高壓正弦波變頻逆變電源的電路設計與實現(xiàn)

　　引言

　　目前，在臭氧發(fā)生器，污水處理，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應用。傳統(tǒng)的高壓逆變電源一般由工頻或中頻變壓器直接升壓或LC串聯(lián)諧振獲得，不可避免地具有體積大，效率低的缺點。在目前許多需要高壓電源的場合，采用遠遠高于工頻的高頻高壓電源效果更好，而且高頻電源體積小，重量輕，是未來發(fā)展的方向。本文介紹了一種介質阻擋放電發(fā)生器專用的配套高壓正弦波逆變電源。該介質阻擋放電發(fā)生器由絕緣材料和在絕緣材料兩端蝕刻而成的放電極兩部分組成，如圖1所示。在放電極間隙中加入介質層，可有效抑制放電電流的增大，有助于在介質兩端形成穩(wěn)定的等離子體層。其等效電路可近似看成是電容和電阻并聯(lián)組成，這種容性負載在電源設計時必須考慮其對濾波特性的影響。為了研究在不同電壓和頻率下該放電裝置的特性，需要配套的供電電源輸出電壓和頻率變動范圍較大。就本裝置而言，對電源的要求是：輸出電壓要能達到20kV，輸出電流可達到1A，頻率變化范圍為5～20kHz，波形為純正弦。以下介紹該電源的設計要點。

　　(a)發(fā)生器簡圖 (b)等效電路

圖1 介質阻擋放電發(fā)生器及其等效電路示意圖

　　高壓正弦波變頻逆變電源的設計

　　本文所設計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，經三相橋整流后，可得約540V的直流電壓(隨電網電壓的變化波動)。該直流電壓經過DC/DC變換器，得到一個輸出幅值可變的直流電壓，變化范圍設計為0～500V。該變換采用普通的Buck降壓變換電路即可實現(xiàn)。可變直流電壓經 DC/AC全橋逆變電路得到方波輸出。該方波經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組成，濾波電容由變壓器自身雜散電容和負載本身的電容構成。低壓正弦波最后經高壓高頻變壓器升壓得到所需要的高壓正弦波。一般的逆變器僅僅靠DC/AC一級變換就可同時實現(xiàn)變頻和變壓的功能，但本例對輸出波形的要求較高，而且輸出頻率較高，不好實現(xiàn)高頻調制，因此，采用兩級變換，分別實現(xiàn)變頻和變壓的功能。

圖2 高壓變頻逆變電源原理圖

　　DC/DC 部分采用SG3525控制，通過改變其輸出的占空比來改變直流輸出電壓。DC/AC部分的功能僅僅是將直流變成交流，因此，本部分的控制芯片也采用 SG3525，且其在工作過程中占空比基本保持不變，僅僅頻率在設定范圍內變化。80C196KC單片機在整個電路中主要起一個人機接口的作用。它負責接受控制指令并將工作過程中的一些參數(shù)及狀態(tài)顯示出來。鍵盤及顯示接口電路通過8255芯片實現(xiàn)與CPU的通訊。參數(shù)調整接口主要負責將80C196KC的輸出指令傳送到SG3525電源控制芯片，以實現(xiàn)對電源的輸出電壓及頻率的調整。功率開關管全部采用IGBT，所有功率管的驅動均采用專用IGBT驅動控制芯片M57959L，該芯片內部帶有光電隔離器和過流保護電路，使用起來比較方便。

　　電路設計中的幾個關鍵問題

　　1、高壓高頻變壓器的設計

　　普通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，因此，普通高頻變壓器的原副邊設計區(qū)別不大，比較好處理。但高壓高頻變壓器設計起來比較困難，它有兩個特點：

　　1)絕緣問題不好處理，體積越小，對絕緣材料的要求越高；

　　2)副邊匝數(shù)要遠遠高于原邊匝數(shù)，造成高壓高頻變壓器的副邊分布參數(shù)對電路的影響很大，特別是在高頻情況下，變壓器副邊漏感和雜散電容將極大地影響能量的傳輸過程。

圖3 高壓變壓器等效電路

　　因此，對這種變壓器的分析也不同于普通高頻變壓器。高壓變壓器的等效電路圖如圖3所示。其中變比為1：N的變壓器是不考慮分布參數(shù)的理想變壓器。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。

(a)幅頻特性圖

(b)相頻特性圖

圖4 二階濾波電路的幅頻及相頻特性

　　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，對同樣幅值的輸入電壓，頻率由小到大變化時，其輸出響應先變大，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變化時會劇烈變化，給控制電路的設計帶來不便。由相頻特性可見變壓器相當于一個滯后環(huán)節(jié)。

　　由以上分析可知，由于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變化而變化，且容易出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。以某高壓高頻變壓器為例，實際測量該變壓器的參數(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，品質因數(shù)Q≌500。在頻率約5～10kHz范圍該變壓器增益極大，須將輸入電壓降得很低才能得到所需輸出，很容易造成輸出過壓。而過了10kHz頻帶后，增益迅速衰減，須將輸入電壓升得很高才能得到所需輸出，在20kHz頻率下會出現(xiàn)電壓傳遞不到副邊的現(xiàn)象。

　　因此，在高壓高頻變壓器的繞制過程中，應注意減少其漏感以提高諧振頻率。可采用減少繞組匝數(shù)，原副邊緊密耦合，應用高密度絕緣材料等辦法解決該問題。

　　本文采用一對U型非晶合金作為高壓高頻變壓器的磁芯，這種材料的飽和磁密可達1T，且磁導率較高，在設計變壓器時可不加氣隙，使漏感減到最小。

　　經過重新處理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，可基本滿足需要。

(a)輸出電壓波形(5kHz)

(b)輸出電壓波形(10kHz)

圖5 不同頻率時的輸出電壓波形

　　應該指出的是，DC/AC部分輸出的方波經LC和變壓器濾波后雖然能得到正弦波，但不同的頻帶濾波效果是不同的。方波由基波和一系列奇數(shù)次諧波組成。在低頻時，諧波頻率也較低，由圖5(a)可見諧波的衰減較小，造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，使變壓器可以輸出標準正弦波。如圖5(b)所示。

　　2、輸出交流頻率的控制

　　對輸出頻率的控制是通過改變SG3525芯片的調制頻率來實現(xiàn)的。SG3525的腳3(SYN)是輸入同步端，由80C196的HSO口輸出的頻率可調的脈沖經緩沖后送入該腳，即可改變SG3525的振蕩頻率，從而實現(xiàn)輸出頻率的改變。如圖6所示。

圖6 SG3525頻率控制示意圖

　　3、輸出交流幅值的控制

　　對交流輸出電壓幅值的控制可采用開環(huán)或閉環(huán)控制的方法，開環(huán)控制比較簡單，容易實現(xiàn)，且可靠，但精度不高，對負載和電網的波動敏感。因此，本例采用閉環(huán)控制以實現(xiàn)對交流輸出幅值的控制，如圖7所示。電壓反饋值和輸出給定值進行比較，并經SG3525內部的運放放大后，得幅值可變的直流電壓。該電壓與內部三角波比較后，可控制SG3525的輸出脈寬的大小，改變DC/DC輸出電壓值，從而改變DC/AC的輸出電壓幅值。

圖7 交流輸出幅值控制電路示意圖

　　4、恒流電路的設計

　　本文所設計的電源是一個電壓源，但在實際使用過程中可能會出現(xiàn)需要限制輸出電流的情況，因此，設計了一個恒流環(huán)節(jié)。電流給定和電流反饋信號比較放大后，經二極管隔離后送入SG3525的腳8(SS)。腳8正常電壓約+5V，當其電壓降到+5V以下時，輸出脈寬就開始被縮短，當電壓再低到一定程度時，脈沖輸出將被封鎖。因此，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饋，PI調節(jié)器飽和，不影響SG3525的使用；當電流反饋大于電流給定時，PI調節(jié)器輸出開始下降，將腳8電壓拉低，使SG3525輸出脈寬減少，電源的輸出電流隨之減少，最后穩(wěn)定在電流給定值。

　　結語

　　本文所介紹的高壓正弦波逆變電源已成功應用于某項目的等離子體放電物理實驗中，各項性能指標均達到了設計要求。