等离子技术制备石墨烯大功率专用电源的制作方法

本发明涉及一种电源，具体涉及等离子技术制备石墨烯大功率专用电源。

背景技术：

目前石墨烯的制备方法可以分为固相法、液相法和气相法。固相法包括微机械剥离法、外延生长法；液相法有氧化还原法、超声分散法、有机合成法、溶剂热法；气相法包括化学气相沉积法(CVD)、电弧放电法。固相法产量低，仅适用小范围研究；液相法制备的石墨烯层数和质量难以控制；CVD法制备石墨烯条件苛刻，难以实现低成本、高产量下制备高质量的石墨烯。

现在采用等离子技术制备石墨烯是性价比较高的方法，这种方法具有操作简单，成本低廉，生产效率高，通过调节放电等离子体的电流或放电电压、等离子体放电功率、放电时间、石墨烯生长温度等可以得到高质量、高纯度、低层数的石墨烯。但采用等离子体技术实现低成本、高效率制备石墨烯的关键是需要大电流、高效率、高精度、高稳定性的专用电源。以现目前的技术来说，还没有出现能达到指标的电源。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对上述现有等离子体制备石墨烯电源功率小，效率不高、无法根据石墨烯生产装置(负载)实现自动调节等技术的问题，本发明提出一种克服现有技术不足，大功率、高效率、高精度、能根据负载实现自动调节的等离子技术制备石墨烯大功率专用电源。

本发明采用的技术方案如下：

等离子技术制备石墨烯大功率专用电源，包括主电路部分和综合控制部分，所述主电路部分中，包括电源输入电路、三相整流电路、IGBT全桥逆变电路、高频降压变压器、高频整流滤波电路、电源输出电路和引弧电路；所述综合控制部分包括触摸屏和DSP控制系统；

所述主电路部分中IGBT全桥逆变电路中的三极管基极与综合控制部分连接，所述主电路部分中高频整流滤波电路通过取样电路与综合控制部分连接。

进一步的，所述主电路部分中，三相交流输入电路通过三相整流电路与IGBT全桥逆变电路连接，所述IGBT全桥逆变电路通过高频降压变压器与高频整流滤波电路连接，高频整流滤波电路与取样电路、引弧电路和输出电路连接。

进一步的，所述主控制部分中，所述DSP控制系统电路中包括DSP控制器、PWM脉宽调整和保护电路、接口电路和光电隔离电路；

所述DSP控制器通过PWM脉宽调整和保护电路与主电路部分的IGBT全桥逆变电路连接，所述DSP控制器通过光电隔离电路与取样电路连接，DSP控制器通过接口电路与触摸屏和I/O接口连接。

进一步的，所述主电路部分中，开关S1与二极管D1正极和二极管D4负极连接，开关S2与二极管D2正极和二极管D5负极连接，开关S3与二极管D3正极和二极管D6负极连接，二极管D1负极、二极管D2负极、二极管D3负极和电容C1一端与IGBT全桥逆变电路中三极管Q1集电极和三极管Q3集电极连接，二极管D4负极、二极管D5负极、二极管D6负极和电容C2一端与IGBT全桥逆变电路中三极管Q2发射极和三极管Q4发射极连接，电容C1另一端和电容C2另一端连接，三极管Q1发射极和三极管Q2集电极与电容C3一端连接，三极管Q3发射极和三极管Q4集电极与变压器T1接口2连接，电容C3另一端与电感L1一端连接，电感L1另一端与变压器T1接口1连接；变压器T1接口3与二极管D7正极、二极管D8正极、二极管D11负极和二极管D12负极连接，变压器T1接口4与二极管D9正极、二极管D10正极、二极管D13负极和二极管D14负极连接，二极管D7负极、二极管D8负极、二极管D9负极和二极管D10负极与电感L2一端连接，二极管D11正极、二极管D12正极、二极管D13正极和二极管D14正极与电源输出端正极连接，电感L2另一端与电流互感器TA一端连接，电流互感器TA另一端与输出端负极连接，电阻R1与电阻R2、电阻R3和电阻R4串联，电阻R1未串联一端与输出端负极连接，电阻R4未串联一端与输出端正极连接；引弧电路中，开关S4一端与二极管D15正极和变压器T2接口2连接二极管D15负极与电阻R5一端和电容C4一端连接，电阻R5另一端和电容C4另一端与变压器T2接口1连接，变压器T2接口3与二极管D16正极连接，二极管D16负极与引弧口正极和电容C5一端连接，电容C5另一端与变压器T3接口1连接，变压器T2接口4与引弧口负极和变压器T3接口2连接，变压器T接口3和接口4与电源输出端连接。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.在电源控制方面，与变压器+硅整流型控制方式相比，本发明所述的大功率等离子技术制备石墨烯大功率专用电源综合控制装置采用高频逆变电源代替了可控硅电源，因而有效增大了功率因数，有效提高了电源效率(达93％以上)，有效降低了用户使用成本。

2.逆变驱动频率为20kHz～40kHz，一方面提高了电源效率；另一方面使PWM脉宽调整电路能在1秒至少能调整次数达20000次，调节精度高，使电源响应速度快。

3.采用1200A大功率IGBT作为全桥逆变，多层均流控制，使整机输出电流达5000A，功率达1MW。电流输出范围宽50A～5000A。

4.大电流输出，可使石墨烯生产炉内石墨电弧温度3000度，同时可使用更大直径的石墨，可以大大提高石墨烯产出效率，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明整体结构图；

图2是主电路部分电路图；

图3是控制电路部分结构图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1、图2、图3对本发明作详细说明。

如图1所示，是本发明的整体结构图，本电路主要由主电路部分和综合控制部分组成，主电路部分中，包括电源输入电路、三相整流电路、IGBT全桥逆变电路、高频降压变压器、高频整流滤波电路、电源输出电路和引弧电路；综合控制部分包括触摸屏和DSP控制系统；主电路部分中IGBT全桥逆变电路中的三极管基极与综合控制部分连接，所述主电路部分中高频整流滤波电路通过取样电路与综合控制部分连接。

在主电路部分中，三相交流输入电路通过三相整流电路与IGBT全桥逆变电路连接，IGBT全桥逆变电路通过高频降压变压器与高频整流滤波电路连接，高频整流滤波电路与取样电路、引弧电路和输出电路连接。

主回路中三相交流电源顺次连接三相整流电路、IGBT全桥逆变器、高频降压变压器、高频整流滤波电路。其中绝缘栅双极型晶体管IGBT作为逆变功率开关器件。

在主控制部分中，所述DSP控制系统电路中包括DSP控制器、PWM脉宽调整和保护电路、接口电路和光电隔离电路；

DSP控制器通过PWM脉宽调整和保护电路与主电路部分的IGBT全桥逆变电路连接，DSP控制器通过光电隔离电路与取样电路连接，DSP控制器通过接口电路与触摸屏和I/O接口连接。

综合控制部分由触摸屏和DSP控制系统组成；取样电路8包括电流取样电路和电压取样电路；取样信号经过隔离电路、DSP、PWM脉宽调整和保护电路，返馈入逆变器。频率达20kHz～40kHz。有高磁导率磁芯和脉宽调整，波形不畸变，效率可达93％。

电源控制核心单元为数字微处理芯片，直流电压采样电路、输出电流采样电路的输出端经光电隔离输入数字微处理芯片的AD转换模块、计算模块分别与电流调节模块、功率调节模块连接，通讯模块与显示操作面板信号连接，功率给定模块经功率调节模块、电流调节模块、PWM输出模块与逆变驱动电路输入端连接，I/O控制模块与外接功能模块连接。且输出电压、电流连续可调。

基于上述过程，与现有控制装置相比，本发明所述的大功率等离子技术制备石墨烯大功率专用电源具有如下优点：

1、在电源控制方面，与变压器+硅整流型控制方式相比，本发明所述的大功率等离子技术制备石墨烯大功率专用电源综合控制装置采用高频逆变电源代替了可控硅电源，因而有效增大了功率因数，有效提高了电源效率(达93％以上)，有效降低了用户使用成本。

2.逆变驱动频率为20kHz～40kHz，一方面提高了电源效率；另一方面使PWM脉宽调整电路能在1秒至少能调整次数达20000次，调节精度高，使电源响应速度快。

3.采用1200A大功率IGBT作为全桥逆变，多层均流控制，使整机输出电流达5000A，功率达1MW。电流输出范围宽50A～5000A。

4.大电流输出，可使石墨烯生产炉内石墨电弧温度3000度，同时可使用更大直径的石墨，可以大大提高石墨烯产出效率，降低生产成本。