中頻離子氮化脈沖電源的控制電路設(shè)計

孫奉婁,陸俊杰

(中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院,武漢430074)

離子氮化作為一種有效的鋼鐵及合金表面強(qiáng)化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用.當(dāng)前最常采用的供電電源為直流脈沖電源.脈沖電源較傳統(tǒng)的直流電源在抑制弧光放電、節(jié)約能源等性能都有很大的改善[1].本文利用UC3825B PWM 芯片設(shè)計了頻率為50 kH z的中頻離子氮化脈沖電源的逆變控制電路.電源輸出參數(shù)為:輸出電壓0～1000V 可調(diào),輸出功率20kW,輸出脈沖頻率50kH z,占空比25%～80%可調(diào).

1 主電路結(jié)構(gòu)

設(shè)計的脈沖電源的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示.

主電路分為2個主要部分:調(diào)壓電路與逆變電路;調(diào)壓電路通過三相半控整流進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié),電壓調(diào)節(jié)范圍為0～500V;逆變電路為前級可調(diào)電壓經(jīng)過IGBT組成的橋逆變,經(jīng)由納米晶軟磁材料磁芯繞制的高頻變壓器再經(jīng)高頻整流電路整流后輸出.

2 逆變控制電路設(shè)計

考慮到全橋逆變電路中變壓器存在的偏磁問題,本電源的逆變電路控制方式設(shè)計為峰值電流控制模式[2].逆變控制電路由PWM 芯片UC3825B及其外圍電路組成,包括斜坡補(bǔ)償電路、尖峰消隱電路、占空比調(diào)節(jié)電路、過流保護(hù)電路以及滅弧控制電路.

圖1 脈沖電源結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure o f pu lse pow er supp ly

2.1 UC3825B芯片介紹

UC 3825B內(nèi)部電路如圖2所示.它主要由高頻振蕩器、PWM 比較器、限流比較器、過流比較器、基準(zhǔn)電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定、PWM 鎖存器.可用作電壓型或峰值電流型控制器.管腳1、2分別是誤差放大器的反向和正向輸入端;3腳為誤差放大器的輸出端,可用作相位調(diào)整和增益控制,同時3腳的電壓還受到軟啟動電路的控制,當(dāng)芯片軟啟動時,降低3腳的電壓幅值,從而限制觸發(fā)脈沖;4腳為CLK/LEB端,可用作與外部電路的同步信號,還可對地接一只小電容用作尖峰消隱電路;5、6腳分別用于接振蕩電阻和振蕩電容;7腳為斜坡補(bǔ)償端,用作峰值電流控制時進(jìn)行斜坡補(bǔ)償設(shè)置;8腳為軟啟動端;9腳為IL IM 電流限制端,當(dāng)端口電壓大于1V且小于1.2V時,只是關(guān)閉當(dāng)前輸出脈沖,具有逐脈沖限流;當(dāng)端口電壓大于1.2V時,關(guān)閉輸出脈沖并進(jìn)入軟啟動,直到8腳電壓高于1.25V時才會有輸出脈沖;10腳為地;11、14腳為兩路互補(bǔ)脈沖輸出端;12腳為脈沖輸出功率地,該腳與10腳的地在進(jìn)行PCB布線時應(yīng)特別注意,稍有不慎可能導(dǎo)致芯片無脈沖輸出;13腳VC端為輸出脈沖電源;15腳VCC端為芯片電源;16腳VREF端為芯片5.1V基準(zhǔn)電壓輸出端[3].

圖2 UC3825B內(nèi)部電路Fig.2 In ternal circuito f UC3825B

2.2 基本外圍電路設(shè)計

UC 3825B外圍電路如圖3所示.

UC3825B PWM 芯片自身具有前沿消隱功能,在4腳CL K/LEB與地之間接一個電容C 20,即可實(shí)現(xiàn)電流前沿消隱,將開通時的采樣電流尖峰濾除,可以避免尖峰引起的誤關(guān)斷,消隱的時間可以通過調(diào)節(jié)電容的大小來實(shí)現(xiàn).電容的值可通過下式求得:TLEB=0.5RC;式中TLEB為前沿消隱時間,可根據(jù)實(shí)測的電流波形估算得到,R為芯片內(nèi)部電阻(10kΩ).

圖3 UC3825N外圍電路Fig.3 Peripheral circu itof UC3825B

圖3中R 50、R 51、R 27與Q 2構(gòu)成斜坡補(bǔ)償電路,它們組成一個射級跟隨器,目的在于增大補(bǔ)償電路的等效阻抗,從而減小其對振蕩電路工作頻率的影響[4];R 50與R 51的上拉分壓使CT耦合到三極管Q 2基極的信號高于其導(dǎo)通門檻電壓,在占空比很小時也能連續(xù)調(diào)節(jié).脈沖電源輸出的占空比是通過誤差放大器來實(shí)現(xiàn)的.D-SET為占空比給定端,Pin14腳經(jīng)過時間常數(shù)很大的濾波環(huán)節(jié)變?yōu)橹绷麟妷鹤鳛檎伎毡确答?R 21、R 22、C 16、C 17 構(gòu)成P I調(diào)節(jié)器.

圖3中Is為逆變電路原邊母線電流采樣信號,為直流脈沖信號;它與斜坡補(bǔ)償電路、誤差放大器構(gòu)成峰值電流控制模式,另外經(jīng)過時間常數(shù)較小的RC濾波后至芯片的IL IM 端,進(jìn)行逐個脈沖峰值電流保護(hù).

2.3 滅弧保護(hù)電路設(shè)計

采弧電路的原理是利用羅果夫斯基線圈將感應(yīng)到的輸出母線的電流變化率轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘朳5].如圖4所示,羅果夫斯基線圈T 1的原邊A、B為負(fù)載母線,次邊接D 3為半波整流二極管,R 11、C4組成濾波電路.當(dāng)負(fù)載母線的電流波動時,T 1的次邊會有感應(yīng)電壓信號輸出,且電流變化率越大,電壓幅值越大.弧光放電時,負(fù)載電流以很大的電流上升率迅速增大,T 1次邊輸出相應(yīng)幅值的電壓.

圖4中CD 4528為雙單元的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)芯片,管腳1到管腳7為其中一個單穩(wěn)態(tài)的引腳,管腳9到管腳15為另一個單穩(wěn)態(tài)的引腳,管腳8、16分別為芯片的地和電源;Pin11、Pin14通過二極管D 1、D 2或后,作為脈沖電源的脈沖輸出同步信號,利用其上升沿觸發(fā)產(chǎn)生一延遲的脈沖,連接到另一單穩(wěn)態(tài)的CD端即管腳13;當(dāng)13腳為高電平時12腳觸發(fā)失效,這就可以避免由正常輸出脈沖上升沿引起地誤觸發(fā).這個時間主要根據(jù)輸出脈沖電流的正常上升時間以及PWM信號與輸出電流信號之間的延時來決定,然后通過調(diào)節(jié)R 15、C12的值得到.

當(dāng)采弧電路采到打弧信號以后,經(jīng)過RC濾波,為防止有的弧過大而轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉笃浞蹈哂赩DD 以至損壞CD 4528,用D 8、D 9將其電壓幅值箝位在0～VDD之間;當(dāng)其值達(dá)到觸發(fā)電位,單穩(wěn)態(tài)立即產(chǎn)生一個shu tdow n信號去封鎖PWM 脈沖.該脈沖時間通過調(diào)節(jié)C 14、R 16的值設(shè)定.針對本電源的特殊應(yīng)用,我們將打弧保護(hù)方式設(shè)置為:在弧較少時只封鎖3～5個輸出脈沖周期,在弧較多時進(jìn)入軟啟動“打嗝”保護(hù).我們將滅弧保護(hù)時間設(shè)置為PWM芯片的振蕩周期的2～3倍,并且根據(jù)軟啟動電容內(nèi)部充電電流為9μA,放電電流為250μA,設(shè)置合適的軟啟動電容值,使其放電時間與滅弧保護(hù)時間相配合以達(dá)到所需要的保護(hù)效果.

圖4 滅弧電路Fig.4 A rc ex tingu ish ing circu it

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在電源調(diào)試成功后,經(jīng)過帶實(shí)驗(yàn)爐體負(fù)載,對關(guān)鍵點(diǎn)波形測試,如圖5所示.

圖5 實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experim en talw avefo rm s

其中(a)圖為負(fù)載峰值電流為20A,占空比為80%時的波形;(b)圖中CH 1為負(fù)載電流,CH 2為shu tdow n信號;在弧少時,經(jīng)過打弧封鎖輸出后,以較小的占空比輸出脈沖;(c)圖中CH 1為負(fù)載電流波形,CH 2采弧電路輸出波形;它是由正常輸出脈沖的上升沿引起,所以沒有觸發(fā)shu tdow n信號,電源正常輸出;(d)圖中CH 1、CH 2與(c)相同,它顯示了在采到真正的打弧信號以后輸出電流被封鎖;從圖中可以得知從采到打弧信號到封鎖輸出脈沖的延時約為2.5μs.

4 結(jié)語

設(shè)計的離子氮化脈沖電源控制電路能很好地滿足離子氮化的需求;同時電源具有體積小、重量輕、耗材省、效率高的特點(diǎn).設(shè)計的快速滅弧電路滅弧快,性能優(yōu)于現(xiàn)有脈沖電源,大大減少了氮化過程中的打弧、過流等大電流沖擊,達(dá)到了較好的保護(hù)效果.

[1] 高仰之,劉英祺.離子滲氮技術(shù)的進(jìn)展[J].熱處理特別策劃專輯,2003,7:9-11.

[2] Pressm an A I.開關(guān)電源設(shè)計[M].2版.王志強(qiáng),譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005:97.

[3] 倪海東,蔣玉萍.高頻開關(guān)電源集成控制器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:46.

[4] 夏澤中,李遠(yuǎn)正,陶小鵬.峰值電流模式斜坡補(bǔ)償電路研究[J].電力電子技術(shù),2008,42(12):71-73.

[5] W ang Baocheng,W ang Deyu,W uW eiyang.A Rogow sk i co il cu rren t transducer designed fo r w ide bandw id th cu rren t pu lse m easu rem en t[J]. Pow er E lectronics and M o tion Con tro l Conference,IPEM C’09 IEEE 6th In ternational,2009(1):1 046-1 049.