一款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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)改變其輸出的占空比來(lái)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(guò)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(guò)程中的一些參數(shù)及狀態(tài)顯示出來(lái)。鍵盤及顯示接口電路通過(guò)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(guò)流保護(hù)電路，使用起來(lái)比較方便。電路設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(lái)比較困難，它有兩個(gè)特點(diǎn)：

1)絕緣問(wèn)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(guò)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