一種高壓脈沖電源設(shè)計(jì)

彭 享,葉 兵,朱 旗,韋靖博

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

一種高壓脈沖電源設(shè)計(jì)

彭 享,葉 兵,朱 旗,韋靖博

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

為研究高壓脈沖脈寬及頻率對(duì)介質(zhì)阻擋放電效果的影響,文章設(shè)計(jì)了一款功率1 kW、幅值5 kV、脈寬1～20 μs可調(diào)、頻率15～25 kHz范圍可調(diào)的單向高壓脈沖電源。與傳統(tǒng)高壓脈沖電源多采用工頻升壓加磁壓縮開(kāi)關(guān)或旋轉(zhuǎn)火花隙獲取高壓脈沖能耗較大且不易控制不同,該電源主電路采用半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以SG3525作為脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)主控芯片,利用LCC串并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù),大大降低開(kāi)關(guān)損耗并能有效降低高頻脈沖變壓器分布參數(shù)影響。測(cè)試結(jié)果表明,該脈沖高壓電源滿足介質(zhì)阻擋放電實(shí)驗(yàn)要求。

高壓脈沖;介質(zhì)阻擋放電;串并聯(lián)諧振;軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

近年來(lái),介質(zhì)阻擋放電的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,如利用介質(zhì)阻擋放電方法產(chǎn)生臭氧或等離子體已用于滅菌消毒、廢氣處理、材料表面改性、等離子顯示屏等各工業(yè)領(lǐng)域。所謂介質(zhì)阻擋放電就是在2個(gè)電極的放電空間放入至少一塊絕緣介質(zhì),用于阻擋貫穿氣隙的放電通道[1]。雖然介質(zhì)阻擋放電理論研究已有很長(zhǎng)歷史,但其仍是當(dāng)今氣體放電領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[2]。

為研究大氣壓下高壓脈沖脈寬以及頻率對(duì)介質(zhì)阻擋放電效果的影響,本文設(shè)計(jì)了一款功率1 kW、幅值5 kV、脈寬1～20 μs可調(diào)、頻率15 ～25 kHz范圍可調(diào)的單向高壓脈沖電源。

傳統(tǒng)高壓脈沖電源多采用工頻升壓加磁壓縮開(kāi)關(guān)或旋轉(zhuǎn)火花隙獲取高壓脈沖,能耗大且控制性較差,如文獻(xiàn)[3]中采用碳刷型旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)進(jìn)行電容充放電實(shí)現(xiàn)低頻高壓脈沖,結(jié)構(gòu)龐大不便于實(shí)驗(yàn)操作。為使得電源電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、能耗降低、性能更穩(wěn)定,本文參考了相關(guān)文獻(xiàn)及當(dāng)前先進(jìn)技術(shù),設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)用高壓脈沖電源。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源都包括主電路與控制電路,主電路主要是DC-DC變換電路。而典型的變換電路結(jié)構(gòu)有單端激勵(lì)、推挽、半橋、全橋4種形式。其中半橋具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)管承受壓力小、抗不平衡能力強(qiáng)、不易直通等優(yōu)點(diǎn),變壓器初級(jí)在整個(gè)周期中都流過(guò)電流,磁芯利用充分,且沒(méi)有偏磁的問(wèn)題,所使用的功率開(kāi)關(guān)管耐壓要求較低,開(kāi)關(guān)管的飽和壓降減少到了最小,對(duì)輸入濾波電容使用電壓要求也較低[4]。

單向高壓脈沖電源系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)直接輸入220 V交流市電,經(jīng)整流濾波后得到直流電壓供給DC-DC半橋逆變結(jié)構(gòu),脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)器的輸出信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)開(kāi)關(guān)管通斷,通過(guò)逆變得到的中高壓脈沖，再由高頻變壓器升壓得到高壓脈沖輸出,在高頻變壓器初級(jí)電路中串入電流互感器,得到電壓反饋信號(hào)即時(shí)反饋給PWM集成控制電路。若反饋電壓過(guò)高，PWM控制器即鎖死無(wú)信號(hào)輸出。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2 主電路設(shè)計(jì)

單向高壓脈沖電源系統(tǒng)主電路如圖2所示。

圖2中,L1為共模電感,過(guò)濾共模的電磁干擾信號(hào),同時(shí)防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的諧波串?dāng)_到輸入電源端[5];Q1、Q2為快脈沖MOSFET開(kāi)關(guān)管,與無(wú)感電容C1、C2構(gòu)成半橋逆變電路。220 V AC經(jīng)大功率集成整流橋整流及C3濾波后變成比較平滑的直流電,施加在半橋逆變電路的輸入端。基于對(duì)窄脈沖的需求,需要選擇dv/dt很大且Ton與Toff都很小的開(kāi)關(guān)管,另外考慮到功率因素,快速開(kāi)關(guān)管Q1、Q2采用IXYS公司高速N溝道增強(qiáng)型MOS開(kāi)關(guān)管,型號(hào)為IXZR16N60。其最大漏源電壓Vds為600 V,25 ℃時(shí)最大導(dǎo)通電流能達(dá)到18 A。為防止2個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱引起高壓包偏磁和直流磁飽和,在電路中串入隔直電容C4來(lái)自動(dòng)平衡變壓器初級(jí)電壓側(cè)的直流分量。由于脈沖變壓器不可避免的存在分布電容與漏感,為避免并減小其影響,設(shè)計(jì)采用串并聯(lián)諧振方式實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān),如此也能減小開(kāi)關(guān)損耗。R5、C5、R6、C6構(gòu)成高頻尖峰吸收回路,以避免對(duì)MOS開(kāi)關(guān)管造成過(guò)壓損壞。

圖2 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

2.1 控制電路與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

SG3525 是美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種功能齊全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM芯片，內(nèi)部集成了振蕩器、誤差放大器、PWM比較器、軟啟動(dòng)控制電路、欠壓鎖定電路、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路,內(nèi)部振蕩頻率范圍為0.1～400 kHz,其輸出級(jí)采用大功率圖騰柱式輸出,增加了驅(qū)動(dòng)能力,占空比0～50%可調(diào),具有欠壓鎖定、過(guò)壓保護(hù)和軟啟動(dòng)等功能。本文設(shè)計(jì)的高頻窄脈沖開(kāi)關(guān)電源即以SG3525為核心控制芯片,其控制電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 控制電路設(shè)計(jì)

SG3525的振蕩頻率f設(shè)定在15 ～25 kHz范圍,f取決于5腳外接的定時(shí)電容CT、6腳外界的定時(shí)電阻RT以及7腳與5腳之間的放電電阻RD的大小,它們的關(guān)系滿足:

(1)

圖3中,可調(diào)電阻R4與固定電阻R10組合,(1)式中的RT,C7、R11分別對(duì)應(yīng)式中的CT、RD;R4、C7、R10、R11分別取值20 kΩ、3 300 pF、15 kΩ、200 Ω;此時(shí)振蕩頻率f可在15～25 kHz范圍可調(diào)。

管腳5與管腳7之間的放電電阻RD主要用于調(diào)節(jié)2路信號(hào)輸出的死區(qū)時(shí)間,以避免半橋中2只MOS管出現(xiàn)直通現(xiàn)象。8腳通過(guò)外接對(duì)地電容C8來(lái)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),該電容由芯片內(nèi)部5 V基準(zhǔn)電壓源提供的50 μA恒流源充電,使得輸出脈沖占空比由小到大(49%)變化,減小開(kāi)機(jī)時(shí)對(duì)主電路MOS管的沖擊[6]。1、2腳分別為芯片內(nèi)置誤差放大器的反相輸入端和非反相輸入端,通常是通過(guò)其輸入電壓的改變來(lái)調(diào)節(jié)輸出PWM脈沖的占空比,該電路中是通過(guò)R9串接可變電阻R3組成分壓電路,對(duì)16腳的5 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓輸入2腳,如此輸出PWM脈沖占空比可以實(shí)現(xiàn)0～49%變化調(diào)節(jié)。10腳通過(guò)外接反饋信號(hào),當(dāng)系統(tǒng)過(guò)流時(shí),反饋電路即反饋高電平信號(hào),芯片即對(duì)PWM脈沖輸出鎖定，使得輸出端無(wú)脈沖信號(hào)輸出,從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能。

為了提高脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力,采用專用MOS開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片IXDD404,其最大驅(qū)動(dòng)電流能達(dá)到4 A,當(dāng)開(kāi)關(guān)管柵源電容小于1 800 pF時(shí)其上升時(shí)間TR與下降時(shí)間TF均不超過(guò)15 ns,足以實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)對(duì)較窄脈沖的需求。

同時(shí)為了保證系統(tǒng)安全,對(duì)控制信號(hào)利用快速光耦6N137進(jìn)行隔離。驅(qū)動(dòng)與隔離電路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)與隔離電路

2.2 過(guò)流保護(hù)電路

本文設(shè)計(jì)的過(guò)流保護(hù)電路(即圖1中的反饋電路)如圖5所示,在高頻變壓器初級(jí)串接電流互感器,將其次級(jí)輸出端信號(hào)進(jìn)行整流,通過(guò)集成運(yùn)放LM358組成的電壓比較電路與反相輸入端電壓進(jìn)行比較,若系統(tǒng)電流過(guò)大則同相輸入端電壓過(guò)高，進(jìn)而反饋高電平信號(hào)至SG3525芯片10號(hào)腳,PWM脈沖輸出鎖定系統(tǒng)停止工作。

圖5 過(guò)流保護(hù)電路

3 高頻脈沖變壓器設(shè)計(jì)

一般變壓器都有以下幾種特性參數(shù),包括工作頻率、額定功率、額定電壓、變壓比、空載電流、空載損耗、效率等[7]。而脈沖變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括變壓器結(jié)構(gòu)的選取、磁芯材料的選取、繞組線徑的計(jì)算、匝數(shù)的計(jì)算等。本文設(shè)計(jì)的脈沖變壓器初級(jí)電壓Ui為156 V,次級(jí)輸出電壓為5 kV,功率P0為1 kW,頻率20 kHz,效率η預(yù)計(jì)90%,磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度Bw設(shè)計(jì)為0.15 T,占空比D為0.1。將采用AP法(麥克萊曼設(shè)計(jì)方法),AP即磁芯有效截面積和線圈有效窗口面積的乘積[8]。根據(jù)變壓器功率及工作頻率的需求,本次設(shè)計(jì)將選取錳鋅鐵氧體(PC40)作為磁芯材料,其磁導(dǎo)率為2 300,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為2 000 T,居里溫度為180 ℃。根據(jù)電源需求輸出功率P0為1 kW,則變壓器的視在功率為:

(2)

根據(jù)AP法計(jì)算變壓器AP值為:

(3)

其中,Aw為磁芯窗口面積;Ae為磁芯有效截面積;Ku為窗口利用系數(shù)，一般取值范圍為0.15～0.5,本文取典型值0.35;Kf為波形系數(shù),當(dāng)波形為正弦波時(shí)其值為4.44,而方波取值為4.0;j為導(dǎo)線電流密度大小,其值由導(dǎo)線質(zhì)量決定,典型值取300 A/cm2;f為變壓器工作頻率。由(3)式可得所選磁芯結(jié)構(gòu)的最小AP值為22.35 cm4。而實(shí)際設(shè)計(jì)中磁芯結(jié)構(gòu)的AP值要大于預(yù)計(jì)值,綜合考慮將選用國(guó)產(chǎn)的UY30磁芯結(jié)構(gòu)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得到初級(jí)線圈匝數(shù)為：

(4)

其中,Ui為變壓器初級(jí)輸入電壓;Ton為開(kāi)關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間。初級(jí)匝數(shù)N1取整即為20匝,根據(jù)設(shè)計(jì)變壓比為30∶1,則次級(jí)匝數(shù)N2為600匝。

計(jì)算變壓器輸入電流為:

(5)

輸出電流為:

(6)

根據(jù)電流大小計(jì)算初級(jí)繞線直徑為:

(7)

考慮集膚效應(yīng)選擇直徑為0.6 mm的漆包線進(jìn)行3股并繞，次級(jí)繞線直徑為:

(8)

因此,直接選擇直徑為0.23 mm的漆包線。

4 電源測(cè)試

單向高壓脈沖電源系統(tǒng)供電調(diào)試后基本滿足設(shè)計(jì)要求,脈沖頻率及占空比連續(xù)可調(diào)。開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖6所示。脈沖變壓器初級(jí)電壓波形如圖7所示,脈沖變壓器輸出經(jīng)高壓整流電路后輸出較為穩(wěn)定。由于示波器探頭最高測(cè)量電壓為2 500 V,故采用電阻分壓法測(cè)得整流后的波形輸出如圖8所示,經(jīng)換算可得高壓脈沖輸出達(dá)到5 kV。

圖6 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

圖7 脈沖變壓器初級(jí)波形

圖8 分壓法測(cè)得整流后輸出波形

5 結(jié) 論

經(jīng)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的高壓脈沖電源輸出幅值為5 kV,實(shí)現(xiàn)脈寬1～20 μs可調(diào),頻率15～25 kHz可調(diào),波形輸出穩(wěn)定,滿足介質(zhì)阻擋放電的實(shí)驗(yàn)需求。

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Designofahighvoltagepulsepowersupply

PENG Xiang,YE Bing,ZHU Qi,WEI Jingbo

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to study the impact of high voltage pulse width and frequency on the effect of the dielectric barrier discharge, unidirectional high voltage pulse power supply with 1 kW power, 5 kV amplitude, 1-20 μs adjustable pulse width and 15-25 kHz adjustable frequency is designed. The traditional high voltage pulse power supply mainly employs magnetic compression switch or rotating spark gap to obtain high voltage pulse, but it is characterized by high energy consumption, low reliability and poor controllability. In this design, the main power circuit adopts the half-bridge topological structure, using SG3525 as the PWM main control chip. The LCC series and parallel resonant soft-switching technology can lower the switching loss substantially and reduce the impact of distribution parameters of high frequency pulse transformer. The test results show that the presented high voltage pulse power supply satisfies the experimental requirements of dielectric barrier discharge.

high voltage pulse; dielectric barrier discharge; series and parallel resonance; soft-switching technology

2016-02-28；

2016-03-21

合肥工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目(12-516)

彭 享(1991-),男,河南信陽(yáng)人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

葉 兵(1962-),男,安徽滁州人,博士, 合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師,通訊作者,E-mail:554019623@qq.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.015

TM836

A

1003-5060(2017)11-1511-04

(責(zé)任編輯 胡亞敏)