等離子技術製備石墨烯大功率專用電源的製作方法
2023-10-11 14:58:39 1
本發明涉及一種電源，具體涉及等離子技術製備石墨烯大功率專用電源。
背景技術：
目前石墨烯的製備方法可以分為固相法、液相法和氣相法。固相法包括微機械剝離法、外延生長法；液相法有氧化還原法、超聲分散法、有機合成法、溶劑熱法；氣相法包括化學氣相沉積法(CVD)、電弧放電法。固相法產量低，僅適用小範圍研究；液相法製備的石墨烯層數和質量難以控制；CVD法製備石墨烯條件苛刻，難以實現低成本、高產量下製備高質量的石墨烯。
現在採用等離子技術製備石墨烯是性價比較高的方法，這種方法具有操作簡單，成本低廉，生產效率高，通過調節放電等離子體的電流或放電電壓、等離子體放電功率、放電時間、石墨烯生長溫度等可以得到高質量、高純度、低層數的石墨烯。但採用等離子體技術實現低成本、高效率製備石墨烯的關鍵是需要大電流、高效率、高精度、高穩定性的專用電源。以現目前的技術來說，還沒有出現能達到指標的電源。
技術實現要素：
本發明的目的在於：針對上述現有等離子體製備石墨烯電源功率小，效率不高、無法根據石墨烯生產裝置(負載)實現自動調節等技術的問題，本發明提出一種克服現有技術不足，大功率、高效率、高精度、能根據負載實現自動調節的等離子技術製備石墨烯大功率專用電源。
本發明採用的技術方案如下：
等離子技術製備石墨烯大功率專用電源，包括主電路部分和綜合控制部分，所述主電路部分中，包括電源輸入電路、三相整流電路、IGBT全橋逆變電路、高頻降壓變壓器、高頻整流濾波電路、電源輸出電路和引弧電路；所述綜合控制部分包括觸控螢幕和DSP控制系統；
所述主電路部分中IGBT全橋逆變電路中的三極體基極與綜合控制部分連接，所述主電路部分中高頻整流濾波電路通過取樣電路與綜合控制部分連接。
進一步的，所述主電路部分中，三相交流輸入電路通過三相整流電路與IGBT全橋逆變電路連接，所述IGBT全橋逆變電路通過高頻降壓變壓器與高頻整流濾波電路連接，高頻整流濾波電路與取樣電路、引弧電路和輸出電路連接。
進一步的，所述主控制部分中，所述DSP控制系統電路中包括DSP控制器、PWM脈寬調整和保護電路、接口電路和光電隔離電路；
所述DSP控制器通過PWM脈寬調整和保護電路與主電路部分的IGBT全橋逆變電路連接，所述DSP控制器通過光電隔離電路與取樣電路連接，DSP控制器通過接口電路與觸控螢幕和I/O接口連接。
進一步的，所述主電路部分中，開關S1與二極體D1正極和二極體D4負極連接，開關S2與二極體D2正極和二極體D5負極連接，開關S3與二極體D3正極和二極體D6負極連接，二極體D1負極、二極體D2負極、二極體D3負極和電容C1一端與IGBT全橋逆變電路中三極體Q1集電極和三極體Q3集電極連接，二極體D4負極、二極體D5負極、二極體D6負極和電容C2一端與IGBT全橋逆變電路中三極體Q2發射極和三極體Q4發射極連接，電容C1另一端和電容C2另一端連接，三極體Q1發射極和三極體Q2集電極與電容C3一端連接，三極體Q3發射極和三極體Q4集電極與變壓器T1接口2連接，電容C3另一端與電感L1一端連接，電感L1另一端與變壓器T1接口1連接；變壓器T1接口3與二極體D7正極、二極體D8正極、二極體D11負極和二極體D12負極連接，變壓器T1接口4與二極體D9正極、二極體D10正極、二極體D13負極和二極體D14負極連接，二極體D7負極、二極體D8負極、二極體D9負極和二極體D10負極與電感L2一端連接，二極體D11正極、二極體D12正極、二極體D13正極和二極體D14正極與電源輸出端正極連接，電感L2另一端與電流互感器TA一端連接，電流互感器TA另一端與輸出端負極連接，電阻R1與電阻R2、電阻R3和電阻R4串聯，電阻R1未串聯一端與輸出端負極連接，電阻R4未串聯一端與輸出端正極連接；引弧電路中，開關S4一端與二極體D15正極和變壓器T2接口2連接二極體D15負極與電阻R5一端和電容C4一端連接，電阻R5另一端和電容C4另一端與變壓器T2接口1連接，變壓器T2接口3與二極體D16正極連接，二極體D16負極與引弧口正極和電容C5一端連接，電容C5另一端與變壓器T3接口1連接，變壓器T2接口4與引弧口負極和變壓器T3接口2連接，變壓器T接口3和接口4與電源輸出端連接。
綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是：
1.在電源控制方面，與變壓器+矽整流型控制方式相比，本發明所述的大功率等離子技術製備石墨烯大功率專用電源綜合控制裝置採用高頻逆變電源代替了可控矽電源，因而有效增大了功率因數，有效提高了電源效率(達93％以上)，有效降低了用戶使用成本。
2.逆變驅動頻率為20kHz～40kHz，一方面提高了電源效率；另一方面使PWM脈寬調整電路能在1秒至少能調整次數達20000次，調節精度高，使電源響應速度快。
3.採用1200A大功率IGBT作為全橋逆變，多層均流控制，使整機輸出電流達5000A，功率達1MW。電流輸出範圍寬50A～5000A。
4.大電流輸出，可使石墨烯生產爐內石墨電弧溫度3000度，同時可使用更大直徑的石墨，可以大大提高石墨烯產出效率，降低生產成本。
附圖說明
圖1是本發明整體結構圖；
圖2是主電路部分電路圖；
圖3是控制電路部分結構圖。
具體實施方式
本說明書中公開的所有特徵，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
下面結合圖1、圖2、圖3對本發明作詳細說明。
如圖1所示，是本發明的整體結構圖，本電路主要由主電路部分和綜合控制部分組成，主電路部分中，包括電源輸入電路、三相整流電路、IGBT全橋逆變電路、高頻降壓變壓器、高頻整流濾波電路、電源輸出電路和引弧電路；綜合控制部分包括觸控螢幕和DSP控制系統；主電路部分中IGBT全橋逆變電路中的三極體基極與綜合控制部分連接，所述主電路部分中高頻整流濾波電路通過取樣電路與綜合控制部分連接。
在主電路部分中，三相交流輸入電路通過三相整流電路與IGBT全橋逆變電路連接，IGBT全橋逆變電路通過高頻降壓變壓器與高頻整流濾波電路連接，高頻整流濾波電路與取樣電路、引弧電路和輸出電路連接。
主迴路中三相交流電源順次連接三相整流電路、IGBT全橋逆變器、高頻降壓變壓器、高頻整流濾波電路。其中絕緣柵雙極型電晶體IGBT作為逆變功率開關器件。
在主控制部分中，所述DSP控制系統電路中包括DSP控制器、PWM脈寬調整和保護電路、接口電路和光電隔離電路；
DSP控制器通過PWM脈寬調整和保護電路與主電路部分的IGBT全橋逆變電路連接，DSP控制器通過光電隔離電路與取樣電路連接，DSP控制器通過接口電路與觸控螢幕和I/O接口連接。
綜合控制部分由觸控螢幕和DSP控制系統組成；取樣電路8包括電流取樣電路和電壓取樣電路；取樣信號經過隔離電路、DSP、PWM脈寬調整和保護電路，返饋入逆變器。頻率達20kHz～40kHz。有高磁導率磁芯和脈寬調整，波形不畸變，效率可達93％。
電源控制核心單元為數字微處理晶片，直流電壓採樣電路、輸出電流採樣電路的輸出端經光電隔離輸入數字微處理晶片的AD轉換模塊、計算模塊分別與電流調節模塊、功率調節模塊連接，通訊模塊與顯示操作面板信號連接，功率給定模塊經功率調節模塊、電流調節模塊、PWM輸出模塊與逆變驅動電路輸入端連接，I/O控制模塊與外接功能模塊連接。且輸出電壓、電流連續可調。
基於上述過程，與現有控制裝置相比，本發明所述的大功率等離子技術製備石墨烯大功率專用電源具有如下優點：
1、在電源控制方面，與變壓器+矽整流型控制方式相比，本發明所述的大功率等離子技術製備石墨烯大功率專用電源綜合控制裝置採用高頻逆變電源代替了可控矽電源，因而有效增大了功率因數，有效提高了電源效率(達93％以上)，有效降低了用戶使用成本。
2.逆變驅動頻率為20kHz～40kHz，一方面提高了電源效率；另一方面使PWM脈寬調整電路能在1秒至少能調整次數達20000次，調節精度高，使電源響應速度快。
3.採用1200A大功率IGBT作為全橋逆變，多層均流控制，使整機輸出電流達5000A，功率達1MW。電流輸出範圍寬50A～5000A。
4.大電流輸出，可使石墨烯生產爐內石墨電弧溫度3000度，同時可使用更大直徑的石墨，可以大大提高石墨烯產出效率，降低生產成本。