本章節針對研究主題，列出相關資料與應用原理，作為研究基礎。本章 節將其相關內容分為四部份：1.放電加工原理、2.常用精微放電加工型態、
3.放電電源系統、4.電晶體切換原理，並依序討論。
2-1 放電加工原理
2-1-1 放電加工現象說明
放電加工(Electric Discharge Machining, EDM)，是一種非傳統加工法 (Non-traditional machining)。圖 2-1 為放電加工示意圖，此法是將電極與工件 置入具有絕緣性的加工液中，並在電極與工件兩端通入數十伏特以上的電壓，
並利用精密位移平台，使電極與工件間保持極微小的距離(Gap)，產生電場 (Electric fields)，當此電場強度大於加工液的耐壓強度，便會讓電子突破加 工液的絕緣層，形成電漿通道(Plasma)，撞擊工件表面，此時極間會瞬間產 生 8,000℃~12,000℃[40]的高溫，使工件產生局部熔化甚至汽化，達到移除 材料效果，而被熔化的工件材料，因加工液迅速冷卻，形成殘渣，再藉由加 工液將其沖離放電處，避免造成二次放電或是電弧放電(Arc discharge)現象。
透過放電加工液循環系統，將加工液中殘渣過濾，以維持加工液乾淨度，避 免殘渣濃度過高，降低加工液的功能。此法常用於製作模具或進行高熔點、
高硬度金屬的移除加工，圖 2-2 為各式金屬結構之放電加工應用例。
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圖 2-1 放電加工原理示意 圖 2-2 放電加工應用例[41]
2-1-2 放電加工材料移除機制
在放電加工的過程中，主要是利用電極與工件間，所產生的瞬間高溫爆 炸，使材料熔化或汽化，同時將存在於兩極間的加工液，藉由放電爆炸，使 其膨脹產生適當衝擊力，將工件所產生的殘渣排除，使電極與工件間恢復絕 緣，等待下次放電，運用此法持續、密集且穩定的重複作用，即可達到移除 材料的目的。圖 2-3 所示為放電加工過程示意圖，而本章節依圖將放電過程 分為五部分描述：
1). 放電發生(Discharge occur)
如圖 2-3(a)所示，放電發生前，須在工件與電極兩端通入數十伏特 以上的電壓，並讓電極慢慢接近工件時，使兩極間的電場強度增加，此 時，電子會向陰極聚集，當電極更接近工件時，放電會從兩極間最短的 距離開始發生，此時電子與陽離子會相互跳躍、碰撞，產生電離通道，
此通道是一種電流密度極高的電子流，而被衝擊到的區域只有一點，此 點稱為熔化點。
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2). 電離作用(Ionization)
如圖 2-3(b)所示，在脫離陰極的電子加速撞擊過程中，因碰撞加工 液中的中性粒子，使部份的粒子獲得電子，部分粒子失去電子，而此現 象稱為電離作用。被電離後的陽離子與陰離子分別會向陰極與陽極衝撞，
並在較強的電場加速作用下，產生更高的速度，當這些陽離子與陰離子 分別撞擊電極(負極)與工件(正極)時，將會在瞬間使動能轉變成熱能，而 此能量如同爆炸般，熔化及汽化材料。
3). 熔融與汽化(Melting and evaporation)
如圖 2-3(c)所示，因加工液的電離作用，使陽離子與陰離子分別撞 擊電極與工件表面，而產生如爆炸般的能量，使金屬因高溫、高熱而熔 化，甚至產生汽化，因兩極皆有離子撞擊，使兩極皆有熔化或汽化的現 象。但因陽離子重量較重，使電場的加速作用無法使其得到較高能量；
而陰離子(電子)質量較輕，加上電場的加速作用，使其產生的能量較大。
因此，在放電加工過程中，大多的能量都集中在陽極上。
4). 沖除(Removal)
如圖 2-3(d)所示，因陰離子(電子)撞擊工件表面而產生爆炸，使電漿 通道周圍的加工液汽化、膨脹，進而產生一種向外擴張的壓力，使放電 加工產生的融熔加工物，如：放電殘渣、電極的微細粉末與加工液的分 解物(氣體、碳、焦油)，會因爆炸壓力而被沖離原本的熔化點。
5). 放電週期完成(Discharge finish)
如圖 2-3(e)所示，當熔化點的殘留物被沖除後，此發放電結束，此 時電漿通道消失，電極與工件間回復絕緣，新的加工液流入，壓力與熔
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化點溫度快速下降，使金屬殘渣凝固成金屬屑，分布在加工液中。沒有 移除的殘渣因加工液的作用，凝固成似火山口的放電坑，而放電坑邊緣 隆起的部份，將成為下次放電的目標點。
圖 2-3 放電加工程序流程
2-1-3 放電加工工作參數
放電加工是需高度技術的加工法，須在放電加工過程中，選擇適當的加 工參數，使加工成品達到所需加工精度與特性。如：粗加工時，須以較快的 加工速度來進行，故選擇較大能量加工；而精加工時，主要注重成品的加工 精度，對加工速度並無過多要求，所以利用較小能量來加工。可知，當加工 電源不同時，所需設定的放電參數也不盡相同。而放電參數也會因電極材料 或工件材料不同而改變，主要是因每種材料皆具有不同的導電性、導熱性及 熔點。為了得到更好的放電效率與適當的加工精度，需對放電加工參數的意 義及其影響有所瞭解。因此，本章節對放電常見參數，進行相關論述，如：
開路電壓、放電電流、脈衝時間、休止時間、極間電壓、衝擊係數與極性等。
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1). 開路電壓(Open voltage, Vo)
開路電壓是指放電加工中，未放電時兩極間電壓。其值越高，越容 易突破兩極間絕緣限制，使放電加工可維持在較為穩定的放電狀態，以 減少電弧放電或斷續放電現象發生，其波形標註如圖2-4所示。
2). 放電電流(Peak current, IP)
放電電流是在固定電壓下放電，所測到的最大電流值，又稱峰值電 流，其值對放電加工具有極大影響。當放電電流越大，則放電能量也越 大，具有較高的金屬移除率，但同時也降低成品的表面粗糙度；反之，
較小的放電電流，其放電能量也較小，對材料的移除率也較低，但可獲 得較佳表面粗糙度，其波形標註如圖 2-4 所示。
3). 脈衝時間(Pulse duration, τp)
脈衝時間是每發放電電流維持時間。當脈衝時間越長，單發放電能 量越大。如果脈衝時間過長，在放電時，電漿通道會膨脹變大，使能量 密度無法集中，故金屬移除率下降。反之，當脈衝時間過短時，放電電 流會無法達到所設定值，使效率變低，其波形標註如圖 2-4 所示。
4). 休止時間(Pulse off time, τoff)
休止時間是指單發放電後到下一次放電的休息時間。此段時間主要 是為了使材料重回絕緣狀態，並使殘渣可以順利排除，當休止時間越短，
其切割效率越好，卻容易使材料處於熔融狀態，使放電不穩定，其波形 標註如圖 2-4 所示。
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(a) 「電阻-電容」放電波列 (b) 電晶體放電波列 圖 2-4 放電加工波形示意圖
5). 極間電壓(Gap voltage, Vg)
極間電壓是放電加工實施中，極間的電位差。其值與兩極間隙成正 比關係。也就是說，極間電壓可以代表完整的單發放電能量大小，當極 間電壓越大，代表兩電極間的間隙越大，要使該區間放電，須提高放電 電壓，或增加放電進給率，方可突破絕緣產生放電。
6). 衝擊係數(Duty Factor, DF)
衝擊係數是指在單次放電至下次放電中間，具有放電效果時間佔完 整放電時間的比例，公式2-1表示[6]
= + + (2-1)
上式中，τp:電流脈衝時間，τn:放電延遲時間，τoff:休止時間，若DF值過 大時，會造成放電集中，使兩極間產生積碳的現象；反之，當DF值過 小時，會使放電能量小，造成放電加工時間拉長。
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7). 極性(Polarity, P)
在放電加工中，電極接負極而工件接正極，會使電解後的電子，因 電場關係而撞擊工件表面，使放電加工所產生的大部分熱能皆由電極所 使用，此接法又稱為正極性加工法。此法雖會造成電極消耗快速，但同 時也可以使工件得到較好的加工表面粗糙度。反之，當電極接正極而工 件接負極，此時放電加工的熱能會轉而集中在工件中，可提升放電加工 的效率，但同時會使工件的表面粗糙度變差，此法稱為負極性加工法。
在一般放電加工中常以負極性加工法為主，因此法若將放電時間拉長時，
會使放電加工過程中，從加工液中分解出的碳元素，附著於電極表面，
進而形成一層保護膜，可減少電極消耗。但在微細放電加工中，則常利 用正極性加工法，使放電坑高度變淺，以提升加工精度。
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精微雕模放電加工(Micro die-sinking Electric Discharge Machining, Micro die-sinking EDM)用來加工高硬度的金屬模穴(鎢或模具鋼)最常使用的方法，
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軌道移動，使工件與銅線維持固定的放電間隙，進行精微放電。此法可以使 電極一直維持在固定位置，不會因放電的消耗而損失，使工件尺寸容易控制，
故可將工件加工至極微小的形狀，如精微探針、精微模具等[45]。此技術兼 具精微雕模放電與精微線切割兩者之優點，但因陶瓷導塊製造困難，因此研 究常以模具鋼代替陶瓷作為導塊[44]，使此法更具普遍性，圖 2-5(b)為此法 的應用之一。
(a) 精微放電研削加工示意圖[44] (b) 放電加工實況與成品[45]
圖 2-5 精微雕模放電加工例
2-2-2 精微線切割放電加工
精微線切割放電加工(Micro Wire Electric Discharge Machining, Micro w-EDM)是一種非接觸的加工，屬於放電加工的一環。圖 2-6(a)為線切割放 電加工示意圖[3]，此法以細金屬線為電極，並在金屬線上下施加固定拉力，
同時讓金屬線以一定速度前進切割，再利用金屬線的供線系統，將新的線材 連續不斷的提供給放電加工處，避免放電加工時造成電極磨耗，可使加工出 的槽寬一致，再利用 NC 伺服系統做精確控制，以達所需形狀，圖 2-6(b)為 精微線切割放電加工機構設計之一[46]。以巨觀而言，此法如同傳統的鋸切 工作，因此法只能製作出 2D 的工件。而精微線切割放電加工與線切割放電
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加工最大的不同在於工件的精度與線電極的線徑大小，一般線切割所加工的 尺寸大都在 1 mm 以上，而精微線切割放電加工所加工的尺寸幾乎都在數百 μm 到數 μm 之間[42]。而在線徑方面，一般線切割所用多為 250 μm 左右，
而在精微線切割放電加工中，線徑則為 50 μm 以下，圖 2-6(c)與圖 2-6(d)為 運用精微線切割放電加工技術所製作的成品[3, 44]，其精微線切割放電加工 所運用之線徑為 13 μm，成品尺寸為 0.3 mm。
(a) 精微線切割放電加工示意圖[3] (b) 精微線切割放電加工機構圖[46]
(c) 精微線切割放電加工應用-1[44] (d) 精微線切割放電加工應用-2 [3]
圖 2-6 精微線切割放電加工例
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2-2-3 精微旋轉式放電加工
精微旋轉式放電加工(Micro Rotary Electric Discharge Machining, Micro
精微旋轉式放電加工(Micro Rotary Electric Discharge Machining, Micro