0 引言

    納米材料由于其特殊的光、電、聲、磁、熱和化學性能而被稱為“21世紀最有前途的材料”。金屬氧化物納米材料因其廣泛的應(yīng)用前景倍受青睞。合成高純度、粒徑和形貌可控的納米氧化物是制備高性能納米材料的第一步。迄今為止，已經(jīng)開拓了多種多樣制備氧化物的方法，如磁控濺射法、溶膠-凝膠法、氣相法、噴霧熱解法以及水熱制備技術(shù)。與上述方法相比，采用交直流疊加電源通過電化學腐蝕法制備金屬氧化物納米材料的方法，具有許多優(yōu)點，例如操作簡單，反應(yīng)前驅(qū)物價格低廉，反應(yīng)產(chǎn)率高，對產(chǎn)物形貌容易控制等。

    交直流疊加電源^[1]在油紙絕緣系統(tǒng)測試試驗^[2-4]中運用頻繁，使用的電壓等級^[5]高。清華大學在對油紙絕緣沿面閃絡(luò)的影響試驗時使用了交直流疊加電源^[6]。非對稱波形電源^[7]利用高通濾波器去除了高頻方波中的直流分量, 使正方波變成正負面積相等的非對稱方波。直流疊加電路通過電阻和電感串聯(lián)將低壓直流信號疊加到高頻高壓的非對稱方波上, 同時有效阻隔了高頻高壓非對稱方波對低壓直流電源可能造成的損害。此疊加電源有所不同，運用接入變壓器的思想，一是實現(xiàn)了隔離的作用，二是提高電流的輸出能力，三是效率較高，因為省去了隔交電阻。

1 電路結(jié)構(gòu)與工作原理

    交直流疊加電源電路主要由半橋電路、驅(qū)動電路、信號發(fā)生電路、直流疊加電路四部分組成，其基本原理框圖如圖1所示。

1.1 電路主拓撲

    直流電壓經(jīng)過半橋^[8，9]逆變成交流方波，經(jīng)疊加電路，串聯(lián)直流電源，形成最后的交直流疊加電壓。由于開關(guān)電源中的兩個開關(guān)管輪流交替工作，其輸出電壓波形對稱，并且開關(guān)電源在整個工作周期之內(nèi)都向負載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度高、電壓輸出特性良好。如圖2所示。

1.2 驅(qū)動隔離電路

1.2.1 控制脈沖信號產(chǎn)生電路

    控制脈沖信號產(chǎn)生電路如圖3所示。芯片SG3525形成控制脈沖信號，脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）頻率F由下式?jīng)Q定：

    式中：C_t為連接在5腳上的定時電容；R_t為連接在6腳上的定時電阻；R_d為連接在5腳和7腳之間的放電電阻。SG3525的外圍電路中C_t和R_d的大小決定了方波電源輸出頻率的范圍，通過改變6號腳的電流大小，實際上就等效于改變了R_d的大小。由公式可知，這樣也就調(diào)節(jié)了SG3525輸出的控制信號的頻率。設(shè)計由SG3525產(chǎn)生兩路控制信號來控制金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管（Metal-oxide-semiconductor Field-effect Transistor，MOSFET）的導通與關(guān)閉。

1.2.2 隔離和驅(qū)動電路

    如圖4所示，每個驅(qū)動電路都采用獨立的輔助電源供電, 以保證各驅(qū)動電路間的相互隔離。在控制信號電路與驅(qū)動電路之間使用6N137光耦隔離, 從而保證它們之間互不影響。驅(qū)動電路的控制信號由SG3525產(chǎn)生。MOSFET驅(qū)動采用由三極管級聯(lián)的方式，增強了驅(qū)動能力。設(shè)計電路時，在兩路驅(qū)動之間接入了一個二極管，為防止兩個開關(guān)管同時導通和關(guān)斷。

1.3 方波產(chǎn)生電路

    方波產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)為半橋結(jié)構(gòu)^{[10，11]}，如圖2所示。其中，A為直流電源，MOSFET管Q1和Q2分別與A串聯(lián)，組成半橋結(jié)構(gòu)的上下橋臂。當MOSFET管Q1導通，Q2關(guān)斷時，輸出端的電壓大小為U；當MOSFET管Q1關(guān)斷，Q2導通時，輸出端的電壓大小為-U。因此，當MOSFET管Q1和Q2以一定頻率交替導通及關(guān)斷時，在輸出端就可以得到-U到U的方波。

1.4 直流疊加電路

1.4.1 疊加電路

    為達到對稱方波電源和直流電壓電源的電壓大小分別獨立可調(diào)、互不影響，因此采用了一個單獨控制的直流源來輸出直流電壓，該直流源可以輸出的電壓最高為32 V，并通過相應(yīng)的隔離疊加電路，使直流電壓與對稱方波疊加在一起，共同作用于負載。為了直流電源A輸出的電流和直流電源B輸出的電流能夠匹配，也因為輸出電流最高可達到10 A，因此使用了降壓變壓器T1，變壓器也實現(xiàn)了隔離的效果，也使電源的效率比較高。

1.4.2 變壓器的選擇

    變壓器的選擇是根據(jù)工作頻率和輸出功率來確定的，因為此電源輸出的頻率為30～101 Hz，頻率已經(jīng)確定為低頻，變壓器的選擇主要依據(jù)輸出功率來確定。電源的輸出電流最大為10 A，根據(jù)實驗要求的方波最大值為6 V，最終確定變壓器為降壓變壓器，變比為220：36，此變壓器的最大電流輸出為12 A。

2 電源輸出結(jié)果與分析

2.1 空載時參數(shù)的變化對輸出電壓的影響

    空載實驗波形如圖5所示，圖5中的（a）和（b）分別是35 Hz和96 Hz的輸出波形。通過調(diào)節(jié)SG3525芯片的6端的R_d，改變了控制信號的頻率，從而改變了半橋的導通時間，進而改變了方波的頻率。頻率的調(diào)節(jié)范圍為35～101 Hz。

    圖5中的（c）和（d）分別是在頻率和直流電源A的大小相同的情況下，直流電源B為25 V和30 V的輸出波形。通過調(diào)節(jié)串入的直流電源B的大小，可以改變交直流疊加后的輸出電壓大小。直流電源B的調(diào)節(jié)范圍是0～32 V。

    圖5中的（e）和（f）分別是在頻率和直流電源B的大小相同的情況下，方波為4 V和6 V的輸出波形。通過調(diào)節(jié)MOSFET兩端的直流電壓，可以改變方波的輸出電壓大小。方波電壓可以調(diào)節(jié)范圍為0～6 V。

2.2 電化學腐蝕實驗時電源輸出電壓波形

    空載和電化學腐蝕實驗波形如圖6所示。

    圖7中的（a）和（b）是圖6中的（b）圖的上升沿和下降沿的波形放大圖。觀察圖7（a）和（b）兩圖，形成了緩慢上升和下降的波形，原因是變壓器導致的。所用變壓器并不是理想變壓器，它是有漏感^[12]的。經(jīng)仿真實驗驗證，漏感是引起這個問題的主要原因?？蛰d時，沒有形成回路，電流為零，漏感并沒有影響空載波形，因此圖6中（a）圖電壓波形比（b）圖優(yōu)良。從圖7可觀察到：上升沿和下降沿的變化響應(yīng)很快，均在30 μs左右，有著良好的動態(tài)響應(yīng)。

3 應(yīng)用與實驗結(jié)果分析

    利用該電源進行電化學腐蝕法制備金屬氧化物納米顆粒實驗，得到的實驗結(jié)果如圖8所示。圖8的（a）和（b）是采用直流電源為5 V，方波為2 V，頻率為56 Hz，占空比為0.5的交變方波反應(yīng)20 min后得到的金屬氧化物的XRD以及SEM圖形。SEM圖片顯示得到的納米顆粒相對均勻，大小約為30 nm。XRD圖與標準圖譜比較，證實得到的金屬氧化物是四氧化三鐵。

4 結(jié) 論

    基于MOSFET作為開關(guān)管的交直流疊加電源，在電化學腐蝕實驗中取得了很好的效果。采用調(diào)頻控制逆變橋電路，從而使電源始終工作在最佳頻率。與其他電鍍電源不同，其頻率、交直流電壓均可調(diào)，動態(tài)響應(yīng)快，功率大，電流最大可達10 A。

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作者信息:

王勝利，吳云峰，唐  輝，胡波洋，苗  玲

（電子科技大學 能源科學與工程學院，四川 成都611731）