疊加型高壓重頻微秒脈沖電源研究

摘 要：針對(duì)水污染領(lǐng)域的高壓脈沖電源存在的輸出脈沖質(zhì)量差、輸出脈沖不可調(diào)等問題，本文從脈沖電源主電路的整體結(jié)構(gòu)和變壓器磁芯優(yōu)化2個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。首先，結(jié)構(gòu)上，前級(jí)Buck電路調(diào)節(jié)輸出脈沖電壓幅值，后級(jí)全橋逆變電路調(diào)節(jié)輸出脈沖的頻率和脈寬，由5個(gè)模塊電路串聯(lián)產(chǎn)生高壓脈沖。其次，升壓變壓器選擇高磁導(dǎo)率和高磁通密度的磁芯，保證輸出脈沖質(zhì)量。研制一臺(tái)額定功率為3kW的樣機(jī)，對(duì)電源進(jìn)行單觸發(fā)和重頻試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電源輸出脈沖實(shí)現(xiàn)了頻率、脈寬和電壓幅值可調(diào)，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：疊加型；磁芯選擇；微秒電源；高重復(fù)頻率

中圖分類號(hào)：TN 710" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在水污染處理領(lǐng)域中，低溫等離子體放電是一種新型的高級(jí)氧化技術(shù)，電解水產(chǎn)生的·OH、HO2·、·O等活性氧化物質(zhì)可以無選擇性地降解水中有機(jī)污染物，放電產(chǎn)生的紫外線、沖擊波和局部高溫也有利于污染物降解，此外低溫等離子體技術(shù)還具有效率高、無二次污染和無須添加化學(xué)物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

作為供電單元，脈沖電源要求脈沖幅值可調(diào)、脈沖寬度可調(diào)和脈沖頻率可調(diào)等功能?；诖?，本文提出了疊加型高壓重頻微秒脈沖電源。該電源是利用每級(jí)低壓脈沖輸出模塊疊加的方式形成高壓脈沖。本文設(shè)計(jì)的高壓重頻微秒脈沖電源優(yōu)勢(shì)在于每級(jí)脈沖輸出模塊的電壓等級(jí)為2000V，降低了脈沖電源所需半導(dǎo)體器件的耐壓等級(jí)。

脈沖電源主電路集成在PCB板上，利用PCB板走線，可避免飛線和銅排的應(yīng)用，降低電磁干擾對(duì)整個(gè)脈沖電源系統(tǒng)的影響[3]。Buck調(diào)壓電路用來調(diào)節(jié)全橋逆變電路的輸入電壓，從而調(diào)節(jié)輸出脈沖的電壓幅值。通過人機(jī)交互界面，可以設(shè)置屏幕中脈沖幅值、脈沖頻率和脈沖寬度等參數(shù)，得到想要的脈沖波形。

1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電源系統(tǒng)框圖

高壓重頻微秒脈動(dòng)電源系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括三相不控整流電路，主要作用是做AC-DC變換，將三相交流電整流成直流電。Buck調(diào)壓電路的主要作用是做DC-DC變換，通過調(diào)節(jié)Buck電路開關(guān)管的占空比來改變Buck電路的輸出電壓幅值，從而調(diào)節(jié)輸出脈沖電壓幅值。全橋逆變電路的主要作用是做DC-AC變換，將直流電轉(zhuǎn)換為正負(fù)級(jí)脈沖，再通過升壓變壓器得到想要的脈沖幅值?？梢酝ㄟ^改變逆變電路開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率和占空比，改變輸出脈沖的頻率和脈寬。輸出電路通過整流電路將負(fù)半軸的脈沖翻到正半軸上得到脈沖輸出。在人機(jī)交互界面，可以通過設(shè)置界面中輸出脈沖幅值、脈沖寬度和脈沖頻率等參數(shù)得到想要的輸出脈沖波形，還有驅(qū)動(dòng)電路、控制電路以及保護(hù)電路等。

1.2 主電路原理

疊加型高壓重頻脈沖電源設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：三相輸入線電壓380VAC±10%。輸出脈沖電壓幅值為1kV～10kV可調(diào)，輸出脈沖寬度為1μs～50μs可調(diào)，輸出脈沖的重復(fù)頻率為2.5kHz～10kHz可調(diào)，輸出最大功率為3kW。

疊加型高壓重頻脈沖發(fā)射端如圖2所示。脈沖電源發(fā)射端是由全橋逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為正負(fù)方波脈沖，經(jīng)升壓變壓器將正負(fù)方波脈沖放大到2kV，再經(jīng)高壓快恢復(fù)高頻二極管搭建的整流電路，將正負(fù)脈沖方波整流成正脈沖方波。通過控制全橋逆變電路開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率和脈寬，從而控制輸出脈沖波形的頻率和買塊，得到想要的脈沖波形。

每級(jí)模塊由1個(gè)升壓變壓器和4個(gè)高壓快恢復(fù)高頻二極管組成，五級(jí)模塊通過前并、后串的方式連接，相鄰2個(gè)模塊間的電位差為2kV。鑒于該電源對(duì)輸出脈沖幅值和脈沖寬度的要求，本文的整流二極管選用的是反向耐壓為10kV、反向恢復(fù)時(shí)間為100ns的高壓快恢復(fù)高頻二極管。

前級(jí)調(diào)壓電路如圖3所示。前級(jí)調(diào)壓電路由三相不控整流電路和Buck調(diào)壓電路組成。三相輸入線電壓為380VAC±10%，經(jīng)三相不控整流電路將380V±10%交流電整流成483V～591V的直流電。再經(jīng)Buck調(diào)壓電路，通過調(diào)節(jié)Buck電路開關(guān)管的開通和關(guān)斷時(shí)間來調(diào)節(jié)Buck電路的輸出電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)整個(gè)脈沖電源輸出脈沖電壓幅值。

2 升壓變壓器的設(shè)計(jì)

2.1 變壓器磁芯材質(zhì)的選取

在高頻脈沖電源中，理論上全橋逆變電路和一橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖是對(duì)稱的，在開關(guān)期間，相等的正負(fù)方波脈沖交替加到升壓變壓器原邊線圈上，將磁芯磁化，然后復(fù)位到初始狀態(tài)。因此升壓變壓器無須考慮偏磁問題[4]。

目前常用脈沖變壓器磁芯材料類型分為合金材料磁芯和非合金材料磁芯。對(duì)于合金材料磁芯，如鐵基非晶體、超微晶和坡莫合金等具有較高的電阻率，可以用在較高的工作頻率中。一般合金材料的飽和磁通密度較大，由于磁通密度擺幅受渦流損耗限制，因此這一特性就無關(guān)緊要，同時(shí)價(jià)格因素也會(huì)影響磁芯材料的選擇。由于脈沖電源一般工作在沖擊和擺幅大的地方，脈沖電源中升壓變壓器的磁芯材料選擇為合金材料，而非鐵氧體等磁芯材料。

通過比較合金材料最大磁導(dǎo)率、飽和磁通密度、工作頻率和居里溫度等磁芯特性，結(jié)合脈沖電源工作的一些特性，本文升壓變壓器選取磁芯材料為鐵基非晶體。

2.2 變壓器參數(shù)的計(jì)算

在本次高壓重頻微秒脈沖電源研制中，升壓變壓器磁芯的規(guī)格尺寸選用的是規(guī)格50mm×32mm×20mm的環(huán)形鐵基非晶體磁芯（即d0、d1、h的數(shù)值分別為50mm、32mm和20mm）。

根據(jù)中小型變壓器的設(shè)計(jì)方法，高頻脈沖變壓器原邊匝數(shù)為N1，如公式（1）所示。

（1）

式中：Du為升壓變壓器中的脈沖波形的占空比；U1為變壓器原邊輸入電壓；f為輸出脈沖頻率；Ae為變壓器磁芯有效截面積；Bw為磁感應(yīng)強(qiáng)度[5-6]。

將占空比Du為0.50、升壓變壓器原邊輸入電壓U1為500V、輸出脈沖頻率f為10kHz、變壓器有效截面積Ae為1.80cm2、變壓器磁感應(yīng)強(qiáng)度Bw為0.8T代入公式（1）可得N1≈43.4匝，因此N1取為44匝。單個(gè)模塊輸出脈沖電壓幅值U2為2kV，由此可推出升壓變壓器匝比n為4，即升壓變壓器副邊匝數(shù)為176匝。

高頻升壓變壓器原邊脈沖電流I1和副邊脈沖電流I2如公式（2）所示。

（2）

式中：P0為輸出功率；η為功率因數(shù)；U0為輸出脈沖電壓幅值。

原邊脈沖電流與副邊脈沖電流有效值如公式（3）所示。

（3）

式中：td為脈沖寬度。

原副邊繞組的導(dǎo)線直徑如公式（4）所示。

（4）

式中：J為每平方毫米電流密度（這里取6A/mm2）；D為繞組直徑；I為脈沖電流有效值。

將原副邊脈沖電流的有效值I1e、I2e分別代入公式（4）中，即可求出變壓器原副邊繞組的直徑D1、D2分別為1mm、0.25mm。為了增加變壓器繞組間的絕緣等級(jí)并減少變壓器的漏感，變壓器原副邊繞組采用直徑為1mm和0.3mm的三層絕緣線繞制。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述原理，本文搭建了一臺(tái)高壓重頻微秒脈沖電源樣機(jī)。將高壓重頻微秒脈沖電源輸出端連接33kΩ的無感電阻負(fù)載，并對(duì)該電源進(jìn)行單次觸發(fā)試驗(yàn)和重頻觸發(fā)試驗(yàn)。

對(duì)高壓重頻微秒脈沖電源進(jìn)行單次觸發(fā)試驗(yàn)測(cè)得的輸出脈沖電壓波形分別如圖4、圖5所示。圖4是在重復(fù)頻率為5kHz、輸出脈沖電壓幅值為10kV且觸發(fā)脈寬為10μs、20μs、50μs下測(cè)得的輸出脈沖電壓波形。圖5是在10μs觸發(fā)脈寬下，將Buck調(diào)壓電路的輸出電壓幅值改為100V、200V、400V和500V，與之對(duì)應(yīng)的輸出脈沖電壓幅值分別為2kV、4kV、8kV和10kV。

根據(jù)圖5可知，輸出脈沖電壓的上升時(shí)間很短，實(shí)測(cè)＜200ns。輸出脈沖電壓的上升時(shí)間與半導(dǎo)體開關(guān)管的開關(guān)特性、變壓器特性有關(guān)。觀察圖4和圖5的輸出脈沖電壓波形可以發(fā)現(xiàn)，輸出脈沖波形的下降時(shí)間比上升時(shí)間長(zhǎng)，原因可能是升壓變壓器繞制的特性不好，導(dǎo)致變壓器中的雜散電感和雜散電容比較大，影響了輸出波形的質(zhì)量。

同一脈沖幅值、脈沖寬度，不同重頻條件下的純阻性負(fù)載輸出脈沖電壓波形如圖6所示。根據(jù)圖6可知，不同頻率下的輸出脈沖波形的下降時(shí)間比上升時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)脈沖電源進(jìn)行重頻試驗(yàn)，脈沖電源工作0.5h，示波器顯示的輸出脈沖波形穩(wěn)定，電源輸出功率為3kW，整機(jī)效率為93%，符合研究要求。

4 結(jié)論

脈沖電源主電路繪制在一塊PCB板上，利用PCB走線可減少飛線和銅排連接帶來的電磁干擾問題。加入Buck調(diào)壓電路，可以改變Buck電路開關(guān)管的占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓。每級(jí)模塊耐壓等級(jí)低，器件尺寸小，易于集成。電源采用5個(gè)升壓變壓器前并、后串的方式，降低升壓變壓器的升壓等級(jí)，保證了輸出脈沖波形的質(zhì)量。

本文設(shè)計(jì)的疊加型高壓重頻微秒脈沖電源體積小、結(jié)構(gòu)緊湊且功率密度大，還可通過前級(jí)Buck電路和后級(jí)全橋逆變電路來調(diào)節(jié)輸出脈沖的幅值、頻率和脈寬，滿足不同的輸出脈沖要求。

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