用于等离子体电解氧化的非对称脉冲拓扑及表面处理方法与流程

本发明属于供电电源技术领域，具体涉及一种用于等离子体电解氧化的非对称脉冲拓扑，本发明还涉及采用上述拓扑进行表面处理的方法。

背景技术：
等离子体电解氧化又称微弧氧化，通过此技术为在合适的电解液中，待处理的轻合金(铝、镁、钛等合金)作为阳极，不锈钢作为阴极，然后施加合适的电场，从而产生复杂的化学、电化学、等离子体等反应过程，使得在金属表面原位生长出具有致密、耐磨、耐蚀、绝缘等优异性能的陶瓷氧化膜，从而达到表面防护的目的。此技术通过控制电参数和调节电解液的成分来控制氧化膜的结构和厚度。在实际的应用中，等离子体电解氧化所采用电场形式主要有直流、单向脉冲、双向脉冲等方式。而双向脉冲在单向正脉冲的基础上叠加了负向脉冲，负向脉冲的加入对促进陶瓷层性能提升有较大优势，可以吸引溶液中的阴离子，使其扩散到阳极附近，使得在正相电压时氧化反应更加充分，因此使膜层更加光滑、致密。因此逐渐在应用和研究中越来越多被采用。曾敏、王晓东等人发表于《焊接学报》2009年6期的《逆变式微弧氧化电源设备的研制》一文中提出了一种大功率逆变式微弧氧化电源，其使用两级逆变技术实现了双向脉冲，虽然只需要一套直流源，但其负向脉冲幅值与正向脉冲幅值相同，且幅值不可调节，过高的负向幅值不利于膜层生长。公开号为CN1523745，公开日为2004年8月25日，名称为《用于微弧 氧化的高频大功率多波形电源》的发明专利公开了一种用于微弧氧化的高频大功率多波形电源，其使用了4个功率开关管和两组直流源实现了双向不对称脉冲，虽实现了正向脉冲和负向脉冲的幅值不对称，但其使用两套直流源使得电源结构复杂、成本较高。本发明使用高频耦合电感构成的新型非对称脉冲拓扑解决了目前用于双向非对称脉冲的等离子体电解氧化电源中需要两套直流源的问题。发明了一种新型的双向非对称脉冲拓扑，其使用一套直流源输出了双向非对称脉冲，可以应用在等离子体电解氧化电源中。本发明还涉及采用上述拓扑进行表面处理的方法。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于等离子体电解氧化的非对称脉冲拓扑，解决了现有用于等离子体电解氧化电源体积大以及产生双向脉冲时需多路直流源的问题。本发明的另一目的是采用上述拓扑进行表面处理的方法。本发明所采用的技术方案是：用于等离子体电解氧化的非对称脉冲拓扑，包括直流源、由电感L1和电感L2组成的耦合电感、全控功率开关器件、隔离驱动器、控制器和等离子体电解氧化工作槽，直流源的正极连接电感L1的同名端，电感L1的异名端与电感L2的同名端连接，电感L2的异名端与等离子体电解氧化工作槽一端连接；等离子体电解氧化工作槽的另一端与全控功率开关器件的发射极连接，全控功率开关器件的发射极同时与直流源的负极连接，全控功率开关器件的集电极同时与电感L1的异名端、电感L2的同名端连接；全控功率开关器件上还连接有隔离驱动器，隔离驱动器的输入端连接在控制器的一个输出端上。本发明所采用的另一技术方案是，采用用于等离子体电解氧化的非对称脉冲拓扑进行表面处理的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：将加工工件与直流源的输出正极连接，浸入等离子体电解氧化工作槽的电解液中，等离子体电解氧化工作槽中的阴极与直流源的输出负极连接；步骤2：启动直流源，根据加工工件的工艺要求设定直流源的电压为0V～750V之间，电流在1A～10A之间，工作频率0～30kHz之间；通过控制器控制全控功率开关周期性导通和关断，导通时间在0～0.5T的范围内调节，T为一个完整的开关周期，当全控功率开关器件关断时，正向电压施加在加工工件上，此时加工工件上开始生长工艺要求的氧化膜；当全控功率开关导通时，加工工件上施加反向电压，此时的反向电压用来清洗加工工件上的杂质，提高镀膜质量，使氧化膜更加致密；步骤3：经过2分钟～60分钟的加工过程，关断直流源的输出，结束等离子体电解氧化的加工过程，取出加工工件，清洗表面溶液。本发明的特点还在于，其中的控制器选用模拟电路、单片机、DSP、FPGA中的一种或几种的组合。其中的全控功率开关器件选用绝缘栅双极晶体管或功率MOS管。其中的隔离驱动器型号选用2SD315AI或EXB841。本发明的有益效果是：本发明提供了一种用于等离子体电解氧化非对称脉冲拓扑，其输出脉冲的频率、脉冲占空比及脉冲幅值等电源参数连续可调，其可以应用在等离子体电解氧化电源中。拓扑工作时，全控功率开关器件周期性通断，通过改变 耦合电感在拓扑中的连接关系，使得负载上产生双向非对称脉冲。全控功率开关器件的导通和关断频率可以通过控制器在0-30kHz之间调节，每个周期内全控功率开关器件的导通时间可以在0-0.5T之间调节。通过改变直流源的输入幅值可以改变输出正向脉冲的幅值。负向脉冲幅值可以通过调节耦合电感中的电感L1和电感L2的电感量比值来进行调节，调节范围在20：1到4：1之间。本发明提供了一种用于等离子体电解氧化的表面处理方法，通过使用本发明中的不对称脉冲，在输出电压为正时，进行等离子体电解氧化的工艺过程，陶瓷层处于生长阶段；在输出电压为负时，陶瓷层生长间断，电源对工件表面进行清洗，熄灭在加工时产生的电弧，使工件表面陶瓷层粗糙程度降低，表面致密、光滑。附图说明图1是本发明用于等离子体电解氧化的非对称脉冲拓扑的电路示意图；图2是本发明用于等离子体电解氧化的非对称脉冲拓扑的输出电压波形示意图。图中，1.直流源，2.耦合电感，3.全控功率开关器件，4.隔离驱动器，5.控制器，6.等离子体电解氧化工作槽，7.加工工件。具体实施方式本发明用于等离子体电解氧化的非对称脉冲拓扑的结构如图1所示，它由一个直流源1、由电感L1和电感L2组成的耦合电感2、全控功率开关器件3、隔离驱动器4、控制器5和等离子体电解氧化工作槽6组成。直流源1的正极连接电感L1的同名端，电感L1的异名端与电感L2的同名端连接，电感L2的异名端与等离子体电解氧化工作槽6一端连接。等 离子体电解氧化工作槽6的另一端与全控功率开关器件3的发射极连接，全控功率开关器件3的发射极同时与直流源1的负极连接，全控功率开关器件3的集电极同时与电感L1的异名端、电感L2的同名端连接。隔离驱动器4的输入端连接控制器5的一个输出端上。本发明通过控制器5控制全控功率开关器件3的导通和关断。当全控功率开关器件3关断时，耦合的电感L1和电感L2正向串联，为负载提供一个稳定的电压或电流。全控功率开关器件3导通时，电感L1和电感L2通过磁芯耦合后等效为自耦变压器，在负载上产生一个负向的电压或电流。负载上的电压波形如图2所示，图中t1时间段内全控功率开关器件3导通，t2时间段内全控功率开关器件3关断，T为一个完整的开关周期。控制器5可以使用模拟电路、单片机、数字信号处理(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或其几种的组合，全控功率开关器件3可以使用绝缘栅双极晶体管或功率MOS管，隔离驱动器4可以使用型号为2SD315AI、EXB841等隔离驱动器或其他类似的适用于全控功率开关器件3的驱动器。本发明通过控制器5控制全控功率开关器件3的导通和关断。当全控功率开关器件3关断时，耦合的电感L1和电感L2正向串联，为负载提供一个稳定的电压或电流。全控功率开关器件3导通时，电感L1和电感L2通过磁芯耦合后等效为自耦变压器，在负载上产生一个负向的电压或电流。负载上的电压波形如图2所示，图中t1时间段内全控功率开关器件3导通，负载上的电压为+U1，t2时间段内全控功率开关器件3关断，负载上的电压为-U2，T为一个完整的开关周期。采用本发明用于等离子体电解氧化的非对称脉冲拓扑进行表面处理的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：将加工工件7与直流源1的输出正极连接，浸入等离子体电解氧化工作槽6的电解液中。等离子体电解氧化工作槽6中的阴极与直流源1的输出负极连接。具体连接方式见图1所示。步骤2：启动直流源1，根据加工工件的工艺要求设定直流源1的电压为0V～750V之间，电流在1A～10A之间，工作频率0～30kHz之间。通过控制器5控制全控功率开关3周期性导通和关断，其导通时间可以在0～0.5T的范围内调节，当全控功率开关器件3关断时，正向电压施加在加工工件7上，此时加工工件7上开始生长工艺要求的氧化膜。当全控功率开关3导通时，加工工件7上施加反向电压，此时的反向电压可以用来清洗加工工件7上的杂质，提高镀膜质量，使氧化膜更加致密。步骤3：经过2分钟～60分钟的加工过程，关断直流源1的输出，结束等离子体电解氧化的加工过程，取出加工工件7，清洗表面溶液。本发明提供了一种用于等离子体电解氧化非对称脉冲拓扑，通过改变耦合电感2在电路中的连接方式，解决了在等离子体电解氧化工艺中为了实现双向非对称脉冲时需要两组直流源的问题，降低了电源的体积，简化了电路设计，本发明的拓扑输出脉冲的频率、脉冲占空比及脉冲幅值等电源参数连续可调。本发明提供了一种用于等离子体电解氧化的表面处理方法，通过使用本发明中的不对称脉冲，在输出电压为正时，进行等离子体电解氧化的工艺过程，陶瓷层处于生长阶段；在输出电压为负时，陶瓷层生长间断，电源对工件表面进行清洗，熄灭在加工时产生的电弧，使工件表面陶瓷层粗糙程度降低，表面致密、光滑。