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1、摘 要本设计首先从脉冲电源的技术性能指标出发，设计了整流电路、滤波电路、斩波电路等主电路，并阐述了高能脉冲电源的设计思想。根据主电路的特点，设计了控制电路的硬件和软件，控制电路核心采用PIC16F877单片机来实现。控制单元主要完成对晶闸管触发角的控制、功率开关管IGBT的开关频率和占空比的控制，还有电流反馈的闭环控制。其中，电流反馈的闭环控制，采用数字PID控制算法。电源是离子渗氮热处理系统最主要的组成部分，长期以来采用的直流电源供电系统具有损耗大、容易产生空心阴极效应等不足。20世纪80年代发展起来的斩波型脉冲电源可以缓解这些方面的问题。本设计就是基于此背景进行的。关键词:离子渗氮，整流，
2、斩波，脉冲电源AbstractThe dosign starts from the target of technique capability of pulsed,power supply first .It contains commute circuit,chopping,cutting offsrc discharge circuit and other main circuits,moreover,it has expounded the indea of high energetic pulsing do power supply.According to the main cir
3、cuits trait,it hasresearched herrdware and software of the control circuit which adopt the PIC16F877 single parcel machine. And the tasks of the control circuit are to control the thyristors trigger angle ,and the switching frequency of the IGBT ,and the duty ratio,still and the closed loop control
4、of the current feedback.The closed loop control of the current feedback adopts the digital PID control.The power supply is the most important part of plasma heat-treating. For a long time, do power supply has been widely used although it has the shortages as large power dissipation and serious effec
5、t of the hollow cathode soon.It is the background of which the design was carriedon originally.Key words:Plasma nitriding,Rectification,Chopping,Pulsed power supply目 录第1章 引言11.1离子渗氮热处理对电源的要求21.2脉冲电源发展动态31.3 单片机的发展31.4本论文研究内容和特点61.5任务来源与技术指标6第2章 系统总体设计72.1工艺对脉冲电源的技术要求72.2 脉冲电源系统的主要部分82.2.1 滤波电路82.2.2
6、 斩波电路92.2.3 高频升压、整形92.2.4 控制电路92.2.5 可控整流模块92.3 脉冲电源工作原理和系统组成92.4 各功能模块的设计指标102.4.1 可控整流模块设计指标102.4.2 升压斩波电路102.4.3 控制模块设计指标102.4.4总体要求11第3章 可控整流电路设计123.1 相控整流主电路设计与计算123.1.1 三相可控整流电路12312 可控整流电源系统的发展与现状1231.3 直流稳压电源的设计143.1.4 主回路理论分析153.1.5 整流变压器的设计183. 1.6 中间滤波器设计2032斩波电路233.3晶闸管的选择和保护电路设计253.3. 1
7、晶闸管的选择253.3.2晶闸管的保护263. 3. 3晶闸管的过电压保护263.3.4晶闸管的过电流保护303.4晶闸管驱动电路的设计303.4. 1移相控制原理303.4.2晶闸管驱动信号要求323.5 吸收电路工作原理333.5.1 吸收电路参数计算33第4章 驱动电路设计354.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT）354.1.1 IGBT的工作原理354.1.2 IGBT对驱动电路的要求3642 IGBT的保护374.2.1 IGBT的过压保护384.2.2 IGBT的过电流保护404.3 IGBT驱动保护414.4 驱动模块EXB851414.4.1 IGBT驱动电路的设计424.5 辅
8、助电源的设计46第5章 控制电路设计475.1 实现控制原理的硬件设计要求和软件设计要求4752 整流电路电压闭环控制485.3 比例积分调节器485.3.1 PID控制5054 触发电路的设计51总 结58参考文献和技术资料：59英文原始资料翻译：60致 谢82附录183附录2100I 第1章 引言热处理行业的发展与机械工业的发展密不可分，并对机械工业的发展起着积极的推动作用。制造业要发展，就必须要重视产品的内在质量和表面质量。作为主要提高机械产品内在质量的热处理工序，理应对提高产品质量水平和质量稳定做出更多的贡献。从目前看，我国热处理行业先进热处理工艺的普及程度较低，关键机械零件的热处理质
9、量不高、不稳定，从而影响零件的使用寿命和可靠性。 我国热处理业内人士认为，在激烈的市场竞争中，热处理行业要加快专业化生产的步伐，对国内己有较好基础、需求量较大的先进热处理设备，如真空热处理炉、各类密封多用炉等加以重点发展，使产品上升到一个新档次，以利于赢得国内外市场的竞争。离子渗氮、离子氮碳共渗等这类等离子热处理工艺具有渗透快、渗层质量好、变形小、无公害、节能节气等优点，能显著提高零部件的表面硬度、增强抗磨损力和咬合力、提高疲劳强度，从而提高零部件、工模具的质量和使用寿命。辉光离子氮化炉的常用电源是三相可控桥式整流电路，其输出为01000伏可调的直流电压，直接向氮化炉体内供电。这种供电方式叫做
10、离子氮化炉直流型电源直接供电方式。其中可控整流元件采用晶闸管。晶闸管是一种新型的电力半导体电子器件。它具有重量轻、体积小、功率大、效率高、无转动部分和便于实现自动控制等优点。其广泛应用于离子氮化炉可控直流电源中。但是，离子氮化炉采用直流型电源直接供电方式会存在某些不足之处。因为需要氮化的工件表面不可避免地会有油污等挥发性物质、氧化皮或者一些碱性金属氧化物，所以这些地方电子发射比较集中，使得在刚接通电源的一段时间内，氮化过程很容易由辉光放电过渡到弧光放电(打弧)。如果不及时采取措施灭弧或限制打弧电流，将会使工件表面烧伤造成麻点甚至报废，可控直流电源本身也因为打弧产生过载甚至有损坏晶闸管整流模块的
11、危险。因此，为了减少电弧的产生，除了在装炉前将工件进行清洗，除去油污等措施外，还需要在直流型直接供电系统中采取必要的灭弧措施，以保护工件和电源设备的安全。常用的方法是用限流电阻灭弧、LC振荡灭弧等。这些灭弧电路的灭弧效果都不是很理想的。因为串联限流电阻灭弧能耗大，LC振荡灭弧时间长，能耗也大，而且存在故障率高、可靠性差等缺点。要克服直流型电源直接供电方式中的缺点，较好的办法是将直流型电源直接供电方式改为脉冲型电源供电方式。实践证明脉冲型电源具有明显的节能效果。脉冲型离子氮化炉电源的优点：脉冲型电源是在传统的直流型电源的基础上发展起来的新一代离子氮化炉电源。其实际是在传统的直流型电源与负载之间串
12、联一个斩波器，并将原有的灭弧电路取消。实践证明，这种脉冲型电源能较好地改善空心阴极效应，能抑制在工件小孔、窄缝等处产生的弧光放电。因此适用于工件型状比较复杂、摆放难以保证一致的场合，也适用于离子渗碳，离子渗金属等由于高温易产生工件变形的场合。1.1离子渗氮热处理对电源的要求离子渗氮热处理是一种在等离子环境中将N离子扩散到工件表面使工件表面硬化的处理技术。当氮化炉中的气体压力减小时，炉内的两个不同电位的电极之间在不高的电位差时就会产生辉光放电，将氮气电离产生活性N离子，N离子轰击并加热，工件表面发生化学反应，生成核化物，从而实现工件硬化。一般采用高压直流电源产生辉光放电，激发离子。但是，采用直流
13、电源的离子渗氮技术存在一系列的问题和一些难以克服的缺点。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，一般的电路除设计一LC振荡灭弧、电流截止灭弧以外，都串联有限流电阻R，不利于工艺控制的同时增加了损耗。2、在离子渗氮过程中，炉内电压、电流必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/cm时才足以产生辉光放电。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。严重时冷却水带走的能量占总功率的40%之多。3、工件上的小孔、深孔、沟槽部分常常产生空心阴极效应，造成局部温度过高、硬度下降
14、，对于复杂的工件，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。所以，20世纪80年代后期，西德、法国等先后把脉冲电源辉光放电技术应用于热处理，取得了较好的效果。采用脉冲电源进行离子渗氮的优点包括:1、在脉冲电压的作用下，炉内气体放电受高频功率器件的开关通断控制，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，因而去掉了限流电阻，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调节来实现，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
15、、空心阴极效应的产生是由于离子与电子的相互作用，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。离子渗氮热处理用脉冲电源有两种类型:一是逆变型脉冲电源。逆变型脉冲电源脉冲频率高，动态响应快，省去了体积庞大、笨重的工频变压器及其损耗，提高了离子渗氮的灭弧速度。是离子渗氮热处理用电源的发展方向。二是斩波型脉冲电源。铁道部金化所1992年在国内首先研制成功GTO斩波型脉冲电源，现场实践证明斩波型脉冲电源与直流电源相比，不仅节电30%左右，而且能迅速可靠灭弧，可减弱或抑制空心阴极效应，利于带深孔、沟槽等复杂零部件及齿轮根部的渗氮处理，能提高工件温度均匀性和渗氮质量。1.2脉冲电源发展动态脉冲电源的形式和用途有多种，其主要的应用领域包括
