袁炎成,王建業(yè),余艷青,懷華培,戴立強

(1.華南理工大學電子與信息學院,廣東廣州510641;2.海寧市新藝機電有限公司,浙江海寧314411)

近年來,隨著高頻窄脈沖電解加工(HSPECM)工藝的進一步開發(fā)與應用,證明了該項新技術(shù)能顯著提高電解加工的精度,有望在精密中小型和微細產(chǎn)品制造領(lǐng)域廣為應用。國外某公司已成功采用該技術(shù)加工剃須刀片上的超薄(0.10 mm)弧面及其上的微細小孔(0.20 mm)和弧形窄槽,還在其出口處加工出高銳度的剃削刃口[1]。精密HSPECM電源是實現(xiàn)該技術(shù)的核心設備,其電氣性能的穩(wěn)定性和可靠性是直接影響該技術(shù)能否真正用于生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。迄今為止,國內(nèi)外均未見商品化的適合電解加工特性且能直接用于生產(chǎn)的精密HSPECM電源。本課題組研制的精密400 A電源樣機已成功應用于剃須刀絲網(wǎng)型精密刀片的加工,實現(xiàn)了用微小間隙(＜0.05 mm)加工精密微細小孔及成形窄槽,精度可達±0.01 mm。經(jīng)過兩年的試生產(chǎn),產(chǎn)品質(zhì)量符合市場要求,其μ s量級的快速短路保護系統(tǒng),可避免加工過程中的意外短路燒傷零件、電極及電源設備。同時,在500 A、25 kHz的工程化樣機研制過程中,進行了一系列的試驗研究,找出了影響電源可靠性、穩(wěn)定性的因素和達到可靠、穩(wěn)定工作的技術(shù)途徑,較好地解決了此關(guān)鍵問題。目前,該工程化樣機已完成研制工作,將接受投產(chǎn)使用的考驗,并準備小量制造該電源提供給用戶。

1 500A、25 kHz工程化樣機的性能指標

頻率f、占空比D、電源電壓 U 和電流密度I是影響脈沖電流電解加工效果的主要參數(shù)。試驗研究表明,在一定范圍內(nèi),隨著頻率提高、脈寬變窄、占空比減小、加工電壓降低、電流密度增加,加工精度和表面質(zhì)量均有所提高。另外,矩形波的脈沖波形較其他類型的波形(如:三角波、正弦波等)更有利于加工精度與加工效率的提高[2],而雙向脈沖又比單向脈沖好。陡峭的脈沖前后沿和關(guān)斷時的短時反向電流,更有利于快速去極化、提高加工精度,并可縮短脈沖周期、提高加工效率[3]。

根據(jù)上述技術(shù)要求及用戶對加工對象的要求,本工程化樣機的制定實現(xiàn)了以下幾方面的性能指標:

(1)最大輸出電流:脈沖輸出為峰值500 A。

(2)最大輸出電壓:脈沖輸出24 V,且實現(xiàn)負載端穩(wěn)壓。

(3)輸出波形:雙向脈沖,正向為矩形波,最小的上升、下降沿分別為2μs。

(4)輸出波形頻率范圍:在滿負荷條件下,可由操作人員選擇在0.1～25 kHz內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

(5)輸出波形脈沖寬度:12 μ s～5 ms連續(xù)可調(diào)。占空比可調(diào)范圍為0.3～0.7,可供操作人員選擇適合加工需求的數(shù)值,且頻率、脈沖寬度、占空比3項中任意兩項均可由操作人員獨立調(diào)整。

(6)快速短路保護:檢測到負載短路時,功率器件輸出脈寬下降到10 μ s以內(nèi),加工電流平均值降至接近零,并自動切斷總電源及電極進給,確保正常工作條件下發(fā)生加工區(qū)短路時,不損壞功率器件,不燒傷電極與工件。

(7)連續(xù)工作時間:400 A規(guī)格的電源設備已投入現(xiàn)場加工達2年之久,電源參數(shù)穩(wěn)定、工作可靠,故障率極小,未曾發(fā)生因正常條件下加工區(qū)短路而導致功率器件或工具及零件燒傷的情況。500 A規(guī)格的工程化樣機在實驗室調(diào)試階段,最后達到連續(xù)工作2 h,電源設備的各項指標均穩(wěn)定。

2 電源設備的基本方案

電源方案的基本指導思想是兼顧快速性和可靠性二者之間的平衡。本電源采用多路并聯(lián)的MOSFET斬波裝置,將SCR調(diào)壓、穩(wěn)壓電源輸出的直流電流快速換流成高頻、窄脈沖的直流脈沖電流。采用MOSFET斬波是由于其快速性、頻響好且適合電解加工大電流、低電壓的特點。

各主要模塊見圖1,波形發(fā)生器回路采用方案成熟、性能穩(wěn)定的芯片及外圍組件構(gòu)成,提供頻率、占空比獨立可調(diào)的矩形波輸出信號。矩形波信號經(jīng)功率放大和MOSFET門極驅(qū)動及限流保護電路模塊后,控制功率器件的導通與關(guān)斷。

圖1 斬波裝置主回路及控制回路框圖

斬波裝置采用四路并聯(lián)的功率MOSFET組成,每一路的MOSFET分別由單獨的門極驅(qū)動模塊進行控制。由于主回路寄生電感和MOSFET極間分布電容的存在,MOSFET換流瞬間有較高的瞬時過壓、過流尖峰且伴隨著阻尼振蕩的存在,容易損傷MOSFET。因此,在每一路的功率MOSFET上,還需并聯(lián)緩沖器以作吸收瞬時過壓之用。

電源的快速短路保護功能由快速限流保護模塊及欠電壓短路保護模塊共同組成。前者是加工電極發(fā)生意外短路時免受燒傷的關(guān)鍵模塊,后者是限流保護啟動后使電源自動停電并使機床停止進給的保護系統(tǒng)。欠電壓保護電路從加工區(qū)域采樣獲取間隙電壓信號,作為反饋控制信號,經(jīng)整流、濾波、延時等一系列硬件電路的處理;當加工區(qū)發(fā)生短路時,欠電壓保護電路能迅速檢測出負載電壓下降并作出響應,在設定的時間內(nèi)切斷功率器件的驅(qū)動信號,實現(xiàn)了上述的保護功能。

3 若干關(guān)鍵技術(shù)措施和方案

3.1 電氣系統(tǒng)的布局、安裝及走線結(jié)構(gòu)要點

在弱電方面,為了避免電路模塊之間的相互干擾,對于各電路模塊的接地點進行了電氣隔離。同時,根據(jù)本電源響應的快速性要求,在弱電系統(tǒng)的多處引入響應時間短的高速光電耦合器電路,成功實現(xiàn)了隔離的目的。

當加工區(qū)出現(xiàn)意外短路時,主回路電流迅速加大,為了能快速、準確地傳導異常電流信號的變化情況,盡可能縮短了門極驅(qū)動及快速限流保護電路模塊與功率MOSFET的物理距離,減小因傳輸線路造成信號畸變和延時的幾率。另外,對于關(guān)鍵的信號傳輸線,采用了帶屏蔽絲網(wǎng)的線纜,并確保絲網(wǎng)可靠接地,以屏蔽掉外界的電磁干擾。

在強電方面,大功率半導體器件快速換流的開關(guān)過程,往往伴隨著高頻振蕩的出現(xiàn)。此時,主回路寄生參數(shù)所帶來的影響不可忽略,若線路布局或傳輸線結(jié)構(gòu)不夠合理,易使加工波形出現(xiàn)畸變以及在功率MOSFET上產(chǎn)生較大的瞬時過壓,不僅對加工表面精度會有不良影響,甚至可能毀壞功率器件。為了盡量減少主回路的寄生參數(shù),在布局上多處采用了“三明治”的走線結(jié)構(gòu),使回路所包圍的環(huán)路面積盡可能的小。

除了線路布局對于電源的加工波形畸變有著明顯的影響,主回路各部件之間的連接處理同樣重要。根據(jù)以往的實踐經(jīng)驗,元件之間的接觸面若處理不善,極可能在加工過程中導致功率器件的燒毀。如:與功率MOSFET的G、D、S極連接的電路板或傳輸導線的導電端面,其表面必須打磨光滑,并涂上導熱膏,使兩者的貼合面能充分接觸,避免在大電流快速換流的過程中,由于表面接觸不完全而產(chǎn)生跳火花現(xiàn)象,引起干擾以及加大其傳導熱阻。此外,還必須嚴格準確地控制夾緊力。

3.2 功率器件的選型

在功率器件選型方面,應注意器件的安全工作區(qū)及主要參數(shù)是否滿足加工要求。功率MOSFET具有開關(guān)速度快、工作電流大、導通電阻小、驅(qū)動功率小、并聯(lián)特性好等優(yōu)點,還適應中小功率、高頻窄脈沖電解加工電源低電壓的特點要求。它作為本電源設備的核心器件,其工作的穩(wěn)定性和可靠性將直接決定電源設備和加工產(chǎn)品的質(zhì)量好壞。

鑒于在大電流快速換流的應用場合,由于寄生電感引起的關(guān)斷瞬時過壓UDS、關(guān)斷瞬間的反向電流脈沖及MOSFET的散熱狀況,均有可能導致功率管受損甚至失效。因此,在為功率管選型時,一般較注重以下幾個參數(shù)的范圍:ID、IDM、U(BR)DSS、瞬時的 RTHJC值與TJ、SOA曲線。ID(或 ID25)表示功率管在理想的散熱條件下,殼溫為25℃時允許通過的最大連續(xù)電流值,IDM表示功率管在理想的散熱條件下,殼溫為25℃時允許通過的最大單脈沖電流值。試驗研究表明,MOSFET在開通瞬間會產(chǎn)生較大的正向浪涌尖峰電流,在關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生更大的反向浪涌尖峰電流和高頻振蕩,此時流經(jīng)MOSFET的電流值往往比正常工作電流要大得多。為了確保功率管不會因過大的浪涌尖峰電流而受損,除了采取相關(guān)技術(shù)措施盡量減小浪涌尖峰電流外,還必須選擇正、反向 IDM額定值較大的MOSFET。

U(BR)DSS為MOSFET的D、S之間的擊穿電壓值,在使用MOSFET過程中,其UDS絕對不允許超過該值,大電流功率MOSFET的 U(BR)DSS都達到100 V。由于線路布局及器件自身存在寄生電感量,在MOSFET關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生較高的 UDS電壓值。在主回路布局及緩沖器參數(shù)的選擇與布局上,經(jīng)反復試驗,確保了關(guān)斷瞬間的UDS峰值保持在50 V以內(nèi),保證了U(BR)DSS有一半的安全裕度。

半導體工藝的不斷發(fā)展,使功率MOSFET的導通電阻變得越來越小,相應的器件導通功耗也在不斷減小。TJ為MOSFET的內(nèi)部結(jié)溫,一般要求在150℃以內(nèi)。根據(jù)計算式有:

式中:RTHJC為固定參數(shù),但需考慮乘以系數(shù)Zthjc,才得到實際的內(nèi)部熱阻值。而Zthjc應與工作波形的占空比、脈寬及器件說明文檔中的Zthjc曲線圖聯(lián)系起來共同推導。這樣,便可通過管子消耗的功率PD、內(nèi)部熱阻 RTHJC及可測量的外殼溫度TC,來判斷 TJ是否處在安全范圍內(nèi)。

Save Operating Area(SOA),即安全工作區(qū)曲線 ,是由MOSFET 的額定 ID、U(BR)DSS、RDS(on)與波形正向脈寬共同確定的曲線圖。只要MOSFET的各項指標均落在該曲線圖范圍內(nèi),便可確保其不會受到損壞?？梢哉f,SOA曲線是關(guān)于MOSFET之前幾個指標安全性的綜合反映。

為了保證功率MOSFET在正常加工過程中及加工區(qū)電源設備具有高度的穩(wěn)定性和可靠性,500 A電源選用了新一代模塊式MOSFET,其主要性能參數(shù)的額定指標均高于前兩代電源所采用的具有同樣外形尺寸的模塊式MOSFET,額定平均電流 Id增加到原有的199%、反向峰值電流增加到原有的188%、脈沖前沿上升時間僅為原有的41%(155 nS)、導通電阻僅為原有的45%(2.5 mΩ),這就確保了500 A電源滿負荷工作時,其MOSFET的各項實際性能參數(shù)值較額定值都有較大的裕度,也是確保500 A電源工作穩(wěn)定可靠的重要保證。

3.3 核心電路模塊及快速短路保護系統(tǒng)

3.3.1 驅(qū)動電路模塊

具備快速限流保護功能的MOSFET專用驅(qū)動電路模塊,能有效防止加工過程意外短路導致的電極、工件及MOSFET的燒傷。

脈沖電解加工具有加工間隙極小、加工電流密度大的特性,故在加工期間,由于沖刷流場的不均勻或去極化不完全,導致殘余的微細金屬顆粒不能及時排出或工件陽極過鈍化陰極沉積而引發(fā)的電極意外短路偶有發(fā)生[2]。為保護工具電極不被燒傷,電源必須在短路發(fā)生數(shù)十μ s以內(nèi)快速截止脈沖電流。

本項目采用了專門為MOSFET配套的帶有檢測過流、快速限流功能的門極驅(qū)動模塊MGD,根據(jù)實踐經(jīng)驗的積累,不斷優(yōu)化其外圍電路的結(jié)構(gòu)與參數(shù),制作出適用于功率MOSFET的驅(qū)動/快速短路保護系統(tǒng)(圖2),并為主回路的每一并聯(lián)支路MOSFET均裝配該裝置。

圖2 MOSFET驅(qū)動及快速短路保護電路

驅(qū)動模塊輸出單向的矩形波脈沖信號驅(qū)動MOSFET的G、S極,在實際應用時,可改變MOSFET門極的RC控制回路的參數(shù)值來獲得不同斜率的驅(qū)動信號波形,從而改變主回路電流波形的斜率。由加工試驗可知,斜率越大,加工精度越高,但MOSFET的瞬時尖峰也會加大,如超過允許值,則會損壞MOSFET,故應取得二者的平衡。MOSFET的Ugs額定值普遍較低,約為 20 V。為了避免MOSFET的門極被瞬時的高電壓擊穿,在其 G、S極之間接上一對反串的TVS管進行鉗位。同時,應選用穩(wěn)壓值介于 Ugs實際工作電壓與額定值之間的TVS管。

驅(qū)動模塊還輸出快速限流保護信號,當該系統(tǒng)在任一支路實時采集到過流信號時,即可使MOSFET輸出電流脈寬快速地限制在10 μ s左右,同時使加工電流峰值大幅下降(圖3),500 A電源可下降到接近零。另外,在脈沖導通周期大幅下降的同時,脈沖的截止周期大幅增加,即意味著更小的發(fā)熱量和更好的散熱效果,大大降低了MOSFET的溫度,又加上熱阻極小的熱管散熱器,500 A電源連續(xù)滿負荷工作時,MOSFET的平衡殼溫僅為40℃左右,可靠地避免了MOSFET的過熱燒損。

圖3 加工負載短路時限流保護后的波形

3.3.2 RCD緩沖器

RCD緩沖器的使用減小了關(guān)斷時過大的Uds瞬時過壓尖峰,有效保護了功率器件免受過壓擊穿,并降低了MOSFET的關(guān)斷損耗;同時,經(jīng)優(yōu)化的緩沖器還減小了關(guān)斷時過大的反向電流尖峰,使之控制在允許范圍內(nèi),有效避免了功率器件因該原因而受到的損壞。

一般來說,MOSFET的漏源極擊穿電壓U(BR)DSS偏低,如不外加緩沖器等吸收裝置很易被過壓擊穿。由于UDS源自Ls·di/dt,為了確保對于加工電流波形的要求,在功率管關(guān)斷時要求有較大的di/dt,這就導致了較高的瞬時過壓 UDS;與此同時,在加工頻率較高時還會出現(xiàn)關(guān)斷時的阻尼振蕩,會導致功率管的開關(guān)損耗加大(圖4),即意味著發(fā)熱量的增大。此外,隨著電源總電流容量的增加,UDS相應加大,阻尼振蕩將更嚴重。

圖4 MOSFET關(guān)斷時的 ID(通道1)、UDS波形(通道2)

為了處理好功率管關(guān)斷時 UDS過高的瞬時尖峰導致的擊穿及反向瞬時過流過大導致的燒損問題,在功率管的D、S兩端安裝了組合RCD緩沖器,并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對元件的選型、參數(shù)的匹配和布局進行多次優(yōu)化,最終獲得了適合本電源設備的配置。經(jīng)長時間持續(xù)通電數(shù)據(jù)表明,該緩沖器在抑制功率管關(guān)斷時UDS瞬時過壓過大、Id反向瞬時過流過大(圖5)及阻尼振蕩和降低關(guān)斷損耗(如圖4所示,使電流、電壓不會同時達到峰值)等方面有顯著作用,UDS降低了約一半,反向瞬時過流也顯著減小到允許范圍以內(nèi),而阻尼振蕩也基本消除,在電流容量和散熱效果方面均達到理想的狀態(tài)。此外,對于元件自感值的嚴格控制,也是出于降低回路寄生電感的目的。

圖5 MOSFET關(guān)斷時的Id反向瞬時過流

3.3.3 加工負載區(qū)反并聯(lián)大容量續(xù)流管

試驗研究表明,在負載電流的快速換流關(guān)斷瞬間,脈間也會在極短時間(2～3 μ s)內(nèi)產(chǎn)生反向電流(圖6),從加工角度考慮,這有利于脈間快速去極化;工藝試驗還表明,反向電流隨加工電流的加大而加大。這些因素均有利于加工間隙的縮小,如前所述,400 A電源加工間隙可縮小到0.05 mm,加工間隙的縮小會導致加工精度的提高。但反向電流過大又會腐蝕工具電極,所以要在負載兩端反并聯(lián)若干支續(xù)流二極管,并安裝在相應的散熱器上。在功率器件關(guān)斷瞬間,反并聯(lián)的續(xù)流二極管為加工電流提供了泄放通路,由于反向電流的持續(xù)時間極短,對于續(xù)流管響應速度的要求也相應提高,故采用超快速、大功率的續(xù)流二極管。此外,反向電流流經(jīng)續(xù)流管的同時導致續(xù)流管發(fā)熱,因此,必須為續(xù)流管安裝符合要求的散熱器,并輔以其他冷卻手段,使續(xù)流管的溫度能在長期工作條件下保持在50℃的安全溫度內(nèi)。

圖6 電源關(guān)斷過程的反向電流波形圖

3.3.4 功率管的散熱設備

一般而言,功率管的損耗分為導通損耗與開關(guān)損耗兩部分。在大電流工作時,功率管的傳導損耗Pc所占比例較大,而在高頻條件下,功率管的開關(guān)損耗Ps又顯著加大。因而導致功率管發(fā)熱顯著加大,結(jié)溫顯著提高,增加了功率管的過流、過熱燒損的機率。

本項目與中科院熱能研究所合作研制的適合半導體功率元件冷卻的高熱流密度、高傳熱效率、低熱阻的新型熱管傳熱散熱系統(tǒng),能使MOSFET的工作溫度大幅降低。在同樣溫度下,安全工作電流顯著加大。當I為60 A時,用熱管散熱系統(tǒng)的MOSFET殼溫較用傳統(tǒng)的金屬翅片散熱器的殼溫降低了近1倍,而在殼溫同為60℃時,前者的安全工作電流加大了1/3以上。這就較好地解決了功率管過流過熱的燒損問題,還有利于加大電源的容量。試驗結(jié)果表明,本電源設備長時間滿負荷工作時,各支路MOSFET的殼溫基本保持在40℃以下,證明了該傳熱散熱系統(tǒng)能確保功率器件的有效散熱,并防止過熱燒損。

4 結(jié)論

(1)功率斬波元件是本電源設備實現(xiàn)大電流快速換流的關(guān)鍵元件,MOSFET的頻響、快速性居功率斬波元件之首,且適應電解加工大電流、低電壓的特點,是中小型精密電解加工脈沖電源的首選。選型時為確保電源的穩(wěn)定性和可靠性,其主要參數(shù)必須留有1/3以上的裕度。500 A電源選用了新一代的模塊式MOSFET,研制的實踐證明了其良好的穩(wěn)定性和可靠性。

(2)HSPECM的最大特長是可實現(xiàn)微小間隙加工,從而較大幅度地提高加工精度,但也帶來了短路幾率較大的問題。本電源μ s量級的限電流、欠電壓快速短路保護系統(tǒng)經(jīng)過兩年生產(chǎn)現(xiàn)場的考驗,證實了該方案可使零件和工具電極有效避免發(fā)生加工短路時的燒傷。

(3)大電流快速換流過程會有較大的過流、過壓的浪涌尖峰及阻尼振蕩,而MOSFET的過載能力較弱,因而必須嚴格控制過流、過壓不得超過允許值以防燒損或擊穿MOSFET。本電源采用了優(yōu)化的RCD緩沖器、低電感的超快速元器件、“三明治”結(jié)構(gòu)的導電排線及合理的線路布局,有效地抑制了各種尖峰電流、電壓,使其控制在允許的范圍內(nèi),并留有較大的裕度,有效防止了功率器件的損壞。

(4)本電源采用了專門研制的熱阻極小的熱管散熱器,較好地控制了MOSFET的管溫在允許范圍內(nèi),并留有較大的裕度,這也是確保MOSFET管不因過熱燒損的重要措施之一。

(5)電氣系統(tǒng)的布局還需兼顧電路的抗干擾性、寄生參數(shù)的影響及器件的導電接觸面處理、MOSFET管安裝定位的準確性、電源柜防潮防腐蝕等多方面的因素,以確保電源輸出波形及設備性能可靠穩(wěn)定。

在500 A精密HSPECM電源的工程化樣機研制過程中,采取了上述有效措施后,較好地解決了電源的穩(wěn)定性和可靠性問題。樣機經(jīng)過一定的生產(chǎn)使用考驗定型后,就可投入小批量制造,提供給用戶加工中小、微型精密零件使用。

[1] 王建業(yè),張永俊,余艷青,等.脈沖電解加工技術(shù)在精微加工領(lǐng)域中的新發(fā)展[J].中國機械工程,2007(1):114-119.

[2] 王建業(yè),徐家文.電解加工原理及應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.

[3] 王建業(yè),王曉燕.MOSFET高頻、窄脈沖電解加工新型電源試驗研究[J].航空制造技術(shù),2001(1):27-29.