開關(guān)電源應(yīng)用之一種高壓正弦波變頻逆變電源
目前，在臭氧發(fā)生器，污水處置，煙氣脫硫，高功率激光，等離子體放電等技術(shù)領(lǐng)域，高壓逆變電源正得到越來(lái)越多的運(yùn)用。傳統(tǒng)的高壓逆變電源通常由工頻或中頻變壓器直接升壓或LC串聯(lián)諧振取得，不可避免地具有體積大，功率低的缺陷。在目前許多需求高壓電源的場(chǎng)合，選用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻的高頻高壓電源作用非常好，并且高頻電源體積小，重量輕，是未來(lái)開展的方向。這篇文章介紹了一種介質(zhì)阻撓放電發(fā)生器專用的配套高壓正弦波逆變電源。該介質(zhì)阻撓放電發(fā)生器由絕緣資料和在絕緣資料兩頭蝕刻而成的放電極兩有些構(gòu)成，如圖1所示。在放電極間隙中參加介質(zhì)層，可有用按捺放電電流的增大，有助于在介質(zhì)兩頭形成安穩(wěn)的等離子體層。其等效電路可近似看成是電容和電阻并聯(lián)構(gòu)成，這種容性負(fù)載在電源規(guī)劃時(shí)必須思考其對(duì)濾波特性的影響。為了研討在不一樣電壓和頻率下該放電裝置的特性，需求配套的供電電源輸出電壓和頻率改動(dòng)規(guī)模較大。就本裝置而言，對(duì)電源的需求是：輸出電壓要能到達(dá)20kV，輸出電流可到達(dá)1A，頻率改動(dòng)規(guī)模為5～20kHz，波形為純正弦。以下介紹該電源的規(guī)劃關(guān)鍵。
2 高壓正弦波變頻逆變電源的規(guī)劃
這篇文章所規(guī)劃的高壓正弦波逆變電源原理圖如圖2所示。輸入電源為三相380V，經(jīng)三相橋整流后，可得約540V的直流電壓（隨電網(wǎng)電壓的改動(dòng)動(dòng)搖）。該直流電壓經(jīng)過(guò)DC/DC改換器，得到一個(gè)輸出幅值可變的直流電壓，改動(dòng)規(guī)模規(guī)劃為0～500V。該改換選用通常的Buck降壓改換電路即可完成。可變直流電壓經(jīng)DC/AC全橋逆變電路得到方波輸出。該方波經(jīng)LC濾波后可得到正弦波輸出。濾波電感由外加電感和變壓器自身漏感構(gòu)成，濾波電容由變壓器自身雜散電容和負(fù)載本身的電容構(gòu)成。低壓正弦波最終經(jīng)高壓高頻變壓器升壓得到所需求的高壓正弦波。通常的逆變器只是靠DC/AC一級(jí)改換就可同時(shí)完成變頻和變壓的功用，但本例對(duì)輸出波形的需求較高，并且輸出頻率較高，欠好完成高頻調(diào)制，因而，選用兩級(jí)改換，分別完成變頻和變壓的功用。
DC/DC有些選用SG3525操控，經(jīng)過(guò)改動(dòng)其輸出的占空比來(lái)改動(dòng)直流輸出電壓。DC/AC有些的功用只是是將直流成為溝通，因而，本有些的操控芯片也選用SG3525，且其在作業(yè)進(jìn)程中占空比根本堅(jiān)持不變，只是頻率在設(shè)定規(guī)模內(nèi)改動(dòng)。80C196KC單片機(jī)在整個(gè)電路中首要起一個(gè)人機(jī)接口的作用。它擔(dān)任承受操控指令并將作業(yè)進(jìn)程中的一些參數(shù)及狀況顯現(xiàn)出來(lái)。鍵盤及顯現(xiàn)接口電路經(jīng)過(guò)8255芯片完成與CPU的通訊。參數(shù)調(diào)整接口首要擔(dān)任將80C196KC的輸出指令傳送到SG3525電源操控芯片，以完成對(duì)電源的輸出電壓及頻率的調(diào)整。功率開關(guān)管悉數(shù)選用IGBT，一切功率管的驅(qū)動(dòng)均選用專用IGBT驅(qū)動(dòng)操控芯片M57959L，該芯片內(nèi)部帶有光電阻隔器和過(guò)流維護(hù)電路，運(yùn)用起來(lái)對(duì)比便利。
3 電路規(guī)劃中的幾個(gè)關(guān)鍵疑問(wèn)
3．1 高壓高頻變壓器的規(guī)劃
通常的開關(guān)電源輸入輸出都是低壓，輸入輸出大都在幾百伏以內(nèi)，因而，通常高頻變壓器的原副邊規(guī)劃差異不大，對(duì)比好處置。但高壓高頻變壓器規(guī)劃起來(lái)對(duì)比艱難，它有兩個(gè)特點(diǎn)：
1）絕緣疑問(wèn)欠好處置，體積越小，對(duì)絕緣資料的需求越高；
2）副邊匝數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原邊匝數(shù)，形成高壓高頻變壓器的副邊散布參數(shù)對(duì)電路的影響很大，特別是在高頻狀況下，變壓器副邊漏感和雜散電容將極大地影響能量的傳輸進(jìn)程。
因而，對(duì)這種變壓器的剖析也不一樣于通常高頻變壓器。高壓變壓器的等效電路圖如圖3所示。其中變比為1：N的變壓器是不思考散布參數(shù)的抱負(fù)變壓器。Lp，Ls是原副邊漏感，Rp，Rs是原副邊繞組等效電阻，Cp，Cs為原副邊雜散電容。
由抱負(fù)變壓器輸出有些向右看，可得輸入輸出傳遞函數(shù)為
式中：Vo′和Vo分別是抱負(fù)變壓器的輸出電壓和該電壓經(jīng)Ls，Rs，Cs電路濾波后的輸出電壓。
這是一個(gè)二階濾波電路，其傳遞函數(shù)的幅頻和相頻特性示意圖如圖4所示。由圖4可見，對(duì)相同幅值的輸入電壓，頻率由小到大改動(dòng)時(shí)，其輸出呼應(yīng)先變大，到某一個(gè)最高點(diǎn)后，再逐漸變小。這意味著主電路的增益在頻率改動(dòng)時(shí)會(huì)劇烈改動(dòng)，給操控電路的規(guī)劃帶來(lái)不方便。由相頻特性可見變壓器相當(dāng)于一個(gè)滯后環(huán)節(jié)。
由以上剖析可知，因?yàn)槁└泻碗s散電容的存在，高壓高頻變壓器在電路中的增益隨頻率的改動(dòng)而改動(dòng)，且簡(jiǎn)單呈現(xiàn)諧振表象。以某高壓高頻變壓器為例，實(shí)踐丈量該變壓器的參數(shù)為：Ls=0.8H，Rs=25Ω，Cs=5000pF。則其諧振角頻率ωo=15.8×103rad/s，對(duì)應(yīng)的諧振開關(guān)頻率fo=2.5kHz，品質(zhì)因數(shù)Q≌500。在頻率約5～10kHz規(guī)模該變壓器增益極大,須將輸入電壓降得很低才干得到所需輸出，很簡(jiǎn)單形成輸出過(guò)壓。而過(guò)了10kHz頻帶后，增益敏捷衰減，須將輸入電壓升得很高才干得到所需輸出，在20kHz頻率下會(huì)呈現(xiàn)電壓傳遞不到副邊的表象。
因而，在高壓高頻變壓器的繞制進(jìn)程中，應(yīng)注意削減其漏感以提高諧振頻率。可選用削減繞組匝數(shù)，原副邊嚴(yán)密耦合，運(yùn)用高密度絕緣資料等辦法處理該疑問(wèn)。
這篇文章選用一對(duì)U型非晶合金作為高壓高頻變壓器的磁芯，這種資料的飽滿磁密可達(dá)1T，且磁導(dǎo)率較高，在規(guī)劃變壓器時(shí)可不加氣隙，使漏感減到最小。
經(jīng)過(guò)重新處置后的高壓變壓器參數(shù)為：Ls=0.08H，Rs=55Ω，Cs=3500pF，其諧振頻率為fo=9.5kHz，可根本滿足需求。
大概指出的是，DC/AC有些輸出的方波經(jīng)LC和變壓器濾波后雖然能得到正弦波，但不一樣的頻帶濾波作用是不一樣的。方波由基波和一系列奇數(shù)次諧波構(gòu)成。在低頻時(shí)，諧波頻率也較低，由圖5（a）可見諧波的衰減較小，形成輸出正弦波的正弦度不是太好，而高頻時(shí)，諧波頻率較高，衰減很大，使變壓器能夠輸出規(guī)范正弦波。如圖5(b)所示。
3．2 輸出溝通頻率的操控
對(duì)輸出頻率的操控是經(jīng)過(guò)改動(dòng)SG3525芯片的調(diào)制頻率來(lái)完成的。SG3525的腳3(SYN)是輸入同步端，由80C196的HSO口輸出的頻率可調(diào)的脈沖經(jīng)緩沖后送入該腳，即可改動(dòng)SG3525的振蕩頻率，然后完成輸出頻率的改動(dòng)。如圖6所示。
3．3 輸出溝通幅值的操控
對(duì)溝通輸出電壓幅值的操控可選用開環(huán)或閉環(huán)操控的辦法，開環(huán)操控對(duì)比簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單完成，且牢靠，但精度不高，對(duì)負(fù)載和電網(wǎng)的動(dòng)搖靈敏。因而，本例選用閉環(huán)操控以完成對(duì)溝通輸出幅值的操控，如圖7所示。電壓反應(yīng)值和輸出給定值進(jìn)行對(duì)比，并經(jīng)SG3525內(nèi)部的運(yùn)放擴(kuò)大后，得幅值可變的直流電壓。該電壓與內(nèi)部三角波對(duì)比后，可操控SG3525的輸出脈寬的巨細(xì)，改動(dòng)DC/DC輸出電壓值，然后改動(dòng)DC/AC的輸出電壓幅值。
3．4 恒流電路的規(guī)劃
這篇文章所規(guī)劃的電源是一個(gè)電壓源，但在實(shí)踐運(yùn)用進(jìn)程中可能會(huì)呈現(xiàn)需求約束輸出電流的狀況，因而，規(guī)劃了一個(gè)恒流環(huán)節(jié)。原理如圖8所示。電流給定和電流反應(yīng)信號(hào)對(duì)比擴(kuò)大后，經(jīng)二極管阻隔后送入SG3525的腳8（SS）。腳8正常電壓約＋5V，當(dāng)其電壓降到＋5V以下時(shí)，輸出脈寬就開端被縮短，當(dāng)電壓再低到一定程度時(shí)，脈沖輸出將被封閉。因而，可將此恒流電路看成是一個(gè)電流外環(huán)，正常運(yùn)行時(shí)，電流給定值大于電流反應(yīng)，PI調(diào)節(jié)器飽滿，不影響SG3525的運(yùn)用；當(dāng)電流反應(yīng)大于電流給守時(shí)，PI調(diào)節(jié)器輸出開端降低，將腳8電壓拉低，使SG3525輸出脈寬削減，電源的輸出電流隨之削減，最終安穩(wěn)在電流給定值。
4 結(jié)語(yǔ)
這篇文章所介紹的高壓正弦波逆變電源已成功運(yùn)用于某項(xiàng)意圖等離子體放電物理試驗(yàn)中，各項(xiàng)性能指標(biāo)均到達(dá)了規(guī)劃需求。
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