脉冲)的产生序列与电网三相的对应关系见下表
由上表可见，选取恰当的分频比n(如2-n分频，n为0、1、2)，电源输出的工作脉冲就能对应三相电网，均匀的从三相电网轮流获得电能。
图11正、负脉冲开关控制器电路原理图。
该图的核心电路是IC2。驱动信号经电阻R2输入到IC2放大，放大后的信号去推动功率开关IGBT，同时经D1可检测到IGBT导通时的管压降，如压降超过内部过流保护电路的设定值，则过流保护电路动作，过载信号经IC3送至保护执行电路(图8 J15、BT5)。热继电器可监视IGBT发热情况，当温度过高时自动切断驱动信号，IGBT则停止工作。
本实用新型双极性大功率微弧氧化脉冲电源设置了保护及报警电路，可以确保长时间稳定可靠地运行。
按照使用者需要，本发明所述的双极性大功率脉冲电源可制成100KW或40KW等不同输出功率的电源。当输出功率为100KW时，所述脉冲电源的印刷电路板尺寸为51×31(CM)2，电源机柜外形尺寸为220×116×116(CM)3。
其性能指标为1.直流输出电压正电源为0至+800伏(连续可调)负电源为0至-300伏(连续可调)2.直流输出电流正电源最大为150安负电源最大为150安3.输出脉冲电压幅度正脉冲电压幅度0至+800伏(连续可调)负脉冲电压幅度0至-300伏(连续可调)4.输出最大脉冲电流1000安5.脉冲宽度0毫秒至3毫秒(连续可调)6.脉冲频率150、75、37.5、18.75周/秒应当强调指出，以上仅仅通过原理框图及原理图对本脉冲电源作了说明性的描述，对本领域的专业人员来说，会想到在本实用新型的精神范围内的各种修正和附加，只要不偏离本实用新型的目的所给出的特征，在实用新型的权利要求的等价形成的范围内的一切变化都应包含在本实用新型内。本实用新型的保护范围由下述的权利要求来确定。
权利要求1一种双极性大功率脉冲电源，其特征在于380伏三相交流电经电网滤波器滤波后分两路，分别送至正电源变压器初级，和负电源变压器初级；变压器次级输出再分别经电网滤波器送至三相可控整流桥；整流后再分别经滤波电感、滤波电容；与可控硅移相触发稳压电路连接，其输出为0-+800伏连续可调的直流正电压+V和0--300伏连续可调的直流负电压-V；所述的可控硅移相触发稳压电路的输出与正、负脉冲开关控制器及正负功率开关电路相连接，其输出端经电流传感器送到负载；在负载上获得脉冲幅度和宽度均连续可调的正负脉冲。
2根据权利要求1所述的双极性大功率脉冲电源，其特征在于输出的双极性大功率脉冲的波形是平顶方波，它有利于微弧氧化方法在金属表面生成优良的陶瓷层。
3根据权利要求1所述的双极性大功率脉冲电源，其特征在于可控整流的导通角在电源启动或按保护电路的复位按钮时采用慢起动方式，慢起动控制电路产生一线性上升的电压，这个电压信号的幅度低于比较及误差放大器IC1的输出信号的幅度时，箝位二极管D导通，移相控制电路IC7由这一线性上升的电压控制，实现可控硅触发脉冲逐渐展宽的慢启动过程，这个电压信号的幅度高于比较及误差放大器IC1的输出信号的幅度时，移相控制电路IC7由比较误差放大器控制，整个系统进入闭环稳压调控状态，完成慢启动过程。
4根据权利要求1所述的双极性大功率脉冲电源，其特征在于施加在负载上的双极性大功率脉冲是用三只小变压器分别将A、B、C三相交流信号送到三个过零检测电路，以获得三组100周/秒的过零脉冲，再将它们送到加法电路D7、D8、D9相加，从而获得300周/秒的与电网频率有一定关系的同步脉冲，选取恰当的分频比，如2-n分频，n为正整数，进行分频，电源输出的工作脉冲就能对应于三相电网，就能均匀的从三相电网轮流获得电能。以三相电网中各相轮流触发来获得双极性脉冲，从而确保电网的用电平衡。
5根据权利要求1所述的双极性大功率脉冲电源，其特征在于正、负功率开关的正、负脉冲开关控制的启动方式采用渐变慢展开和过载复位后也采用渐变慢展开的工作方式，对电网的冲击小。
6根据权利要求1所述的双极性大功率脉冲电源，其特征在于电路中采用串联在变压器次极的电流互感器取样，来限制电源总功率。
7根据权利要求1所述的双极性大功率脉冲电源，其特征在于利用串联在负载回路的电流传感器取样，来限制功率开关管脉冲电流的幅度值。
8根据权利要求1所述的双极性大功率脉冲电源，其特征在于利用热继电器作为温度开关，实现对功率开关IGBT的过热保护。
9根据权利要求1所述的双极性大功率脉冲电源，其特征在于对正负脉冲开关的控制脉冲互锁及设定死区时间，避免正、负脉冲开关的控制脉冲同时出现，造成正、负电源直通。
10根据权利要求1所述的双极性大功率脉冲电源，其特征在于所述的电源可一机多用，可以输出双极性大功率脉冲，也可以输出单极性大功率脉冲，还可以当作大功率直流电源。
专利摘要本实用新型公开了一种双极性大功率脉冲电源。它将380伏三相交流电经电网滤波器后分两路，分别送至正、负电源变压器初级；变压器次级输出再分别经电网滤波器送到三相可控整流桥，之后再经电感电容滤波；取样；经可控硅移相触发稳压电路控制，获得0－+800伏和0－－300伏直流电源；在正、负脉冲开关控制电路输出脉冲的作用下，经正、负功率开关斩波，获得脉冲幅度和宽度连续可调的正、负脉冲。本脉冲电源的优点是对电网基本没有冲击，没有干扰和没有污染，三相平衡，当用在微弧氧化处理金属表面时，能提供优质的陶瓷结构层。
文档编号H02M7/00GK2598252SQ0223782
公开日2004年1月7日 申请日期2002年6月10日 优先权日2002年6月10日
发明者陈如意, 来永春, 施修龄 申请人:来永春