2009年5 月 第24卷第5期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.24 No. 5
May 2009
微弧氧化用脉冲电源的研制
胡 敏 何湘宁
（浙江大学电气工程学院 杭州 310027）
摘要 采用微弧氧化对阀金属及其合金进行材料表面改善是最近的研究热点，目前主要采用直流和工频正弦波进行，而采用脉冲波形可以改善膜层质量，提高生产效率。本文研制了一台基于DSP控制的用于微弧氧化系统的脉冲电源，实现了脉冲的频率、占空比和幅值可以在一定范围内调节。分析了微弧氧化系统的负载特性，并详述了各种脉冲波形的产生方法及对应的电路工作模式。在实验中采用该电源对镁合金（AZ91D）进行了微弧氧化处理，处理结果验证了该电源的有效性。
关键词：镁合金（AZ91D） 负载特性 数字信号处理 微弧氧化 中图分类号：TM462
Design of Pulsed Power Source for Micro-Arc Oxidation
Hu Min He Xiangning
（Zhejiang University Hangzhou 310027 China）
Abstract Micro-arc oxidation (MAO) is a new method of surface modification for valve metals and their alloys. Compared with DC and sinusoidal AC powers, the quality of the coating is much better when using the pulse power. A power source whose frequency, duty cycle and amplitude can be changed in some extent based on DSP is set up for pulsed MAO. The load characteristic of the MAO system is analyzed. The operation modes of the circuit generating different waveforms are discussed. The results of the treatment on magnesium alloy (AZ91D) with this power source verify the validity of the method.
Keywords：Magnesium alloy (AZ91D), load characteristic, DSP, micro-arc oxidation (MAO)
金属变成氧化物陶瓷膜。该方法具有膜厚均匀，不需要添加污染元素，预处理简单等优点，是一种清洁处理方式，因而成为目前材料表面改性领域的一个研究热点[1-2]。
目前，微弧氧化主要采用直流或工频正弦波进行，设备和操作比较简单。文献[3]提及和直流或正弦相比，采用脉冲功率，可以有效改善膜层质量，使膜的硬度和耐磨性都大大提高，并且可以避免烧损膜层，提高生产效率[3]。但由于微弧氧化系统的负载比较特殊，针对其负载特性的研究很少，因而脉冲电源的设计比较困难。
本文基于微弧氧化工艺的实际要求，分析了微弧氧化系统的负载特性，在此基础上，采用数字信号处理芯片（DSP），研制了一台6kW的脉冲电源
收稿日期 2008-03-17 改稿日期 2008-05-28
1 引言
镁的储量非常丰富，而且其合金相对密度小，比强度和比刚度高，具有能量衰减（1.74g/cm3）
系数大，电磁屏蔽性能优越等特点，因而已经成为现代汽车、电子和通信等行业的首选材料之一。但是镁的标准电极电位比较低（−2.34V），镁及其合金的化学和电化学活性较高，耐蚀性差，严重制约了镁合金的应用。为改善镁合金的耐腐蚀性能，研究者提出了很多方法。微弧氧化（Micro-Arc Oxidation，MAO）是近年兴起的在铝、镁和钛等阀金属及其合金表面原位生长陶瓷膜的新技术，它利用高电压，通过微区瞬间高温烧结作用直接把基体
样机。该电源能输出多种脉冲波形，并且脉冲参数
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可调，逆变器输出电压范围0～400V，电流范围0～20A，频率范围10～2000Hz，占空比0.2～0.8。该电源已经用于实际的微弧氧化系统，实现了不同脉冲参数下的实验研究。采用本文研制的电源对镁合金（AZ91D）进行微弧氧化的实际处理效果，验证了其有效性。
并联一个无感电容。Z为微弧氧化电解槽的等效负载。
2 脉冲电源微弧氧化系统
2.1 系统描述
脉冲电源微弧氧化系统如图1所示，包括脉冲电源和电解槽装置。试样电极为镁合金（AZ91D），其化学成分见下表，经过打磨、漂洗和除油等预处理后使用，根据脉冲为直流或交流的不同，对电极分别采用不锈钢（直流或单向方波情况下采用）或镁合金（AZ91D，交流或交变方波情况下采用）。溶液为碱性电解液。使用机械搅拌系统，可以使溶液成分均匀，避免沉淀，另外有助于溶液的温度恒定。
图2 电源系统结构图
Fig.2 Power supply system configuration
脉冲电源采用DSP系统进行控制，并包括一个实现键盘输入和参数显示功能的单片机系统。通过采用单片机系统和DSP系统进行通信的方式来实现参数的外部键盘输入，从而确定所需输出的波形形式、占空比和频率等参数。 2.2 负载特性分析
了解微弧氧化电解槽的负载特性对脉冲电源的设计非常重要，但相关研究很少。研究者多采用直流电源进行微弧氧化，因而负载的容性和感性等特征在稳态时都可以忽略，但在脉冲作用时，负载的容性或感性特征对电路的工作状态影响很大。为了分析得出任意时刻电路的工作模式以指导电源设计，首先必须要研究微弧氧化电解槽的负载特性。
根据电化学的基本理论知识，电解槽可以用等效电路形式描述。根据文献[4-5]，通过电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）方法研究可知，微弧氧化系统的电解槽可以用图3所示的等效电路描述。其中，Rs表征参比电极和工作电极间的溶液电阻，Cdl是双电层电容；Rp、Clf和Rt构成法拉第阻抗，Rp是溶液和电极之间形成的膜的电阻，Rt和Clf是与电化学反应相关的、表征电极与溶液界面电荷转移的相关信息的量，描述例如极板在微观下的小孔、细缝等造成活化能改变的一些现象[6]。图3所示模型是由电化学的研究方法得出，用于解释一些电化学现象的模型，将其作为电路的负载等效模型有一定的参考意义，但通过EIS方法得出的各个变量的具体值与其作为电路负载时各参数的量值并不完全一致。在MAO下负载的定量模型可以通过文献[6-7]的方法得出。
图1 微弧氧化系统示意图
Fig.1 Diagrammatic sketch of the MAO system 表 镁合金AZ91D的化学成分（质量百分比） Tab. Chemical composition of magnesium alloy AZ91D
成分 wAl wZn wMn wSi
范围 8.3%～9.7% 0.35%～1.0% 0.15%～0.50% ≤0.01%
成分 wCu wNi wFe
范围 ≤0.030% ≤0.002% ≤0.005%
wMg Balance*
*“Balance”表示剩余成分都为Mg。
脉冲电源的主电路结构如图2所示，包括三相不控整流电路和两个IGBT模块组成的单相全桥逆变器，每个模块参数是600V/75A。三相交流电通过EMI尖峰抑制滤波器，由三相整流桥整流后经电容器滤波变成直流电，该直流电经由IGBT组成的全桥逆变电路，变换成各种所需高频方波脉冲，逆变电路的PWM控制信号由DSP产生。为了减小IGBT的开关损耗，在每个IGBT的集电极和发射极之间都
图3 MAO负载的等效电路
Fig.3 Equivalent circuit of the load in MAO system
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3 脉冲电源设计
3.1 设计要求及控制方法
根据实际实验需要，为适用不同的阴极、阳极的配置方式，电源设计成能输出不同脉冲波形，输出波形的示意图如图4所示。为研究脉冲参数对微弧氧化的影响，脉冲参数设计成可以调节。
周期，采用40MHz时为25ns。从式（1）很容易求出指定f下的寄存器T3PR的值，同时可以看出，当T3PR取最大值（0FFFFH）时，对应的f为最小值，可以求出fmin=305Hz。为实现更低频率的输出，可以通过设定寄存器T1CON的TPS2～TPS0来实现，具体方法见文献[8]。
由图5可得寄存器CMPR4的值为
CMPR4=D×T3PR (2)
输出单向方波时的电路工作模式如图6a和图
6b所示。其中，图6a为VT1和VT4导通，输出电压VAB为正。图6b为VT1和VT3导通，输出电压为0。但由于负载是容性，负载通过VD1和VT3放电，电流方向如图中所示。
（a）单向方波 （b）交变方波 （c）方波
图4 输出电压波形示意图 Fig.4 Output voltage waveforms
为实现上述输出，使用DSP(TMS320LF2407A)的事件管理器单元（EVA，EVB），通过合理配置定时器的周期寄存器TxPR和比较寄存器CMPRx的值，产生不同的PWM信号，作为逆变桥的门极信号，来实现指定频率和占空比的输出波形。 3.2 电路工作模式 3.2.1 单向方波
当输出为单向方波时，IGBT的门极信号以及DSP的TxPR和CMPRx的关系如图5所示。其中VT1和VT2分别对应EVA单元的定时器1的PWM1和PWM2输出。VT1门极信号一直为高，VT2门极一直保持低电平。为了兼顾其他波形的产生，采用了EVB单元的定时器3的PWM7和PWM8分别对应VT3和VT4，因而程序中需要设定的是T3PR和CMPR4这两个寄存器。
图6 电路工作模式
Fig.6 Operation process of the circuit
3.2.2 交变方波
当输出为交变方波时，IGBT的门极信号以及DSP的TxPR和CMPRx的关系如图7所示。其中VT1、VT2、VT3、VT4和DSP的PWM输出管脚的对应关系不变。
图5 门极信号发生示意图 Fig.5 Process of the gate signals
从图5可以很容易地得出指定输出频率f和占空比D对应的T3PR及CMPR4的值。由于定时器3采用连续增/减计数方式，输出的PWM7/8的频率（等于输出VAB的频率）为
f=
11
= (1) Tt0×2×T3PR
图7 门极信号发生示意图 Fig.7 Process of the gate signals
式中，T为输出单向方波的周期；t0为DSP的时钟
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从图7可以看出，逆变器为移相全桥拓扑， T1PR的值和T3PR的值相等，计算方法同式（1）。CMPR1的值和CMPR4的值相等，都等于T1PR（或T3PR）的一半，即
CMPR1=CMPR4=0.5×T1PR (3)
而相移的“长度”L为
L=D×
T
(4) 2
4.1 波形
图9所示为实验波形，其中图9a为频率f = 1kHz，占空比D=0.5，输出电压200V空载时的交变方波波形。图9b为采用交变方波进行微弧氧化时的电压电流波形，其中电压频率f=1kHz，占空比D=0.5。可以看出，由于等效负载呈容性，当电解槽两端电压为零时，电流反向，出现明显的等效电容反向放电的现象。同时，由于等效电容和线路电感进行谐振，使输出电压波形在上升沿和下降沿等突变状态出现电压尖峰。图9c和图9d为采用单向方波及方波进行微弧氧化的电压电流波形。
因此，可以给定定时器1和定时器3不同的初值（两者初值相差L），然后让两个定时器同时启动，从而得到预期占空比D的交变方波输出。
输出交变方波时的电路工作模式如图6a～图6d所示。图6a为VT1和VT4导通，输出正电压；图6b为VD1和VT3导通，负载放电；图6c为VT2和VT3导通，输出负电压；图6d为VD2和VT4导通，负载放电。 3.2.3 方波
当输出为方波时，IGBT的门极信号以及DSP的TxPR和CMPRx的关系如图8所示。其中VT1、VT2、VT3、VT4和DSP的PWM输出的对应关系与单向方波的相同。
（a）交变方波空载 （b）交变方波
（c）单向方波 （d）方波
图9 实验波形
Fig.9 Experimental waveforms
4.2 处理效果
采用本文所研制的电源进行微弧氧化的实际处
图8 门极信号发生示意图 Fig.8 Process of the gate signals
理效果如图10所示。其中图10a是采用幅值200V，频率2kHz，占空比为0.5的交变方波反应3min后得到的镁合金（AZ91D）表面的扫描电镜（SEM）图片；图10b是同一样本的横截面的SEM图片。这与常用的市电经调压器降压作为氧化电源而得出的膜层相比较，氧化膜膜层厚度增加，达到20μm左右（有效值为140V的工频正弦波生成膜在10μm左右），膜层表面微孔的尺寸较小且比较均匀，膜层得到改善，有利于耐腐蚀性能的提高[9-10]。
从图8可以得出指定输出频率f和占空比D对应的TxPR及CMPRx的值。T1PR的值和T3PR的值相等，计算方法同式（1），CMPR4的计算同式（2），而CMPR1的值为
CMPR1=T1PR−D×T1PR (5)
输出为方波时的电路工作模式如图6a和图6c所示。图6a为VT1和VT4导通，输出电压为正，图6c为VT2和VT3导通，输出电压为负。
5 结论
本文研制了一台基于DSP控制的用于微弧氧化系统的脉冲电源，电源的输出波形参数可调。采用该电源对镁合金（AZ91D）进行脉冲微弧氧化处理，处理结果表明脉冲微弧氧化可以改善膜层质量，有利于耐腐蚀性能的提高。
4 实验结果
采用自制的脉冲电源进行微弧氧化实验，采用不同波形，不同频率和占空比的输出电压波形进行实验，用于研究电参数对氧化膜性质结构的影响。
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图10 样本处理后的SEM照片 Fig.10 SEM micrographes of the sample
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作者简介
胡 敏 男，1980年生，博士研究生，主要从事电力电子技术及其在工业应用方面的研究。
何湘宁 男，1961年生，教授，博士生导师，主要从事电力电子技术及其在工业应用方面的研究和设计工作。