基于脈沖屏蔽調(diào)制的表面處理電源研制

摘要：塑料薄膜表面處理的負載通常由電容器組成，由于電容器具有非線性，使逆變電源的設計非常困難。通過串聯(lián)諧振逆變器經(jīng)匹配變壓器與電容器負載連接，被認為是一種高效實用的解決方法。結(jié)合上述電路拓撲結(jié)構(gòu)，提出一種基于脈沖屏蔽調(diào)制(PMM)策略的塑料薄膜表面處理電源。PMM用于調(diào)節(jié)諧振逆變器的功率輸出，同時保證逆變電路中開關器件始終工作在零電壓和零電流開關狀態(tài)，進一步減小開關損耗，提高表面處理電源的工作效率。實驗結(jié)果表明，與采用傳統(tǒng)脈沖移相調(diào)制的表面處理電源相比，采用PMM的塑料薄膜表面處理電源結(jié)構(gòu)更加緊湊，設備效率更高，功率調(diào)節(jié)范圍進一步擴大。
關鍵詞：電源；脈沖屏蔽調(diào)制；諧振逆變器；軟開關

1 引言
塑料薄膜表面處理電源廣泛應用于包裝工業(yè)領域，使薄膜對油墨具有更好的吸附性能。當一個高頻電壓加在兩個電極間時，會產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，這個高頻電壓稱為放電起始電壓。周圍環(huán)境溫度的變化容易造成放電起始電壓值的改變，這將造成電暈表面處理過程輸出功率突增，產(chǎn)生的火花溫度過高，致使薄膜被擊穿。為了在正常大氣狀況下產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈放電過程，需要逆變器提供電源。傳統(tǒng)的基于直流側(cè)電壓控制的串聯(lián)諧振逆變器由于體積大、成本高和系統(tǒng)響應速度慢等缺點，已逐漸被脈沖頻率調(diào)制、脈沖移相調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制等控制方法取代。但是，上述控制方法中功率開關器件不能總是保持零電流和零電壓開關狀態(tài)，這樣容易導致開關損耗增加，使得電源效率降低。
這里提出一種基于PMM的塑料薄膜表面處理電源。PMM策略能保證逆變器工作在恒壓恒頻條件下，同時功率開關器件始終工作在零電流和零電壓開關狀態(tài)，開關損耗減小。而PMM除在全功率輸出狀態(tài)下開關頻率等于諧振頻率外，在其余輸出功率值時開關頻率都低于諧振頻率，這進一步降低了開關損耗，提高了設備效率。

2 塑料薄膜表面處理系統(tǒng)
塑料薄膜表面處理系統(tǒng)如圖1所示。它由高壓放電電極和表面帶有絕緣介質(zhì)的接地電極組成，欲處理的塑料薄膜通過兩個電極的間隙進行加T處理。為提高導電性能，高壓放電電極通常做成刀型，進一步增加放電面積。而接地電極是一長度為1．6 m的圓筒，上面帶有的絕緣介質(zhì)厚度為3 mm，目的是為了避免電暈放電過程中發(fā)生突變，產(chǎn)生電弧，從而對設備和人員造成傷害。

圖2示出塑料薄膜表面處理電源的主電路拓撲結(jié)構(gòu)。直流側(cè)電源由一個三相二極管不可控整流電路構(gòu)成，逆變側(cè)為一單相全橋串聯(lián)諧振逆變器，開關器件由兩個雙單元IGBT模塊組成，緩沖電容Cs并聯(lián)在IGBT的集電極和發(fā)射極兩端，實現(xiàn)功率器件軟開關。逆變器通過一個升壓型匹配變壓器與負載輸出端相連，產(chǎn)生電暈放電過程所需的高頻電壓。

3 脈沖屏蔽調(diào)制
3．1 原理分析
PMM基本原理為：在1個PMM周期T內(nèi)，包含n個小的功率調(diào)節(jié)單位，即T=nTo(To為逆變電路負載的諧振周期)，其中，只有1個小的功率調(diào)
節(jié)單位逆變電路處于自由衰減振蕩狀態(tài)，其余(n-1)個功率調(diào)節(jié)單位逆變電路處于輸出功率狀態(tài)，圖3示出PMM電壓源串聯(lián)諧振逆變電路的開
關運行模式，為了便于描述，將整流側(cè)簡化為1個直流電源。

1個傳統(tǒng)的電壓源串聯(lián)諧振逆變電路工作在模式1和2，對應圖3a，b，向諧振負載輸出方波電壓；當逆變電路工作在自由衰減振蕩狀態(tài)時，逆變電路輸出電壓為零，對應圖3c，d，在模式3，4期間，產(chǎn)生的門極開通信號驅(qū)動兩個橋臂的下開關管功率器件V2和V4，此時下橋臂的V2和V4與其對橋臂的電容構(gòu)成導通回路，輪流導通，為負載電流提供1個雙向流動的自由衰減振蕩回路。