一种应用于碳纳米管制备的交流脉冲电源研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业西南物理研究院 作者:陈常

  研制了一台零电压软开关中频交流脉冲放电电源,应用于碳纳米管的制备,以乙炔作为碳源,在反应容器中通入氦气,在两电极之间激发出电弧为碳纳米管生长提供环境。本文给出了交流脉冲电源的设计思路和实现方案。该电源采用三相桥式不可控整流拓扑电路、PWM 整流电路、半桥逆变电路的方案。根据放电过程中电流急剧上升的特点,绕制了具有高漏感的变压器,利用变压器漏感来抑制放电过程电流上升的速率,同时实现了IGBT 的零电压开通。该电源输出峰值电压5kv-12kv 连续可调, 频率为8kHz,脉宽占空比16%~20%可调。通过对放电试验结果的观测,此电源各项指标运行正常,工作稳定,电磁干扰小,具有良好的应用价值。

  该电源设计应用于电弧放电法制备碳纳米管。碳纳米管1991 年由日本NEC 公司的S.Iijima在石墨电弧放电形成的阴极沉积物中发现,是一种具有显著电子特性和机械特性的独特纳米结构。

  自发现以来,对其性质和用途的研究日益增多。由于碳纳米管具有高导电性、高表面积比、高稳定性等特点,于电化学领域的应用非常广泛,比如可用作电化学传感器、超级电容器、锂离子电池等电化学器件的电极材料,并以其优异的电学和热学特性在场发射显示器、场效应晶体管、单电子晶体管等纳电子器件以及集成电路中作为互连线的应用上具有巨大的潜能。常用的碳纳米管制备方法主要有:电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。电弧放电法是以乙炔作为碳源,在反应容器中通入氦气以此保证容器中的含氧量低于安全标准,在两极之间激发出电弧,乙炔裂解沿着激发出的离子生长生成无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。

  随着电力电子器件制作工艺技术的发展,开关电源的工作频率得以不断的提高,电源工作频率的提高在减小电源的体积、重量、提高工作效率的同时也增加了电力电子器件的开关损耗,造成严重的电磁干扰。采用软开关技术可以有效降低IGBT 开通和关断损耗和电磁干扰。要根据要求,在脉冲电源的主电路和控制驱动电路方面做相应的调整和设计,在研制过程中要严格把控尖端的距离、曲率及温度、湿度气压等工作环境的影响。尖端放电时,其阻抗很小,电流很大,如果电流上升太快会对电源本身造成一定的影响并且会导致电压快速拉低。因此需要有意的放大变压器的漏感来抑制电流的上升,同时在电源设计中必须考虑适当的电流检测电路,使该电路检测到过流信号时关断SG3525 脉冲输出。基于此,设计并研制了一台输出峰值电压5kV-12kV 连续可调,频率为8kHz,脉宽占空比16%~20%可调的交流脉冲电源,此电源具有多级短路过流保护保证其工作的可靠性,充分利用变压器的漏感减小了电源的体积。最后实验验证电源工作的可靠性,包括电弧是否具有足够的能量,放电是否会触发电源的短路保护以及电源本身对EMI 电磁干扰的屏蔽能力等。

1、设计框图和主电路设计

  1.1、电源电路设计框图

  如图1 所示,电源电路主要由以下几部分组成:(1)三相整流滤波;(2)BUCK 电路;(3)中频逆变;(4) 升压变压器;(5)3525 PWM 输出;(6)过流检测;(7)面板液晶显示

  其中,三相整流滤波、BUCK 电路、逆变电路、LC 谐振电路和变压器组成电源的主回路。单片机和CPLD 完成控制回路和保护回路。通过单片机给定SG3525 的2 脚设定值,电压信号反馈接入SG3525 的1 脚,实现BUCK 电路输出电压闭环控制, 输出电压范围可调。单片机芯片采C8051F020,C8051F020 拥有8 个8 位的I/O 端口,大量减少了外部连线和器件扩展,有利于提高可靠性和抗干扰能力,特别适用于需大量数据处理的测控领域。单片机还可以通过CAN 通信接收人机界面的电压电流等设定值,并将检测到的数值和故障等信号通过CAN 通信至人机界面进行显示。

一种应用于碳纳米管制备的交流脉冲电源研制

图1 电源框图

  1.2、主回路设计

  主电路结构如图2 所示。它主要由三相整流滤波电路、绝缘栅双极性晶闸管IGBT1(仿真图2主电路中以sw1-14 开关代替,下同),反向连接的二极管,电感L1 组成BUCK 电路、电容C2、C3和IGBT2、IGBT3 组成逆变电路、升压变压器组成。

  工作原理为:三相交流电(380V)通过三相整流滤波电路后成为纹波很小的直流电, 经过BUCK 电路实现电压在一定范围内可调,通过半桥逆变电路实现直流到交流的转换,最后通过升压变压器输出所需的电压。

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图2 主电路结构

  1.3、驱动回路设计

  根据IGBT 的工作特性,理想的IGBT 驱动电路应具有以下性能:

  1、驱动电路为IGBT 提供一定幅值的正反向栅极电压VGE。开通时正向栅极电压的幅值应该令IGBT 产生完全饱和,并使通态损耗最小。关断IGBT 时, 为IGBT 提供-5V~-15V 的反向栅极电压, 以便尽快抽取IGBT 器件内部的存储电荷,缩短关断损耗时间,提高IGBT 的耐压和抗干扰能力。采用反偏压可以减小关断损耗,提高IGBT 工作的可靠性。

  2、驱动电路具有隔离输出、输出信号功能,同时信号的传输延迟低。

  3、栅极回路中必须串联合适的栅极电阻Rg,用以控制栅极电压的前后沿陡度,进而控制IGBT 器件的开关损耗。

  4、驱动电路应该稳定,提供足够的驱动功率。

  图3 示出IGBT 驱动具体电路。IGBT 内部有寄生晶体管,在规定漏极电流范围内,其产生的正偏压不足以使晶体管导通,当漏极电流大到一定程度,正偏压足以使晶体管导通,进而使寄生晶体管导通,栅极失去控制,发生擎柱效应。此时关断无效,集电极电流很大致使IGBT 损坏。当最严重的过电流情况,即短路发生时,电流很快达到额定电流的4~5 倍,此时必须尽快关断器件,否则将很快损坏器件。通常采取的保护措施有软关断和降栅压两种。软关断指在过流和短路时,直接关断IGBT。

  但是,软关断抗骚扰能力差,一旦检测到过流信号就关断,很容易发生误动作。为增加保护电路的抗骚扰能力,可在故障信号与启动保护电路之间加一延时,不过故障电流会在这个延时内急剧上升,大大增加了功率损耗,同时还会导致器件的di/dt 增大。所以往往是保护电路启动了,器件仍然坏了。降栅压旨在检测到器件过流时,马上降低栅压,但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时,故障电流在这一延时期内被限制在一较小值,则降低了故障时器件的功耗,延长了器件抗短路的时间,而且能够降低器件关断时的di/dt,对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在,则关断器件,若故障信号消失,驱动电路可自动恢复正常的工作状态,因而大大增强了抗骚扰能力。图4示出IGBT 过电流保护电路。

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图3 IGBT 驱动电路

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图4 IGBT 驱动过流保护电路

  通过霍尔电流传感器直接检测IGBT 的集电极电流IC,并选择合适的信号电阻R7,使其在正常工作状态下时,R7 两端电压小于6v,则晶体管V1 始终保持截止状态。IGBT 通过栅极电阻R3正常导通和关断。

  当电路发生过电流和短路时,信号电阻R7端电压上升,当电压上升到6.07V 时,晶体管V1导通,电容C2 通过电阻R5 充电,电容电压从零开始上升,a 点电压开始下降,当a 点电压下降到约13.6V 时,晶体管V2 导通,栅极电压VCE 随电容电压的上升而下降,通过调节C1 的数值,可控制电容的充电速度,进而控制VCE 的下降速度;当电容电压上升到电阻R4 钳位电压时或者过流保护结束时,慢降栅极电压过程结束,通过调节电阻R5 的数值可以设定慢降栅压过程结束时,驱动电压VCE 的数值。

  2、结语

  测试结果表明,在电源运行放电期间,电源能正常工作,电磁干扰小,达到了预期设计目标,在占空比等于20%时,IGBT 能实现零电压开通,减小IGBT 的开通损耗,提高了开关电源的工作效率。而在电路仿真中,半桥逆变IGBT 脉冲占空比为28%时才能实现零电压开通,主要是由于在Saber 软件中变压器建模的困难,一方面是由于自行绕制的变压器各项参数控制精确度不高,另一方面是由于Saber 软件中变压器模型不能添加温度,磁芯材料等条件,导致仿真结果与实测有偏差。

  利用变压的漏感抑制了放电时电流的上升,能有效的保护电源。由于该脉冲电源工作频率较高,电磁干扰不可忽视,特别是辐射干扰,所以做好各种干扰的屏蔽是有效的,如机箱外壳可靠的接地就可以很大提高电源的可靠性。

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