20CrNi2Mo钢中的Al含量控制

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齿轮钢是对可用于加工制造齿轮的钢材的统称，20CrNi2Mo钢就是其中一种优秀的材质。经过渗碳、淬火和低温回火处理后，20CrNi2Mo钢表面层具有优良的耐磨性与抗疲劳性，而心部有良好的韧性及足够的强度，满足齿轮在工作状态要承受循环应力和强烈的冲击力。

晶粒大小是齿轮钢的一项重要指标，齿轮钢晶粒度要求≥6级，通常是在冶炼时控制钢中残余铝含量达到细化晶粒的。对于20CrNi2Mo钢，研究发现：晶界上的AlN 对20CrNi2Mo 钢的晶粒长大倾向性起决定性作用。AlN质点是严格按化学比，即1:1的铝、氮原子比析出的。当钢中氮、铝原子数之比为1:1时，相对应的质量分数之比为14 /27，即约为0.52。当N/Al 比值小于或者接近0.52，20CrNi2Mo钢奥氏体晶粒度得到显著细化，同时晶粒细化也使该钢渗碳层的组织和性能得到了改善，要实现N/Al小于等于0.52，钢中Al 含量需控制在0.01% ～0.02%之间。
20CrNi2Mo 齿轮钢生产的一般工艺是：EBT初炼—LF精炼—VD(真空脱气)—VC(真空浇注) 。生产过程中Al含量控制要点：
1、电弧炉冶炼
冶炼时必须严格执行生铁用量，保证熔清C含量≥0.50%，控制电弧炉碳氧枪吹氧强度，终点C≥0.07%，避免钢液产生过度氧化；出钢严禁氧化渣进入精炼包，出钢过程吨钢随钢流加入0.5kg 铝、1 kg 硅铝钡钙块以及2 kg 硅铝钡钙粉进行预脱氧，为LF精炼工序提供良好的条件。
2、LF炉精炼
精炼过程熔渣碱度控制在2.5～3之间，熔渣中( FeO) ≤1.0%，并保证熔渣的流动性。VD破空后，按吨钢喂0.2 kg 铝线进行铝成分调整。铝线规格为直径12 mm，重330 g /m，喂线速度60m/min～100 m/min。
3、钢锭浇注
采取氩气保护浇注，避免钢水浇注过程二次氧化导致钢中Al含量降低。
以上措施，可以使20CrNi2Mo钢中的Al含量得到有效控制，从而使N/Al 比值接近或者小于0.52，使20CrNi2Mo钢获得本质细晶粒及优良的力学性能，满足齿轮钢工作要求。


图3所示是一种典型的高可靠性IPM外部驱动电路方案。来自控制电路的PWM信号经R1限流.再经高速光耦隔离并放大后接IPM内部驱动电路并控制开关管工作，FO信号也经过光耦隔离输出。其中每个开关管的控制电源端采用独立隔离的稳压。15V电源，且接1只10μF的退耦电容器(图中未画出)以滤去共模噪声。Rl根据控制电路的输出电流选取.如用DSP产生PWM，则R1的阻值可为330Ω。R2根据IPM驱动电流选值，一方面应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声。另一方面又要足够可靠地控制IPM。可在2kΩ~6.8kΩ内选取。C1为2端与地间的O.1μF滤波电容器，PWM隔离光耦的要求是tPLH10kV/μs，可选用HCPIA503型、HCPIA504型、PS204l型(NEC)等高速光耦，且在光耦输入端接1只O.1μ的退耦电容器(图中未画出)。FO输出光耦可用低速光耦(如PC817)。IPM的内部引脚功能如表1所示。



图3的外部接口电路直接固定在PCB上且靠近模块输入脚，以减少噪声和干扰，PCB上布线的距离应适当，避免开关时干扰引起的电位变化。

另外，考虑到强电可能造成外部驱动电路到IPM引线的干扰，可以在引脚1~4间，3~4间，4~5间根据干扰大小加滤波电容器。
由于IPM本身提供的保护电路不具备自保护功能，所以要通过外围硬件或软件的辅助电路将内部提供的：FO信号转换为封锁IPM的控制信号，关断IPM，实现保护。

1、硬件

IPM有故障时，FO输出低电平，通过高速光耦到达硬件电路，关断PWM输出，从而达到保护IPM的目的。具体硬件连接方式如下：在PWM接口电路前置带控制端的3态收发器(如74HC245)。PWM信号经过3态收发器后送至IPM接口电路，IPM的故障输出信号FO经光耦隔离输出送入与非门。再送到3态收发器使能端OE。IPM正常工作时与非门输出为低电平。3态收发器选通，IPM有故障时与非门输出为高电平。3态收发器所有输出置为高阻态。封锁各个IPM的控制信号，关断IPM，实现保护。

2、软件

IPM有故障时FO输出低电平，FO信号通过高速光耦送到控制器进行处理。处理器确认后。利用中断或软件关断IPM的PWM控制信号，从而达到保护目的。如在基于DSP控制的系统中，利用事件管理器中功率驱动保护引脚(PDPINT)中断实现对IPM的保护。通常1个事件管理器严生的多路PWM可控制多个IPM工作.其中每个开关管均可输出FO信号，每个开关管的FO信号通过与门.当任一开关管有故障时输出低电平，与门输出低电平。将该引脚连至PDPINT，由于PDPINT为低电平时DSP中断，所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态，从而达到保护目的。

以上2种方案均利用IPM故障输出信号封锁IPM的控制信号通道，因而弥补了IPM自身保护的不足，有效地保护了器件。

智能功率模块(IPM)的缓冲电路设计

在IPM应用中，由于高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的di/dt、dv/dt和瞬时功耗会对器件产生较大的冲击，易损坏器件，因此需设置缓冲电路(即吸收电路)，目的是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。


图4为常用的3种IPM缓冲电路。图4(a)为单只无感电容器构成的缓冲电路，对瞬变电压有效且成本低，适用于小功率IPM。图4(b)为RCD构成的缓冲电路，适用于较大功率IPM.缓冲二极管D可箝住瞬变电压，从而抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。其RC时间常数应设计为开关周期的1/3，即r=T/3=1/3f。图4(c)为P型RCD和N型RCD构成的缓冲电路，适用于大功率IPM。功能类似于图4(b)所示的缓冲电路，其回路电感更小。若同时配合使用图4(a)所示的缓冲电路。还能减小缓冲二极管的应力，缓冲效果更好。

在图4(c)中，当IGBT关断时，负载电流经缓冲二极管向缓冲电容器充电，同时集电极电流逐渐减少，由于电容器二端的电压不能突变，所以有效地限制了IGBT集电极电压上升率dv/dt。也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。IGBT集电极母线电感、电路及其元件内部的杂散电感在IGBT开通时储存的能量，这时储存在缓冲电容器中。当IGBT开通时，集电极母线电感以及其他杂散电感又有效地限制了IGBT集电极电流上升率di/dt.同样也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。此时，缓冲电容器通过外接电阻器和IGBT开关放电，其储存的开关能量也随之在外接电阻器和电路、元件内部的电阻器上耗散。如此，便将IGBT运行时产生的开关损耗转移到缓冲电路，最后在相关电阻器上以热的形式耗散，从而保护IGBT安全运行。
图4(c)中的电阻值和电容值按经验数据选取：如PM200DSA060的电容值为0.221xF~0.47xF，耐压值是IGBT的1.1倍~1.5倍，电阻值为10?—20，电阻功率按P=fCU2xlO-6计算，其中f为IGBT工作频率，u为IGBT的工作峰值电压。C为缓冲电路与电阻器串联电容。二极管选用快恢复二极管。为了保证缓冲电路的可靠性，可以根据功率大小选择封装好的图4所示的缓冲电路。

另外，由于母线电感、缓冲电路及其元件内部的杂散电感对IPM尤其是大功率IPM有极大的影响，因此愈小愈好。要减小这些电感需从多方面人手：直流母线要尽量地短，缓冲电路要尽可能地靠近模块，选用低电感的聚丙烯无极电容器、与IPM相匹配的快速缓冲二极管及无感泄放电阻器。

智能功率模块(IPM)在单相全桥逆变器中的应用

图5所示的单相全桥逆变电路主要由逆变电路和控制电路组成。逆变电路包括逆变全桥和滤波电路，其中逆变全桥完成直流到交流的变换.滤波电路滤除谐波成分以获得需要的交流电，控制电路完成对逆变桥中开关管的控制并实现部分保护功能。



图中的逆变全桥由4个开关管和4个续流二极管组成，工作时开关管在高频条件下通断.开关瞬间开关管电压和电流变大，损耗大，结温升高，加上功率回路寄生电感、振荡及噪声等。极易导致开关管瞬间损坏，以往常用分立元件设计开关管的保护电路和驱动电路，导致电路庞大且不可靠。

本文采用一对PM200DSA060双单元IPM模块分别代替图中Vl、D1、V2、D2组合和V3、D3、v4、D4组合构成全桥逆变电路，利用DSP对IPM的控制，完成了中频率20kW、230V逆变器的设计和调试，采用了如上所述的驱动电路、图4(c)中的缓冲电路和基于DSP控制的软件IPM保护电路。设计实践表明：使用IPM可简化系统硬件电路、缩短系统开发时间、提高可靠性、缩小体积，提高保护能力。

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