[发明专利]基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源

权利要求书

1.基于线性非线性控制的交错并联磁集成电火花脉冲电源，其特征在于，包括直流输入电源、脉冲电源主电路、间隙电压检测电路、间隙电流检测电路、驱动电路、FPGA控制器，直流输入电源用于给脉冲电源主电路供电；脉冲电源主电路用于提供放电能量；电压检测电路和电流检测电路用于对间隙电压和间隙放电电流进行采样，得到电压和电流采样信号；FPGA控制器根据电压和电流采样信号产生多路PWM信号；驱动电路用于对PWM信号进行滤波、放大，控制脉冲电源主电路中开关管的导通和关断；

所述脉冲电源主电路包括第一开关管(Q₁)、第二开关管(Q₂)、第三开关管(Q₃)、第四开关管(Q₄)、第五开关管(Q₅)、第六开关管(Q₆)、第七开关管(Q₇)、第八开关管(Q₈)、第一电感(L₁)、第二电感(L₂)、第三电感(L₃)、第四电感(L₄)、第一电容(C_p1)、第一输出二极管(D₁)、第二输出二极管(D₂)、第三输出二极管(D₃)、第四输出二极管(D₄)，其中第一开关管(Q₁)、第二开关管(Q₂)、第一电感(L₁)、第一输出二极管(D₁)组成第一路同步整流Buck电路；第三开关管(Q₃)、第四开关管(Q₄)、第二电感(L₂)、第二输出二极管(D₂)组成第二路同步整流Buck电路；第五开关管(Q₅)、第六开关管(Q₆)、第三电感(L₃)、第三输出二极管(D₃)组成第三路同步整流Buck电路；第七开关管(Q₇)、第八开关管(Q₈)、第四电感(L₄)、第四输出二极管(D₄)组成第四路同步整流Buck电路；四路同步整流Buck电路的上管的一端连接到输入直流电源的正极，另一端和电感串联；四路同步整流Buck电路的下管的一端连接到电感与上管之间的串联点，另一端接到直流输入电源的负极，即为接地；四路同步整流Buck电路的输出二极管的正极连接电感的另一端，负极连接间隙的正极；每个电感一端接在上下管的公共点，另一端连接到输出二极管的正极，其中第一电感(L₁)和第二电感(L₂)反向耦合，第三电感(L₃)和第四电感(L₄)反向耦合；第一电容(C_p1)和直流输入电源并联连接；

所述电火花脉冲电源的工作方法，包括如下步骤：

步骤一：在击穿延时阶段，FPGA控制器产生PWM信号，控制第一开关管(Q₁)导通，其余开关管关断，此时由第一开关管(Q₁)、第二开关管(Q₂)构成单路同步整流Buck电路向间隙提供正向输入电压，以便间隙能够击穿，形成放电通道；

步骤二：当间隙击穿后，形成放电通道，进入间隙放电阶段，此时间隙采样电压低于阈值电压上限(V_H)，FPGA控制器产生饱和占空比的PWM信号去控制第一开关管(Q₁)、第三开关管(Q₃)、第五开关管(Q₅)、第七开关管(Q₇)开通；第二开关管(Q₂)、第四开关管(Q₄)、第六开关管(Q₆)、第八开关管(Q₈)关断，即非线性控制，此时第一至第四电感处于耦合状态，等效电感最小，间隙电流迅速上升；

步骤三：当放电电流达到电流设定值(I_{d_peak})时，FPGA控制器根据稳态运行时间隙采样电流与电流设定值(I_{d_peak})的误差信号输出多路PWM信号控制四路同步整流Buck电路交错工作，四路驱动信号之间的相移时间相等，总的相移时间相加等于开关周期，在加工过程中，如果出现短路或者电弧放电不正常放电现象，此时间隙采样电压低于电压阈值下限(V_L)，FPGA控制器产生饱和占空比的PWM信号去控制第一开关管(Q₁)、第二开关管(Q₂)、第三开关管(Q₃)、第四开关管(Q₄)、第五开关管(Q₅)、第六开关管(Q₆)、第七开关管(Q₇)、第八开关管(Q₈)关断，放电电流迅速下降，将不正常放电对脉冲电源的危害降到最低；

步骤四：当放电持续时间(t_s)达到时间设定值(t_L)时，FPGA控制器产生饱和占空比的PWM信号控制第二开关管(Q₂)、第四开关管(Q₄)、第六开关管(Q₆)、第八开关管(Q₈)开通；第一开关管(Q₁)、第三开关管(Q₃)、第五开关管(Q₅)、第七开关管(Q₇)关断，即非线性控制此时进入放电拖尾阶段；

步骤五：在间隙电流降到零之后，FPGA控制器控制所有的开关管关断，进入电路消电离阶段，为下一周期的放电做准备；

步骤六：重复步骤一至五，实现加工周期的循环。