研制了一臺零電壓軟開關中頻交流脈沖放電電源，應用于碳納米管的制備，以乙炔作為碳源，在反應容器中通入氦氣，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計思路和實現(xiàn)方案。該電源采用三相橋式不可控整流拓撲電路、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，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，同時實現(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)。通過對放電試驗結果的觀測，此電源各項指標運行正常，工作穩(wěn)定，電磁干擾小，具有良好的應用價值。

　　該電源設計應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械特性的獨特納米結構。

　　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電性、高表面積比、高穩(wěn)定性等特點，于電化學領域的應用非常廣泛，比如可用作電化學傳感器、超級電容器、鋰離子電池等電化學器件的電極材料，并以其優(yōu)異的電學和熱學特性在場發(fā)射顯示器、場效應晶體管、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合成法等。電弧放電法是以乙炔作為碳源，在反應容器中通入氦氣以此保證容器中的含氧量低于安全標準，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的發(fā)展，開關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也增加了電力電子器件的開關損耗，造成嚴重的電磁干擾。采用軟開關技術可以有效降低IGBT 開通和關斷損耗和電磁干擾。要根據(jù)要求，在脈沖電源的主電路和控制驅動電路方面做相應的調(diào)整和設計，在研制過程中要嚴格把控尖端的距離、曲率及溫度、濕度氣壓等工作環(huán)境的影響。尖端放電時，其阻抗很小，電流很大，如果電流上升太快會對電源本身造成一定的影響并且會導致電壓快速拉低。因此需要有意的放大變壓器的漏感來抑制電流的上升，同時在電源設計中必須考慮適當?shù)碾娏鳈z測電路，使該電路檢測到過流信號時關斷SG3525 脈沖輸出�；�于此，設計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。最后實驗驗證電源工作的可靠性，包括電弧是否具有足夠的能量，放電是否會觸發(fā)電源的短路保護以及電源本身對EMI 電磁干擾的屏蔽能力等。

1、設計框圖和主電路設計

　　1.1、電源電路設計框圖

　　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。單片機和CPLD 完成控制回路和保護回路。通過單片機給定SG3525 的2 腳設定值，電壓信號反饋接入SG3525 的1 腳，實現(xiàn)BUCK 電路輸出電壓閉環(huán)控制， 輸出電壓范圍可調(diào)。單片機芯片采C8051F020，C8051F020 擁有8 個8 位的I/O 端口，大量減少了外部連線和器件擴展，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)處理的測控領域。單片機還可以通過CAN 通信接收人機界面的電壓電流等設定值，并將檢測到的數(shù)值和故障等信號通過CAN 通信至人機界面進行顯示。

圖1 電源框圖

　　1.2、主回路設計

　　主電路結構如圖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 電路實現(xiàn)電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)，通過半橋逆變電路實現(xiàn)直流到交流的轉換，最后通過升壓變壓器輸出所需的電壓。

圖2 主電路結構

　　1.3、驅動回路設計

　　根據(jù)IGBT 的工作特性，理想的IGBT 驅動電路應具有以下性能：

　　1、驅動電路為IGBT 提供一定幅值的正反向柵極電壓VGE。開通時正向柵極電壓的幅值應該令IGBT 產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗最小。關斷IGBT 時， 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，縮短關斷損耗時間，提高IGBT 的耐壓和抗干擾能力。采用反偏壓可以減小關斷損耗，提高IGBT 工作的可靠性。

　　2、驅動電路具有隔離輸出、輸出信號功能，同時信號的傳輸延遲低。

　　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，進而控制IGBT 器件的開關損耗。

　　4、驅動電路應該穩(wěn)定，提供足夠的驅動功率。

　　圖3 示出IGBT 驅動具體電路。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通，當漏極電流大到一定程度，正偏壓足以使晶體管導通，進而使寄生晶體管導通，柵極失去控制，發(fā)生擎柱效應。此時關斷無效，集電極電流很大致使IGBT 損壞。當最嚴重的過電流情況，即短路發(fā)生時，電流很快達到額定電流的4~5 倍，此時必須盡快關斷器件，否則將很快損壞器件。通常采取的保護措施有軟關斷和降柵壓兩種。軟關斷指在過流和短路時，直接關斷IGBT。

　　但是，軟關斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關斷，很容易發(fā)生誤動作。為增加保護電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動保護電路之間加一延時，不過故障電流會在這個延時內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時還會導致器件的di/dt 增大。所以往往是保護電路啟動了，器件仍然壞了。降柵壓旨在檢測到器件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍維持導通。降柵壓后設有固定延時，故障電流在這一延時期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時器件的功耗，延長了器件抗短路的時間，而且能夠降低器件關斷時的di/dt，對器件保護十分有利。若延時后故障信號依然存在，則關斷器件，若故障信號消失，驅動電路可自動恢復正常的工作狀態(tài)，因而大大增強了抗騷擾能力。圖4示出IGBT 過電流保護電路。

圖3 IGBT 驅動電路

圖4 IGBT 驅動過流保護電路

　　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，R7 兩端電壓小于6v，則晶體管V1 始終保持截止狀態(tài)。IGBT 通過柵極電阻R3正常導通和關斷。

　　當電路發(fā)生過電流和短路時，信號電阻R7端電壓上升，當電壓上升到6.07V 時，晶體管V1導通，電容C2 通過電阻R5 充電，電容電壓從零開始上升，a 點電壓開始下降，當a 點電壓下降到約13.6V 時，晶體管V2 導通，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，進而控制VCE 的下降速度；當電容電壓上升到電阻R4 鉗位電壓時或者過流保護結束時，慢降柵極電壓過程結束，通過調(diào)節(jié)電阻R5 的數(shù)值可以設定慢降柵壓過程結束時，驅動電壓VCE 的數(shù)值。

　　2、結語

　　測試結果表明，在電源運行放電期間，電源能正常工作，電磁干擾小，達到了預期設計目標，在占空比等于20%時，IGBT 能實現(xiàn)零電壓開通，減小IGBT 的開通損耗，提高了開關電源的工作效率。而在電路仿真中，半橋逆變IGBT 脈沖占空比為28%時才能實現(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，導致仿真結果與實測有偏差。

　　利用變壓的漏感抑制了放電時電流的上升，能有效的保護電源。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，如機箱外殼可靠的接地就可以很大提高電源的可靠性。