阅读说明：本技术 一种基于Boost和RC电路的微细电火花脉冲电源 (Fine electric spark pulse power supply based on Boost and RC circuit ) 是由 杨飞 邵佳钰 汪志鹏 史顺飞 吴鹏程 覃德凡 王一娉 李宏良 方斌 于 2020-01-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于Boost和RC电路的微细电火花脉冲电源,其特征在于,包括主功率回路、驱动电路、辅助直流电压源、FPGA控制器,所述主功率回路包括升压充电电路和放电回路,其中升压充电电路采用Boost电路,用于调节辅助直流电压源提供的电压,给放电回路中充电；所述放电回路采用RC电路用于给间隙提供击穿电压和击穿后的放电能量；辅助直流电压源用于给主功率回路以及驱动电路供电；FPGA控制器用于根据给定的目标参数来输出PWM控制信号给驱动电路；驱动电路对PWM控制信号进行数字隔离和放大,产生驱动信号驱动主功率回路中开关管的导通和关断。本发明提高了充电电压的可控性和能量调节精度,提高了加工精度和加工质量。(The invention discloses a micro electric spark pulse power supply based on a Boost circuit and an RC (resistor-capacitor) circuit, which is characterized by comprising a main power loop, a driving circuit, an auxiliary direct-current voltage source and an FPGA (field programmable gate array) controller, wherein the main power loop comprises a Boost charging circuit and a discharging loop, and the Boost charging circuit adopts the Boost circuit and is used for adjusting the voltage provided by the auxiliary direct-current voltage source and charging the discharging loop; the discharge loop adopts an RC circuit to provide breakdown voltage and discharge energy after breakdown for the gap; the auxiliary direct-current voltage source is used for supplying power to the main power loop and the driving circuit; the FPGA controller is used for outputting a PWM control signal to the drive circuit according to a given target parameter; the driving circuit carries out digital isolation and amplification on the PWM control signal to generate a driving signal to drive the switch tube in the main power loop to be switched on and switched off. The invention improves the controllability and the energy regulation precision of the charging voltage and improves the processing precision and the processing quality.)

一种基于Boost和RC电路的微细电火花脉冲电源

技术领域

本发明涉及高频脉冲电源，特别是涉及一种基于Boost和RC电路的微细电火花脉冲电源。

背景技术

脉冲电源作为电火花加工机床的一个核心部分，脉冲电源的设计对加工表面的粗糙度、工具电极的损害程度、加工精度、加工效率以及电能利用率有重要影响。对加工精度的高要求意味着脉冲电源单次放电的能量要足够小，且能量可以微调，而目前市场上的微细电火花加工脉冲电源多采用张弛式拓扑结构，其单次放电能量小，适用于微细加工，但能量不可控，加工效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Boost和RC电路的微细电火花脉冲电源。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于Boost和RC电路的微细电火花脉冲电源，包括主功率回路、驱动电路、辅助直流电压源、FPGA控制器，所述主功率回路包括升压充电电路和放电回路，其中升压充电电路采用Boost电路，用于调节辅助直流电压源提供的电压，给放电回路中充电；所述放电回路采用RC电路用于给间隙提供击穿电压和击穿后的放电能量；辅助直流电压源用于给主功率回路以及驱动电路供电；FPGA控制器用于根据给定的目标参数来输出PWM控制信号给驱动电路；驱动电路对PWM控制信号进行数字隔离和放大，产生驱动信号驱动主功率回路中开关管的导通和关断。

所述升压充电电路包括第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第一电感L₁、输入电容C_in、第一二极管D₁，输出电容C_out，输入电容C_in并联于辅助直流电压源的正负两端，辅助直流电压源一段接地，另一端与第一电感L₁相接，第一电感L₁另一端与第一开关管Q₁相连，第一防逆流二极管D₁的阳极与第一电感L₁和第一开关管Q₁的连接点相接，阴极与第二开关管Q₂相接，第二开关管Q₂的另一端与输出电容C_out连接，电容C_out另一端接地。

所述放电回路包括第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、消电离开关管Q₅、充电电阻R_ch、充电电容C_ch、第二二极管D₂，充电电阻R_ch与Boost电路输出端相接，另一端与第三开关管Q₃连接，第三开关管Q₃的另一端与充电电容C_ch相接，充电电容C_ch的另一端接地，第四开关管Q₄和第三开关管Q₃与充电电容C_ch的连接点相连，另一端连接第二防逆流二极管D₂的阳极，二极管的阴极连接间隙，消电离开关管Q₅并联于间隙两端。

所述第一开关管Q₁、第二开关管Q₂选用infineon公司的型号为IPP60R74C6的N沟道型MOSFET。

所述第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、消电离开关管Q₅选用ONSemiconductor公司的型号为FCP165N65S3的N沟道MOSFET。

所述第一电感L₁选用Sunlord公司的型号为MPH201206S1R0MT。

所述二极管选用型号为FFP30S60S。

所述FPGA选取型号为EP4CE15F23C8.

一种基于Boost和RC电路的微细电火花脉冲电源的间隙加工方法，具体步骤如下：

步骤一：由FPGA控制器产生多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，驱动主功率回路的第一开关管导通，第四开关管导通，第二开关管关断，第三开关管关断，第五开关管关断，此时Boost电路中，直流电压向第一电感充电，Boost电路升压，同时RC电路放电，当间隙电压达到间隙击穿电压，间隙击穿放电；

步骤二：当Boost电路输出电压到达设定阈值后，切换至RC充电模态，由控制器FPGA产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，驱动主功率回路的第一开关管关断，第四开关管关断，第二开关管导通，第三开关管导通，第五开关管关断，此时RC充电回路导通，由Boost电路的输出电压给RC电路中的充电电容充电，当RC充电完成后，切换至Boost电路升压和RC电路放电模态；

步骤三：RC放电结束后，在进入下一个放电周期前对间隙进行消电离，控制器FPGA产生相应的PWM信号，经过驱动电路的放大后，驱动主功率回路的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管关断，第五开关管导通，使得间隙两端电压为零，进入消电离阶段，为下一周期的放电做准备；

步骤四：重复上述三步骤，实现加工周期的循环。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明微细电火花脉冲电源放电能量很小，且可以对能量进行微调，可控性强；2)本发明提出的Boost电路组合RC脉冲电源的电路拓扑中，RC充电回路以及放电回路中通过各放置一个开关管来实现能量可控，电路结构简单，相比传统拓扑，更易实现高频放电，提高系统的能量效率；3)本发明微细电火花脉冲电源在辅助直流电压源与RC之间增设Boost电路部分，不仅可以通过控制输出电压对能量进行微调，也在一定程度上降低了直流电压源的性能要求。

附图说明

图1为本发明一种基于Boost和RC电路的微细电火花脉冲电源的架构框图。

图2为本发明Boost电路的拓扑图。

图3为本发明RC电路的拓扑图。

图4为本发明驱动电路的原理图。

图5为本发明微细电火花精加工脉冲电源的放电波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步描述本发明方案。

如图1所示，一种基于Boost和RC电路的微细电火花脉冲电源包括主功率回路、驱动电路、辅助直流电压源、FPGA控制器，所述主功率回路包括升压充电电路和放电回路，其中升压充电电路采用Boost电路，用于调节辅助直流电压源提供的电压，给放电回路中充电；所述放电回路采用RC电路用于给间隙提供击穿电压和击穿后的放电能量；辅助直流电压源用于给主功率回路以及驱动电路供电；FPGA控制器用于根据给定的目标参数来输出PWM控制信号给驱动电路；驱动电路对PWM控制信号进行数字隔离和放大，产生驱动信号驱动主功率回路中开关管的导通和关断。

如图2所示，升压充电电路采用Boost电路，包含第一开关管Q₁，第二开关管Q₂，1个主功率电感第一电感L₁，1个输入稳压电容输入电容C_in、1个防逆流二极管第一二极管D₁，一个输出稳压电容输出电容C_out。通过占空比的调节，输出电压调节精度可以达到在1V。输入电容C_in并联于辅助直流电压源的正负两端，辅助直流电压源一段接地，另一端与第一电感L₁相接，第一电感L₁另一端与第一开关管Q₁相连，第一防逆流二极管D₁的阳极与第一电感L₁和第一开关管Q₁的连接点相接，阴极与第二开关管Q₂相接，第二开关管Q₂的另一端与输出电容C_out连接，电容C_out另一端接地，Boost电路的输出电容C_out与RC电路的输入端连接，通过控制Boost电路而对辅助直流电压源提供的电压进一步调节，给放电回路中的电容充电。通过改变Boost电路输出电压值，调节RC电路中在间隙击穿过程中释放的能量，又由于Boost电路可以对充电电容两端电压进行微小调节，满足对间隙能量等级进行微调的要求，提高了系统的可控性。

如图3所示，放电回路采用RC电路，包含第三开关管Q₃，第四开关管Q₄，1个充电电阻R_ch，一个充电电容C_ch，一个防逆流二极管第二二极管D₂，消电离开关管Q₅。充电电阻R_ch与Boost电路输出端相接，另一端与第三开关管Q₃连接，第三开关管Q₃的另一端与充电电容C_ch相接，充电电容C_ch的另一端接地，第四开关管Q₄和第三开关管Q₃与充电电容C_ch的连接点相连，另一端连接第二防逆流二极管D₂的阳极，二极管的阴极连接间隙，消电离开关管Q₅并联于间隙两端。通过开通RC充电回路上的第三开关管Q₃开通，对充电电容C_ch进行充电，充电结束后，第三开关管Q₃关断，第四开关管Q₄导通，当电极与工件之间电压达到击穿电压，间隙击穿并放电，实现对工件的融蚀；在间隙的两端还并联着消电离开关管Q₅，放电结束后，间隙电压被拉至0V，为间隙电流提供快速消电离通路。

主功率回路中，开关管Q₁、Q₂选用infineon公司的型号为IPP60R74C6的N沟道型MOSFET，其漏源极耐压V_DS高达600V，额定电流I_D为57.7A，工作频率高达1MHz，可以用在高频、高压、小电流的微细电火花加工中。开关管Q₃、Q₄、Q₅选用ONSemiconductor公司的型号为FCP165N65S3的N沟道MOSFET，其漏源极耐压V_DS高达650V，额定电流I_D为19A。第一电感选用Sunlord公司的型号为MPH201206S1R0MT，感值为1μH，二极管选用型号为FFP30S60S，反向耐压600V，正向连续导通电流30A。

功率回路中控制MOS管的通断的信号均由FPGA控制器产生。在本发明中FPGA选取型号为EP4CE15F23C8，为Altera公司CycloneIV系列的高速处理器，其时钟频率高达472MHz，配备两路高速、高精度AD转换芯片用于采样信号的输入。

如图4所示，对于驱动电路，本发明采用自带隔离的高低端驱动芯片，这里采用TexasInstruments公司推出的型号为UCC21521的栅极驱动IC芯片，接受FPGA的PWM输出信号，经驱动芯片放大，再去驱动功率回路中的开关管。它是双通道、高速、内部隔离、带有使能脚的栅极驱动芯片，带宽高达5MHz，隔离电压高到5.7kV，浪涌抗干扰电压为12.8kV。此驱动芯片可以同时产生高端和低端驱动，并且原、副边隔离，减小了主电路和控制电路之间的干扰。

本发明基于Boost和RC电路的微细电火花脉冲电源，采用Boost电路对充电电压进行微调，实现对能量等级的微细控制，提高加工的可控性和精度；Boost电路可以对充电电压抬升，因此无需辅助直流电压源的提供高压，对其电压要求宽松，控制灵活可靠；在RC型电路输出侧串联一个二极管，能够防止间隙电压震荡而发生电流反向，且RC电路结构简单，电容储能，无阻、高效节能。

图5是一个加工周期的间隙电压电流波形示意图，在一个开关周期中，一开始为引弧阶段，充电电容充电完成后，当间隙两端电压到达击穿电压时，间隙击穿发生，间隙电压迅速下降到维持电压，此时间隙电流也迅速上升，这个过程为间隙击穿放电，当间隙电流归0后，间隙放电过程结束，间隙进入消电离阶段。基于Boost和RC电路的微细电火花脉冲电源的工作过程，具体步骤如下：

步骤一：由控制器FPGA产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，驱动主功率回路的第一开关管导通，第四开关管导通，第二开关管关断，第三开关管关断，第五开关管关断。此时Boost电路中，直流电压向第一电感充电，Boost电路升压。在Boost升压阶段，RC电路的第三开关管关断，第四开关管导通，充电回路关断，放电回路导通，充电电容放电，RC电路中的放电过程在同时进行，当间隙电压达到间隙击穿电压，间隙击穿放电。充电时间由实际生产要求的输出电压值计算确定可得。第一电感充电时间结束，第一开关管关断，第二开关管导通，Boost电路向RC电路提供可以精确调节的正向输入电压，

步骤二：当Boost电路输出电压到达设定阈值后，切换至RC充电模态。由控制器FPGA产生对应的多路PWM信号，经过驱动电路的放大后，驱动主功率回路的第一开关管关断，第四开关管关断，第二开关管导通，第三开关管导通，第五开关管关断。RC充电回路导通，由Boost电路的输出电压给RC电路中的充电电容充电。通过控制RC电路中充电能量的大小，来调整间隙处释放的能量和工件表面加工的粗糙度。当RC充电完成后，切换至Boost电路升压和RC电路放电模态；

步骤三：RC放电结束后，在进入下一个放电周期前需要对间隙进行消电离，控制器FPGA产生相应的PWM信号，经过驱动电路的放大后，驱动主功率回路的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管关断，第五开关管导通，使得间隙两端电压为零，进入消电离阶段，为下一周期的放电做准备。

步骤四：重复上述三步骤，实现加工周期的循环。