低温等离子体消毒灭菌设备电源的研究与设计

湖南铁道职业技术学院电气工程系 刘红兵

1.引言

将等离子体技术用于消毒灭菌技术上具有极高的潜在应用价值。因而要求等离子体发生器具有体积小，重量轻，易于控制和高可靠性的特点。作为等离子体发生器中一个重要的组成部分——等离子体高压电源则起到关键作用。它的性能在很大程度上影响等离子体发生器的性能。传统的高压电源因体积和重量都大，且性能不好，满足不了实际应用的需要。随着电力电子技术和开关器件的发展，高压逆变电源的高频化及脉宽调制波形改善技术使得高压电源的性能成倍提高，体积成倍减小，应用范围越来越广。针对等离子体高压电源的特殊要求，本文将SPWM脉宽调制技术用于该电源设计中，使它具有原理简单、控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压等诸多特点，研制了一台单相输出电压可调、频率连续可调的等离子体高压电源。

2.等离子体电源的结构与原理

在低温等离子体电源中，系统总体电路结构主要由主电路和控制电路两部分组成，其总体电路结构方案见图1。其中，主电路由工频单相半控整流滤波电路、直流斩波电路、SPWM控制的DC/AC高频逆变电路、LC滤波电路及高频升压电路组成。控制电路由SPWM产生的电路、隔离驱动电路、基准正弦波电路、频率调节电路、过流保护电路、过压保护电路以及相应的显示电路组成。

在系统主电路中，单相交流电经低频半控桥式整流之后进行大电容滤波，得到较平滑的且电压大小可调的直流输出电压，经H桥电压型逆变电路以及低通滤波器，转换成脉冲电压并通过功率变压器提升电压值，从而最终得到50kHz的高频正弦波。

3.等离子体电源的研究与设计

3.1 工频整流滤波电路的研究设计

在常规的开关稳压电源中，通常是对交流220V市电直接不可控整流滤波从而得到电压不可调的直流电压。本设计根据等离子体电源需要输出电压可调的要求，选择了由晶闸管构成的通过改变a触发角来改变输出电压的大小的单相桥式可控整流电路。而在实际应用中遇到较多的等离子体消毒灭菌设备大多是电感性负载，即含有电感，又含有电阻。这里电感性负载采用串联的电感元件L和电阻元件R来表示，电路如图2（a)所示。电路中由于电感性元件的存在，电流i0不能发生跃变，在电源电压U2的正半周，V1、V4承受正向电压，当ωt=α时，控制极加上触发脉冲UG，令晶闸管V1触发导通，续流二极管V5承受反向电压而截止。电流流经V1、L、R、V4，输出电压U0=U2。

晶闸管刚触发导通时，由于电感元件产生阻碍电流变化的感应电动势，电路中的电流不能跃变，将由零逐渐上升。当电流到达最大值时，感应电动势为零，而后电流随U2沿正半周减小，电感感应电势改变极性，和U2相同。由于是大电感负载，所以负载电流i0连续并近似为一直线，这时V2和V3因承受反向电压而处于阻断状态。在u2过π进入负半周时，V3承受正向电压而导通，V4承受反向电压而截止。为避免失控现象，在负载两端并联一个续流二极管V5。电路的工作波形如图2（b）所示。

参照电路工作波形图，可计算推导出如下数量关系：

输出电压平均值UO(AV)

晶闸管与整流二极管电流的平均值IV1(AV)、IV2(AV)与有效值IV1、IV2

图1 等离子电源总体电路结构图

图2 单相半控桥感性负载电路及工作波形图

图3 逆变电路的基本工作原理

图4 电压型逆变电路原理图及波形图

图5 SPWM波形图

续流二极管电流的平均值IV5(AV)与有效值IV5

变压器二次绕组的有效值I2

其次，由于本设计中电源是要产生小负载电流的高频高压电源，故采用电容滤波为宜。

3.2 脉宽调制（SPWM）型逆变电路的研究设计

逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路来实现，电路如图3所示。当S1、S4闭合，S2、S3断开，输出U0为正，反之，当S1、S4断开，S2、S3闭合，输出为负，这样就把直流电变成交流电。若改变两组开关的切换频率，可改变输出交流电的频率。当负载呈电阻性时，电流和电压的波形相同；负载呈电感性时，电流和电压的波形不相同，电流滞后电压一定角度。

在实际中由于电压型逆变电路使用器件较少，结构简单而得到广泛的应用，电路如图4所示。在阻感负载RL的条件下，0≤θ≤ωt期间，VT1和VT4有驱动信号，电流i0为负值，VT1和VT4不导通，D1、D4导通起负载电流续流作用，U0=+ Ud。θ≤ωt≤π期间，i0为正值，VT1和VT4才导通。π≤ωt≤π+θ期间，T2和T3有驱动信号，由于电流i0为负值，T2、T3不导通，D2、D3导通起负载电流续流作用，U0=- Ud。π+θ≤ωt≤2π期间，T2和T3才导通。

图6 系统总设计图

但是由于上述电路含有较大成分的低次谐波等缺点，近十余年来，随着电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，GTO等的发展和PWM的控制技术的日趋完善，使SPWM逆变器得以迅速发展并广泛使用。PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM法，正弦波PWM法（SPWM法），磁链追踪型PWM法和电流跟踪型PWM法，其中利用SPWM控制技术做成的SPWM逆变器能同时实现调频调压，且系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。

根据逆变计算原理，调制比M=Urm/Ucm，其中，Urm为调制正弦波的幅值，Ucm为调制三角波（载波）幅值。输出电压Uo的基波频率F1等于正弦波（调制）的频率Fr，输出电压的大小，由调制比M决定，是一个半波对称的齐函数，用傅立叶级数展开：

根据平均值模型分析法，当Fc>>Fr时，输出电压Uo在一个周期Tc中的平均值，可以近似的看成输出电压基波电量的瞬时值。即如图5所示，Uo（AV）=Uo1（当Fc>>Fr）。

每个载波周期Tc有一个脉冲电压，其宽度为τ。则脉冲电压在一个载波周期中的平均值为Ud/Tc。因为脉冲数是很多的，在一个载波周期正弦波的Ur=Ursinωt，变比很小，设其中心点αK的相位角为αK，则在一个载波中可以认为Ur为恒值，即Ur=Urmsinωt可得τ/2/Tc/2=ED/EB=FD/AB=Ur/Ucm=Urmsinω/Ucm。周期比K个脉冲电压的平均值：

Udτ/Tc=Urmsinω/Ucm由Uo（AV)=U01（Fc>>Fr)和M=Urm/Ucm，瞬时值：U01=Udτ/Tc=Ud*Urm/Ucm*sinαk=UdM sinαk，在SPWM调制方式下逆变输出电压的基波的有效值U01=M Ud/√2，改变调制比M，即改变正弦波的调制信号的幅值Urm就可以调控输出基波电压值。当调制比M大于或等于1时输出电压基波的幅值与调制比成正比，呈现严格的线性关系，此时SPWM控制的单相逆变电路输出的最大电压幅值为Ud，最大有效值为Ud/√2=0.707ud。由U01=Udτ/T c=U d*U r m/U c m*s i nαk=U d M sinαk。可以看出输出电压的频率相位就是由正弦波调制信号来调控的。

本设计采用PWM控制/驱动器IC芯片是LM4651，它内置振荡器、PWM比较器、误差放大器、反馈测量放大器、数字逻辑与保护电路及驱动器等，系统总体电路如图6所示。LM4651具有内部软启动功能，该软启动功能可保证系统的可靠和协调启动，在启动周期内，系统保持待机模式。启动时间的调节可通过连接到START脚的电容（CSTSRT）来控制。

当输入信号幅值高于内部三角波时，过调制条件发生，如果缺少过调制，将导致功率MOSFET永久性毁坏。在正统波顶部，过调制保护还提供一个软削波（soft clip）型响应。对于给定的相同的电压和负载，这种限幅将使输出功率降低。反馈放大器用来进行差动取样输出信号并为误差放大器提供一个单端反馈信号，反馈信号直接取自LC滤波器之前的开关输出，从而避免了输出滤波器引起的相移。来源于桥式输出的差动信号经单极点或双极点的RC滤波器进入到作为反馈放大器使用的高输入阻抗测量放大。反馈测量放大器的内部固定增益为1。

4.结语

本文针对等离子灭菌设备的特殊要求，提出了新型的等离子电源结构以及系统主电路、控制电路的设计方案。采用SPWM技术控制的等离子电源，具有结构简单、造价低、电能利用率高等优点。

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