基于MATLAB的微弧氧化電源仿真與分析

何飛　李宏戰(zhàn)　趙文　付有　喬江江　盧偉　張勇

摘 要：通過MATLAB中SimPowerSystems模型庫建立單脈沖電源模型，對主回路以及相應的保護電路進行模擬仿真，通過負載模型的建立分析IGBT和負載波形的變化。結果表明，利用MATLAB對微弧氧化電源進行仿真，能夠實現(xiàn)微弧氧化工藝要求，對電源的設計以及深入研究有著重要的參考價值。

關鍵詞：MATLAB；微弧氧化電源；波形；IGBT

中圖分類號：TG174.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0022-03

Abstract： The single pulse power supply model is established through the SimPowerSystems model library in MATLAB. The main circuit and the corresponding protection circuit are simulated. The changes of IGBT and load waveform are analyzed through the establishment of load model. The results show that the simulation of micro-arc oxidation power supply with MATLAB can meet the requirements of micro-arc oxidation process， which has important reference value for the design of power supply and in-depth research.

Keywords： MATLAB； micro-arc oxidation power supply； waveform； IGBT

引言

微弧氧化技術（MAO），又稱微等離子體氧化技術，是一種將Ti等閥金屬及合金放置于特制的電解液中，使其表面原位生長出氧化陶瓷膜的表面處理技術。其主要的電參數(shù)電壓、電流密度、脈沖頻率等是由微弧氧化電源所決定的[1-2]，通過Matlab中SimPowerSystems模型庫建立微弧氧化單相脈沖電源模型，結合特定電參數(shù)對主回路及保護電路進行仿真，從而可以有效減少電源設計前期投入，對電源的優(yōu)化有著重要的意義。

1 微弧氧化電源

微弧氧化電源主要包括變壓器、三相橋式整流電路、濾波電路和斬波電路等，其結構原理圖如圖1所示。

蘭州理工大學陳明在單極性脈沖方式下鎂合金微弧氧化實驗中，設定電參數(shù)：電壓210V、頻率667Hz、占空比30%，用Tektronix TDS3034記憶示波器記錄的負載電壓和電流波形[3]，如圖2所示。單脈沖電源的負載電壓在脈沖高電平階段成平緩直線，而在脈沖低電平階段成斜線方式下滑。同時，在脈沖高電平初期，電流有一個尖峰，并逐步下滑；在脈沖低電平階段初期，存在強烈的抖動，隨后趨于平穩(wěn)直到下一個脈沖階段。

2 微弧氧化主電路的分析與仿真

2.1 整流和濾波電路

通過人機界面輸入微弧氧化工藝所需的電壓或電流值，PLC將控制晶閘管控制電路給定整流電路中的晶閘管相應控制角，從而調節(jié)晶閘管輸出電壓值。由于微弧氧化電源的負載很小，即生成的電流很大，會導致整流后的電壓波動很大。為消除電壓波動，在三相全控整流橋與斬波電路之間接入濾波電路。

在SimPowerSystems模型庫選擇相應的元件， Constant給定晶閘管脈沖控制角為30°，Pulse Generator直接提供PWM脈沖寬度和延遲，負載電阻R選擇100Ω，濾波電容9400μF，搭建如圖3所示的仿真模型。

加入濾波電容元件前后，負載電流值仿真波形如圖4所示。波動加大的曲線為不加濾波電容的負載電流波形，含一定諧波。比較平滑的曲線為加入濾波電容后的負載電流波形，含諧波成分少。因此，選擇合適的濾波電容可以得到波形比較平緩的直流電壓。

2.2 晶閘管保護電路

智能晶閘管模塊的內部有過電流抑制功能，除此之外，可以在晶閘管模塊前串入快速熔斷器。快速熔斷器是針對晶閘管過流能力差的保護元件，熔斷時間小于0.02s，快速切斷短路電流，從而保護晶閘管不被損壞。

當晶閘管承受反向電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間很短，也會造成晶閘管損壞。過電壓分為內因過電壓和外因過電壓兩種。在晶閘管模塊兩端并聯(lián)阻容吸收電路，抑制晶閘管由導通到截止時產(chǎn)生的過電壓，有效避免晶閘管被擊穿。在變壓器和晶閘管模塊之間的每兩相上并聯(lián)金屬氧化物壓敏電阻，及時消除外因引起的過電壓。設置壓敏電阻耐壓1000V，電容0.33μF，電阻20Ω，建立仿真模型如圖5所示。

2.3 斬波及其保護電路

選擇絕緣柵雙極性晶體管（IGBT），其具有驅動功率小、開關速度快、通態(tài)壓降小且載流能力大等優(yōu)點，適合微弧氧化主電路。考慮到電網(wǎng)電壓和變壓器的瞬態(tài)尖峰、電壓波動、開關電流引起的尖峰等，選擇合適的IGBT參數(shù)可以延長電源的使用壽命。

IGBT兩端需承受較大的電壓和通過很大的電流，因此容易造成浪涌電壓和過電流現(xiàn)象，從而損壞IGBT。為防止對IGBT造成損壞，則需要對 IGBT 采取一定的保護[4]。IGBT保護電路主要分為過電壓保護和過電流保護。設置RCD緩沖電路并用壓敏電阻輔助保護，如圖6所示。當壓敏電阻兩端電壓高于額定值時，壓敏電阻就會迅速被擊穿而導通，起到了均值過電壓保護的作用。這里設置C1為2個1200V、4uF并聯(lián)，R1為5個500W、20Ω并聯(lián)，D為1200V、200A的快速恢復二極管。

3 負載電路仿真分析

在微弧氧化工藝工程中，由于R、R2、C2的數(shù)值和電解液、工件形狀以及工作狀態(tài)等有著密切關系，R表示電解液電阻等常量電阻和膜層電阻之和；C2表示電解槽形狀、電極位置等引起的常量無極性電容以及在微弧氧化過程中引起的有極性電容的等效；R2表示在微弧氧化過程中微區(qū)電弧放電通道的等效電阻，隨膜層狀態(tài)和加載電壓的改變而變化[5]。R2與C2并聯(lián)在R串聯(lián)作為負載電路模型，取參考值：R=4Ω，R2=80Ω，C2=24μF。

設定脈沖觸發(fā)器控制角為30°，得到負載和IGBT的電壓、電流波形仿真曲線，如圖7所示。

圖7（a）中虛線是IGBT兩端的電壓波形，實線是負載兩端的電壓波形；從圖中可以看出IGBT和負載的電壓之和為晶閘管輸出電壓。圖7（b）中虛線是IGBT兩端的電流波形，實線是負載兩端的電流波形，兩者的形狀比較相似，都有一個尖峰電流。

當IGBT關斷時，電源通過R、R2、C2組成的電路向IGBT保護電路進行充電，其兩端的電壓將不斷升高，而負載電壓不斷降低，兩者之和保持不變。在負載模型上的電容C2開始通過R再和R2并聯(lián)的電路進行放電，表現(xiàn)在電流以e為底的負指數(shù)函數(shù)衰減。

當IGBT導通時，其兩端電壓突變?yōu)?V，產(chǎn)生很大的電流瞬時值，接著電流以e為底的負指數(shù)函數(shù)衰減，這是由于IGBT保護電路中的電容C1通過電阻R1對IGBT放電導致的。在負載模型上，由于電壓發(fā)生躍變，開始通過R開始對電容C2進行充電，也產(chǎn)生很大的電流瞬時值。因此，IGBT和負載的電流瞬時值產(chǎn)生原理是不同的。

4 結束語

對比圖7中實線部分波形和圖2波形，發(fā)現(xiàn)實際波形和仿真波形具有高度的相似性，因此，通過SimPowerSystems模型庫建立微弧氧化電源模型是可行的。通過改變相應參數(shù)可以實現(xiàn)電源的全數(shù)字控制，為微弧氧化電源的設計和分析帶來方便。

參考文獻：

[1]Yerokhin A L，Nie X，Leyland A，et al.Plasma electrolysis for surface engineering[J].Surf Coat Technol，1999，122：73-93.

[2]趙玉峰.微弧氧化電流脈沖電源及其負載電氣特性的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.

[3]陳明.鎂合金微弧氧化微區(qū)電弧放電機理及電源特性的研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2010.

[4]田健，郭會軍，王華民，等.大功率IGBT瞬態(tài)保護研究[J].電力電子技術，2000（04）.

[5]王鵬.具有多種輸出方式的微弧氧化脈沖電源研制[D].蘭州：蘭州理工大學，2012.