離子滲氮用脈沖電源的研制

Development of Pulse Power Supply for Ion Azotizing

摘要：文章通過(guò)對(duì)比，論述了離子滲氮用直流電源的缺點(diǎn)以及脈沖電源在克服相應(yīng)問(wèn)題上的優(yōu)勢(shì)，研制了100kW離子滲氮用脈沖電源，文章介紹了電路原理，此電源具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：離子滲氮脈沖電源

1引言

輝光離子滲氮作為一種硬度高、變形小的鋼鐵表面強(qiáng)化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的離子滲氮直流電源存在一系列的問(wèn)題，有一些難以克服的缺點(diǎn)：

(1)離子滲氮過(guò)程中既要防止大電弧的形成，降低電弧能量、又要利用微弧清洗凈化工件，一般的電路除設(shè)計(jì)有LC振蕩滅弧、電流截止滅弧以外，都串聯(lián)有限流電阻R，見(jiàn)圖1。

圖1直流電源原理示意圖

　　(2)在離子滲氮過(guò)程中，爐內(nèi)電壓、電流須處于異常輝光放電區(qū)的范圍，這樣才能保證工件均勻地被輝光覆蓋，一般當(dāng)離子功率密度大于0.4W/cm2時(shí)才足以產(chǎn)生輝光放電，見(jiàn)圖2。有時(shí)由升溫階段轉(zhuǎn)向保溫階段，為了維持一定的輝光功率并保持溫度，只有增大冷卻水流量。據(jù)介紹，嚴(yán)重時(shí)冷卻水帶走的能量占總功率的40％之多。

圖2低壓氣體放電伏安特性曲線

　　(3)工件上的小孔、深孔、溝槽部分常會(huì)產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)，造成局部溫度過(guò)高、硬度下降，對(duì)于形狀復(fù)雜的工件，如模具等難以獲得均勻的滲氮層。

如果是采用脈沖電源進(jìn)行離子滲氮，可以克服以上不足之處，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)在脈沖電壓的作用下，爐內(nèi)氣體放電受高頻電子開(kāi)關(guān)的通斷控制，電流電壓自然過(guò)零，自身具有滅弧的功能，由于采用自關(guān)斷器件，滅弧速度可達(dá)微秒級(jí)，因而取消了限流電阻，可大幅度節(jié)能。

(2)在提供大的瞬時(shí)能量的同時(shí)，可以保持較小的平均能量，可將工件升溫、保溫所需的離子能量借助于導(dǎo)通比α來(lái)調(diào)節(jié)，從而將輝光放電的物理參數(shù)與控制溫度的參數(shù)分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)整，提高滲氮質(zhì)量。

(3)空心陰極效應(yīng)的產(chǎn)生是由于離子－電子的相互作用，產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，引起載流子的聚集所造成的，采用脈沖電源后載流子的聚集被脈沖間隙中斷，從而抑制了空心陰極效應(yīng)，改善了復(fù)雜零件的溫度均勻性。另外，對(duì)于原來(lái)需要堵孔屏蔽的某些零件可直接裝爐滲氮，簡(jiǎn)化了工序。

2采用的方案

根據(jù)離子滲氮工藝的要求，脈沖電源的工作頻率為2kHz左右，最高工作電壓為1000V，電流幅值約為100A。在電源的控制電路中，要求對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)爐內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)控制，對(duì)打弧進(jìn)行檢測(cè)與保護(hù)。主電路可以有多種方式，如：直流斬波方式、逆變方式等，可選用的開(kāi)關(guān)器件也很多?？紤]到成本及電路的簡(jiǎn)潔可靠，本電源采用直流電源加斬波部分及控制部分，具體框圖如下：

圖3脈沖電源框圖

3電源工作原理

3.1主電路

　　三相交流電經(jīng)電源變壓器升壓后，再經(jīng)晶閘管三相半控橋式整流、濾波，輸出連續(xù)可調(diào)0～1000V直流電壓，爐體陰極與電源負(fù)極之間接一大功率IGBT管進(jìn)行斬波，IGBT兩端并聯(lián)一RCD緩沖吸收電路，用以吸收IGBT瞬時(shí)關(guān)斷時(shí)電路中形成的過(guò)壓，并配以LEM電流、電壓傳感器向控制電路提供反饋信號(hào)。

圖4主電路原理簡(jiǎn)圖

3.2晶閘管觸發(fā)控制電路

脈沖峰值電壓的提供依賴于半控橋式整流電路，可由給定信號(hào)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，本電路中采用先進(jìn)的TC787三相相位控制電路。電路中先產(chǎn)生一斜坡給定信號(hào)，然后再加上電流負(fù)反饋信號(hào)進(jìn)行綜合放大后送入TC787的4端，12、10、8端分別用于控制A、B、C三相晶閘管的控制極。見(jiàn)圖5所示。

圖5晶簡(jiǎn)管觸發(fā)電路框圖

3.3IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路

　　由綜合放大電路板（ZHFD）產(chǎn)生的輸出信號(hào)被送入SG3526，產(chǎn)生PWM脈沖，此信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算后送入HL403B厚膜驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)IGBT產(chǎn)生過(guò)流、短路故障時(shí)，借助于IGBT內(nèi)部的短路、欠飽和、軟關(guān)斷、降柵壓保護(hù)功能，保護(hù)信號(hào)通過(guò)光電耦合器加到NE555時(shí)基電路組成的自保電路封鎖PWM脈沖，使IGBT的GE間產(chǎn)生負(fù)偏壓而截止，見(jiàn)圖6。

圖6IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路

3.4滅弧控制電路及過(guò)流截止保護(hù)電路

　　打弧現(xiàn)象是離子滲氮爐內(nèi)不可避免的，當(dāng)出現(xiàn)打弧，且正常的電壓下降無(wú)法滅掉弧光時(shí)，爐中電壓下降，電流上升，爐中等效電阻接近于0Ω，若不及時(shí)滅掉將會(huì)使器件過(guò)流損壞，打弧信號(hào)的獲得可以通過(guò)以下途徑：

（1）電流最大值、電流上升率di/dt。

（2）電壓最小值、電壓下降率dv/dt，由于線路中難免存在分布電感，電流增長(zhǎng)的速度比電壓下降的速度要慢，所以檢測(cè)電壓下降信號(hào)可以較快地判別出打弧的發(fā)生，但要求電路能自動(dòng)地區(qū)別正常脈沖的上下跳變與打弧引起的極間電壓下降，為此專門(mén)設(shè)計(jì)打弧檢測(cè)電路檢測(cè)出打弧信號(hào)后，關(guān)斷主電路電壓，待弧光滅掉后，又重解除封鎖。

3.5放大電路

此部分電路的功能是實(shí)現(xiàn)溫度的PID控制，打弧信號(hào)的采集，電流、電壓負(fù)反饋以及產(chǎn)生滅弧信號(hào)，輸出信號(hào)將分別送往晶閘管觸發(fā)控制電路及PWM脈寬給定電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的整體控制。此外，本電源中還包括顯示電路用以顯示峰值電壓、電流、平均電流、頻率、導(dǎo)通比等，以及接觸器、繼電器控制電路，本文從略。

4結(jié)束語(yǔ)

設(shè)備裝配以后進(jìn)行了一些調(diào)試，各部分基本上達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，并與離子滲氮爐體進(jìn)行聯(lián)接，帶載運(yùn)行，各種功能正常，打弧階段的時(shí)間明顯縮短，滅弧時(shí)間經(jīng)檢測(cè)僅為5微秒左右。脈沖電源用于離子滲氮在技術(shù)上是可行的，它的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到了驗(yàn)證，可以預(yù)見(jiàn)，脈沖電源將逐步取代直流電源并會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。