低溫等離子體電源逆變電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊揚(yáng) 燕杰 張堅(jiān)鋒

【摘要】本文設(shè)計(jì)出了應(yīng)用低溫等離子體電源的逆變硬件電路，該逆變電路以C8051F系列單片機(jī)為載體，實(shí)現(xiàn)兩路PWM波移相控制，產(chǎn)生幅值可調(diào)的高頻交流電壓，并且作為低溫等離子體主電路電源使用。

1.引言

低溫等離子體放電根據(jù)放電特性、放電區(qū)域介質(zhì)狀態(tài)及放電強(qiáng)弱的不同，分為以下四種：輝光放電、電暈放電、火花放電、流光放電，其中在大容量放電發(fā)生器上可以獲得很好的流光放電效果。與交流電源供電相比而言，要實(shí)現(xiàn)高效率的低溫等離子體放電，需要用高頻交流電壓與直流電壓疊加供電。本文的電源為高頻高壓的交流電與高壓直流電相加獲得?？紤]到低溫等離子體電源的逆變電路是單相H橋逆變電路，產(chǎn)生高頻的交流電壓。

本文設(shè)計(jì)了低溫等離子體電源的逆變電路，其采用C8051F系列單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)兩路PWM波移相控制單相H橋逆變和產(chǎn)生幅值可調(diào)的高頻交流電壓。

2.單相H橋逆變電路及其PWM控制方式

單相電壓型H橋逆變電路共有四個(gè)橋臂，可以看成由2個(gè)半橋電路單元并聯(lián)組合而成，負(fù)載跨接在兩半橋的輸出端之間。對(duì)于單相H橋逆變電路通常有3種比較典型的控制方式[1]。

1）移相控制方式：改變移相角來調(diào)節(jié)輸出交流電壓有效值的大小，輸出電壓也是通過移相的方式來調(diào)節(jié)，其本質(zhì)為調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。

2）固定180°移相方波控制方式：對(duì)于單相電壓型H橋逆變電路，2個(gè)半橋均采用180°方波控制，輸出給負(fù)載的電壓波形為正、負(fù)對(duì)稱的180°寬的方波電壓脈沖。改變輸出電壓是通過改變直流電壓來實(shí)現(xiàn)。

3）單相H橋逆變電路的PWM控制：分為單極性PWM控制方式和雙極性PWM控制方式。兩者輸出波形不同。

3.逆變電路的設(shè)計(jì)

本文采用C8051F系列單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)兩路移相控制，編程實(shí)現(xiàn)兩路方波0到180度相移，按鍵操作實(shí)現(xiàn)相位的連續(xù)可調(diào)和增減及數(shù)碼管的顯示。頻率設(shè)置為20KHz，占空比為50%。

3.1 編程實(shí)現(xiàn)移相PWM波

本文采用16MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，時(shí)鐘控制字設(shè)置如下：OSCICN高四位為0，低四位時(shí)鐘選擇位CLKSL=0，內(nèi)部振蕩器頻率控制位IFCN1-0=11，內(nèi)部振蕩器使能位IOSCEN=1，則控制字OSCICN=0x07。時(shí)鐘周期T=1/16，要求生成PWM波頻率為20KHz-，則周期為T=50，占空比為50%，定時(shí)器1的計(jì)數(shù)初值M1=65536-25×16，選用方式1。定時(shí)器T0的方式也為方式1。在程序設(shè)計(jì)的過程中，我們?cè)O(shè)定兩路PWM的移相角為120o，而一個(gè)周期波形的度數(shù)為360o，則移相1°對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)晶振次數(shù)為0.139×16，約2次，M0=65536-120×2。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)120o的相移，T1開始計(jì)數(shù)時(shí)刻就需檢測(cè)到P03的上升沿，并將T0計(jì)數(shù)初值裝入相應(yīng)的控制字，在系統(tǒng)晶振次數(shù)計(jì)數(shù)完120o后，變P03低電平為高電平，P04也從低電平為高電平，T1重裝初值，計(jì)數(shù)開始。此刻P03、P04兩路輸出均為高電平，并持續(xù)半個(gè)周期。在T1計(jì)數(shù)完后，P03、P04輸出電平翻轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生兩路PWM波，移相角度為120o。

3.2 按鍵控制角度的增減

在程序設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)任意角度相移的兩路PWM波，需要在120o的位置轉(zhuǎn)換變量，稱為start time。把start time設(shè)為要實(shí)現(xiàn)的偏移角度全局變量，并放入while（1）語句循環(huán)當(dāng)中，判斷按鍵狀態(tài)。如果增加健按下，start time自動(dòng)加1，如果按下減小鍵，start time自動(dòng)減1。這些將影響定時(shí)器T0初值來改變輸出的PWM波形。與此同時(shí)，硬件電路的抖動(dòng)問題，可以通過判斷按鍵函數(shù)中加函數(shù)delay來消除。如一直按delay，start time則會(huì)一直加1（一直減1），在if語句中判斷start time的范圍為0-180，如果超過這個(gè)范圍，其產(chǎn)生的波形不再變化。

3.3 數(shù)碼管顯示

將數(shù)碼管顯示數(shù)0-9表示為數(shù)組形式，把每一位start time取整取零后賦值到P3相應(yīng)的口，并把顯示函數(shù)整合到while循環(huán)語句中，作為循環(huán)程序中最后一句，實(shí)時(shí)顯示相移角度，在顯示函數(shù)中判斷start time的范圍。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及波形分析

4.低溫等離子主電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過三相全橋可控整流和高頻單相橋逆變，低溫等離子體電源主電路交流側(cè)與直流側(cè)輸入電壓均為高頻交流電壓。這時(shí)主電路需要直流側(cè)與交流側(cè)的諧振升壓和升壓后的高壓直流電壓與高頻高壓交流電壓的疊加。根據(jù)第三節(jié)逆變電路的設(shè)計(jì)可以知道，主電路兩側(cè)輸入的高頻交流電壓是由工頻三相交流電壓經(jīng)過高頻單相橋式逆變和三相全橋可控整流所得。幅值為，頻率為20kHz。

根據(jù)工業(yè)要求和實(shí)際運(yùn)行需要，直流側(cè)電感為L(zhǎng)DCR=1，電容CA=60，電壓器TDC的變比為1：2。在疊加電路上，隔直耦合電容CCP取40nF，隔交濾波電感LAP=100mH，抗短路電感LS=1mH，放電發(fā)生器等效電容CL=20nF。

參考文獻(xiàn)

[1]張加勝，張磊.電力電子技術(shù)[M].石油大學(xué)出版社，2004.