微弧氧化特种电源

文章插图
微弧氧化特种电源【微弧氧化特种电源】微弧氧化特种电源是一种利用微弧氧化技术的特种电源。自1932年Betz等首次观察到电击穿的现象以来，许多研究者都对电击穿产生的原因过各种各样的假设和模型。总体上看，电击穿理论经历了离子电流机理、热作用机理、机械作用机理以及电子雪崩机理等不同的发展阶段。电源主要包含以下几个部分，三相整流电路、斩波调功电路、IGBT逆变电路、感测器採集电路、A/D转换电路、驱动接口电路、保护电路以及控制和键盘显示电路等。
基本介绍中文名：微弧氧化特种电源
外文名：Special power supply for micro-arc oxidation
学科：电力工程
领域：能源
核心技术：电击穿
类型：特种电源
简介由于微弧氧化是在阳极氧化膜被电击穿的基础上进行的，所以在探讨微弧氧化机理时我们要结合电击穿理论的研究和发展，从而阐述微弧氧化基本原理。微弧氧化技术就是在电击穿理论的基础上加以研究和套用的新型表面力一技术。自1932年Betz等首次观察到电击穿的现象以来，许多研究者都对电击穿产生的原因过各种各样的假设和模型。总体上看，电击穿理论经历了离子电流机理、热作用机理、机械作用机理以及电子雪崩机理等不同的发展阶段。了解电击穿原理，对于研究微弧氧化机理，开发新的表面处理技术均有着重要的理论意义。电击穿的理论假设阳极氧化电流由离子电流和电子电流共同组成，而其中离子电流是主要组成，其值远远大于电子电流。因此，很容易联想到电击穿是由于离子电流的作用产生的。但是，离子电流机理一直没有得到实验证实，成为最早被淘汰的理论假设。热作用机理是由Young等来的，理论认为，界面膜层存在一临界温度Tm，当膜层中的局部温度超过Tm时，便产生电击穿。温度的变化是山氧化过程中产生的焦尔热引起的，因此称之为热作用机理。实际研究结果表明，只有当电流密度超过一定的值(1 0mA/cn内时，刁可能因焦尔热作用导致局部温度发生显着的变化，从而引起电击穿。然而，热作用机理只能定性解释大电流密度时的电击穿现象，对某些在小电流密度时产生的电击穿现象无法解释，而且一直没有定量的模型，仍有一待进一步的发展和完善。Yahalom和Zahavi 了机械作用机理。他们认为，电击穿产生与否主要取决于氧化膜/电解液界面的性质，杂质离子的影响是次要的。氧化时，膜层厚度增加，造成膜层中压应力增大，于是产生裂纹，电流从裂纹处流过，而局部裂纹中流经的大电流密度将导致电击穿。此外，局部的大电流密度产生大量的焦耳热，促进膜层局部晶化，从而产生更多的裂纹或提高膜层的离子或电子导电性，有利于进一步产生电击穿。若存在杂质离子，则更容易产生电击穿。可惜的是，Yahalom和Zahavi也没有定量的理论模型，且不能完全解释其他研究者的实验现象。电击穿的三种理论模型Pearson 电子雪崩机理。他们在研究阀金属的电击穿现象时发现，电击穿的产生与氧化膜的性质以及电解液的组成密切相关，而与杂质离子或缺陷的存在与否关係不大，有点类似“雪崩型”电击穿的性质，即电子从溶液中注入氧化膜后，被电场加速，并与其它原子发生碰撞，电离出电子，这些电子以同样的方式促进更多的电子产生，这一过程即是“电子雪崩” 。电子电流随电子雪崩的增大而增大，从而引起氧化膜绝缘性能的破坏，溶液中的阴离子也有可能因高电场作用而被捕获进入氧化膜，引起电子雪崩，导致电击穿。Vijh也证实Al、Mg等阀金属氧化时一，电子雪崩机理比电子隧逍机理更能为析氧反应提供较低的活化能，从而为电子雪崩机理的提供了坚实的理论基础。有关电子雪崩导致电击穿的理论模型主要有三种，即Ikonopisov模型、连续雪崩模型和杂质中心放电模型。微弧氧化电源的影响近年来，微弧氧化的工艺研究主要集中在电流密度、电解液组成、电源模式、基材成分等工艺因素对氧化膜的厚度、结构与性能的影响方面。指出，电流密度对微弧氧化膜厚度有着决定性影响。在含有浓度6%水玻璃的电解液中，使用工业交流电源，对儿种不同铝合金，依零件的不同几何形状和尺寸，电流密度在1--50A / cm2範围内，经60次微弧氧化实验的结果表明，形成的氧化膜厚度与电流密度成线性关係。电流密度越大，膜越厚。最终获得了120m以上厚度的陶瓷氧化膜。但是，微弧氧化电流密度的选定还必须与其他工艺条件和性能要求相结合。这些工艺条件包括电解液组成和温度、基材成分、电源模式等。微弧氧化突破传统阳极氧化的限制，利用电极间施加很高的电压使浸在电解液中的电极表面发生微弧放电现象，电压的高低是影响微弧氧化的主要因素之一。实验表明，不同的溶液有不同的电压工作範围，如果电压过低，陶瓷层生长速度较小，陶瓷层较薄，颜色较浅，硬度也较低;工作电压过高，工件易出现烧蚀现象，生成的陶瓷层緻密性较差，厚度不钧匀。随着研究的进展人们发现脉冲电源可以改善膜的质量，许多研究单位发现利用正负向电压以及.亏空比可以调节的电源能够改善膜的微观结构。大功率脉冲电源的发展概况在开关模式功率电源中，往往採用磁性元件(如铁心电感、变压器等)、继电器、机械开关实现交直流侧滤波、能量存储和传输。这些磁性元件及机械开关在电源装置的体积、重量成本中占有很大比重。所以电源体积大、笨重、噪声大，而且开关器件工作频率很难提高。传统1WM变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关工作有四大缺陷，妨碍了开关件工作频率的提高。1 开通和关断损耗大。在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时一进行;关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加。2、感性关断问题。电路中难免存在感性元件(引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感，当开关器件关断时，由于通过元件的di/d 大，感应出很高的尖峰电压加在开关器件两端，易造成电压击穿。3、容性开通问题。当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该开关器件内，引起开关器件过热损坏。4、二极体反向恢复问题。二极体山导通变为截止时存在着反向恢复期，在此期间内，二极体仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关器件和二极体功耗急剧增加，重则致其损坏。抗诉问题阻碍了开关电源的发展。随着软开关技术和电力电子技术的进展，克服以上缺陷的有效办法就是採用软开关技术。最理想的软开通过程是电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零。另外，因器件开通前电压已下降到零，器件集电容上的电压亦为零，故解决了容性开通问题，这意味着二极体己经截止，其反向恢复过程结束，因此二极体反向恢复问题亦不复存在。最理想的软关断过程是电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以解决。由此可见，软开关技术可以解决硬开关PWM变换器开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题、二极体反向。电力电子技术和软开关技术促进了大功率电源的发展，但是大功率电源技术性能还有待进一步研究。1958年，美国通用电气公司研製了第一个工业用的普通晶闸管，大大的扩展了半导体器件功率控制的範围，从而使电能的变换和控制从旋转的变流机组、静止的离子变流器进入到以电力半导体器件构成的变流时代，它标誌着电力电子时代的到来。晶闸管属于半控型的器件，不能自关断，它属于第一代电力电子器件。由于电力电子器件具有体积小、功耗低、回响速度快等特点，所以自它诞生以来就获得了快速的发展。出现了小功率的可关断晶闸管(GTO)属于全控型器件，它和电力电晶体(GTR)、电子场电晶体(MOSFET )等，被称为第二代电力电子器件。20世纪80年代后期，出现了以绝缘栅极双极型电晶体(IGBT)为代表的複合型器件，它是用MOSFET驱动双极型电晶体，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通阻抗与一身，被认为是最有前途的第三代电力电子器件。同时数字控制技术也取得迅速发展，电力技术与控制技术的结合促进了电源的发展，相对于数字控制，模拟控制有以下缺点:1、模拟控制电路的元器件较多，电源体积较大。2、灵活性不够，一旦电路设计完成，控制策略就无法更改。3、最主要的是，电源不便于调试，参数不一致，由于所使用的器件各自的特性差异、参数不一致，致使各电源之间存在较大的特性差异，电源的一致性不好。比较之下採用微控制器、DSP处理器的电源，控制方便灵活。可以很方便利用改写系统软体而改变控制策略。同时电源精度高，大量的减少了控制器件，使电源体积大幅度减小。数字电路的稳定性好，所以这样也就增加了电源的稳定性和一致性。电源的基本结构从电源技术要求来看，要实现脉冲电源波形变换多、参数调节範围宽，必定使电路複杂化、造价提高、可靠性降低。所以适用、可靠_且经济性的电源结构是设计方案的基本出发点。现在国内的大部分脉冲电源都是採用两个相互独立的电源进行叠加而组成的，在两个电源之间加上切换装置、控制正负脉冲电流的截止和导通。但是，这样不但使电源结构複杂化，同时也增加了控制电路的负担，使电源成本增加。在考虑简化电源结构的基础上，採用複合功率转换电路的形式，即由前级向后级供电，由后级控制电流的设计方案。电源通过设定不同的占空比进行直流调压，从而得到预定的输出电压，然后，利用逆变电路实现波形控制。根据使用要求，该电源主要包含以下几个部分，三相整流电路、斩波调功电路、IGBT逆变电路、感测器採集电路、A/D转换电路、驱动接口电路、保护电路以及控制和键盘显示电路等。