開關電源應用之一種高壓正弦波變頻逆變電源
目前，在臭氧發(fā)生器，污水處置，煙氣脫硫，高功率激光，等離子體放電等技術領域，高壓逆變電源正得到越來越多的運用。傳統(tǒng)的高壓逆變電源通常由工頻或中頻變壓器直接升壓或LC串聯(lián)諧振取得，不可避免地具有體積大，功率低的缺陷。在目前許多需求高壓電源的場合，選用遠遠高于工頻的高頻高壓電源作用非常好，并且高頻電源體積小，重量輕，是未來開展的方向。這篇文章介紹了一種介質(zhì)阻撓放電發(fā)生器專用的配套高壓正弦波逆變電源。該介質(zhì)阻撓放電發(fā)生器由絕緣資料和在絕緣資料兩頭蝕刻而成的放電極兩有些構(gòu)成，如圖1所示。在放電極間隙中參加介質(zhì)層，可有用按捺放電電流的增大，有助于在介質(zhì)兩頭形成安穩(wěn)的等離子體層。其等效電路可近似看成是電容和電阻并聯(lián)構(gòu)成，這種容性負載在電源規(guī)劃時必須思考其對濾波特性的影響。為了研討在不一樣電壓和頻率下該放電裝置的特性，需求配套的供電電源輸出電壓和頻率改動規(guī)模較大。就本裝置而言，對電源的需求是：輸出電壓要能到達20kV，輸出電流可到達1A，頻率改動規(guī)模為5～20kHz，波形為純正弦。以下介紹該電源的規(guī)劃關鍵。
2 高壓正弦波變頻逆變電源的規(guī)劃
這篇文章所規(guī)劃的高壓正弦波逆變電源原理圖如圖2所示。輸入電源為三相380V，經(jīng)三相橋整流后，可得約540V的直流電壓（隨電網(wǎng)電壓的改動動搖）。該直流電壓經(jīng)過DC/DC改換器，得到一個輸出幅值可變的直流電壓，改動規(guī)模規(guī)劃為0～500V。該改換選用通常的Buck降壓改換電路即可完成。可變直流電壓經(jīng)DC/AC全橋逆變電路得到方波輸出。該方波經(jīng)LC濾波后可得到正弦波輸出。濾波電感由外加電感和變壓器自身漏感構(gòu)成，濾波電容由變壓器自身雜散電容和負載本身的電容構(gòu)成。低壓正弦波最終經(jīng)高壓高頻變壓器升壓得到所需求的高壓正弦波。通常的逆變器只是靠DC/AC一級改換就可同時完成變頻和變壓的功用，但本例對輸出波形的需求較高，并且輸出頻率較高，欠好完成高頻調(diào)制，因而，選用兩級改換，分別完成變頻和變壓的功用。
DC/DC有些選用SG3525操控，經(jīng)過改動其輸出的占空比來改動直流輸出電壓。DC/AC有些的功用只是是將直流成為溝通，因而，本有些的操控芯片也選用SG3525，且其在作業(yè)進程中占空比根本堅持不變，只是頻率在設定規(guī)模內(nèi)改動。80C196KC單片機在整個電路中首要起一個人機接口的作用。它擔任承受操控指令并將作業(yè)進程中的一些參數(shù)及狀況顯現(xiàn)出來。鍵盤及顯現(xiàn)接口電路經(jīng)過8255芯片完成與CPU的通訊。參數(shù)調(diào)整接口首要擔任將80C196KC的輸出指令傳送到SG3525電源操控芯片，以完成對電源的輸出電壓及頻率的調(diào)整。功率開關管悉數(shù)選用IGBT，一切功率管的驅(qū)動均選用專用IGBT驅(qū)動操控芯片M57959L，該芯片內(nèi)部帶有光電阻隔器和過流維護電路，運用起來對比便利。
3 電路規(guī)劃中的幾個關鍵疑問
3．1 高壓高頻變壓器的規(guī)劃
通常的開關電源輸入輸出都是低壓，輸入輸出大都在幾百伏以內(nèi)，因而，通常高頻變壓器的原副邊規(guī)劃差異不大，對比好處置。但高壓高頻變壓器規(guī)劃起來對比艱難，它有兩個特點：
1）絕緣疑問欠好處置，體積越小，對絕緣資料的需求越高；
2）副邊匝數(shù)要遠遠高于原邊匝數(shù)，形成高壓高頻變壓器的副邊散布參數(shù)對電路的影響很大，特別是在高頻狀況下，變壓器副邊漏感和雜散電容將極大地影響能量的傳輸進程。
因而，對這種變壓器的剖析也不一樣于通常高頻變壓器。高壓變壓器的等效電路圖如圖3所示。其中變比為1：N的變壓器是不思考散布參數(shù)的抱負變壓器。Lp，Ls是原副邊漏感，Rp，Rs是原副邊繞組等效電阻，Cp，Cs為原副邊雜散電容。
由抱負變壓器輸出有些向右看，可得輸入輸出傳遞函數(shù)為
式中：Vo′和Vo分別是抱負變壓器的輸出電壓和該電壓經(jīng)Ls，Rs，Cs電路濾波后的輸出電壓。
這是一個二階濾波電路，其傳遞函數(shù)的幅頻和相頻特性示意圖如圖4所示。由圖4可見，對相同幅值的輸入電壓，頻率由小到大改動時，其輸出呼應先變大，到某一個最高點后，再逐漸變小。這意味著主電路的增益在頻率改動時會劇烈改動，給操控電路的規(guī)劃帶來不方便。由相頻特性可見變壓器相當于一個滯后環(huán)節(jié)。
由以上剖析可知，因為漏感和雜散電容的存在，高壓高頻變壓器在電路中的增益隨頻率的改動而改動，且簡單呈現(xiàn)諧振表象。以某高壓高頻變壓器為例，實踐丈量該變壓器的參數(shù)為：Ls=0.8H，Rs=25Ω，Cs=5000pF。則其諧振角頻率ωo=15.8×103rad/s，對應的諧振開關頻率fo=2.5kHz，品質(zhì)因數(shù)Q≌500。在頻率約5～10kHz規(guī)模該變壓器增益極大,須將輸入電壓降得很低才干得到所需輸出，很簡單形成輸出過壓。而過了10kHz頻帶后，增益敏捷衰減，須將輸入電壓升得很高才干得到所需輸出，在20kHz頻率下會呈現(xiàn)電壓傳遞不到副邊的表象。
因而，在高壓高頻變壓器的繞制進程中，應注意削減其漏感以提高諧振頻率。可選用削減繞組匝數(shù)，原副邊嚴密耦合，運用高密度絕緣資料等辦法處理該疑問。
這篇文章選用一對U型非晶合金作為高壓高頻變壓器的磁芯，這種資料的飽滿磁密可達1T，且磁導率較高，在規(guī)劃變壓器時可不加氣隙，使漏感減到最小。
經(jīng)過重新處置后的高壓變壓器參數(shù)為：Ls=0.08H，Rs=55Ω，Cs=3500pF，其諧振頻率為fo=9.5kHz，可根本滿足需求。
大概指出的是，DC/AC有些輸出的方波經(jīng)LC和變壓器濾波后雖然能得到正弦波，但不一樣的頻帶濾波作用是不一樣的。方波由基波和一系列奇數(shù)次諧波構(gòu)成。在低頻時，諧波頻率也較低，由圖5（a）可見諧波的衰減較小，形成輸出正弦波的正弦度不是太好，而高頻時，諧波頻率較高，衰減很大，使變壓器能夠輸出規(guī)范正弦波。如圖5(b)所示。
3．2 輸出溝通頻率的操控
對輸出頻率的操控是經(jīng)過改動SG3525芯片的調(diào)制頻率來完成的。SG3525的腳3(SYN)是輸入同步端，由80C196的HSO口輸出的頻率可調(diào)的脈沖經(jīng)緩沖后送入該腳，即可改動SG3525的振蕩頻率，然后完成輸出頻率的改動。如圖6所示。
3．3 輸出溝通幅值的操控
對溝通輸出電壓幅值的操控可選用開環(huán)或閉環(huán)操控的辦法，開環(huán)操控對比簡單，簡單完成，且牢靠，但精度不高，對負載和電網(wǎng)的動搖靈敏。因而，本例選用閉環(huán)操控以完成對溝通輸出幅值的操控，如圖7所示。電壓反應值和輸出給定值進行對比，并經(jīng)SG3525內(nèi)部的運放擴大后，得幅值可變的直流電壓。該電壓與內(nèi)部三角波對比后，可操控SG3525的輸出脈寬的巨細，改動DC/DC輸出電壓值，然后改動DC/AC的輸出電壓幅值。
3．4 恒流電路的規(guī)劃
這篇文章所規(guī)劃的電源是一個電壓源，但在實踐運用進程中可能會呈現(xiàn)需求約束輸出電流的狀況，因而，規(guī)劃了一個恒流環(huán)節(jié)。原理如圖8所示。電流給定和電流反應信號對比擴大后，經(jīng)二極管阻隔后送入SG3525的腳8（SS）。腳8正常電壓約＋5V，當其電壓降到＋5V以下時，輸出脈寬就開端被縮短，當電壓再低到一定程度時，脈沖輸出將被封閉。因而，可將此恒流電路看成是一個電流外環(huán)，正常運行時，電流給定值大于電流反應，PI調(diào)節(jié)器飽滿，不影響SG3525的運用；當電流反應大于電流給守時，PI調(diào)節(jié)器輸出開端降低，將腳8電壓拉低，使SG3525輸出脈寬削減，電源的輸出電流隨之削減，最終安穩(wěn)在電流給定值。
4 結(jié)語
這篇文章所介紹的高壓正弦波逆變電源已成功運用于某項意圖等離子體放電物理試驗中，各項性能指標均到達了規(guī)劃需求。
以上由開關電源公司提供！
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