离子渗氮用脉冲电源的研制

摘要：文章通过对比，论述了离子渗氮用直流电源的缺点以及脉冲电源在克服相应问题上的优势，研制了100kW离子渗氮用脉冲电源，文章介绍了电路原理，此电源具有较大的推广应用价值。

关键词：离子渗氮脉冲电源

1引言

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：

(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。

2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

3电源工作原理

3.1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