開關(guān)電源應(yīng)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(shù)領(lǐng)域,高壓逆變電源正得到越來越多的運(yùn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)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(dá)20kV,輸出電流可到達(dá)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(guān)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?勺冎绷麟妷航(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(fù)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(jìn)程中占空比根本堅(jiān)持不變,只是頻率在設(shè)定規(guī)模內(nèi)改動。80C196KC單片機(jī)在整個電路中首要起一個人機(jī)接口的作用。它擔(dān)任承受操控指令并將作業(yè)進(jìn)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(dān)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(guān)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(hù)電路,運(yùn)用起來對比便利。
3 電路規(guī)劃中的幾個關(guān)鍵疑問
3.1 高壓高頻變壓器的規(guī)劃
通常的開關(guān)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(diǎn):
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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)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(yīng)先變大,到某一個最高點(diǎn)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(dāng)于一個滯后環(huán)節(jié)。
由以上剖析可知,因?yàn)槁└泻碗s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(shí)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(yīng)的諧振開關(guān)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(jìn)程中,應(yīng)注意削減其漏感以提高諧振頻率?蛇x用削減繞組匝數(shù),原副邊嚴(yán)密耦合,運(yùn)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(dá)1T,且磁導(dǎo)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(fù)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(yīng)值和輸出給定值進(jìn)行對比,并經(jīng)SG3525內(nèi)部的運(yùn)放擴(kuò)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(xì),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(shí)踐運(yùn)用進(jìn)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(yīng)信號對比擴(kuò)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(dāng)其電壓降到+5V以下時,輸出脈寬就開端被縮短,當(dāng)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(yùn)行時,電流給定值大于電流反應(yīng),PI調(diào)節(jié)器飽滿,不影響SG3525的運(yùn)用;當(dāng)電流反應(yīng)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(yùn)用于某項(xiàng)意圖等離子體放電物理試驗(yàn)中,各項(xiàng)性能指標(biāo)均到達(dá)了規(guī)劃需求。
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