交流高壓發(fā)生電路

摘要：分析部分高壓電路的原理，指出高壓不同電路的優(yōu)缺點，提出一種交流高壓發(fā)生電路，應(yīng)用于電擊穿產(chǎn)生臭氧的空氣凈化器中，提升空氣凈化器性能，降低成本。

引言

　　空氣污染以及空氣中產(chǎn)生大量細(xì)菌，流感、SARS病毒、MERS病毒等，嚴(yán)重威脅著人們的身體健康，影響人們的日常生活。臭氧，具備強(qiáng)氧化特性，可破壞微生物細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，一方面會對人體產(chǎn)生影響;一方面可直接作用于細(xì)菌內(nèi)部，從而達(dá)到快整殺菌效果。其殺菌效果相比其它方式效果更為之明顯，故臭氧在水處理及空氣凈化方面被大量應(yīng)用。臭氧的產(chǎn)生一般通過空氣電離的方式，使空氣中的氧分子分裂，再重新組合形成，空氣電離則需要在空氣中的氧分子中出現(xiàn)電擊穿效應(yīng)來產(chǎn)生，通常在臭氧陶瓷片兩端施加一定的交流高壓可使出現(xiàn)電暈的情況，從而在臭氧陶瓷片兩面可產(chǎn)生大量的臭氧，高壓發(fā)生電路是臭氧清新機(jī)的核心部件，控制著臭氧清新機(jī)的性能。本文通過分析高壓產(chǎn)生的原理，提出一種交流高壓發(fā)生電路，以應(yīng)用于臭氧機(jī)中，提升臭氧的發(fā)生量，減少電路熱損耗。

1 一般高壓發(fā)生電路分析

　　一般而言，在臭氧陶瓷片兩面施加幾千伏的交流電壓可出現(xiàn)電暈情形，從而在臭氧陶瓷片兩端的空氣形成臭氧，目前市場上的高壓發(fā)生電路主要有以下兩種實現(xiàn)方式。

1.1 線性變壓器升壓方式

　　通過線性升壓變壓器直接磁耦合方式產(chǎn)生高壓，電路簡單、可靠性高，但這個方式由于電源供電電壓為50Hz或60Hz，頻率較低、磁耦合效果不好，臭氧陶瓷片的電容效應(yīng)會降低電暈強(qiáng)度，升壓變壓器本身無功功率較高，隨著臭氧需求量增大，輸出功率需加大，線性變壓器體積增大明顯，成本較高。一般應(yīng)用于需求小劑量臭氧的場合中。

1.2 高頻振蕩升壓方式

　　隨著臭氧需求量的增加，線性變壓器升壓的方式弊端明顯，而通過高頻方式，增強(qiáng)升壓變壓器的磁耦合，升壓變壓器體積可明顯減少，有利于成本控制及產(chǎn)品的小型化設(shè)計，且由于臭氧陶瓷片本身的電容效應(yīng)，在高頻的作用下，容性阻抗下降，電暈效果增強(qiáng)，臭氧發(fā)生量得到提升。故此種方式一般用于臭氧量需求較大的場合。而高頻振蕩方式又分為兩種：一種為自身電路產(chǎn)生振蕩方式產(chǎn)生高壓，高頻升壓變壓器充當(dāng)升壓作用;一種利用臭氧陶瓷片電容效應(yīng)，通過高頻升壓變壓器與臭氧陶瓷片諧振的方式產(chǎn)生高壓，高頻升壓變壓器充當(dāng)升壓及諧振電感作用。后一種方式電路簡單、成本較低，但通過長期的實驗驗證，當(dāng)臭氧陶瓷片容量發(fā)生變化，或受潮的情況下，容易出現(xiàn)無法諧振且無法產(chǎn)生足夠高壓的情況，在實際使用過程中受環(huán)境及臭氧陶瓷片一致性影響較大。

　　通過分析，本文提出一種基于高頻振蕩方式，并采取自身頻率控制的方式來產(chǎn)生交流高壓的電路，通過單片機(jī)控制頻率及占空比，從而實現(xiàn)不同的高壓輸出，控制臭氧的發(fā)生量。

2 交流高壓電路原理

　　借用反激式開關(guān)電源原理，使開關(guān)MOS管在低電平位置導(dǎo)通降低MOS開通時的沖擊電流，減少電路本身功耗，通過導(dǎo)通形成振蕩電流，控制導(dǎo)通電平時間，從而達(dá)到控制高頻升壓變壓器高壓輸出的目的。其高壓原理圖如圖1所示，開關(guān)頻率選擇在40KHz—50KHz，電路需采用到快速光耦如IR4427芯片，其開通、關(guān)斷延遲在200ns以內(nèi)，MOS管采取PSMN7R0-100PS，VDS=100V，ID=100A，其開通、關(guān)斷延遲在200ns以內(nèi)?？焖俣O管D4、電阻R9、電容C4組成RCD吸收電路，用于吸收MOS開通、關(guān)斷時產(chǎn)生的干擾信號。高頻升壓變壓器采取ETD34骨架，初級線圈圈數(shù)3TS 直徑股數(shù)0.5mm*4P，次級線圈350TS 直徑股數(shù) 0.25*1P，漏感控制在3.0mH以下。初級線圈與次級線圈耐壓達(dá)到5KVAC以上。

　　正常負(fù)載條件下，高頻升壓變壓器初級電壓波形及驅(qū)動電壓脈沖如圖2所示，MOS管導(dǎo)通時段MOS管漏極處于低電壓狀態(tài)。以避免沖擊電流導(dǎo)致MOS管的損壞。

　　在正常負(fù)載情況下，高壓輸出的電壓波形如圖3所示，從波形看，輸出接近交流正弦波。

3 負(fù)載檢測原理

　　由于控制負(fù)載的不同，高頻升壓變壓器能量轉(zhuǎn)化存在差異，根據(jù)反激式原理，高頻變壓器次級在負(fù)載較輕時，反饋至高頻變壓器初級的電壓及頻率會發(fā)生變化，體現(xiàn)在電壓幅值加大，頻率加大。由于開關(guān)頻率較大，通過檢測幅度變化的值需要快速電路進(jìn)行檢測，對于元器件及單片機(jī)處理要求較高，故本文選擇通過檢測初級端的頻率變化來區(qū)分次級空載與帶載時頻率變化差別，將初級頻率變化信號通過降壓方式反饋給單片機(jī)外部中端，單片機(jī)對外部脈沖信號進(jìn)行檢測，統(tǒng)計一段時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，從而判斷頻率的變化，其輕載檢測原理如圖4所示。二極管D201需采取快速恢復(fù)二極管，如MUR120，其作用為將信號反饋至單片機(jī)電壓限定在5V，避免高電壓對單片機(jī)I/O口的損傷。

　　在負(fù)載斷路的情況下，高頻升壓變壓器初級電壓波形及驅(qū)動脈沖的波形如圖5所示，可明顯看到升壓變壓器初級電壓頻率及幅值已發(fā)生變化，幅值加大，同時頻率也加大，同時在MOS管導(dǎo)通時段，MOS管漏極電壓不處于低電壓，在MOS管導(dǎo)通時存在瞬間沖擊電流，如長期運行將使MOS發(fā)熱量加大，最終導(dǎo)致MOS管出現(xiàn)損壞。

　　在高壓變壓器次級負(fù)載較重時，高頻變壓器初級的電壓減小，頻率減小，而由于電路采樣點的頻率與產(chǎn)生的脈沖同頻，在檢測時為固定值，無法直接判斷頻率的變化，通過在高壓變壓器后端增加電壓信號采樣的方式，將電壓信號反饋給單片機(jī)的AD采樣口，當(dāng)負(fù)載較輕時，電壓較高;當(dāng)負(fù)載較重或者短路時，輸出電壓較低;通過判斷輸出電壓的變化，可區(qū)分負(fù)載較重或者短路的情況。

　　通過對電路輕載及重載兩種情況進(jìn)行判斷檢測，控制電路的開通時間及關(guān)斷時間，使開關(guān)MOS管工作在低電平導(dǎo)通工作狀態(tài)，避免MOS開通時的沖擊電流，降低MOS管的熱損耗，保證電路的可靠運行。