如何设计100kW离子渗氮用脉冲电源

品慧电子讯辉光离子渗氮作为一种硬度高、变形小的钢铁表面强化技术在工业领域已得到了广泛的应用。但传统的离子渗氮直流电源存在一系列的问题，有一些难以克服的缺点。

其缺点如下：

(1)离子渗氮过程中既要防止大电弧的形成，降低电弧能量、又要利用微弧清洗净化工件，一般的电路除设计有LC振荡灭弧、电流截止灭弧以外，都串联有限流电阻R，见图1。

图1：直流电源原理示意图

(2)在离子渗氮过程中，炉内电压、电流须处于异常辉光放电区的范围，这样才能保证工件均匀地被辉光覆盖，一般当离子功率密度大于0.4W/cm2时才足以产生辉光放电，见图2。有时由升温阶段转向保温阶段，为了维持一定的辉光功率并保持温度，只有增大冷却水流量。据介绍，严重时冷却水带走的能量占总功率的40％之多。

图2：低压气体放电伏安特性曲线

(3)工件上的小孔、深孔、沟槽部分常会产生空心阴极效应，造成局部温度过高、硬度下降，对于形状复杂的工件，如模具等难以获得均匀的渗氮层。

如果是采用脉冲电源进行离子渗氮，可以克服以上不足之处，其优点如下：

(1)在脉冲电压的作用下，炉内气体放电受高频电子开关的通断控制，电流电压自然过零，自身具有灭弧的功能，由于采用自关断器件，灭弧速度可达微秒级，因而取消了限流电阻，可大幅度节能。

(2)在提供大的瞬时能量的同时，可以保持较小的平均能量，可将工件升温、保温所需的离子能量借助于导通比α来调节，从而将辉光放电的物理参数与控制温度的参数分开，实现独立调整，提高渗氮质量。

(3)空心阴极效应的产生是由于离子－电子的相互作用，产生雪崩效应，引起载流子的聚集所造成的，采用脉冲电源后载流子的聚集被脉冲间隙中断，从而抑制了空心阴极效应，改善了复杂零件的温度均匀性。另外，对于原来需要堵孔屏蔽的某些零件可直接装炉渗氮，简化了工序。

采用的方案

根据离子渗氮工艺的要求，脉冲电源的工作频率为2kHz左右，最高工作电压为1000V，电流幅值约为100A。在电源的控制电路中，要求对脉冲的占空比进行调节，对炉内温度实现PID调节控制，对打弧进行检测与保护。主电路可以有多种方式，如：直流斩波方式、逆变方式等，可选用的开关器件也很多。考虑到成本及电路的简洁可靠，本电源采用直流电源加斩波部分及控制部分，具体框图如下：

图3：脉冲电源框图

电源工作原理

主电路
　　
三相交流电经电源变压器升压后，再经晶闸管三相半控桥式整流、滤波，输出连续可调0～1000V直流电压，炉体阴极与电源负极之间接一大功率IGBT管进行斩波，IGBT两端并联一RCD缓冲吸收电路，用以吸收IGBT瞬时关断时电路中形成的过压，并配以LEM电流、电压传感器向控制电路提供反馈信号。

图4：主电路原理简图

晶闸管触发控制电路

脉冲峰值电压的提供依赖于半控桥式整流电路，可由给定信号调节晶闸管的导通角，本电路中采用先进的TC787三相相位控制电路。电路中先产生一斜坡给定信号，然后再加上电流负反馈信号进行综合放大后送入TC787的4端，12、10、8端分别用于控制A、B、C三相晶闸管的控制极。见图5所示。

图5：晶简管触发电路框图

IGBT的驱动与保护电路
　　
由综合放大电路板（ZHFD）产生的输出信号被送入SG3526，产生PWM脉冲，此信号与反馈信号进行逻辑运算后送入HL403B厚膜驱动器，当IGBT产生过流、短路故障时，借助于IGBT内部的短路、欠饱和、软关断、降栅压保护功能，保护信号通过光电耦合器加到NE555时基电路组成的自保电路封锁PWM脉冲，使IGBT的GE间产生负偏压而截止，见图6。

图6：IGBT的驱动与保护电路

灭弧控制电路及过流截止保护电路
　　
打弧现象是离子渗氮炉内不可避免的，当出现打弧，且正常的电压下降无法灭掉弧光时，炉中电压下降，电流上升，炉中等效电阻接近于0Ω，若不及时灭掉将会使器件过流损坏，打弧信号的获得可以通过以下途径：

（1）电流最大值、电流上升率di/dt。
（2）电压最小值、电压下降率dv/dt，由于线路中难免存在分布电感，电流增长的速度比电压下降的速度要慢，所以检测电压下降信号可以较快地判别出打弧的发生，但要求电路能自动地区别正常脉冲的上下跳变与打弧引起的极间电压下降，为此专门设计打弧检测电路检测出打弧信号后，关断主电路电压，待弧光灭掉后，又重解除封锁。

放大电路

此部分电路的功能是实现温度的PID控制，打弧信号的采集，电流、电压负反馈以及产生灭弧信号，输出信号将分别送往晶闸管触发控制电路及PWM脉宽给定电路，以实现对电源的整体控制。此外，本电源中还包括显示电路用以显示峰值电压、电流、平均电流、频率、导通比等，以及接触器、继电器控制电路，本文从略。

设备装配以后进行了一些调试，各部分基本上达到了预期的设计目的，并与离子渗氮炉体进行联接，带载运行，各种功能正常，打弧阶段的时间明显缩短，灭弧时间经检测仅为5微秒左右。脉冲电源用于离子渗氮在技术上是可行的，它的优点已经得到了验证，可以预见，脉冲电源将逐步取代直流电源并会得到广泛的应用。