双极型晶体管脉冲电源设计优化

双极型晶体管式脉冲电源分为简式（自激式）、复合式和等脉冲式三种类型，目前以复合式双极型晶体管式脉冲电源应用得最多。该电源可加工各种型腔模具，且在采用钢冲头作电极进行穿孔加工时具有较好的加工效果。下面以自激式双极型晶体管式脉冲电源为例，介绍其组成和工作原理。它基本由直流电源、主振级、前置放大级、功率放大级等四部分组成。

图2.2-4所示为自激式双极型晶体管式脉冲电源原理。主振级发出一定脉冲宽度和停歇时间的矩形脉冲信号，经放大级F放大，最后推动末级功率晶体管导通或截止。末级晶体管起着开、关的作用。它导通时，直流电源电压即加在加工间隙内击穿工作液进行火花放电。当双极型晶体管截止时，脉冲即行结束，工作液恢复绝缘，准备下一脉冲的到来。

为了加大功率，且可调节粗、中、精加工规准，整个功率级由几十只大功率高频晶体管分为若干路并联，精加工只用其中一或两路，原理如图2.2-5所示。

图2.2-4 自激式双极型晶体管脉冲电源原理

图2.2-5 电火花加工并联双极型晶体管式脉冲电源原理图

2.2.3.1 主振级

主振级是双极型晶体管式脉冲电源的关键组成部分，用以产生给定要求的脉冲波形与参数。根据电火花加工工艺的要求，主振级工作应稳定可靠，脉冲宽度和脉冲间隔等脉冲参数应能在较宽的范围内调节。主振级还应有较强的抗干扰能力，防止脉冲电源本身的闭环干扰及外界电磁场对主振级的影响，而且能在较大环境温度变化（-15～40℃）条件下可靠工作。

20世纪80年代以后，电火花脉冲电源中大量采用集成电路芯片作主振级，如555芯片等。通过改变电容和电阻的组合，可以产生2～1000μs的脉冲宽度或脉冲间隔。以后又随着计算机技术的进步，采用CTC（计时）和晶振元件组成数字化的主振级，脉冲宽度和脉冲间隔的大小可以精确到1μs，甚至0.1μs，而且可以由计算机来直接设置、改变脉冲宽度和脉冲间隔的大小，不用人工操作，还可以和加工规准的数据库联接。

图2.2-6a所示为一个具有占空比连续可调的555多谐振荡器电路。为了能连续调节占空比并能调节振荡频率，在555的第6脚和第7脚之间接有R₃、R₄、R₂、VD₁和VD₂组成的调节网络。对C₁充电时，电流通过R₁、VD₁、R₄和R₃；对C₁放电时，电流通过R₃、R₄、VD₂和R₂。当R₁=R₂，R3调到中心点或不用R₄时，因充放电时间基本相等，其占空比约为50%，此时调节R₃仅改变频率，占空比不变。如果R₄调节偏离中心点，再调节R₃，不仅振荡频率改变了，而对占空比也有影响。R₃不变，调节R₄时，仅可改变占空比而对频率无影响。因此，使用电路时，应首先调节R₃，使频率至规定值，再调节R₄以获得合适的占空比。图2.2-6b所示是经二进制计数器分频产生不同频率的脉冲波形。

另外一种方法是利用现代单片机的丰富功能产生脉冲。可利用具有PWM功能的单片机软件编程来产生脉宽可调的脉冲方波，再经计数器分频产生不同频率的系列脉冲波形。51系列单片机无PWM输出功能，但可以采用定时器配合软件的方法输出。由单片机的计数器或PWM功能来产生脉冲的电路图如图2.2-7所示，它采用了高速光隔（6N137）输出，并将PWM的信号倒相。

图2.2-6 555脉冲电路

a）占空比连续可调的555多谐振荡器电路 b）由555电路生成信号经计数器分频产生系列脉冲

2.2.3.2 前置放大级

1.功能及组成

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图2.2-7 由单片机的计数器或PWM功能来产生脉冲的电路图

将主振级产生的脉冲信号放大以推动功率放大级。前置放大级的电路有两种形式：一种是脉冲反相器电路；另一种是射极输出器电路。前者电路结构简单，但管子老化后，饱和压降增大，容易造成功率输出级管子的损坏。后者电路复杂一些，但能克服反相器的缺点。

2.原理

图2.2-8 互补射极输出放大器电路原理图

图2.2-8所示为互补射极输出放大器电路的原理图。当主振级输出脉冲信号使NPN型晶体管VT₁导通后，A点电位下降，B点电位也下降，PNP型晶体管VT₂导通。这时C点电位上升，使NPN型晶体管VT₃导通，并在D点输出一个高电位。当输入信号电位为零时，VT₁截止，A点电位升高，B点电位也随之升高，使VT₂截止，C点电位下降，VT₃也截止，在D点输出低电位。这样，主振级输出的信号经过互补射极输出放大器放大，然后去推动功率放大级。

2.2.3.3 功率放大级

功率放大级的作用是将前置放大级输出的脉冲信号，进行功率放大后输向放电间隙，以进行电火花成形加工。目前功率放大级应用较多的有两种形式：一种是反相器电路，如图2.2-9所示；另一种是射极输出器电路，如图2.2-10所示。两种形式的电路，其主要特点和要求见表2.2-7。

以上两种形式的功率放大级电路，在设计时必须满足晶体管饱和导通和可靠截止的条件。在选用晶体管时，应考虑其发射极击穿电压、集电极允许最大电流和截止频率等3项指标，要留有充分的余量。还需防止电压二次击穿现象，选择二次击穿容限大的晶体管。

图2.2-9 反相器功率放大级电路图

图2.2-10 射极输出器功率放大级电路图

表2.2-7 双极型晶体管式脉冲电源功率放大级形式及特点

对于功率放大输出级，在20世纪80年代中后期采用频率更高、性能更好的场效应晶体管（MOSFET、VMOS管）作为功放管。它的另一优点是：只需毫安级的电流驱动，可以省去前置放大级，从而大大简化了电路。近年来开始大量使用IGBT大功率集成块作为功放管，这种大功率集成块每块可输出10～50A的电流。