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一种电火花线切割脉冲电源的 电子负载及工作过程

阅读：440发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种电火花线切割脉冲电源的电子负载及工作过程专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种电火花线切割脉冲电源的电子负载，包括二极管双向阵列、检测电路、控制电路、保护电路、人机交互模块和驱动电路，其中二极管双向阵列包括第一二极管串联支路、第二二极管串联支路、第三二极管串联支路和第四二极管串联支路，所述第一二极管串联支路和第二二极管串联支路反并联形成第一并联支路，所述第三二极管串联支路和第四二极管串联支路反向并联形成第二并联支路，所述第一并联支路的一个连接点通过两个串联的MOSFET 开关管Q1、Q2或一个IGBT连接第二并联支路的一个连接点，所述第一并联支路和第一并联支路的另一个连接点构成电子负载的A、B端，分别连接电火花线切割脉冲电源的正负边。本发明可以在实验室中模拟工业上电火花线切割脉冲电源的间隙负载特性。，下面是一种电火花线切割脉冲电源的电子负载及工作过程专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种电火花线切割脉冲电源的电子负载，其特征在于，包括二极管双向阵列、检测电路、控制电路、保护电路、人机交互模块和驱动电路，其中二极管双向阵列包括第一二极管串联支路、第二二极管串联支路、第三二极管串联支路和第四二极管串联支路，所述第一二极管串联支路和第二二极管串联支路反向并联形成第一并联支路，所述第三二极管串联支路和第四二极管串联支路反向并联形成第二并联支路，所述第一并联支路的一个连接点通过两个串联的MOSFET 开关管Q1和Q2或一个IGBT开关管连接第二并联支路的一个连接点，所述第一并联支路的另一个连接点和第二并联支路的另一个连接点构成电子负载的A、B端，分别连接电火花线切割脉冲电源的正负边；所述人机交互模块设置电子负载的运行参数，传输给控制电路；所述控制电路产生多路PWM 信号，经过驱动电路滤波、放大后驱动二极管双向阵列中开关管通断，模拟对间隙的加工；所述检测电路采集二极管双向阵列流过的电流反馈给控制电路和保护电路；所述保护电路根据保护阈值进行限流保护。
2.根据权利要求1所述的电火花线切割脉冲电源电子负载，其特征在于，所述第一二极管串联支路、第二二极管串联支路、第三二极管串联支路和第四二极管串联支路的二极管个数相同，二极管数量与击穿维持电压有关。
3.根据权利要求1所述的电火花线切割脉冲电源电子负载，其特征在于，所述MOSFET开关管材料为Si、SiC或GaN。
4.根据权利要求1所述的电火花线切割脉冲电源电子负载，其特征在于，所述检测电路采用电流霍尔传感器。
5.根据权利要求1所述的电火花线切割脉冲电源电子负载，其特征在于，所述控制电路采用数字IC芯片。
6.根据权利要求1所述的电火花线切割脉冲电源电子负载，其特征在于，所述驱动电路采用IC驱动芯片。
7.根据权利要求1-6任一项所述电子负载的工作过程，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、加工开始之前，根据加工场合和间隙负载特性，通过人机交互模块设置电子负载的运行参数，控制二极管双向阵列切入相应的二极管个数，使得每路串联起来的二极管导通压降之和为要模拟的间隙负载的击穿维持电压；
步骤2、在正向引弧阶段，电子负载中的MOSFET开关管Q1和Q2都截止，此时二极管双向阵列关断，电子负载的阻值为无穷大，间隙负载两端电压不能击穿电子负载；
步骤3、间隙被正向击穿，进入间隙正向放电阶段，此时电子负载中的MOSFET开关管Q1开通，MOSFET开关管Q2截止，电流从电子负载的正极A端开始，经第二二极管串联支路到MOSFET开关管Q1，再通过MOSFET开关管Q2的漏源极间的并联二极管和第三二极管串联支路到达电子负载的负极B端，此时电子负载的阻值为流过二极管和MOSFET开关管的导通电阻，二极管的导通压降之和为间隙正向击穿后的击穿维持电压；
步骤4、在反向引弧阶段，电子负载中的MOSFET开关管Q1和Q2都截止，二极管双向阵列关断，电子负载的阻值理想情况下为无穷大，间隙负载两端电压不能击穿电子负载；
步骤5、间隙被反向击穿，进入间隙反向放电阶段，此时电子负载中的MOSFET开关管Q1截止，MOSFET开关管Q2导通，电流从电子负载的负极B端开始，经第四二极管串联支路到MOSFET开关管Q2，再通过MOSFET开关管Q1的漏源极间的并联二极管和第一二极管串联支路到达电子负载的正极A端，此时电子负载为流过二极管和MOSFET开关管的导通电阻，二极管的导通压降之和为间隙反向击穿后的击穿维持电压；
步骤6、重复步骤2-5，进行下一个加工周期。
8.根据权利要求7所述的电子负载的工作过程，其特征在于，在加工工程中，若发生间隙电流过流，达到在人机交互模块设置的电流软保护阈值，则触发控制电路启动软件保护，断开MOSFET开关管Q1和Q2，若电流阈值达到人机交互模块设置的电流硬保护阈值，则通过驱动电路直接启动硬件保护，断开MOSFET开关管Q1和Q2。

说明书全文

一种电火花线切割脉冲电源的电子负载及工作过程

技术领域

[0001] 本发明涉及高频脉冲电源，特别是涉及一种电火花线切割脉冲电源的电子负载及工作过程。

背景技术

[0002] 现代工业加工正在向高效率，高速度，高精度，智能化，绿色化发展，现有传统的机械加工已经很难满足现代工业的发展要求了。随着电力电子技术以及其半导体器件的发展，电火花线切割脉冲电源得到了很大的发展，它以其高效率，高精度，智能可控等优良的特性，在工业线切割加工领域具有着无可估量的应用潜力和适用性。

[0003] 相比与传统负载，电火花线切割脉冲电源所加工的负载又具有独特的负载特性，很多时候在实验室是不具备工厂里可加工的条件，缺少具有此脉冲电源的负载。

发明内容

[0004] 本发明所解决的技术问题在于提供一种电火花线切割脉冲电源的电子负载及工作过程，可以在实验室中模拟工业上电火花线切割脉冲电源的间隙负载特性。

[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种电火花线切割脉冲电源的电子负载，包括二极管双向阵列、检测电路、控制电路、保护电路、人机交互模块和驱动电路，其中二极管双向阵列包括第一二极管串联支路、第二二极管串联支路、第三二极管串联支路和第四二极管串联支路，所述第一二极管串联支路和第二二极管串联支路反并联形成第一并联支路，所述第三二极管串联支路和第四二极管串联支路反向并联形成第二并联支路，所述第一并联支路的一个连接点通过两个串联的MOSFET 开关管Q1、Q2或一个IGBT连接第二并联支路的一个连接点，所述第一并联支路和第一并联支路的另一个连接点构成电子负载的A、B端，分别连接电火花线切割脉冲电源的正负边；所述人机交互模块设置电子负载系统的运行参数，传输给控制模块；所述控制电路产生多路PWM 信号，经过驱动电路滤波、放大后驱动二极管双向阵列中开关管通断，完成对间隙的加工；所述检测电路采集二极管双向阵列流过的电流反馈给控制电路和保护电路；所述保护电路根据保护阈值进行限流保护。

[0006] 一种基于上述电子负载的工作过程，包括如下步骤：

[0007] 步骤1、加工开始之前，根据加工场合和间隙负载特性，通过人机交互模块设置电子负载系统的运行参数，控制二极管双向阵列切入相应的二极管个数，使得每路串联起来的二极管导通压降之和为要模拟的间隙负载的维持电压；

[0008] 步骤2、在正向引弧阶段，电子负载中的开关管Q1和Q2都截止，此时二极管双向阵列关断，电子负载的阻值为无穷大，间隙负载两端电压不能击穿电子负载；

[0009] 步骤3、间隙被正向击穿，进入间隙正向放电阶段，此时电子负载中的开关管Q1开通，开关管Q2截止，电流从电子负载的正极A端开始，经第二二极管串联支路到Q1，再通过Q2的漏源极间的并联二极管和第三二极管串联支路到达电子负载的负极B端，此时电子负载的阻值为流过二极管和开关管的导通电阻，二极管的导通压降之和为间隙正向击穿后的维持电压；

[0010] 步骤4、在反向引弧阶段，电子负载中的开关管Q1和Q2都截止，二极管双向阵列关断，电子负载的阻值理想情况下为无穷大，间隙负载两端电压不能击穿电子负载；

[0011] 步骤5、间隙被反向击穿，进入间隙反向放电阶段，此时电子负载中的开关管Q1截止，开关管Q2导通，电流从电子负载的负极B端开始，经第四二极管串联支路到二到Q2，再通过Q1的漏源极间的并联二极管和第一二极管串联支路到达电子负载的正极A端，此时电子负载为流过二极管和开关管的导通电阻，二极管的导通压降之和为间隙反向击穿后的维持电压；

[0012] 步骤6、重复步骤2-5，进行下一个加工周期。

[0013] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明电火花线切割脉冲电源的电子负载主电路采用二极管双向阵列来模拟间隙负载，通过切换串联二极管个数，可以调节所需负载的维持电压的大小；2)本发明的电火花线切割脉冲电源的电子负载采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，通过晶体管的导通和关断实现电子负载的不同工作状态，提高系统的响应速度和灵活性；3)本发明利用二极管的单向导通，再结合反并联，实现了电子负载的双极性；4)本发明利用串联二极管固定的导通压降模拟间隙击穿放电时的维持电压，加上二极管的导通电阻很小，大大减小了电子负载的损耗；5)本发明控制电路采用数字控制的方法(如FPGA、DSP等)，控制精度高、控制参数可调、控制算法灵活。附图说明

[0014] 图1为本发明电火花线切割脉冲电源的电子负载系统架构图。

[0015] 图2为本发明二极管双向阵列的拓扑图。

[0016] 图3为本发明电火花线切割脉冲电源的电子负载放电波形示意图。

[0017] 图4为本发明电流霍尔传感器的原理图。

[0018] 图5为本发明栅极驱动芯片的原理图。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明方案作进一步详细描述。

[0020] 如图1所示的电火花线切割脉冲电源的电子负载，包括二极管双向阵列、检测电路、控制电路、保护电路、人机交互模块和驱动电路，其中二极管双向阵列包括第一二极管串联支路、第二二极管串联支路、第三二极管串联支路和第四二极管串联支路，所述第一二极管串联支路和第二二极管串联支路反并联形成第一并联支路，所述第三二极管串联支路和第四二极管串联支路反向并联形成第二并联支路，所述第一并联支路的一个连接点通过两个串联的MOSFET开关管或一个IGBT连接第二并联支路的一个连接点，所述第一并联支路和第一并联支路的另一个连接点构成电子负载的A、B端，分别连接电火花线切割脉冲电源的正负边；所述人机交互模块设置电子负载系统的运行参数，传输给控制模块；所述控制电路产生多路PWM信号，经过驱动电路滤波、放大后驱动二极管双向阵列中开关管通断，完成对间隙的加工；所述检测电路采集二极管双向阵列流过的电流反馈给控制电路和保护电路；所述保护电路根据保护阈值进行限流保护，限流保护采用硬件保护和软件保护结合的模式，保证系统的安全可靠性。

[0021] 如图2所示，二极管双向阵列具体包括二极管D11、二极管D12…二极管D1n、二极管D21、二极管D22…二极管D2n、二极管D31、二极管D32…二极管D3n、二极管D41、二极管D42…二极管D4n、开关管Q1和Q2，上述器件共同组成二极管双向阵列包括四路，第一路包括二极管D11、D12…D1n；第二路包括二极管D21、D22…D2n；第三路包括二极管D31、D32…D3n；第四路包括二极管D41、D42…D4n；其中第一路中二极管串联，D11正极接到D12负极，D12正极接到D13负极…D1(n-1)正极接到D1n负极，同理，第三路中二极管串联，D31正极接到D32负极，D32正极接到D33负极…D3(n-1)正极接到D3n负极；第二路中二极管串联，D21负极接到D22正极，D22负极接到D23正极…D2(n-1)负极接到D2n正极，同理，第四路中二极管串联，D41负极接到D42正极，D42负极接到D43正极…D4(n-1)负极接到D4n正极。第一路和第二路反向并联，即为二极管D11负极接到D21正极，二极管D1n正极接到D2n负极；第三路和第四路反向并联，即为二极管D31负极接到D41正极，二极管D3n正极接到D4n负极。二极管D1n正极和D2n负极的连接点接到开关管Q1的漏极，开关管Q1的栅极接到Q2的栅极，Q2的漏极接到二极管D3n正极和D4n负极的连接点。二极管D11负极和D21正极的连接点是本电子负载的正极，称为A端，二极管D31负极和D41正极的连接点是本电子负载的负极，称为B端。

[0022] 二极管双向阵列中的开关管选用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，对于不同的功率要求，目前工业上有不同的额定电流，不同的额定电压，可以适用于各种不同功率领域的高速MOSFET。对于硅基MOSFET，还是对于由碳化硅、氮化镓半导体材料制成的新型宽禁带器件(宽禁带半导体材料被称为第三代半导体材料，其具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好的特点，适用于抗辐射、高频、大功率和高密度集成场合)，都可以适用。作为一种具体实施方式，这里选择IXYS公司的型号为IXFH160N15T2的N沟道MOSFET，其额定电流高达160A，额定电压150V，带宽高达1MHz。也可以根据实际的通流能力，耐压选择。作为一种具体实施方式，这里选择Infineon公司推出的型号为SIDC4260E6的二极管，正向压降为1.25V，最大的同流为100A,浪涌电流达到300A，反向耐压为600V。

[0023] 为了实现整个电子负载安全稳定可靠并且可控的工作状态，必须配有相适应的检测电路、保护电路、控制电路、人机交互模块和驱动电路，它们相互联合工作。作为一种具体实施方式，本发明检测电路采取已有的工业应用比较成熟的电流霍尔传感器来实现。作为一种更具体实施方式，这里选择Allegro公司推出的型号为ACS73KLATR-65AB-T的电流霍尔传感器，其可检测的电流最大可达到正负65A,带宽为1MHz,检测电流的灵敏度为20mV/A，线性度非常好，检测精度很高。此传感器自带限流保护功能，如图4为本传感器的应用原理图，FAULT管脚通过上拉电阻RPULLUP连接高电平，通过R1和R2设置此处过流保护的阈值，若此电流霍尔传感器检测出的电流超过这个阈值，FAULT管脚置为低电平，给驱动电路一个低电平有效的过流信号。配合驱动电路实现了硬件级的快速保护功能。

[0024] 作为一种具体实施方式，控制电路由数字控制组成，例如DSP或FPFA等数字IC芯片。接收由检测电路传输的信号，以及人机交互界面设置的指令，参数，通过运算，产生驱动信号，经过驱动电路的放大去控制二极管双向阵列中的开关管Q1和Q2的导通或关断。可通过人机交互界面向控制芯片发送指令，设置一个限流阈值，若过流，则由控制电路产生启动限流保护的信号给驱动电路，这里便是实现了电路的软件级保护。

[0025] 作为一种具体实施方式，如图5所示，驱动电路采取的IC驱动芯片构成。作为一种更具体实施方式，这里采用TEXAS INSTRUMENTS公司推出的型号为UCC21521的栅极驱动IC芯片，这是双通道，高速，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。

[0026] 下面以快走丝电火花线切割脉冲电源加工间隙负载过程为背景，用本电子负载来模拟间隙，将检测电路采集的二极管双向阵列电流和电压作为反馈量，根据实际所需间隙负载的需求，在人机交互界面设置切入二极管个数来模拟间隙击穿时的维持电压，控制两个开关管的导通和截止来实现电子负载的工作状态，实现双极性，其具体工作过程如下：

[0027] 步骤1、加工开始之前，根据加工场合和间隙负载特性，特别是维持电压大小，通过人机交互设置参数，使得电子负载中的二极管双向阵列切入相应的二极管个数，使得每路串联起来的二极管导通压降之和为要模拟的间隙负载的维持电压；

[0028] 步骤2、在快走丝电火花线切割脉冲电源向间隙负载施加正向电压阶段，称之为正向引弧阶段，此时电子负载中的开关管Q1和Q2都截止，二极管双向阵列关断，电子负载的阻值理想情况下为无穷大(间隙负载两端电压不能击穿电子负载)；

[0029] 步骤3、接着间隙被正向击穿，进入间隙正向放电阶段，此时电子负载中的开关管Q1开通，开关管Q2截止，在电子负载的二极管阵列中的电流流过途径为：从电子负载的正极A端开始，到二极管D21、二极管D22…二极管D2n,再到Q1，通过Q2的漏源极间的并联二极管，最后由二极管D31、二极管D32…二极管D3n到达电子负载的负极B端。此时电子负载的阻值很小，仅为流过二极管和开关管的导通电阻，二极管的导通压降之和便为间隙正向击穿后的维持电压。

[0030] 步骤4、在快走丝电火花线切割脉冲电源向间隙负载施加反向电压阶段，称之为反向引弧阶段，此时电子负载中的开关管Q1和Q2都截止，二极管双向阵列关断，电子负载的阻值理想情况下为无穷大(间隙负载两端电压不能击穿电子负载)；

[0031] 步骤5、接着间隙被反向击穿，进入间隙反向放电阶段，此时电子负载中的开关管Q1截止，开关管Q2导通，在电子负载的二极管阵列中的电流流过途径为：从电子负载的负极B端开始，到二极管D41、二极管D42…二极管D4n,再到Q2，通过Q1的漏源极间的并联二极管，最后由二极管D11、二极管D12…二极管D1n到达电子负载的正极A端。此时电子负载的阻值很小，仅为流过二极管和开关管的导通电阻，二极管的导通压降之和便为间隙反向击穿后的维持电压。

[0032] 步骤6、重复步骤2-5，进行下一个加工周期。

[0033] 在加工工程中，若发生间隙电流过流，达到在人机交互模块设置的电流软保护阈值，则触发控制电路，启动软件保护，断开开关管Q1和Q2，若电流非常大，已经超过了人机交互模块设置的电流硬保护阈值，则直接启动硬件保护，通过驱动电路断开开关管Q1和Q2。

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