摘要：文章通過對比，論述了離子滲氮用直流電源的缺點以及脈沖電源在克服相應問題上的優勢，研制了100kW離子滲氮用脈沖電源，文章介紹了電路原理，此電源具有較大的推廣應用價值。

關鍵詞：離子滲氮脈沖電源

1引言

輝光離子滲氮作為一種硬度高、變形小的鋼鐵表面強化技術在工業領域已得到了廣泛的應用。但傳統的離子滲氮直流電源存在一系列的問題，有一些難以克服的缺點：

(1)離子滲氮過程中既要防止大電弧的形成，降低電弧能量、又要利用微弧清洗凈化工件，一般的電路除設計有LC振蕩滅弧、電流截止滅弧以外，都串聯有限流電阻R，見圖1。

圖1直流電源原理示意圖

　　(2)在離子滲氮過程中，爐內電壓、電流須處于異常輝光放電區的范圍，這樣才能保證工件均勻地被輝光覆蓋，一般當離子功率密度大于0.4W/cm2時才足以產生輝光放電，見圖2。有時由升溫階段轉向保溫階段，為了維持一定的輝光功率并保持溫度，只有增大冷卻水流量。據介紹，嚴重時冷卻水帶走的能量占總功率的40％之多。

圖2低壓氣體放電伏安特性曲線

　　(3)工件上的小孔、深孔、溝槽部分常會產生空心陰極效應，造成局部溫度過高、硬度下降，對于形狀復雜的工件，如模具等難以獲得均勻的滲氮層。

如果是采用脈沖電源進行離子滲氮，可以克服以上不足之處，其優點如下：

(1)在脈沖電壓的作用下，爐內氣體放電受高頻電子開關的通斷控制，電流電壓自然過零，自身具有滅弧的功能，由于采用自關斷器件，滅弧速度可達微秒級，因而取消了限流電阻，可大幅度節能。

(2)在提供大的瞬時能量的同時，可以保持較小的平均能量，可將工件升溫、保溫所需的離子能量借助于導通比α來調節，從而將輝光放電的物理參數與控制溫度的參數分開，實現獨立調整，提高滲氮質量。

(3)空心陰極效應的產生是由于離子－電子的相互作用，產生雪崩效應，引起載流子的聚集所造成的，采用脈沖電源后載流子的聚集被脈沖間隙中斷，從而抑制了空心陰極效應，改善了復雜零件的溫度均勻性。另外，對于原來需要堵孔屏蔽的某些零件可直接裝爐滲氮，簡化了工序。

2采用的方案

根據離子滲氮工藝的要求，脈沖電源的工作頻率為2kHz左右，最高工作電壓為1000V，電流幅值約為100A。在電源的控制電路中，要求對脈沖的占空比進行調節，對爐內溫度實現PID調節控制，對打弧進行檢測與保護。主電路可以有多種方式，如：直流斬波方式、逆變方式等，可選用的開關器件也很多。考慮到成本及電路的簡潔可靠，本電源采用直流電源加斬波部分及控制部分，具體框圖如下：

圖3脈沖電源框圖

3電源工作原理

3.1主電路

　　三相交流電經電源變壓器升壓后，再經晶閘管三相半控橋式整流、濾波，輸出連續可調0～1000V直流電壓，爐體陰極與電源負極之間接一大功率IGBT管進行斬波，IGBT兩端并聯一RCD緩沖吸收電路，用以吸收IGBT瞬時關斷時電路中形成的過壓，并配以LEM電流、電壓傳感器向控制電路提供反饋信號。

圖4主電路原理簡圖