微弧氧化特種電源

微弧氧化特種電源是一種利用微弧氧化技術的特種電源。自1932年Betz等首次觀察到電擊穿的現象以來，許多研究者都對電擊穿產生的原因 過各種各樣的假設和模型。總體上看，電擊穿理論經歷了離子電流機理、熱作用機理、機械作用機理以及電子雪崩機理等不同的發展階段。電源主要包含以下幾個部分，三相整流電路、斬波調功電路、IGBT逆變電路、感測器採集電路、A/D轉換電路、驅動接口電路、保護電路以及控制和鍵盤顯示電路等。

基本介紹

• 中文名：微弧氧化特種電源
• 外文名：Special power supply for micro-arc oxidation
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 核心技術：電擊穿
• 類型：特種電源

簡介

由於微弧氧化是在陽極氧化膜被電擊穿的基礎上進行的，所以在探討微弧氧化機理時我們要結合電擊穿理論的研究和發展，從而闡述微弧氧化基本原理。微弧氧化技術就是在電擊穿理論的基礎上加以研究和套用的新型表面力一技術。自1932年Betz等首次觀察到電擊穿的現象以來，許多研究者都對電擊穿產生的原因 過各種各樣的假設和模型。總體上看，電擊穿理論經歷了離子電流機理、熱作用機理、機械作用機理以及電子雪崩機理等不同的發展階段。了解電擊穿原理，對於研究微弧氧化機理，開發新的表面處理技術均有著重要的理論意義。

電擊穿的理論假設

陽極氧化電流由離子電流和電子電流共同組成，而其中離子電流是主要組成，其值遠遠大於電子電流。因此，很容易聯想到電擊穿是由於離子電流的作用產生的。但是，離子電流機理一直沒有得到實驗證實，成為最早被淘汰的理論假設。熱作用機理是由Young等 來的，理論認為，界面膜層存在一臨界溫度Tm，當膜層中的局部溫度超過Tm時，便產生電擊穿。溫度的變化是山氧化過程中產生的焦爾熱引起的，因此稱之為熱作用機理。實際研究結果表明，只有當電流密度超過一定的值(1 0mA/cn內時，刁可能因焦爾熱作用導致局部溫度發生顯著的變化，從而引起電擊穿。然而，熱作用機理只能定性解釋大電流密度時的電擊穿現象，對某些在小電流密度時產生的電擊穿現象無法解釋，而且一直沒有 定量的模型，仍有一待進一步的發展和完善。Yahalom和Zahavi 了機械作用機理。他們認為，電擊穿產生與否主要取決於氧化膜/電解液界面的性質，雜質離子的影響是次要的。氧化時，膜層厚度增加，造成膜層中壓應力增大，於是產生裂紋，電流從裂紋處流過，而局部裂紋中流經的大電流密度將導致電擊穿。此外，局部的大電流密度產生大量的焦耳熱，促進膜層局部晶化，從而產生更多的裂紋或提高膜層的離子或電子導電性，有利於進一步產生電擊穿。若存在雜質離子，則更容易產生電擊穿。可惜的是，Yahalom和Zahavi也沒有 定量的理論模型，且不能完全解釋其他研究者的實驗現象。

電擊穿的三種理論模型

Pearson 電子雪崩機理。他們在研究閥金屬的電擊穿現象時發現，電擊穿的產生與氧化膜的性質以及電解液的組成密切相關，而與雜質離子或缺陷的存在與否關係不大，有點類似“雪崩型”電擊穿的性質，即電子從溶液中注入氧化膜後，被電場加速，並與其它原子發生碰撞，電離出電子，這些電子以同樣的方式促進更多的電子產生，這一過程即是“電子雪崩”。電子電流隨電子雪崩的增大而增大，從而引起氧化膜絕緣性能的破壞，溶液中的陰離子也有可能因高電場作用而被捕獲進入氧化膜，引起電子雪崩，導致電擊穿。Vijh也證實Al、Mg等閥金屬氧化時一，電子雪崩機理比電子隧逍機理更能為析氧反應提供較低的活化能，從而為電子雪崩機理的提供了堅實的理論基礎。有關電子雪崩導致電擊穿的理論模型主要有三種，即Ikonopisov模型、連續雪崩模型和雜質中心放電模型。

微弧氧化電源的影響

近年來，微弧氧化的工藝研究主要集中在電流密度、電解液組成、電源模式、基材成分等工藝因素對氧化膜的厚度、結構與性能的影響方面。 指出，電流密度對微弧氧化膜厚度有著決定性影響。在含有濃度6%水玻璃的電解液中，使用工業交流電源，對兒種不同鋁合金，依零件的不同幾何形狀和尺寸，電流密度在1--50A / cm2範圍內，經60次微弧氧化實驗的結果表明，形成的氧化膜厚度與電流密度成線性關係。電流密度越大，膜越厚。最終獲得了120m以上厚度的陶瓷氧化膜。但是，微弧氧化電流密度的選定還必須與其他工藝條件和性能要求相結合。這些工藝條件包括電解液組成和溫度、基材成分、電源模式等。微弧氧化突破傳統陽極氧化的限制，利用電極間施加很高的電壓使浸在電解液中的電極表面發生微弧放電現象，電壓的高低是影響微弧氧化的主要因素之一。實驗表明，不同的溶液有不同的電壓工作範圍，如果電壓過低，陶瓷層生長速度較小，陶瓷層較薄，顏色較淺，硬度也較低;工作電壓過高，工件易出現燒蝕現象，生成的陶瓷層緻密性較差，厚度不鈞勻。隨著研究的進展人們發現脈衝電源可以改善膜的質量，許多研究單位發現利用正負向電壓以及.虧空比可以調節的電源能夠改善膜的微觀結構。

大功率脈衝電源的發展概況

在開關模式功率電源中，往往採用磁性元件(如鐵心電感、變壓器等)、繼電器、機械開關實現交直流側濾波、能量存儲和傳輸。這些磁性元件及機械開關在電源裝置的體積、重量成本中占有很大比重。所以電源體積大、笨重、噪聲大，而且開關器件工作頻率很難提高。傳統1WM變換器中的開關器件工作在硬開關狀態，硬開關工作有四大缺陷，妨礙了開關件工作頻率的提高。

1 開通和關斷損耗大。在開通時，開關器件的電流上升和電壓下降同時一進行;關斷時，電壓上升和電流下降同時進行。電壓、電流波形的交疊致使器件的開通損耗和關斷損耗隨開關頻率的提高而增加。

2、感性關斷問題。電路中難免存在感性元件(引線電感、變壓器漏感等寄生電感或實體電感，當開關器件關斷時，由於通過元件的di/d 大，感應出很高的尖峰電壓加在開關器件兩端，易造成電壓擊穿。

3、容性開通問題。當開關器件在很高的電壓下開通時，儲藏在開關器件結電容中的能量將全部耗散在該開關器件內，引起開關器件過熱損壞。

4、二極體反向恢復問題。二極體山導通變為截止時存在著反向恢復期，在此期間內，二極體仍處於導通狀態，若立即開通與其串聯的開關器件，容易造成直流電源瞬間短路，產生很大的衝擊電流，輕則引起該開關器件和二極體功耗急劇增加，重則致其損壞。抗訴問題阻礙了開關電源的發展。

隨著軟開關技術和電力電子技術的進展，克服以上缺陷的有效辦法就是採用軟開關技術。最理想的軟開通過程是電壓先下降到零後，電流再緩慢上升到通態值，所以開通損耗近似為零。另外，因器件開通前電壓已下降到零，器件集電容上的電壓亦為零，故解決了容性開通問題，這意味著二極體己經截止，其反向恢復過程結束，因此二極體反向恢復問題亦不復存在。最理想的軟關斷過程是電流先下降到零，電壓再緩慢上升到斷態值，所以關斷損耗近似為零。由於器件關斷前電流已下降到零，即線路電感中電流亦為零，所以感性關斷問題得以解決。由此可見，軟開關技術可以解決硬開關PWM變換器開關損耗問題、容性開通問題、感性關斷問題、二極體反向。電力電子技術和軟開關技術促進了大功率電源的發展，但是大功率電源技術性能還有待進一步研究。

1958年，美國通用電氣公司研製了第一個工業用的普通晶閘管，大大的擴展了半導體器件功率控制的範圍，從而使電能的變換和控制從旋轉的變流機組、靜止的離子變流器進入到以電力半導體器件構成的變流時代，它標誌著電力電子時代的到來。晶閘管屬於半控型的器件，不能自關斷，它屬於第一代電力電子器件。由於電力電子器件具有體積小、功耗低、回響速度快等特點，所以自它誕生以來就獲得了快速的發展。出現了小功率的可關斷晶閘管(GTO)屬於全控型器件，它和電力電晶體(GTR)、電子場電晶體(MOSFET )等，被稱為第二代電力電子器件。20世紀80年代後期，出現了以絕緣柵極雙極型電晶體(IGBT)為代表的複合型器件，它是用MOSFET驅動雙極型電晶體，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通阻抗與一身，被認為是最有前途的第三代電力電子器件。同時數字控制技術也取得迅速發展，電力技術與控制技術的結合促進了電源的發展，相對於數字控制，模擬控制有以下缺點:

1、模擬控制電路的元器件較多，電源體積較大。

2、靈活性不夠，一旦電路設計完成，控制策略就無法更改。

3、最主要的是，電源不便於調試，參數不一致，由於所使用的器件各自的特性差異、參數不一致，致使各電源之間存在較大的特性差異，電源的一致性不好。比較之下採用微控制器、DSP處理器的電源，控制方便靈活。可以很方便利用改寫系統軟體而改變控制策略。同時電源精度高，大量的減少了控制器件，使電源體積大幅度減小。數字電路的穩定性好，所以這樣也就增加了電源的穩定性和一致性。

電源的基本結構

從電源技術要求來看，要實現脈衝電源波形變換多、參數調節範圍寬，必定使電路複雜化、造價提高、可靠性降低。所以適用、可靠_且經濟性的電源結構是設計方案的基本出發點。現在國內的大部分脈衝電源都是採用兩個相互獨立的電源進行疊加而組成的，在兩個電源之間加上切換裝置、控制正負脈衝電流的截止和導通。但是，這樣不但使電源結構複雜化，同時也增加了控制電路的負擔，使電源成本增加。 在考慮簡化電源結構的基礎上，採用複合功率轉換電路的形式，即由前級向後級供電，由後級控制電流的設計方案。電源通過設定不同的占空比進行直流調壓，從而得到預定的輸出電壓，然後，利用逆變電路實現波形控制。

根據使用要求，該電源主要包含以下幾個部分，三相整流電路、斬波調功電路、IGBT逆變電路、感測器採集電路、A/D轉換電路、驅動接口電路、保護電路以及控制和鍵盤顯示電路等。