开关电源应用之一种高压正弦波变频逆变电源

 目前,在臭氧发生器,污水处置,烟气脱硫,高功率激光,等离子体放电等技术领域,高压逆变电源正得到越来越多的运用。传统的高压逆变电源通常由工频或中频变压器直接升压或LC串联谐振取得,不可避免地具有体积大,功率低的缺陷。在目前许多需求高压电源的场合,选用远远高于工频的高频高压电源作用非常好,并且高频电源体积小,重量轻,是未来开展的方向。这篇文章介绍了一种介质阻挠放电发生器专用的配套高压正弦波逆变电源。该介质阻挠放电发生器由绝缘资料和在绝缘资料两头蚀刻而成的放电极两有些构成,如图1所示。在放电极间隙中参加介质层,可有用按捺放电电流的增大,有助于在介质两头形成安稳的等离子体层。其等效电路可近似看成是电容和电阻并联构成,这种容性负载在电源规划时必须思考其对滤波特性的影响。为了研讨在不一样电压和频率下该放电装置的特性,需求配套的供电电源输出电压和频率改动规模较大。就本装置而言,对电源的需求是:输出电压要能到达20kV,输出电流可到达1A,频率改动规模为5~20kHz,波形为纯正弦。以下介绍该电源的规划关键。

      2 高压正弦波变频逆变电源的规划


      这篇文章所规划的高压正弦波逆变电源原理图如图2所示。输入电源为三相380V,经三相桥整流后,可得约540V的直流电压(随电网电压的改动动摇)。该直流电压经过DC/DC改换器,得到一个输出幅值可变的直流电压,改动规模规划为0~500V。该改换选用通常的Buck降压改换电路即可完成。可变直流电压经DC/AC全桥逆变电路得到方波输出。该方波经LC滤波后可得到正弦波输出。滤波电感由外加电感和变压器自身漏感构成,滤波电容由变压器自身杂散电容和负载本身的电容构成。低压正弦波最终经高压高频变压器升压得到所需求的高压正弦波。通常的逆变器只是靠DC/AC一级改换就可同时完成变频和变压的功用,但本例对输出波形的需求较高,并且输出频率较高,欠好完成高频调制,因而,选用两级改换,分别完成变频和变压的功用。

      DC/DC有些选用SG3525操控,经过改动其输出的占空比来改动直流输出电压。DC/AC有些的功用只是是将直流成为沟通,因而,本有些的操控芯片也选用SG3525,且其在作业进程中占空比根本坚持不变,只是频率在设定规模内改动。80C196KC单片机在整个电路中首要起一个人机接口的作用。它担任承受操控指令并将作业进程中的一些参数及状况显现出来。键盘及显现接口电路经过8255芯片完成与CPU的通讯。参数调整接口首要担任将80C196KC的输出指令传送到SG3525电源操控芯片,以完成对电源的输出电压及频率的调整。功率开关管悉数选用IGBT,一切功率管的驱动均选用专用IGBT驱动操控芯片M57959L,该芯片内部带有光电阻隔器和过流维护电路,运用起来对比便利。

       3 电路规划中的几个关键疑问


       3.1 高压高频变压器的规划


       通常的开关电源输入输出都是低压,输入输出大都在几百伏以内,因而,通常高频变压器的原副边规划差异不大,对比好处置。但高压高频变压器规划起来对比艰难,它有两个特点:


      1)绝缘疑问欠好处置,体积越小,对绝缘资料的需求越高;


      2)副边匝数要远远高于原边匝数,形成高压高频变压器的副边散布参数对电路的影响很大,特别是在高频状况下,变压器副边漏感和杂散电容将极大地影响能量的传输进程。


      因而,对这种变压器的剖析也不一样于通常高频变压器。高压变压器的等效电路图如图3所示。其中变比为1:N的变压器是不思考散布参数的抱负变压器。Lp,Ls是原副边漏感,Rp,Rs是原副边绕组等效电阻,Cp,Cs为原副边杂散电容。

     由抱负变压器输出有些向右看,可得输入输出传递函数为


     式中:Vo′和Vo分别是抱负变压器的输出电压和该电压经Ls,Rs,Cs电路滤波后的输出电压。


      这是一个二阶滤波电路,其传递函数的幅频和相频特性示意图如图4所示。由图4可见,对相同幅值的输入电压,频率由小到大改动时,其输出呼应先变大,到某一个最高点后,再逐渐变小。这意味着主电路的增益在频率改动时会剧烈改动,给操控电路的规划带来不方便。由相频特性可见变压器相当于一个滞后环节。

      由以上剖析可知,因为漏感和杂散电容的存在,高压高频变压器在电路中的增益随频率的改动而改动,且简单呈现谐振表象。以某高压高频变压器为例,实践丈量该变压器的参数为:Ls=0.8H,Rs=25Ω,Cs=5000pF。则其谐振角频率ωo=15.8×103rad/s,对应的谐振开关频率fo=2.5kHz,品质因数Q≌500。在频率约5~10kHz规模该变压器增益极大,须将输入电压降得很低才干得到所需输出,很简单形成输出过压。而过了10kHz频带后,增益敏捷衰减,须将输入电压升得很高才干得到所需输出,在20kHz频率下会呈现电压传递不到副边的表象。


      因而,在高压高频变压器的绕制进程中,应注意削减其漏感以提高谐振频率。可选用削减绕组匝数,原副边严密耦合,运用高密度绝缘资料等办法处理该疑问。


      这篇文章选用一对U型非晶合金作为高压高频变压器的磁芯,这种资料的饱满磁密可达1T,且磁导率较高,在规划变压器时可不加气隙,使漏感减到最小。


      经过重新处置后的高压变压器参数为:Ls=0.08H,Rs=55Ω,Cs=3500pF,其谐振频率为fo=9.5kHz,可根本满足需求。


      大概指出的是,DC/AC有些输出的方波经LC和变压器滤波后虽然能得到正弦波,但不一样的频带滤波作用是不一样的。方波由基波和一系列奇数次谐波构成。在低频时,谐波频率也较低,由图5(a)可见谐波的衰减较小,形成输出正弦波的正弦度不是太好,而高频时,谐波频率较高,衰减很大,使变压器能够输出规范正弦波。如图5(b)所示。

      3.2 输出沟通频率的操控


      对输出频率的操控是经过改动SG3525芯片的调制频率来完成的。SG3525的脚3(SYN)是输入同步端,由80C196的HSO口输出的频率可调的脉冲经缓冲后送入该脚,即可改动SG3525的振荡频率,然后完成输出频率的改动。如图6所示。
      3.3 输出沟通幅值的操控


      对沟通输出电压幅值的操控可选用开环或闭环操控的办法,开环操控对比简单,简单完成,且牢靠,但精度不高,对负载和电网的动摇灵敏。因而,本例选用闭环操控以完成对沟通输出幅值的操控,如图7所示。电压反应值和输出给定值进行对比,并经SG3525内部的运放扩大后,得幅值可变的直流电压。该电压与内部三角波对比后,可操控SG3525的输出脉宽的巨细,改动DC/DC输出电压值,然后改动DC/AC的输出电压幅值。

      3.4 恒流电路的规划


      这篇文章所规划的电源是一个电压源,但在实践运用进程中可能会呈现需求约束输出电流的状况,因而,规划了一个恒流环节。原理如图8所示。电流给定和电流反应信号对比扩大后,经二极管阻隔后送入SG3525的脚8(SS)。脚8正常电压约+5V,当其电压降到+5V以下时,输出脉宽就开端被缩短,当电压再低到一定程度时,脉冲输出将被封闭。因而,可将此恒流电路看成是一个电流外环,正常运行时,电流给定值大于电流反应,PI调节器饱满,不影响SG3525的运用;当电流反应大于电流给守时,PI调节器输出开端降低,将脚8电压拉低,使SG3525输出脉宽削减,电源的输出电流随之削减,最终安稳在电流给定值。


      4 结语


      这篇文章所介绍的高压正弦波逆变电源已成功运用于某项意图等离子体放电物理试验中,各项性能指标均到达了规划需求。

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