何飞　李宏战　赵文　付有　乔江江　卢伟　张勇

摘 要：通过MATLAB中SimPowerSystems模型库建立单脉冲电源模型，对主回路以及相应的保护电路进行模拟仿真，通过负载模型的建立分析IGBT和负载波形的变化。结果表明，利用MATLAB对微弧氧化电源进行仿真，能够实现微弧氧化工艺要求，对电源的设计以及深入研究有着重要的参考价值。

关键词：MATLAB；微弧氧化电源；波形；IGBT

中图分类号：TG174.4 文献标志码：A 文章编号：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

微弧氧化技术（MAO），又称微等离子体氧化技术，是一种将Ti等阀金属及合金放置于特制的电解液中，使其表面原位生长出氧化陶瓷膜的表面处理技术。其主要的电参数电压、电流密度、脉冲频率等是由微弧氧化电源所决定的[1-2]，通过Matlab中SimPowerSystems模型库建立微弧氧化单相脉冲电源模型，结合特定电参数对主回路及保护电路进行仿真，从而可以有效减少电源设计前期投入，对电源的优化有着重要的意义。

1 微弧氧化电源

微弧氧化电源主要包括变压器、三相桥式整流电路、滤波电路和斩波电路等，其结构原理图如图1所示。

兰州理工大学陈明在单极性脉冲方式下镁合金微弧氧化实验中，设定电参数：电压210V、频率667Hz、占空比30%，用Tektronix TDS3034记忆示波器记录的负载电压和电流波形[3]，如图2所示。单脉冲电源的负载电压在脉冲高电平阶段成平缓直线，而在脉冲低电平阶段成斜线方式下滑。同时，在脉冲高电平初期，电流有一个尖峰，并逐步下滑；在脉冲低电平阶段初期，存在强烈的抖动，随后趋于平稳直到下一个脉冲阶段。

2 微弧氧化主电路的分析与仿真

2.1 整流和滤波电路

通过人机界面输入微弧氧化工艺所需的电压或电流值，PLC将控制晶闸管控制电路给定整流电路中的晶闸管相应控制角，从而调节晶闸管输出电压值。由于微弧氧化电源的负载很小，即生成的电流很大，会导致整流后的电压波动很大。为消除电压波动，在三相全控整流桥与斩波电路之间接入滤波电路。

在SimPowerSystems模型库选择相应的元件， Constant给定晶闸管脉冲控制角为30°，Pulse Generator直接提供PWM脉冲宽度和延迟，负载电阻R选择100Ω，滤波电容9400μF，搭建如图3所示的仿真模型。

加入滤波电容元件前后，负载电流值仿真波形如图4所示。波动加大的曲线为不加滤波电容的负载电流波形，含一定諧波。比较平滑的曲线为加入滤波电容后的负载电流波形，含谐波成分少。因此，选择合适的滤波电容可以得到波形比较平缓的直流电压。

2.2 晶闸管保护电路

智能晶闸管模块的内部有过电流抑制功能，除此之外，可以在晶闸管模块前串入快速熔断器。快速熔断器是针对晶闸管过流能力差的保护元件，熔断时间小于0.02s，快速切断短路电流，从而保护晶闸管不被损坏。

当晶闸管承受反向电压超过其反向击穿电压时，即使时间很短，也会造成晶闸管损坏。过电压分为内因过电压和外因过电压两种。在晶闸管模块两端并联阻容吸收电路，抑制晶闸管由导通到截止时产生的过电压，有效避免晶闸管被击穿。在变压器和晶闸管模块之间的每两相上并联金属氧化物压敏电阻，及时消除外因引起的过电压。设置压敏电阻耐压1000V，电容0.33μF，电阻20Ω，建立仿真模型如图5所示。

2.3 斩波及其保护电路

选择绝缘栅双极性晶体管（IGBT），其具有驱动功率小、开关速度快、通态压降小且载流能力大等优点，适合微弧氧化主电路。考虑到电网电压和变压器的瞬态尖峰、电压波动、开关电流引起的尖峰等，选择合适的IGBT参数可以延长电源的使用寿命。

IGBT两端需承受较大的电压和通过很大的电流，因此容易造成浪涌电压和过电流现象，从而损坏IGBT。为防止对IGBT造成损坏，则需要对 IGBT 采取一定的保护[4]。IGBT保护电路主要分为过电压保护和过电流保护。设置RCD缓冲电路并用压敏电阻辅助保护，如图6所示。当压敏电阻两端电压高于额定值时，压敏电阻就会迅速被击穿而导通，起到了均值过电压保护的作用。这里设置C1为2个1200V、4uF并联，R1为5个500W、20Ω并联，D为1200V、200A的快速恢复二极管。

3 负载电路仿真分析

在微弧氧化工艺工程中，由于R、R2、C2的数值和电解液、工件形状以及工作状态等有着密切关系，R表示电解液电阻等常量电阻和膜层电阻之和；C2表示电解槽形状、电极位置等引起的常量无极性电容以及在微弧氧化过程中引起的有极性电容的等效；R2表示在微弧氧化过程中微区电弧放电通道的等效电阻，随膜层状态和加载电压的改变而变化[5]。R2与C2并联在R串联作为负载电路模型，取参考值：R=4Ω，R2=80Ω，C2=24μF。

设定脉冲触发器控制角为30°，得到负载和IGBT的电压、电流波形仿真曲线，如图7所示。

图7（a）中虚线是IGBT两端的电压波形，实线是负载两端的电压波形；从图中可以看出IGBT和负载的电压之和为晶闸管输出电压。图7（b）中虚线是IGBT两端的电流波形，实线是负载两端的电流波形，两者的形状比较相似，都有一个尖峰电流。

當IGBT关断时，电源通过R、R2、C2组成的电路向IGBT保护电路进行充电，其两端的电压将不断升高，而负载电压不断降低，两者之和保持不变。在负载模型上的电容C2开始通过R再和R2并联的电路进行放电，表现在电流以e为底的负指数函数衰减。

当IGBT导通时，其两端电压突变为0V，产生很大的电流瞬时值，接着电流以e为底的负指数函数衰减，这是由于IGBT保护电路中的电容C1通过电阻R1对IGBT放电导致的。在负载模型上，由于电压发生跃变，开始通过R开始对电容C2进行充电，也产生很大的电流瞬时值。因此，IGBT和负载的电流瞬时值产生原理是不同的。

4 结束语

对比图7中实线部分波形和图2波形，发现实际波形和仿真波形具有高度的相似性，因此，通过SimPowerSystems模型库建立微弧氧化电源模型是可行的。通过改变相应参数可以实现电源的全数字控制，为微弧氧化电源的设计和分析带来方便。

参考文献：

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

[2]赵玉峰.微弧氧化电流脉冲电源及其负载电气特性的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[3]陈明.镁合金微弧氧化微区电弧放电机理及电源特性的研究[D].兰州：兰州理工大学，2010.

[4]田健，郭会军，王华民，等.大功率IGBT瞬态保护研究[J].电力电子技术，2000（04）.

[5]王鹏.具有多种输出方式的微弧氧化脉冲电源研制[D].兰州：兰州理工大学，2012.