高壓正弦波變頻逆變電源的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　目前，在臭氧發(fā)生器，污水處理，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越多的應(yīng)用。傳統(tǒng)的高壓逆變電源一般由工頻或中頻變壓器直接升壓或LC串聯(lián)諧振獲得，不可避免地具有體積大，效率低的缺點(diǎn)。在目前許多需要高壓電源的場(chǎng)合，采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻的高頻高壓電源效果更好，而且高頻電源體積小，重量輕，是未來發(fā)展的方向。本文介紹了一種介質(zhì)阻擋放電發(fā)生器專用的配套高壓正弦波逆變電源。該介質(zhì)阻擋放電發(fā)生器由絕緣材料和在絕緣材料兩端蝕刻而成的放電極兩部分組成，如圖1所示。在放電極間隙中加入介質(zhì)層，可有效抑制放電電流的增大，有助于在介質(zhì)兩端形成穩(wěn)定的等離子體層。其等效電路可近似看成是電容和電阻并聯(lián)組成，這種容性負(fù)載在電源設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮其對(duì)濾波特性的影響。為了研究在不同電壓和頻率下該放電裝置的特性，需要配套的供電電源輸出電壓和頻率變動(dòng)范圍較大。就本裝置而言，對(duì)電源的要求是：輸出電壓要能達(dá)到20kV，輸出電流可達(dá)到1A，頻率變化范圍為5～20kHz，波形為純正弦。以下介紹該電源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

　　(a)發(fā)生器簡(jiǎn)圖 (b)等效電路

圖1 介質(zhì)阻擋放電發(fā)生器及其等效電路示意圖

　　高壓正弦波變頻逆變電源的設(shè)計(jì)

　　本文所設(shè)計(jì)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)電壓的變化波動(dòng))。該直流電壓經(jīng)過DC/DC變換器，得到一個(gè)輸出幅值可變的直流電壓，變化范圍設(shè)計(jì)為0～500V。該變換采用普通的Buck降壓變換電路即可實(shí)現(xiàn)。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組成，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。低壓正弦波最后經(jīng)高壓高頻變壓器升壓得到所需要的高壓正弦波。一般的逆變器僅僅靠DC/AC一級(jí)變換就可同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻和變壓的功能，但本例對(duì)輸出波形的要求較高，而且輸出頻率較高，不好實(shí)現(xiàn)高頻調(diào)制，因此，采用兩級(jí)變換，分別實(shí)現(xiàn)變頻和變壓的功能。

圖2 高壓變頻逆變電源原理圖

　　DC/DC 部分采用SG3525控制，通過改變其輸出的占空比來改變直流輸出電壓。DC/AC部分的功能僅僅是將直流變成交流，因此，本部分的控制芯片也采用 SG3525，且其在工作過程中占空比基本保持不變，僅僅頻率在設(shè)定范圍內(nèi)變化。80C196KC單片機(jī)在整個(gè)電路中主要起一個(gè)人機(jī)接口的作用。它負(fù)責(zé)接受控制指令并將工作過程中的一些參數(shù)及狀態(tài)顯示出來。鍵盤及顯示接口電路通過8255芯片實(shí)現(xiàn)與CPU的通訊。參數(shù)調(diào)整接口主要負(fù)責(zé)將80C196KC的輸出指令傳送到SG3525電源控制芯片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的輸出電壓及頻率的調(diào)整。功率開關(guān)管全部采用IGBT，所有功率管的驅(qū)動(dòng)均采用專用IGBT驅(qū)動(dòng)控制芯片M57959L，該芯片內(nèi)部帶有光電隔離器和過流保護(hù)電路，使用起來比較方便。

　　電路設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題

　　1、高壓高頻變壓器的設(shè)計(jì)

　　普通的開關(guān)電源輸入輸出都是低壓，輸入輸出大都在幾百伏以內(nèi)，因此，普通高頻變壓器的原副邊設(shè)計(jì)區(qū)別不大，比較好處理。但高壓高頻變壓器設(shè)計(jì)起來比較困難，它有兩個(gè)特點(diǎn)：

　　1)絕緣問題不好處理，體積越小，對(duì)絕緣材料的要求越高；

　　2)副邊匝數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原邊匝數(shù)，造成高壓高頻變壓器的副邊分布參數(shù)對(duì)電路的影響很大，特別是在高頻情況下，變壓器副邊漏感和雜散電容將極大地影響能量的傳輸過程。

圖3 高壓變壓器等效電路

　　因此，對(duì)這種變壓器的分析也不同于普通高頻變壓器。高壓變壓器的等效電路圖如圖3所示。其中變比為1：N的變壓器是不考慮分布參數(shù)的理想變壓器。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。

(a)幅頻特性圖

(b)相頻特性圖

圖4 二階濾波電路的幅頻及相頻特性

　　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)同樣幅值的輸入電壓，頻率由小到大變化時(shí)，其輸出響應(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變化時(shí)會(huì)劇烈變化，給控制電路的設(shè)計(jì)帶來不便。由相頻特性可見變壓器相當(dāng)于一個(gè)滯后環(huán)節(jié)。

　　由以上分析可知，由于漏感和雜散電容的存在，高壓高頻變壓器在電路中的增益隨頻率的變化而變化，且容易出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。以某高壓高頻變壓器為例，實(shí)際測(cè)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范圍該變壓器增益極大，須將輸入電壓降得很低才能得到所需輸出，很容易造成輸出過壓。而過了10kHz頻帶后，增益迅速衰減，須將輸入電壓升得很高才能得到所需輸出，在20kHz頻率下會(huì)出現(xiàn)電壓傳遞不到副邊的現(xiàn)象。

　　因此，在高壓高頻變壓器的繞制過程中，應(yīng)注意減少其漏感以提高諧振頻率?？刹捎脺p少繞組匝數(shù)，原副邊緊密耦合，應(yīng)用高密度絕緣材料等辦法解決該問題。

　　本文采用一對(duì)U型非晶合金作為高壓高頻變壓器的磁芯，這種材料的飽和磁密可達(dá)1T，且磁導(dǎo)率較高，在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)可不加氣隙，使漏感減到最小。

　　經(jīng)過重新處理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，可基本滿足需要。

(a)輸出電壓波形(5kHz)

(b)輸出電壓波形(10kHz)

圖5 不同頻率時(shí)的輸出電壓波形

　　應(yīng)該指出的是，DC/AC部分輸出的方波經(jīng)LC和變壓器濾波后雖然能得到正弦波，但不同的頻帶濾波效果是不同的。方波由基波和一系列奇數(shù)次諧波組成。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，造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，使變壓器可以輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波。如圖5(b)所示。

　　2、輸出交流頻率的控制

　　對(duì)輸出頻率的控制是通過改變SG3525芯片的調(diào)制頻率來實(shí)現(xiàn)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，即可改變SG3525的振蕩頻率，從而實(shí)現(xiàn)輸出頻率的改變。如圖6所示。

圖6 SG3525頻率控制示意圖

　　3、輸出交流幅值的控制

　　對(duì)交流輸出電壓幅值的控制可采用開環(huán)或閉環(huán)控制的方法，開環(huán)控制比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，且可靠，但精度不高，對(duì)負(fù)載和電網(wǎng)的波動(dòng)敏感。因此，本例采用閉環(huán)控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸出幅值的控制，如圖7所示。電壓反饋值和輸出給定值進(jìn)行比較，并經(jīng)SG3525內(nèi)部的運(yùn)放放大后，得幅值可變的直流電壓。該電壓與內(nèi)部三角波比較后，可控制SG3525的輸出脈寬的大小，改變DC/DC輸出電壓值，從而改變DC/AC的輸出電壓幅值。

圖7 交流輸出幅值控制電路示意圖

　　4、恒流電路的設(shè)計(jì)

　　本文所設(shè)計(jì)的電源是一個(gè)電壓源，但在實(shí)際使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)需要限制輸出電流的情況，因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)恒流環(huán)節(jié)。電流給定和電流反饋信號(hào)比較放大后，經(jīng)二極管隔離后送入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)，輸出脈寬就開始被縮短，當(dāng)電壓再低到一定程度時(shí)，脈沖輸出將被封鎖。因此，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饋，PI調(diào)節(jié)器飽和，不影響SG3525的使用；當(dāng)電流反饋大于電流給定時(shí)，PI調(diào)節(jié)器輸出開始下降，將腳8電壓拉低，使SG3525輸出脈寬減少，電源的輸出電流隨之減少，最后穩(wěn)定在電流給定值。

　　結(jié)語

　　本文所介紹的高壓正弦波逆變電源已成功應(yīng)用于某項(xiàng)目的等離子體放電物理實(shí)驗(yàn)中，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。