基于CA1524的高壓放電技術(shù)研究

楊小光

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所，安徽 蚌埠 233006）

0 引言[1]

在一般情況下，空氣是不導(dǎo)電的，但是如果創(chuàng)造條件，比如在曲率半徑很小的電極兩端加上高電壓時(shí)兩極間加上強(qiáng)的電場(chǎng)，電極表面附近的電場(chǎng)（局部電場(chǎng)）很強(qiáng)，則電極附近的氣體介質(zhì)會(huì)被局部擊穿而產(chǎn)生高壓放電現(xiàn)象，當(dāng)放電的功率達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生人眼所見(jiàn)的電弧現(xiàn)象，如下圖所示。高壓放電廣泛用于建筑、工業(yè)和醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。

圖1 高壓放電電弧圖

1 高壓放電產(chǎn)生原理[2]

由于空氣中的氣體粒子（包括分子和原子）接受一定能量后，中性的分子或原子周?chē)\(yùn)動(dòng)者電子活動(dòng)能力增加，當(dāng)達(dá)到一定能量時(shí)，電子可能脫離原來(lái)的軌道，從低的能級(jí)躍升到高的能級(jí)，這一現(xiàn)象成為激勵(lì)。假如外界給原子的能力更大，使電子完全脫離原子核的引力范圍而跑掉，這時(shí)由于原子失去外層的一個(gè)（或幾個(gè)）電子而變成正離子，使其帶有正電性，而脫離原子的電子，具有負(fù)電性。這種把中性粒子解離成帶正電性粒子和負(fù)電性粒子的過(guò)程稱(chēng)為電離。中性粒子被電離后形成的正粒子和電子，在電場(chǎng)作用下，分別向陰極和陽(yáng)極移動(dòng)，帶電粒子的定向移動(dòng)，在宏觀上形成了電流，高壓放電產(chǎn)生。

圖2 CA1524 及主要外圍電路圖

2 電路設(shè)計(jì)方案

2.1 脈沖產(chǎn)生電路

該電路原理是利用脈寬調(diào)制器CA1524[3]及其外圍電路產(chǎn)生一定頻率和占空比的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換成高壓，再加上多級(jí)倍壓電路，使得加在放電電極兩端的電壓達(dá)4800V，從而將空氣擊穿放電。

圖中，脈沖產(chǎn)生電路由芯片CA1524 及其外圍電路組成，其可輸出占空比和頻率均可調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào)。該電路的作用是將在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)頻率固定、占空比跟隨輸入信號(hào)連續(xù)變化的PWM 信號(hào)。

芯片CA1524 內(nèi)部電路主要由高頻振蕩器、PWM 比較器、基準(zhǔn)電壓源、誤差電壓放大器、驅(qū)動(dòng)電路和封鎖電路等組成?？刂菩酒瑑?nèi)部有2 個(gè)電壓比較器，管腳1、2 和15、16 是電壓比較器正負(fù)輸入端子，管腳3 是電壓比較器統(tǒng)一輸出端。同時(shí)誤差放大器的輸出也可開(kāi)放給用戶(hù)，用戶(hù)可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成PI 控制器。管腳5、6 可接振蕩電容和電阻，振蕩器的振動(dòng)頻率由外接電阻和電容決定，根據(jù)電路頻率而調(diào)節(jié)容值和阻值。管腳8 為觸發(fā)脈沖輸出口，采用電流圖騰輸出，使得芯片可以直接驅(qū)動(dòng)功率不大的開(kāi)關(guān)管。T 觸發(fā)器的作用是將輸出進(jìn)行分頻，得到占空比為50%的頻率為振蕩器頻率的1/2 的方波，將T 觸發(fā)器輸出的這樣兩路互補(bǔ)的方波同比較器輸出PWM 信號(hào)進(jìn)行“或非”運(yùn)算，就可以得到兩路互補(bǔ)的占空比為0～50%的PWM 信號(hào)，考慮死區(qū)時(shí)間的存在，最大占空比通常為45%～47.5%。管腳13 為封鎖控制，管腳14 為參考電壓，管腳12 為工作電壓，管腳4 為死區(qū)控制端，一旦高電平輸入，芯片輸出脈沖被封鎖，直流電壓輸出為零。PWM 控制器的反饋通道由電壓誤差放大器EA、PWM比較器和鎖存器及驅(qū)動(dòng)電路組成。管腳1 作為直流輸出電壓的反饋信號(hào)，管腳2與芯片輸出的參考電壓相連，作為誤差放大器的參考輸入，管腳3 輸入主電路的電壓反饋。受時(shí)鐘脈沖觸發(fā)，功率管開(kāi)通，電感(功率管)電流上升到由EA 輸出決定的門(mén)限值時(shí)，PWM 比較器翻轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動(dòng)脈沖關(guān)斷功率管，電感電流下降，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)，鎖存器置位，開(kāi)關(guān)管重新開(kāi)通。輸入電壓變化時(shí)，電感電流的上升斜率變化，輸出占空比改變以抑制輸入電壓的變化，這是一個(gè)前饋調(diào)節(jié)過(guò)程，響應(yīng)極快；負(fù)載擾動(dòng)則是通過(guò)EA 改變電流門(mén)限值進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

其振蕩器頻率由C14 和R29 共同決定。公式如下：

式中，RT 為R29，CT 即為C14 的容值，電路輸入頻率可以根據(jù)需要通過(guò)調(diào)節(jié)R29 和C14 的參數(shù)得到理想頻率。本設(shè)計(jì)中該芯片的輸入頻率一般設(shè)為250-300K。其波形圖如下所示。

圖3 CA1524 內(nèi)部振蕩器波形圖

上文提到，經(jīng)過(guò)電路內(nèi)部分頻，可得到兩路互補(bǔ)的占空比為0～50%的脈沖信號(hào)。因?yàn)楦邏悍烹姇r(shí)，電路通過(guò)電流較大，如果作為后面場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖信號(hào)不好，上升或下降沿時(shí)間較長(zhǎng)，就會(huì)在功率管上消耗大量的能量，導(dǎo)致整機(jī)功耗增大。下面是該脈沖電路產(chǎn)生的波形圖。

圖4 PWM 電路輸出脈沖波形

驅(qū)動(dòng)電路是控制電路與主電路的接口，同開(kāi)關(guān)電源的可靠性、效率等性能密切相關(guān)。驅(qū)動(dòng)電路需要有很高的快速性，能提供一定的驅(qū)動(dòng)功率，并具有較高的抗干擾和隔離噪聲能力。驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加在開(kāi)關(guān)器件的柵極一源極(MOSFET)間，在全橋電路中，不同開(kāi)關(guān)器件的源極間的電位差很大，而且在高速變化。

2.2 倍壓整流電路

由于產(chǎn)生高壓放電現(xiàn)象需要較高電壓，部分設(shè)計(jì)采用了增加變壓器的匝數(shù)來(lái)提高副邊電壓，但是該設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致變壓器的體積太大以及寄生電容增大。故本方案采用一定匝比的變壓器加多級(jí)倍壓電路的方法來(lái)提高輸出電壓。本設(shè)計(jì)電路采用了4 級(jí)倍壓整流電路。如下圖所示。

運(yùn)用濾波電容的存儲(chǔ)作用，由多個(gè)電容和二極管可以獲得幾倍于變壓器副邊電壓的輸出電壓，稱(chēng)為倍壓整流電路。我們通常稱(chēng)2 倍為一階，用N 表示，我們所用的就是2 階倍壓整流電路。當(dāng)變壓器次極輸出為上正下負(fù)時(shí)，變壓器向上臂兩個(gè)電容充電儲(chǔ)能；當(dāng)變壓器次極輸出為上負(fù)下正時(shí)，上臂電容通過(guò)變壓器向下臂兩個(gè)電容充電儲(chǔ)能。C9 兩端的電壓為次極電壓，C10，C11，C12 兩端的電壓均為變壓器次極電壓的2 倍。經(jīng)過(guò)倍壓整流之后，電極兩端的電壓為4800V 左右。事實(shí)上，由于高階倍壓整流電路帶負(fù)載能力差，輸出很小的功率就會(huì)導(dǎo)致出電壓的大幅度跌落。跌落電壓公式如下。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本設(shè)計(jì)中高壓放電倍壓電路最終跌落電壓為2000V左右。

由上式可以看到，高壓放電之后電壓跌落2000V 左右，仍足以維持放電，而在起弧之前如果電壓低于4800V時(shí)卻無(wú)法將空氣擊穿。由此說(shuō)明在開(kāi)始放電瞬間需要很高的電壓電極之間的空氣電離放電，產(chǎn)生放電之后，要維持放電的電壓并不需要很高。

2.3 取樣反饋電路

一般的高壓放電電路為一個(gè)開(kāi)路，沒(méi)有反饋及補(bǔ)償功能。這樣導(dǎo)致放電電流極不穩(wěn)定，隨供電電壓和環(huán)境等因素變化較大。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)電路在放電終端加上反饋電路，使整個(gè)放電電路形成一個(gè)閉環(huán)，這樣放電電流具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。當(dāng)放電電流變化導(dǎo)致取樣電壓變化時(shí)，經(jīng)過(guò)反饋電路處理，通過(guò)改變輸出脈沖的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電流，使放電電流達(dá)到初始設(shè)定值。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文較詳細(xì)分析了高壓放電的基本原理。采用芯片CA1524 產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào)，并采用升壓變壓器加多級(jí)倍壓電路的方法來(lái)提高輸出電壓擊穿空氣放出電弧，并增加了反饋電路。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)電路輸出的高壓放電電流穩(wěn)定，可用于對(duì)電弧溫度穩(wěn)定性要求較高的各種場(chǎng)合。

［1］黃石生.新型弧焊電源及其智能控制[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

［2］周澤存.高電壓技術(shù)[M].水利電力出版社.

［3］http：//www.intersil.com CA1524.pdf[OL].