本实用新型涉及氮化热处理领域，尤其涉及一种中高频离子氮化热处理脉冲电源及其控制系统。
背景技术：
电源技术的发展严重影响了离子淡化处理工艺的发展。国内的氮化热处理还处于80年代的水平。在热处理行业的发展，普及程度远不及国外。90年代初期热处理电源主要采用直流电源，但此类电源灭弧效果不好。现有的氮化热处理工艺，采用低频电源加工件，但是工件合格率仍然较低。
技术实现要素：
本实用新型实施例提供一种中高频离子氮化热处理脉冲电源及其控制系统，以解决现有氮化热处理工艺，采用现有电源加工工件，工件合格率较低的技术问题。本实用新型实施例通提供的电源能够提高工件的合格率。
本实用新型实施例提供一种中高频离子氮化热处理脉冲电源，包括：
第一整流电路、变流电路、斩波电路和控制电路；所述变流电路包括全桥逆变电路、升压电路和第二整流电路；所述第一整流电路的输入端用于接收三相交流电，所述第一整流电路的输出端与所述全桥逆变电路的输入端连接；所述全桥逆变电路的输出端与所述升压电路的输入端连接，所述升压电路的输出端与所述第二整流电路的输入端连接；所述第二整流电路的输出端与所述斩波电路的输入端连接，所述斩波电路的输出端与炉体、工件依次连接；其中，所述炉体作为阳极、所述工件作为阴极；所述斩波电路的输出端还与所述控制电路的输入端连接；所述控制电路的第一控制端与所述斩波电路的受控端连接，所述控制电路第二控制端与所述变流电路的受控端连接。
优选地，所述第一整流电路为三相不可控整流电路，所述三相不可控整流电路包括：
第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻；
所述第一二极管的阳极与所述第四二极管的阴极连接；
所述第三二极管的阳极与所述第六二极管阴极连接；
所述第五二极管的阳极与所述第二二极管的阴极连接；
所述第一电容的负极与所述第二电容的正极连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接；
所述第一二极管的阴极连接到所述第三二极管的阴极，所述第三二极管的阴极连接到所述第五二极管的阴极，所述第五二极管的阴极连接到所述第一电容的正极、所述第一电容的正极连接到所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第一端为所述三相不可控整流电路的第一输出端；
所述第四二极管的阳极连接到所述第六二极管的阳极，所述第六二极管的阳极连接到所述第二二极管的阳极，所述第二二极管的阳极连接到所述第二电容的负极，所述第二电容的负极连接到所述第二电阻的第二端，所述第二电阻的第二端为所述三相不可控整流电路的第二输出端。
优选地，所述全桥逆变电路逆变电路采用的单相全桥逆变电路，所述单相全桥逆变电路包括：
第三电容、第四电容、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第一n型绝缘栅双极型晶体管、第二n型绝缘栅双极型晶体管、第三n型绝缘栅双极型晶体管、第四n型绝缘栅双极型晶体管；
所述第三电容的第二端与所述第四电容的第一端连接；
所述第七二极管的阳极与所述第八二极管的阴极连接，所述第一n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接并连接到所述第七二极管的阳极上，为所述逆变电路的第一输出端；
所述第三n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第四n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接；所述第九二极管的阳极与所述第十二极管的阴极连接并连接到所述第三n型绝缘栅双极型晶体管的发射极上，为所述逆变电路的第二输出端；
所述第九二极管的阴极连接到所述第三n型绝缘栅双极型晶体管的集电极，所述第三n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接到所述第七二极管的阴极，所述第七二极管的阴极连接到所述第一n型绝缘栅双极型晶体管的集电极，所述第一n型绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第三电容的第一端连接，为所述单相全桥逆变电路的第一输入端；
所述第十二极管的阳极连接到所述第四n型绝缘栅双极型晶体管的发射极，所述第四n型绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到所述第八二极管阳极，所述第八二极管的阳极连接到所述第二n型绝缘栅双极型晶体管的发射极，所述第二n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第四电容的第二端连接，为所述单相全桥逆变电路的第二输入端。
优选地，所述升压电路包括：第一高频变压器、第二高频变压器和第五电容；
所述第一高频变压器的原边线圈的第一端与第五电容的二端连接，所述第五电容的第一端为升压电路的第一输入端；
所述第一高频变压器的原边线圈的第一端还与所述第二高频变压器的原边线圈的第二端连接；所述第一高频变压器的第二端与所述第二高频变压器的第一端连接，为所述升压电路的第二输入端；
所述第一高频变压器的副边线圈的第一端与所述第二整流电路的第一整流电单元的第一输入端连接，所述第一高频变压器的副边线圈的第二端与所述第二整流电路的第一整流单元的第二输入端连接；
所述第二高频变压器的副边线圈的第一端与所述第二整流电路的第二整流单元的第一输入端连接，所述第二高频变压器的副边线圈的第二端与所述第二整流电路的第二整流单元的第二输入端连接。
优选地，所述第二整流电路为双重单相全桥整流电路，所述双重单相全桥整流电路包括：
第一整流单元和第二整流单元，所述第一整流单元和所述第二整流单元串联连接；
所述第一整流单元包括:
第六电容、第三电阻、第十一二极管、第七电容、第四电阻、第十二二极管、第八电容、第五电阻、第十三二极管、第九电容、第六电阻、第十四二极管；
所述第六电容和第三电阻串联连接后与所述第十一二极管并联连接；
所述第八电容和第五电阻串联连接后与所述第十三二极管并联连接；
所述第六电容的第一端连接到第十一二极管的阴极，所述第十一二极管的阴极连接到第八电容的第一端，所述第八电容的一端连接到所述第十三二极管的阴极，为所述整流电路的第一输出端；
所述第七电容与所述第四电阻串联连接，所述第九电容和所述第六电阻串联连接，所述第七电容的第一端连接到所述第十二二极管的阴极，所述第十二二极管的阴极连接到所述第九电容的第一端，所述第九电容的第一端连接到所述第十四二极管的阴极；所述第四电阻的第二端连接到所述第十二二极管的阳极，所述第十二二极管的阳极与所述第六电阻的第二端连接，所述第六电阻的第二端与所述第十四二极管的阳极连接；
所述第十一二极管的阳极，为所述第一整流单元的第一输入端，连接到所述第十二二极管的阴极；所述第十三二极管的阳极，为所述第一整流单元的第二输入端，连接到所述第十四二极管的阴极；
所述第二整流单元包括：
第十电容、第七电阻、第十五二极管、第十一电容、第八电阻、第十六二极管、第十二电容、第九电阻、第十七二极管、第十三电容、第十电阻、第十八二极管；
所述第十电容和第七电阻串联连接后与所述第十五二极管并联连接；
所述第十二电容和第九电阻串联连接后与所述第十七二极管并联连接；
所述第十电容的第一端连接到第十五二极管的阴极，所述第十五二极管的阴极连接到第十二电容的第一端，所述第十二电容的第一端连接到所述第十七二极管的阴极；
所述第十一电容与所述第八电阻串联连接，所述第十三电容和所述第十电阻串联连接，所述第十一电容的第一端连接到所述第十六二极管的阴极，所述第十六二极管的阴极连接到所述第十三电容的第一端，所述第十三电容的第一端连接到所述第十八二极管的阴极；
所述第八电阻的第二端连接到所述第十六二极管的阳极，所述第十六二极管的阳极连接到所述第十电阻的第二端，所述第十电阻第二端连接到所述第十八二极管的阳极，为所述整流电路的第二输出端；
所述第十五二极管的阳极，为所述第第二整流单元的第一输入端，连接到所述第十六二极管的阴极；所述第十七二极管的阳极，为所述第二整流单元的第二输入端，连接到所述第十八二极管的阴极；
所述第十二二极管的阳极与所第十五二极管的阴极连接。
优选地，所述斩波电路包括：
第一电感、第五n型绝缘栅双极型晶体管、第十九二极管、第十一电阻、第十五电容、第二十二极管、第十四电容、第六n型绝缘栅双极型晶体管、第二十一二极管、第十六电容、第十二电阻；
所述第十一电阻和所述第十五电容串联连接后与所述第十九二极管并联连接，所述第十九二极管的阴极与所述第五n型绝缘栅双极型晶体管集电极连接，所述第十九二极管的阳极与所述第五n型绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；
所述第十六电容和第十二电阻串联连接后与所述第二十一二极管并联连接，所述第二十一二极管的阳极与所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第二十一二极管的阴极与所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；
所述第一电感的第二端分别与所述第五n型绝缘栅双极型晶体管的集电极、第二十二极管的阳极连接，所述第二十二极管的阴极分别与所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的集电极、第十四电容的第一端连接；所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端为所述斩波电路的第一输出端，用于与氮化炉连接；所述第五n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第十四电容的第二端连接，为所述斩波电路的第二输出端，用于与工件连接；其中，所述炉体作为阳极，所述工件作为阴极。
第二方面，本实用新型实施例提供一种中高频离子氮化热处理脉冲电源的控制系统，包括：上述所述的脉冲电源以及控制电路；所述控制电路的第一控制端与所述斩波电路的受控端连接，所述控制电路第二控制端与所述变流电路的受控端连接，所述控制电路的输入端连接到所述斩波电路的第一输出端，用于接收所述斩波电路的输出端的输出信号。
优选地，中高频离子氮化热处理脉冲电源的控制系统，还包括：
显示电路，所述显示电路与所述控制电路连接。
相比于现有技术，本实用新型实施例的有益效果在于：
本实用新型实施提供了一种中高频离子氮化热处理脉冲电源，包括：第一整流电路、变流电路、斩波电路和控制电路；所述变流电路包括全桥逆变电路、升压电路和第二整流电路；所述第一整流电路的输入端用于接收三相交流电，所述第一整流电路的输出端与所述全桥逆变电路的输入端连接；所述全桥逆变电路的输出端与所述升压电路的输入端连接，所述升压电路的输出端与所述第二整流电路的输入端连接；所述第二整流电路的输出端与所述斩波电路的输入端连接，所述斩波电路的输出端与炉体、工件依次连接；其中，所述炉体作为阳极、所述工件作为阴极。采用本实用新型实施例提供的脉冲电源对工件进行氮化热处理，渗氮效果明显提升，提高了工件的耐磨度和硬度，以及提高了工件的合格率。
附图说明
图1是离子氮化过程示意图；
图2是气体直流放电的伏安特性曲线图；
图3是本实用新型实施例提供的中高频离子氮化热处理脉冲电源的结构图；
图4是本实用新型实施例提供的第一整流电路的电路图；
图5是本实用新型实施例提供的全桥逆变电路的电路图；
图6是本实用新型实施例提供的全桥逆变电路的输出电压波形图；
图7是本实用新型实施例提供的升压电路的电路图；
图8是本实用新型实施例提供的第二整流电路的电路图；
图9是本实用新型实施例提供的斩波电路的电路图；
图10是本实用新型实施例提供的斩波电路输出电压波形图；
图11是本实用新型实施例提供的电流i和电流变化率di/dt的波形对应图；
图12是本实用新型其中一种实施例提供的中高频离子氮化热处理脉冲电源的控制系统地结构的原理图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
离子氮化是一种对金属材料进行热处理的方法，可提高材料的硬度、耐磨性、抗疲劳性，因此经常用在齿轮、刀具、磨具、主轴、把手等器件的热处理工艺上。
离子氮化热处理主要是在高温低压条件下利用阴阳电极产生辉光放电将含氮气体进行电离产生n离子，对材料表面进行热处理的过程。请参阅图1，离子氮化需要在密闭空间进行，炉体作为阳极，被加工工件作为阴极。在真空状态下，向炉内冲入n2或nh3，压力达到13～133pa之间即可。在通电情况下，当工件加热到大约500℃左右，内部的低压气体会发生电离，分解出n离子，渗透到工件表面，从而达到渗氮的目的。
离子氮化过程分为三个时期：n原子产生、渗透和扩散。氮化处理过程中，首先对炉体进行抽真空操作，达到要求压力6.7pa后，开启电源并向炉体内冲入nh3，炉体内温度开始上升。进入第一个阶段：nh3性质比较活泼，在高温高压条件下发生电离分解，分解方程式为：nh3→[n]+3[h]。分解出的n原子在电场作用下轰击工件表面产生辉光。第二阶段：工件受到n原子轰击，会发射fe原子，n原子与fe原子结合会吸附在工件表面形成氮化层，提高工件表面的硬度和耐磨程度。第三阶段：产生的辉光会再次加热炉体，可促进n原子向工件内部扩散，因此加热时间的长短直接关系到渗氮层的厚度和渗氮效果，最终达到提高工件表面硬度的目的。
气体直流放电的伏安特性曲线如图2所示，b点：点燃电压；cd段：正常辉光放电区；de段：异常辉光放电区，ef段：弧光放电区；其中渗氮过程发生在de区，可以保证工件表面被辉光均匀覆盖。随着电流的增大，会过渡到ef区，产生弧光。弧光不仅会中止离子渗氮的过程，且可能对工件表面和电源本身造成损害，因此需要在弧光放电区迅速关断电流以保护相应的设备和工件不受到二次损坏。但是在工件进行渗氮热处理之前需要对工件进行清洗，物理清洗很难达到要求，此时就需要弧光对工件进行清洗，因此在离子氮化处理之前有一些弧光又是必要的。因此需要在弧光放电完成对工件的清洗后再通入nh3，此后的热处理过程应尽量使电流和电压位于de段，使得工件表面能够被辉光进行均匀的覆盖，此时氮化效果比较好。
请参阅图3，本实用新型实施例提供一种中高频离子氮化热处理脉冲电源，包括：
第一整流电路、变流电路、斩波电路和控制电路；所述变流电路包括全桥逆变电路、升压电路和第二整流电路；所述第一整流电路的输入端用于接收三相交流电，所述第一整流电路的输出端与所述全桥逆变电路的输入端连接；所述全桥逆变电路的输出端与所述升压电路的输入端连接，所述升压电路的输出端与所述第二整流电路的输入端连接；所述第二整流电路的输出端与所述斩波电路的输入端连接，所述斩波电路的输出端与炉体、工件依次连接；其中，所述炉体作为阳极、所述工件作为阴极。
在本实用新型实施例中，请参阅图4，所述第一整流电路为三相不可控整流电路，所述三相不可控整流电路包括：
第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻；
所述第一二极管的阳极与所述第四二极管的阴极连接；
所述第三二极管的阳极与所述第六二极管阴极连接；
所述第五二极管的阳极与所述第二二极管的阴极连接；
所述第一电容的负极与所述第二电容的正极连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接；
所述第一二极管的阴极连接到所述第三二极管的阴极，所述第三二极管的阴极连接到所述第五二极管的阴极，所述第五二极管的阴极连接到所述第一电容的正极、所述第一电容的正极连接到所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第一端为所述三相不可控整流电路的第一输出端；
所述第四二极管的阳极连接到所述第六二极管的阳极，所述第六二极管的阳极连接到所述第二二极管的阳极，所述第二二极管的阳极连接到所述第二电容的负极，所述第二电容的负极连接到所述第二电阻的第二端，所述第二电阻的第二端为所述三相不可控整流电路的第二输出端。
在本实用新型实施例中，第一整流电路采用六个二极管完成整流；其中，第一二极管vd1、第三二极管vd3、第五二极管vd5为共阴极组；第二二极管vd2、第四二极管vd4、第六二极管vd6为共阳极组。为实现整流，每时刻共阴极组和共阳极组仅各有一个二极管处于导通状态，且不能处于同一桥臂上，因此每个二极管在一个周期内导通120°，导通顺序为vd1→vd2→vd3→vd4→vd5→vd6。此外，相较于单相整流桥来说，输入三相交流电，六脉整流电路输出的直流电脉动频率达到300hz。整流桥后连接rc滤波回路，可使得输出整流电更加平稳。
按照图4中的接法，输入的三相交流工频电，大小为：
其中u2＝220v，经过整流后，得到的输出电压平均值为ud＝2.34u2。
在本实用新型实施例中，请参阅图5，所述全桥逆变电路采用的单相全桥逆变电路，所述单相全桥逆变电路包括：
第三电容、第四电容、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第一n型绝缘栅双极型晶体管、第二n型绝缘栅双极型晶体管、第三n型绝缘栅双极型晶体管、第四n型绝缘栅双极型晶体管；
所述第三电容的第二端与所述第四电容的第一端连接；
所述第七二极管的阳极与所述第八二极管的阴极连接，所述第一n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接并连接到所述第七二极管的阳极上，为所述逆变电路的第一输出端；
所述第三n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第四n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接；所述第九二极管的阳极与所述第十二极管的阴极连接并连接到所述第三n型绝缘栅双极型晶体管的发射极上，为所述逆变电路的第二输出端；
所述第九二极管的阴极连接到所述第三n型绝缘栅双极型晶体管的集电极，所述第三n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接到所述第七二极管的阴极，所述第七二极管的阴极连接到所述第一n型绝缘栅双极型晶体管的集电极，所述第一n型绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第三电容的第一端连接，为所述单相全桥逆变电路的第一输入端；
所述第十二极管的阳极连接到所述第四n型绝缘栅双极型晶体管的发射极，所述第四n型绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到所述第八二极管阳极，所述第八二极管的阳极连接到所述第二n型绝缘栅双极型晶体管的发射极，所述第二n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第四电容的第二端连接，为所述单相全桥逆变电路的第二输入端。
在本实用新型实施例中，为将整流后的直流电转换成交流电供给后续电路使用，因此采用无源逆变电路作为逆变电路。又由于整流后的直流电相当于电压稳定的电压源，因此需使用电压型逆变电路完成将直流电转化成交流电，即需要无源的电压型逆变电路作为逆变电路。在逆变电路中，每个逆变桥臂都需要并联一个二极管，以起续流和反馈能量的作用。
如图5所示，单相全桥电压型逆变电路，采用四个igbt(绝缘栅双极型晶体管)组成四个桥臂，第一n型绝缘栅双极型晶体管v1和第四n型绝缘栅双极型晶体管v4为a组，第二n型绝缘栅双极型晶体管v2和第三n型绝缘栅双极型晶体管v3型为b组，c1和c2串联并入直流侧输入端，主要作用为缓冲无功能量和稳压的作用。逆变电路工作的过程中，a组与b组交替导通，在一个周期内各自导通180°，可实现将直流电变换为交流电，所述脉冲电源的控制系统的控制电路的控制端与n型绝缘栅双极型晶体的门极连接，通过改变igbt交换的频率可实现对输出交流电频率的调节。逆变电路的受控端为逆变电路中各n型绝缘栅双极型晶体的门极，控制电路的控制端与所述逆变电路中各n型绝缘栅双极型晶体的门极连接。
本实用新型实施例具体使用的是两个igbt模块，每个模块具有两个igbt，具体型号为：英飞凌igbtff300r12ks4，此模块中，每个igbt上已经反并联了一个二极管，v1、v2、vd5、vd6属于同一个模块；v3、v4、vd7、vd8属于同一个模块。输出电压波形如图6所示，输出电压uo为幅值为ud的矩形波，将其展开成傅里叶级数，
一次谐波(或称为基波)的幅值为
对于逆变电路来说，需要避免同一半桥桥臂上的两个晶闸管同时导通，因此每个igbt导通角度尽量小于180°。另外为了避免产生直流分量对后续变压器一次绕组产生影响使得磁路饱和，需要保证a组igbt和b组igbt导通时间达到饱和。
在本实用新型实施例中，请参阅图7，所述升压电路包括：第一高频变压器、第二高频变压器和第五电容；
所述第一高频变压器的原边线圈的第一端与第五电容的二端连接，所述第五电容的第一端为升压电路的第一输入端；
所述第一高频变压器的原边线圈的第一端还与所述第二高频变压器的原边线圈的第二端连接；所述第一高频变压器的第二端与所述第二高频变压器的第一端连接，为所述升压电路的第二输入端；
所述第一高频变压器的副边线圈的第一端与所述第二整流电路的第一整流电单元的第一输入端连接，所述第一高频变压器的副边线圈的第二端与所述第二整流电路的第一整流单元的第二输入端连接；
所述第二高频变压器的副边线圈的第一端与所述第二整流电路的第二整流单元的第一输入端连接，所述第二高频变压器的副边线圈的第二端与所述第二整流电路的第二整流单元的第二输入端连接。
由于逆变电路输出的电压会包含奇数次谐波，会对后续电路产生影响，因此，本实用新型实施例采用的是lc滤波电路，如图7所示，将高频变压器的原边线圈作为电感线圈使用，与电容c5串联形成滤波电路，实现对谐波的抑制。本实用新型实施例采用两个高频变压器实现升压，高频变压器可实现隔离和升压作用，其前端串联电容c5可以起到隔离直流的作用，避免变压器铁芯磁化造成饱和现象。
在本实用新型实施例中，请参阅图8，所述第二整流电路为双重单向全桥整流电路，所述双重单向全桥整流电路包括：
第一整流单元和第二整流单元，所述第一整流单元和所述第二整流单元串联连接；
所述第一整流单元包括:
在本实用新型实施例中，所述斩波电路包括：
第一电感、第五n型绝缘栅双极型晶体管、第十九二极管、第十一电阻、第十五电容、第二十二极管、第十四电容、第六n型绝缘栅双极型晶体管、第二十一二极管、第十六电容、第十二电阻；
所述第十一电阻和所述第十五电容串联连接后与所述第十九二极管并联连接，所述第十九二极管的阴极与所述第五n型绝缘栅双极型晶体管集电极连接，所述第十九二极管的阳极与所述第五n型绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；
所述第十六电容和第十二电阻串联连接后与所述第二十一二极管并联连接，所述第二十一二极管的阳极与所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第二十一二极管的阴极与所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；
所述第一电感的第二端分别与所述第五n型绝缘栅双极型晶体管的集电极、第二十二极管的阳极连接，所述第二十二极管的阴极分别与所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的集电极、第十四电容的第一端连接；所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端为所述斩波电路的第一输出端，用于与氮化炉连接，所述氮化炉作为阳极；所述第五n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第十四电容的第二端连接，为所述斩波电路的第二输出端，用于工件连接，所述工件作为阴极。
在本实用新型实施例中，请参阅图9，所述斩波电路包括：
第一电感、第五n型绝缘栅双极型晶体管、第十九二极管、第十一电阻、第十五电容、第二十二极管、第十四电容、第六n型绝缘栅双极型晶体管、第二十一二极管、第十六电容、第十二电阻；
所述第十一电阻和所述第十五电容串联连接后与所述第十九二极管并联连接，所述第十九二极管的阴极与所述第五n型绝缘栅双极型晶体管集电极连接，所述第十九二极管的阳极与所述第五n型绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；
所述第十六电容和第十二电阻串联连接后与所述第二十一二极管并联连接，所述第二十一二极管的阳极与所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第二十一二极管的阴极与所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；
所述第一电感的第二端分别与所述第五n型绝缘栅双极型晶体管的集电极、第二十二极管的阳极连接，所述第二十二极管的阴极分别与所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的集电极、第十四电容的第一端连接；所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端为所述斩波电路的第一输出端，用于与氮化炉连接；所述第五n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第十四电容的第二端连接，为所述斩波电路的第二输出端，用于与工件连接；其中，所述炉体作为阳极，所述工件作为阴极。
在本实用新型实施例中，脉冲电源的控制系统的控制电路通过对斩波电路中不同的igbt(绝缘栅双极型晶体管)的开关控制可实现输出脉冲电源的占空比α或者频率f可调。其中第一电感l1通过在储存能量和释放能量的过程中提高输出端电压值，c4两端电压不会发生突变，两者共同作用可以实现输出电压大于输入电压。在具体操作中，是先定下f(或脉冲周期t)，通过改变第五n型绝缘栅双极型晶体管v5的开关状态来实现。然后在设定的f下实现α可调通过调节v6来实现，采用pwm控制调制技术实现输出脉冲电源的变换，斩波电路输出电压波形如图10所示，其中ton时间段内有电压输出，toff时间段内无电压输出，因此占空比α的计算公式为：
在脉冲电源输出到渗氮炉体之前还需要通过电感l2防止电流突变，对器件造成损坏。斩波电路输出电压uout为
斩波电路的受控端为各个n型绝缘栅双极型晶体管的门极，控制电路的控制端通过与所述斩波电路的n型绝缘栅双极型晶体管(igbt)的门极连接，从而能够根据斩波电路输出端采集到的电流变化率di/dt判断是弧光放电还是辉光放电控制igbt开/关，进而能够通过控制igbt开/关速度来控制灭弧速度，基于本实用新型实施例提供的脉冲电源，可以在2μs内迅速可靠地灭弧。此外，由于斩波电路中寄生电容和电感的影响会引起浪涌电流或瞬时过电压，可能影响igbt的正常工作，因此在斩波电路中，需要设置rc吸收回路。
综上，采用本实用新型实施例提供的脉冲电源对工件进行氮化热处理，渗氮效果明显提升，提高了工件的耐磨度和硬度，以及提高了工件的合格率。
本实用新型实施例还提供一种中高频离子氮化热处理脉冲电源的控制系统，包括上述所述的脉冲电源以及控制电路；所述控制电路的第一控制端与所述斩波电路的受控端连接，所述控制电路第二控制端与所述变流电路的受控端连接；所述控制电路的输入端连接到所述斩波电路的第一输出端，用于接收所述斩波电路的输出端的输出信号。
在本实用新型实施例中，所述控制电路的输入端连接到所述斩波电路的第一输出端，指得是，控制电路接收斩波电路的输出端的输出信号，控制电路根据接收到的输出信号对变流和斩波电路进行综合控制实现输出可控。
在本实用新型实施例中，控制电路包括：pwm控制电路、均流电路、保护电路和辅助电源电路。
在其中一种优选的实施例中，还包括显示电路，所述显示电路与所述控制电路连接，所述显示电路用于显示脉冲电源的运行情况。
请参阅图12，以上述所述的三相不可控整流电路、单相全桥逆变电路，升压电路、双重单相全桥整流电路和斩波电路的具体电路构建脉冲电源，通过控制电路(所述控制电路包括pwm控制电路、均流电路、保护电路以及辅助电源电路)控制脉冲电源的输出，显示电路用于显示脉冲电源的运行情况。对该电源的参数要求为：工作电压在300～750v连续可调；工作电流为0～150a连续可调；输出500～20khz近矩形方波，并能通过调节占空比调节平均功率，占空比可调范围0～95％；可自动灭弧，且灭弧时间td≤2μs使用的离子氮化炉体为钟罩式氮化炉，工件堆叠放在炉体内部。炉体采用热臂结构完成对工件的加热。该脉冲电源已在广州市a热处理加工厂投入试用，以38crmoal材料为例，进行氮化处理加工。在放入氮化炉之前需要先进行调质处理和清洗处理，尽可能去除油污并晾干。对采用该脉冲电源的氮化处理后的多批次工件进行抽查检测情况如表1所示：
表1采用本实用新型实施例提供的脉冲电源前后的热处理情况对照表
由此可见，采用本实用新型实施例的脉冲电源对对工件进行氮化热处理，工件的耐磨度和硬度大大提高，工件合格率由原本的80.2％上升为99.1％，大大减少了废件率，节约了加工成本。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
1.一种中高频离子氮化热处理脉冲电源，其特征在于，包括：
第一整流电路、变流电路、斩波电路和控制电路；所述变流电路包括全桥逆变电路、升压电路和第二整流电路；所述第一整流电路的输入端用于接收三相交流电，所述第一整流电路的输出端与所述全桥逆变电路的输入端连接；所述全桥逆变电路的输出端与所述升压电路的输入端连接，所述升压电路的输出端与所述第二整流电路的输入端连接；所述第二整流电路的输出端与所述斩波电路的输入端连接，所述斩波电路的输出端与炉体、工件依次连接；其中，所述炉体作为阳极、所述工件作为阴极。
2.根据权利要求1所述的中高频离子氮化热处理脉冲电源，其特征在于，所述第一整流电路为三相不可控整流电路，所述三相不可控整流电路包括：
第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻；
所述第一二极管的阳极与所述第四二极管的阴极连接；
所述第三二极管的阳极与所述第六二极管阴极连接；
所述第五二极管的阳极与所述第二二极管的阴极连接；
所述第一电容的负极与所述第二电容的正极连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接；
所述第一二极管的阴极连接到所述第三二极管的阴极，所述第三二极管的阴极连接到所述第五二极管的阴极，所述第五二极管的阴极连接到所述第一电容的正极、所述第一电容的正极连接到所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第一端为所述三相不可控整流电路的第一输出端；
所述第四二极管的阳极连接到所述第六二极管的阳极，所述第六二极管的阳极连接到所述第二二极管的阳极，所述第二二极管的阳极连接到所述第二电容的负极，所述第二电容的负极连接到所述第二电阻的第二端，所述第二电阻的第二端为所述三相不可控整流电路的第二输出端。
3.根据权利要求1所述的中高频离子氮化热处理脉冲电源，其特征在于，所述全桥逆变电路采用的单相全桥逆变电路，所述单相全桥逆变电路包括：
第三电容、第四电容、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第一n型绝缘栅双极型晶体管、第二n型绝缘栅双极型晶体管、第三n型绝缘栅双极型晶体管、第四n型绝缘栅双极型晶体管；
所述第三电容的第二端与所述第四电容的第一端连接；
所述第七二极管的阳极与所述第八二极管的阴极连接，所述第一n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接并连接到所述第七二极管的阳极上，为所述逆变电路的第一输出端；
所述第三n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第四n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接；所述第九二极管的阳极与所述第十二极管的阴极连接并连接到所述第三n型绝缘栅双极型晶体管的发射极上，为所述逆变电路的第二输出端；
所述第九二极管的阴极连接到所述第三n型绝缘栅双极型晶体管的集电极，所述第三n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接到所述第七二极管的阴极，所述第七二极管的阴极连接到所述第一n型绝缘栅双极型晶体管的集电极，所述第一n型绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第三电容的第一端连接，为所述单相全桥逆变电路的第一输入端；
所述第十二极管的阳极连接到所述第四n型绝缘栅双极型晶体管的发射极，所述第四n型绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到所述第八二极管阳极，所述第八二极管的阳极连接到所述第二n型绝缘栅双极型晶体管的发射极，所述第二n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第四电容的第二端连接，为所述单相全桥逆变电路的第二输入端。
4.根据权利要求1所述的中高频离子氮化热处理脉冲电源，其特征在于，所述升压电路包括：第一高频变压器、第二高频变压器和第五电容；
所述第一高频变压器的原边线圈的第一端与第五电容的二端连接，所述第五电容的第一端为升压电路的第一输入端；
所述第一高频变压器的原边线圈的第一端还与所述第二高频变压器的原边线圈的第二端连接；所述第一高频变压器的第二端与所述第二高频变压器的第一端连接，为所述升压电路的第二输入端；
所述第一高频变压器的副边线圈的第一端与所述第二整流电路的第一整流电单元的第一输入端连接，所述第一高频变压器的副边线圈的第二端与所述第二整流电路的第一整流单元的第二输入端连接；
所述第二高频变压器的副边线圈的第一端与所述第二整流电路的第二整流单元的第一输入端连接，所述第二高频变压器的副边线圈的第二端与所述第二整流电路的第二整流单元的第二输入端连接。
5.根据权利要求1所述的中高频离子氮化热处理脉冲电源，其特征在于，所述第二整流电路为双重单相全桥整流电路，所述双重单相全桥整流电路包括：
第一整流单元和第二整流单元，所述第一整流单元和所述第二整流单元串联连接；
所述第一整流单元包括:
第六电容、第三电阻、第十一二极管、第七电容、第四电阻、第十二二极管、
第八电容、第五电阻、第十三二极管、第九电容、第六电阻、第十四二极管；
所述第六电容和第三电阻串联连接后与所述第十一二极管并联连接；
所述第八电容和第五电阻串联连接后与所述第十三二极管并联连接；
所述第六电容的第一端连接到第十一二极管的阴极，所述第十一二极管的阴极连接到第八电容的第一端，所述第八电容的一端连接到所述第十三二极管的阴极，为所述整流电路的第一输出端；
所述第七电容与所述第四电阻串联连接，所述第九电容和所述第六电阻串联连接，所述第七电容的第一端连接到所述第十二二极管的阴极，所述第十二二极管的阴极连接到所述第九电容的第一端，所述第九电容的第一端连接到所述第十四二极管的阴极；所述第四电阻的第二端连接到所述第十二二极管的阳极，所述第十二二极管的阳极与所述第六电阻的第二端连接，所述第六电阻的第二端与所述第十四二极管的阳极连接；
所述第十一二极管的阳极，为所述第一整流单元的第一输入端，连接到所述第十二二极管的阴极；所述第十三二极管的阳极，为所述第一整流单元的第二输入端，连接到所述第十四二极管的阴极；
所述第二整流单元包括：
第十电容、第七电阻、第十五二极管、第十一电容、第八电阻、第十六二极管、第十二电容、第九电阻、第十七二极管、第十三电容、第十电阻、第十八二极管；
所述第十电容和第七电阻串联连接后与所述第十五二极管并联连接；
所述第十二电容和第九电阻串联连接后与所述第十七二极管并联连接；
所述第十电容的第一端连接到第十五二极管的阴极，所述第十五二极管的阴极连接到第十二电容的第一端，所述第十二电容的第一端连接到所述第十七二极管的阴极；
所述第十一电容与所述第八电阻串联连接，所述第十三电容和所述第十电阻串联连接，所述第十一电容的第一端连接到所述第十六二极管的阴极，所述第十六二极管的阴极连接到所述第十三电容的第一端，所述第十三电容的第一端连接到所述第十八二极管的阴极；
所述第八电阻的第二端连接到所述第十六二极管的阳极，所述第十六二极管的阳极连接到所述第十电阻的第二端，所述第十电阻第二端连接到所述第十八二极管的阳极，为所述整流电路的第二输出端；
所述第十五二极管的阳极，为所述第二整流单元的第一输入端，连接到所述第十六二极管的阴极；所述第十七二极管的阳极，为所述第二整流单元的第二输入端，连接到所述第十八二极管的阴极；
所述第十二二极管的阳极与所第十五二极管的阴极连接。
6.根据权利要求1所述的中高频离子氮化热处理脉冲电源，其特征在于，所述斩波电路包括：
第一电感、第五n型绝缘栅双极型晶体管、第十九二极管、第十一电阻、第十五电容、第二十二极管、第十四电容、第六n型绝缘栅双极型晶体管、第二十一二极管、第十六电容、第十二电阻；
所述第十一电阻和所述第十五电容串联连接后与所述第十九二极管并联连接，所述第十九二极管的阴极与所述第五n型绝缘栅双极型晶体管集电极连接，所述第十九二极管的阳极与所述第五n型绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；
所述第十六电容和第十二电阻串联连接后与所述第二十一二极管并联连接，所述第二十一二极管的阳极与所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第二十一二极管的阴极与所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；
所述第一电感的第二端分别与所述第五n型绝缘栅双极型晶体管的集电极、第二十二极管的阳极连接，所述第二十二极管的阴极分别与所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的集电极、第十四电容的第一端连接；所述第六n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端为所述斩波电路的第一输出端，用于与氮化炉连接；所述第五n型绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第十四电容的第二端连接，为所述斩波电路的第二输出端，用于与工件连接；其中，所述炉体作为阳极，所述工件作为阴极。
7.一种中高频离子氮化热处理脉冲电源的控制系统，其特征在于，包括：如权利要求1～6任一项所述脉冲电源以及控制电路；所述控制电路的第一控制端与所述斩波电路的受控端连接，所述控制电路第二控制端与所述变流电路的受控端连接，所述控制电路的输入端连接到所述斩波电路的第一输出端，用于接收所述斩波电路的输出端的输出信号。
8.根据权利要求7所述的中高频离子氮化热处理脉冲电源的控制系统，其特征在于，还包括：
显示电路，所述显示电路与所述控制电路连接。
技术总结