【正文】 測 技術(shù)、加工技術(shù)之大成，而集成電路是信息技術(shù)的物質(zhì)載體。 世界上許多著名的高技術(shù)公司如 IBM、 Intel、 AMD 等在集成電路的制造中普遍采用 90nm 工藝，正在研究向 35nm 工藝邁進(jìn)。集成電路在大批量生產(chǎn)中采用納米工藝， 提高了集成度，更重要的是集成電路性能指標(biāo)提高了，產(chǎn)品競爭力增強(qiáng)，市場占有率擴(kuò)大，提升了企業(yè)效益和品牌形象。計算機(jī)硬盤的存儲容量在很大程度上取決于磁頭和存儲介質(zhì)之間的距離（ 即所謂“飛行高度”， Flying Height） , 距離越近，貯存容量越大，為實現(xiàn) m 距離，要求加工出極其平坦、光滑的磁盤基片及涂層，實現(xiàn)高精度磁盤基片及涂層加工的技術(shù)是超精密加工技術(shù)。為了本國的利益，工業(yè)發(fā)達(dá)國家投入巨資，開發(fā)精密及超精密加工技術(shù)，搶占技術(shù)制高點，以此為契機(jī)，發(fā)展國家尖端技術(shù)及其國防工業(yè)，從而帶動國內(nèi)整個工業(yè)化水平，保持和發(fā)展國家的優(yōu)勢地位，例如日本的高技術(shù)探索研究項目 （ ERATO）正在探索在硅基片上以黃金作為導(dǎo)體，使用超精密加工技術(shù)加工出20nm 的線寬，并已論證 5nm 的線寬在理論上是可行的；美國國防部的甚高速集 成電路項目（ VHSIC），正在試圖將集成電路的線寬比目前減少 10 倍；英國格拉斯哥大學(xué)于 1985 年以電子束加工技術(shù)，加工出 5nm 的線寬。 [25] 綜上所述，精密超精密加工技術(shù)是衡量國家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志，對于 提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，發(fā)展尖端國防技術(shù)、航空航天、新能源、電子信息技術(shù)有著至關(guān)重要意義。 2 本設(shè)計研究內(nèi)容 子體增強(qiáng)電化學(xué)表面陶瓷化（ PECC）技術(shù)是一種“綠色”的輕合金表面處理新技術(shù)。大功率專用電源是 PECC 產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，目前 在 PECC 技術(shù)中應(yīng)用的電源多為單相脈沖。但是隨著對 PECC 產(chǎn)品質(zhì)量表面膜層致密性，膜層厚度等要求的提高，需要 PECC電源能夠提供雙向電流脈沖電源，而且要求對脈沖電源的幅值進(jìn)行閉環(huán)控制，以適應(yīng)其相應(yīng)的工藝要求。電源設(shè)計要求采用單相橋式逆變電路，輸出脈沖電流的頻率，脈寬在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 本設(shè)計完成脈沖電源的設(shè)計，其性能指標(biāo)如下： （ 1）輸入?yún)?shù) 電壓： 3AC 380V 50HZ （ 2）輸出參數(shù) 脈沖電流頻率： 1000~1500HZ 連續(xù)可調(diào) 脈沖電流幅值： 2021A 電壓峰值：≤ 15V 占空比 ： 20%~40%連續(xù)可調(diào) 頻率誤差： % 脈寬誤差： 1% 幅值誤差： % （ 3）控制系統(tǒng)以美國 Microchip 公司的 PIC16F877 作為控制核心； （ 4）采用三相全控整流電路，整流橋用 SCR 作為功率元件； （ 5）采用單相橋式逆變電路，逆變橋功率元件選用 IGBT； 3 第 2章 脈沖電源總體設(shè)計 電流可以用直流電源提供，也可以用交流電源提供，或者各種波形的脈沖電源，或者有直流基量的脈動電源。使用直流脈沖電源所生成的鈍化膜其厚度相對稍薄，但鈍化膜組織致密，均勻性好，經(jīng)過比較，直流脈沖 電源應(yīng)用于 ELID 較為合適，理由如下： 1）直流脈沖電源在脈沖低電平期間產(chǎn)生小的電流，這樣就可以把高電平期間所形成的氧化膜保持住，而普通直流電源由于電流的連續(xù)性，使得電解形成的氧化膜連續(xù)脫落，達(dá)不到設(shè)計要求。 2）國外科技工作者曾經(jīng)測量過直流電源、脈沖電源、交流電源。對幾種電源對清合金表面進(jìn)行處理，脈沖電源提供的脈沖電流能夠達(dá)到 PECC 的技術(shù)要求， 3）直流脈沖電源電解生成的鈍化膜較直流電解生成的鈍化膜質(zhì)地均勻致密，對磨粒把持力好。 4）直流脈沖電源還有一個顯著優(yōu)點就是可供調(diào)節(jié)的參數(shù)較多，且可以實現(xiàn)在不 降低鈍化膜生成速度的情況下，有目的地調(diào)節(jié)調(diào)整電解修整時表面鈍化膜的厚度。綜上所述，采用直流雙向電流脈沖電源最合適。 直流脈沖電源整體設(shè)計 由圖可知，直流脈沖電源主要由三大部分組成：第一部分：輸出電壓連續(xù)可調(diào)并且在使用中電壓穩(wěn)定性好的直流穩(wěn)壓器裝置；第二部分：直流脈沖電壓產(chǎn)生裝置 . 圖 2— 1 直流脈沖電源原理框圖 直流電壓形成部分，我們擬采用典型的電壓電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，主電路采用模 塊裝置，減少了設(shè)計工作量，提高了系統(tǒng)可靠性，只要設(shè)計合適的控制參數(shù)，就能提供穩(wěn)定 的直流電壓，控制電路采用比例積分（ PI）調(diào)節(jié)器，使得系統(tǒng)技術(shù)指 標(biāo)更優(yōu)。脈沖形成部分，選用先進(jìn)的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，頻率與輸出電壓分別可調(diào)，主電路選用智能化器件 IGBT，選用多種保護(hù)策略，以提高器件的安全程度。 為便于用示波器測量參數(shù)，直流脈沖電源應(yīng)提供測量用端口；此外保護(hù)環(huán)節(jié) 要完善，應(yīng)設(shè)有復(fù)位裝置，必要的電壓電流指示裝置。 4 第 3章 主電路的設(shè)計 3． 1 系統(tǒng)主電路設(shè)計 主電路包含整流，濾波，逆變電路主要任務(wù)是輸出符合要求的脈沖電流波形。 其電路圖如圖 31 所示： 圖 31 主電路圖 整 流電路的設(shè)計 整流電路方案的確定 整流電路主要是把三相交流電變?yōu)橹绷麟?，根?jù)需要可選三相半波可控整流電路和三相橋式全控整流電路。三相半波可控整流電路只用三個晶閘管，接線和控制都很簡單，但要輸出相同的 Ud 時，晶閘管承受的正、反向電壓都較高，且整流變壓器二次側(cè)繞組一周期僅導(dǎo)電 120186。，繞組利用率低，繞組中電流為單方向，存在直流分量，使鐵芯直流磁化，產(chǎn)生較大的漏磁通，引起附加損耗。 工業(yè)中廣泛應(yīng)用的三相橋式全控整流電路，是由兩組三相半波整流電路串聯(lián)而成的，一組三相半波整流電路為共陰極接法，另一阻為共陽 極。如果它們的負(fù)載完全相同且控制角一致，則負(fù)載電流 I 1d 、 I 2d 應(yīng)完全相同，在零線流過的電流平均值0210 ??? dd III ，如果將零線切斷，不影響電路工作，就成為三相橋式全控整流電路由于共陰極組在電源正半周導(dǎo)通，流經(jīng)變壓器二次側(cè)繞組的是正向電流，共陽極組在電源負(fù)半周導(dǎo)通，流經(jīng)變壓器二次繞組的是反向電流。因此，一周期中變壓器繞組中沒有直流磁勢，且每相繞組的正負(fù)半周都有電流流過，變壓器繞組利用率提高了。故本 設(shè)計采用這種整流方式。 由圖 3. 1 電路可以看出，在任意時刻電路必須有兩個晶閘管同時導(dǎo)通，其中一個 5 屬于共陰極組，另一個屬于共陽極組，每個晶閘管的最大導(dǎo)通角為 120176。晶閘管之間的換相是在同一結(jié)構(gòu)組中進(jìn)行的，即共陽極與共陽極的晶閘管換相，共陽極與共陰極的晶閘管換相。在這種電路中般采用雙脈沖或?qū)捗}沖的觸發(fā)方式保證每隔 60176。導(dǎo)通一個晶閘管，觸發(fā)電路設(shè)計在后面章節(jié)給出。 三相全控整流電路分析： 下面講述可控整流電路在阻性負(fù)載情況下輸出與輸入的關(guān)系，圖 為在觸發(fā)角為 α?xí)r的電路波形。 Ud1 為相電壓波形， Ud2 為 線電壓波形。由波形對應(yīng)關(guān)系可以看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。由于輸出整流電壓為共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應(yīng)的相電壓與共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應(yīng)的相電壓的差，因此輸出電壓為線電壓在正半周期的包絡(luò)線 (圖中 Ud2 。從圖中可以看出，當(dāng) 0176。α60176。時，輸出電流連續(xù) :當(dāng) 60176。α120176。時，輸出電流不連續(xù) 。當(dāng) a =120176。時輸出平均電壓為零，所以應(yīng)該分別對待 . 圖 32 三相全控橋式整流電路電壓波形圖 當(dāng) 0176。α60176。時，電流連續(xù)時輸出電壓平均值 Ud 與輸入電壓有效值 U2 的關(guān)系為： Ud = ?26 2323 6 s in ( )U td t? ?? ? ?????= ?63 U2 cos? = U2 cos? 通過晶閘管的電流 IT 與負(fù)載平 均電流 Id 的關(guān)系為： 6 IT =31Id 三相全橋整流電路輸入電流有效值 I2 與負(fù)載平均電流 Id 的關(guān)系為： I2 2 =?21 ? 322 ??dI+? ?322 ??? dI ? ? I2 =dI32= 當(dāng) 60176。α120176。時，電流不連續(xù) 輸出電壓平均值與輸入電壓有效值 U2 的關(guān)系為： Ud = ?26 2323 6 s in ( )U td t? ?? ? ?????= U2 [1+cos( 32? +? )] 通過晶閘管的電流 IT 與負(fù)載平均電流 Id 的關(guān)系為 : IT =31 Id 三相全橋整流電路輸入電流有效值 I2 與負(fù)載平均電流 Id 的關(guān)系為： I2 =dI32= 下面講述可控整流電路在感性負(fù)載情況下輸出與輸入的關(guān)系，認(rèn)為電感足夠大，使負(fù)載電流連續(xù)， 且其波形基本上為一條水平線 。感性負(fù)載時導(dǎo)電規(guī)律與阻性負(fù)載相同， 當(dāng) 0176。α60176。時， 電路整流輸出電壓 Ud 波形與阻性負(fù)載使一樣。當(dāng) α 〉 60176。時，有前面分析可知， 阻性負(fù)載的輸出電壓波形斷續(xù)，對于大電感負(fù)載，由于電感 L 的作用，在電源線過零后，晶閘管仍然導(dǎo)通，指導(dǎo)下一個晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通為止，這樣輸出電壓波形中出現(xiàn)負(fù)的部分。當(dāng) α =90176。時， Ud 波形正負(fù)面積相 等，平均值 Ud=0，所以感性負(fù)載使電路移相范圍為 90176。感性負(fù)載時電流連續(xù)，晶閘管導(dǎo)通總是 2Π /3， Ud 波形每隔 60176。重復(fù)一次，所以整流電壓輸出平均值 Ud 與輸入電壓有效值 U2 的關(guān)系為： Ud = ?26 2323 6 s in ( )U td t? ?? ? ?????= ?63 U2 cos? = U2 cos? 通過晶閘管的電流 IT 與負(fù)載平均電流 Id 的關(guān)系為： 7 IT =321 2 ?? ?dI=3dI= 三相全橋整流電路輸入電流有效值 I2 與負(fù)載平均電流 Id 的關(guān)系為： I2 =dI32= 整流變壓器的設(shè)計 整流變壓器起到隔離和降壓的作用。對變壓器進(jìn)行設(shè)計時，考慮到變壓器磁化曲線的非線性，在鐵心中要得到正弦磁通，激磁電流必定要含有三次諧波。當(dāng)變壓器采用△Y 聯(lián)結(jié)時，可以供給產(chǎn)生正弦磁通所需要的三次諧波電流，這樣主磁通將保持接近正弦，當(dāng)然電勢也就接近正弦。因此本文設(shè)計的變壓器是原邊采用△繞法，副邊采用 Y 繞法。 整流變壓器的計算和選擇： 整流橋輸出電壓： Ud=100V 由三相橋式全控整流電路可知： Ud = ?26 2323 6 s in ( )U td t? ?? ? ?????= ?63 U2 cos? = U2 cos? 所以 ， U2 = ? 當(dāng) 0176。α90176。時， U2 與 α 成反比關(guān)系， 所以， α =0176。時， U2 取最小值， U2= 整流變壓器的二次繞阻為星形接法，二次側(cè)的相電流 2i 是相位差 180176。的正負(fù)矩形波，因此其有效值為 I2 2 = ?21 ? 322 ??dI+? ? 322 ???dI ? ? I2 =dI32= Id =40A 則 I2 = 8 整流變壓器副級功率為 P2 =3 U2 I2 = 三相全控橋式整流電路變壓器原級功率與副級功率相等，故 P1 =3 U1 I1 = 因此整流變壓器容量為 PB = 21P + 22P = 晶閘管的選擇 晶閘管的選擇是保證晶閘管工作在其安全工作區(qū)內(nèi)，主要包括額定電壓、額定電流。在高壓或大電流的晶閘管裝置中，如所要求的電壓、電流值超過了單個元件所能承受的額定值時，可以把元件串聯(lián)或并聯(lián)起來使用，所以，還需要判斷是否需要晶閘管并聯(lián)或串聯(lián)。 Vked 確定晶閘管額定電壓時，考慮到晶閘管在恢復(fù)阻斷 時引起的換相過電壓，以及在操作和事故過程中產(chǎn)生的各種過電壓影響，額定電壓必須留有 (2~3)倍的余量。即 Vked (2~3)Vm 其中 Vm 為晶閘管承受的最大正反向峰值電壓， 在本設(shè)計中 Vm = 26U = 6 ? = Vked (2~3)Vm 367V 2. 晶閘管額定電流 IT 晶閘管額定電流的計算原則是必須使額定電流 IT 大于實際流過晶閘管的電流平均值 I ? ?avT .考慮過載系數(shù)，通常取 1~2 倍。 晶閘管通態(tài)平均電流 I ? ?avT I ? ?avT = 由三相全控橋式整流電路可知，流過晶閘管的電流有效值為： 9 IT =3dI= I ? ?avT = 40?= = np =(2~3)Vm /(~)Vked =056~ 所以，不需要晶閘管