0 引言

    納米材料由于其特殊的光、電、聲、磁、熱和化學(xué)性能而被稱(chēng)為“21世紀(jì)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(kāi)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(guò)電化學(xué)腐蝕法制備金屬氧化物納米材料的方法，具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)前驅(qū)物價(jià)格低廉，反應(yīng)產(chǎn)率高，對(duì)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(cè)試試驗(yàn)^[2-4]中運(yùn)用頻繁，使用的電壓等級(jí)^[5]高。清華大學(xué)在對(duì)油紙絕緣沿面閃絡(luò)的影響試驗(yàn)時(shí)使用了交直流疊加電源^[6]。非對(duì)稱(chēng)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(fù)面積相等的非對(duì)稱(chēng)方波。直流疊加電路通過(guò)電阻和電感串聯(lián)將低壓直流信號(hào)疊加到高頻高壓的非對(duì)稱(chēng)方波上, 同時(shí)有效阻隔了高頻高壓非對(duì)稱(chēng)方波對(duì)低壓直流電源可能造成的損害。此疊加電源有所不同，運(yùn)用接入變壓器的思想，一是實(shí)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?yàn)槭∪チ烁艚浑娮琛?/p>

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(dòng)電路、信號(hào)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?fù)?/strong>

    直流電壓經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)電源中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管輪流交替工作，其輸出電壓波形對(duì)稱(chēng)，并且開(kāi)關(guān)電源在整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)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(dòng)隔離電路

1.2.1 控制脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路

    控制脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路如圖3所示。芯片SG3525形成控制脈沖信號(hào)，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(shí)電容；R_t為連接在6腳上的定時(shí)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(guò)改變6號(hào)腳的電流大小，實(shí)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(hào)的頻率。設(shè)計(jì)由SG3525產(chǎn)生兩路控制信號(hào)來(lái)控制金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-oxide-semiconductor Field-effect Transistor，MOSFET）的導(dǎo)通與關(guān)閉。

1.2.2 隔離和驅(qū)動(dòng)電路

    如圖4所示，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路都采用獨(dú)立的輔助電源供電, 以保證各驅(qū)動(dòng)電路間的相互隔離。在控制信號(hào)電路與驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路的控制信號(hào)由SG3525產(chǎn)生。MOSFET驅(qū)動(dòng)采用由三極管級(jí)聯(lián)的方式，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力。設(shè)計(jì)電路時(shí)，在兩路驅(qū)動(dòng)之間接入了一個(gè)二極管，為防止兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)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(dāng)MOSFET管Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時(shí)，輸出端的電壓大小為U；當(dāng)MOSFET管Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通時(shí)，輸出端的電壓大小為-U。因此，當(dāng)MOSFET管Q1和Q2以一定頻率交替導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)，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(dá)到對(duì)稱(chēng)方波電源和直流電壓電源的電壓大小分別獨(dú)立可調(diào)、互不影響，因此采用了一個(gè)單獨(dú)控制的直流源來(lái)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(guò)相應(yīng)的隔離疊加電路，使直流電壓與對(duì)稱(chēng)方波疊加在一起，共同作用于負(fù)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?yàn)檩敵鲭娏髯罡呖蛇_(dá)到10 A，因此使用了降壓變壓器T1，變壓器也實(shí)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(lái)確定的，因?yàn)榇穗娫摧敵龅念l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(lái)確定。電源的輸出電流最大為10 A，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)參數(shù)的變化對(duì)輸出電壓的影響

    空載實(shí)驗(yàn)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(guò)調(diào)節(jié)SG3525芯片的6端的R_d，改變了控制信號(hào)的頻率，從而改變了半橋的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)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(guò)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(guò)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(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)電源輸出電壓波形

    空載和電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，漏感是引起這個(gè)問(wèn)題的主要原因?？蛰d時(shí)，沒(méi)有形成回路，電流為零，漏感并沒(méi)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(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3 應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    利用該電源進(jìn)行電化學(xué)腐蝕法制備金屬氧化物納米顆粒實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)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(duì)均勻，大小約為30 nm。XRD圖與標(biāo)準(zhǔn)圖譜比較，證實(shí)得到的金屬氧化物是四氧化三鐵。

4 結(jié) 論

    基于MOSFET作為開(kāi)關(guān)管的交直流疊加電源，在電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，功率大，電流最大可達(dá)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(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都611731）