研制了一臺零電壓軟開關(guān)中頻交流脈沖放電電源，應(yīng)用于碳納米管的制備，以乙炔作為碳源，在反應(yīng)容器中通入氦氣，在兩電極之間激發(fā)出電弧為碳納米管生長提供環(huán)境。本文給出了交流脈沖電源的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案。該電源采用三相橋式不可控整流拓?fù)潆娐贰�PWM 整流電路、半橋逆變電路的方案。根據(jù)放電過程中電流急劇上升的特點(diǎn)，繞制了具有高漏感的變壓器，利用變壓器漏感來抑制放電過程電流上升的速率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了IGBT 的零電壓開通。該電源輸出峰值電壓5kv-12kv 連續(xù)可調(diào), 頻率為8kHz，脈寬占空比16%~20%可調(diào)。通過對放電試驗(yàn)結(jié)果的觀測，此電源各項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)行正常，工作穩(wěn)定，電磁干擾小，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

　　該電源設(shè)計(jì)應(yīng)用于電弧放電法制備碳納米管。碳納米管1991 年由日本NEC 公司的S.Iijima在石墨電弧放電形成的陰極沉積物中發(fā)現(xiàn)，是一種具有顯著電子特性和機(jī)械特性的獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)。

　　自發(fā)現(xiàn)以來，對其性質(zhì)和用途的研究日益增多。由于碳納米管具有高導(dǎo)電性、高表面積比、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，于電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，比如可用作電化學(xué)傳感器、超級電容器、鋰離子電池等電化學(xué)器件的電極材料，并以其優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)特性在場發(fā)射顯示器、場效應(yīng)晶體管、單電子晶體管等納電子器件以及集成電路中作為互連線的應(yīng)用上具有巨大的潛能。常用的碳納米管制備方法主要有：電弧放電法、激光燒蝕法、化學(xué)氣相沉積法、固相熱解法、輝光放電法、氣體燃燒法以及聚合反應(yīng)合成法等。電弧放電法是以乙炔作為碳源，在反應(yīng)容器中通入氦氣以此保證容器中的含氧量低于安全標(biāo)準(zhǔn)，在兩極之間激發(fā)出電弧，乙炔裂解沿著激發(fā)出的離子生長生成無定型碳和單壁或多壁的碳納米管。

　　隨著電力電子器件制作工藝技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的工作頻率得以不斷的提高，電源工作頻率的提高在減小電源的體積、重量、提高工作效率的同時(shí)也增加了電力電子器件的開關(guān)損耗，造成嚴(yán)重的電磁干擾。采用軟開關(guān)技術(shù)可以有效降低IGBT 開通和關(guān)斷損耗和電磁干擾。要根據(jù)要求，在脈沖電源的主電路和控制驅(qū)動(dòng)電路方面做相應(yīng)的調(diào)整和設(shè)計(jì)，在研制過程中要嚴(yán)格把控尖端的距離、曲率及溫度、濕度氣壓等工作環(huán)境的影響。尖端放電時(shí)，其阻抗很小，電流很大，如果電流上升太快會(huì)對電源本身造成一定的影響并且會(huì)導(dǎo)致電壓快速拉低。因此需要有意的放大變壓器的漏感來抑制電流的上升，同時(shí)在電源設(shè)計(jì)中必須考慮適當(dāng)?shù)碾娏鳈z測電路，使該電路檢測到過流信號時(shí)關(guān)斷SG3525 脈沖輸出�；�于此，設(shè)計(jì)并研制了一臺輸出峰值電壓5kV-12kV 連續(xù)可調(diào)，頻率為8kHz，脈寬占空比16%~20%可調(diào)的交流脈沖電源，此電源具有多級短路過流保護(hù)保證其工作的可靠性，充分利用變壓器的漏感減小了電源的體積。最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電源工作的可靠性，包括電弧是否具有足夠的能量，放電是否會(huì)觸發(fā)電源的短路保護(hù)以及電源本身對EMI 電磁干擾的屏蔽能力等。

1、設(shè)計(jì)框圖和主電路設(shè)計(jì)

　　1.1、電源電路設(shè)計(jì)框圖

　　如圖1 所示，電源電路主要由以下幾部分組成：(1)三相整流濾波；(2)BUCK 電路；(3)中頻逆變；(4) 升壓變壓器；(5)3525 PWM 輸出；(6)過流檢測；(7)面板液晶顯示

　　其中，三相整流濾波、BUCK 電路、逆變電路、LC 諧振電路和變壓器組成電源的主回路。單片機(jī)和CPLD 完成控制回路和保護(hù)回路。通過單片機(jī)給定SG3525 的2 腳設(shè)定值，電壓信號反饋接入SG3525 的1 腳，實(shí)現(xiàn)BUCK 電路輸出電壓閉環(huán)控制， 輸出電壓范圍可調(diào)。單片機(jī)芯片采C8051F020，C8051F020 擁有8 個(gè)8 位的I/O 端口，大量減少了外部連線和器件擴(kuò)展，有利于提高可靠性和抗干擾能力，特別適用于需大量數(shù)據(jù)處理的測控領(lǐng)域。單片機(jī)還可以通過CAN 通信接收人機(jī)界面的電壓電流等設(shè)定值，并將檢測到的數(shù)值和故障等信號通過CAN 通信至人機(jī)界面進(jìn)行顯示。

圖1 電源框圖

　　1.2、主回路設(shè)計(jì)

　　主電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。它主要由三相整流濾波電路、絕緣柵雙極性晶閘管IGBT1(仿真圖2主電路中以sw1-14 開關(guān)代替，下同)，反向連接的二極管，電感L1 組成BUCK 電路、電容C2、C3和IGBT2、IGBT3 組成逆變電路、升壓變壓器組成。

　　工作原理為：三相交流電(380V)通過三相整流濾波電路后成為紋波很小的直流電， 經(jīng)過BUCK 電路實(shí)現(xiàn)電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)，通過半橋逆變電路實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，最后通過升壓變壓器輸出所需的電壓。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)

　　1.3、驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)IGBT 的工作特性，理想的IGBT 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有以下性能：

　　1、驅(qū)動(dòng)電路為IGBT 提供一定幅值的正反向柵極電壓VGE。開通時(shí)正向柵極電壓的幅值應(yīng)該令I(lǐng)GBT 產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗最小。關(guān)斷IGBT 時(shí)， 為IGBT 提供-5V～-15V 的反向柵極電壓， 以便盡快抽取IGBT 器件內(nèi)部的存儲電荷，縮短關(guān)斷損耗時(shí)間，提高IGBT 的耐壓和抗干擾能力。采用反偏壓可以減小關(guān)斷損耗，提高IGBT 工作的可靠性。

　　2、驅(qū)動(dòng)電路具有隔離輸出、輸出信號功能，同時(shí)信號的傳輸延遲低。

　　3、柵極回路中必須串聯(lián)合適的柵極電阻Rg，用以控制柵極電壓的前后沿陡度，進(jìn)而控制IGBT 器件的開關(guān)損耗。

　　4、驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該穩(wěn)定，提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率。

　　圖3 示出IGBT 驅(qū)動(dòng)具體電路。IGBT 內(nèi)部有寄生晶體管，在規(guī)定漏極電流范圍內(nèi)，其產(chǎn)生的正偏壓不足以使晶體管導(dǎo)通，當(dāng)漏極電流大到一定程度，正偏壓足以使晶體管導(dǎo)通，進(jìn)而使寄生晶體管導(dǎo)通，柵極失去控制，發(fā)生擎柱效應(yīng)。此時(shí)關(guān)斷無效，集電極電流很大致使IGBT 損壞。當(dāng)最嚴(yán)重的過電流情況，即短路發(fā)生時(shí)，電流很快達(dá)到額定電流的4~5 倍，此時(shí)必須盡快關(guān)斷器件，否則將很快損壞器件。通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降柵壓兩種。軟關(guān)斷指在過流和短路時(shí)，直接關(guān)斷IGBT。

　　但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作。為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動(dòng)保護(hù)電路之間加一延時(shí)，不過故障電流會(huì)在這個(gè)延時(shí)內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致器件的di/dt 增大。所以往往是保護(hù)電路啟動(dòng)了，器件仍然壞了。降柵壓旨在檢測到器件過流時(shí)，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時(shí)，故障電流在這一延時(shí)期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/dt，對器件保護(hù)十分有利。若延時(shí)后故障信號依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了抗騷擾能力。圖4示出IGBT 過電流保護(hù)電路。

圖3 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路

圖4 IGBT 驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路

　　通過霍爾電流傳感器直接檢測IGBT 的集電極電流IC，并選擇合適的信號電阻R7，使其在正常工作狀態(tài)下時(shí)，R7 兩端電壓小于6v，則晶體管V1 始終保持截止?fàn)顟B(tài)。IGBT 通過柵極電阻R3正常導(dǎo)通和關(guān)斷。

　　當(dāng)電路發(fā)生過電流和短路時(shí)，信號電阻R7端電壓上升，當(dāng)電壓上升到6.07V 時(shí)，晶體管V1導(dǎo)通，電容C2 通過電阻R5 充電，電容電壓從零開始上升，a 點(diǎn)電壓開始下降，當(dāng)a 點(diǎn)電壓下降到約13.6V 時(shí)，晶體管V2 導(dǎo)通，柵極電壓VCE 隨電容電壓的上升而下降，通過調(diào)節(jié)C1 的數(shù)值，可控制電容的充電速度，進(jìn)而控制VCE 的下降速度；當(dāng)電容電壓上升到電阻R4 鉗位電壓時(shí)或者過流保護(hù)結(jié)束時(shí)，慢降柵極電壓過程結(jié)束，通過調(diào)節(jié)電阻R5 的數(shù)值可以設(shè)定慢降柵壓過程結(jié)束時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓VCE 的數(shù)值。

　　2、結(jié)語

　　測試結(jié)果表明，在電源運(yùn)行放電期間，電源能正常工作，電磁干擾小，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，在占空比等于20%時(shí)，IGBT 能實(shí)現(xiàn)零電壓開通，減小IGBT 的開通損耗，提高了開關(guān)電源的工作效率。而在電路仿真中，半橋逆變IGBT 脈沖占空比為28%時(shí)才能實(shí)現(xiàn)零電壓開通，主要是由于在Saber 軟件中變壓器建模的困難，一方面是由于自行繞制的變壓器各項(xiàng)參數(shù)控制精確度不高，另一方面是由于Saber 軟件中變壓器模型不能添加溫度，磁芯材料等條件，導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)測有偏差。

　　利用變壓的漏感抑制了放電時(shí)電流的上升，能有效的保護(hù)電源。由于該脈沖電源工作頻率較高，電磁干擾不可忽視，特別是輻射干擾，所以做好各種干擾的屏蔽是有效的，如機(jī)箱外殼可靠的接地就可以很大提高電源的可靠性。