一种用于织物表面处理的高压脉冲电源研究＊

杨建湘

（贺州学院，广西贺州542899）

一种用于织物表面处理的高压脉冲电源研究＊

杨建湘

（贺州学院，广西贺州542899）

摘要：介绍了一种用于织物表面处理的全桥逆变式低温等离子体电源的工作原理及控制电路。根据纺织物表面处理工艺要求产生稳定、均匀、柔和的低温等离子体。高压电源以IGBT为开关元件进行直流斩波和全桥逆变，实现高压电源高效小型化。控制系统以计算机为控制单元组成外围电路实现电源的自动调节、断电保护。经过试验，电源的各项性能指标均达到预期的设计目标，技术性能满足织物表面处理工艺的需求。

关键词：直流斩波；全桥逆变；PWM；计算机控制；高频高压电源

1　引言

随着国内外等离子体技术的不断深化，低温常压等离子体的应用领域逐渐成为世人关注的热点。在纺织行业中，应用低温等离子体技术对天然和化学纤维织物表面进行改性处理，即利用低温等离子体的高能活性粒子与纤维表面作用，使维织物表面发生刻蚀、交联、聚合和接枝聚合等化学作用改性及抗静电、阻燃、防皱、拒水、拒油、卫生整理等物理作用改性。该处理工艺不用任何中间介质，激发了气体材料与纤维材料直接作用，改性过程简便迅速，对环保、节水、节能、耐久性均有较好效果。传统真空室下低温等离子体对织物面料表面改性处理，由于受到真空室操控空间与设备成本的制约，采用常压低温等离子体对织物面料表面改性处理不但可以实现工业连续生产，而且大大降低了设备成本。但等离子体技术对织物表面处理工艺相对复杂，要求产生稳定、均匀、柔和的低温等离子体，其电源呈非线性和时变性，放电形式极易受工况影响而过渡到细丝放电，导致被处理织物穿孔或损伤。因此，要求等离子体电源的控制系统具备快速抑制细丝放电的功能。本文采用PWM调制技术及逆变原理，以计算机控制为控制单元结合传感器技术实现自动调节电源的各个参数，使电源能高效、稳定、快速响应工作。低温等离子体应用于纺织品加工具有革命性的意义［1］［2］。

2　低温等离子体高压电源

1.1系统组成及说明

低温等离子体高压电源的系统框图如图1所示，它主要由不可控整流电路、输入滤波电路、Buck斩波电路、开关管IGBT、全桥逆变电路、单相升压高频变压器T、高压细丝放电电流抑制电路、检测电路、调节电路和保护电路组成。关键器件开关管IGBT选用2单元、50A、1200V型号为BSM50GB120DN2的IGBT模块，硬开关频率高达40kHz，最大允许管耗400W，完全满足等离子体高压电源的要求。其驱动芯片选用国产新型TXDA841HD，且TX－DA841HD可用于同时驱动300A／1200V（600A／600V）IGBT 4管，最高工作频率可达60kHz，使得IGBT驱动电路的设计变得简单、灵活，具有一系列的保护功能［3］。

1.2工作原理

高压电源工作原理图如图2所示，三相交流电首先经过低频整流和滤波得到约为510V直流电压后，经斩波电路转化为0V－510V稳定、平直、可调的直流输出电源，再通过DC／AC全桥逆变电路，其输出端经隔直电容后接入高压油箱中高频升压变压器的一次侧，高压输出峰值为20kV的正弦电压，频率10kHz－20kHz连续可调。图2中C4、C5、R3、R4组成的隔直电容电路的作用是防止高频升压变压器的偏磁，保证高频升压变压器高效工作；左右桥臂的缓冲电容C6、C7起到保护开关管通断瞬间过压缓冲作用。

图1　高压电源系统框图

图2　等离子体高压电源主电路示意图

3　技术特点

全桥逆变式常压低温等离子体高压电源在工作原理和电路结构上与普通的逆变变换器无本质区别，但因高频高压的存在，在工程实践应用中，元器件的选择受到很大限制，这就不可避免地带来一些技术问题［4］。

3.1采样反馈控制

电压反馈信号由霍尔电压互感器采样获取，其电压采样值接入采样电路如图3所示，经计算机处理输出PWM波控制Buck变换器开关管的开关动作。电流反馈则在低压侧逆变前通过高精度、响应速度快的霍尔电流互感器，其电流采样信号经模拟信号处理输送给计算机数模转换后，接入全桥逆变控制单元。对于图示中霍尔电压互感器及电路而言，考虑到电流通过电阻会发热，通常被测电压越高，限流电阻R越大，RC对霍尔电压互感器的影响也越大。被测电压越高，初级线圈的电流越小，初级线圈的匝数越多。

3.2高压电源控制原理

控制电路包括计算机控制单元、人机界面（触摸屏）、开关量输入输出模块、A／D模块、D／A模块及驱动电路。A／D模块将各路反馈回来的模拟量转化为数字量，计算机控制单元根据A／D所采集的数字量进行运算和调节后，输出相应PWM脉冲信号。全桥逆变控制单元如图4所示，Buck控制单元如图6所示。控制电路主要完成故障综合、逻辑判断和封锁PWM脉冲，当发生任何故障时，能快速封锁PWM波而切断高压电源，起到保护的目的。其驱动电路主要完成PWM信号的隔离和放大，将控制回路和主回路电气隔离，能有效地保护控制回路。Buck变换器通过其输出电压的负反馈信号去控制脉宽调制的占空比，实现自动稳压；全桥逆变器通过其输入电流的负反馈信号去控制本脉冲的电流峰值。各工作点波形如图5所示。上桥臂G1和G3开关管的输入为计算机产生的一组方波，下桥臂G2和G4开关管为占空比小于50%的脉冲信号。在方波的半周期内，全桥逆变器的工作电流上升I到峰值电流给定值I＊时，下桥臂开关功率管被封锁截止，这样在本脉冲内就实现了峰值电流控制。即使发生细丝放电，放电能量也不足引起被处理织物穿孔和损伤。计算机系统中断程序流程如图7所示，由于实现功能较多，且逻辑关系较复杂，电源智能系统的软件设计主要运用主程序结合中断服务程序的思想，各类功能子程序之间通过调用命令或者产生中断响应使之互相通信。整个程序设计思路清晰，修改主程序及调试链接很方便，是采用C语言进行软件设计。

图3　采样反馈控制示意图

图4　全桥控制单元

图5　主要控制波形

图6　Buck控制单元

图7　系统程序流程图

3.3保护控制策略

高压电源工作时，电源内部产生的过电压或过电流可能会损坏电源或IGBT，因此需要设计电源过压保护和过流保护电路。过流保护有两种形式：一是当流过IGBT集电极的电流IC增大时，UCE也随之增大，当该电压超过设定的保护阈值（如8.5V）时，产生过流信号。如过流信号短时间超过设定的盲区时间时，立即降低栅压，随着过流信号逐渐的消失栅压恢复正常，电流值不能达到最大的电流峰值，可避免IGBT出现锁定损坏。若发生长时间过流，则立即降低栅压后，驱动器进行软关断处理，即封锁输入PWM信号。过流信号经计算机程序运算后，发出过流信号指示，在方波的半周期内，下桥臂开关功率管被封锁截止，切断可控硅主电路。二是计算机外接霍尔电流互感器采样电路和控制电路，当检测到的电流信号超过设定值时，分别发出关断主电路和过流指示的信号，实现过流保护。电源也设计了有效的过压保护电路，电源内部的限流及保护电阻有效地限制过电流和过电压。当发生过压时，能迅速短接PI调节器的输出，使PI调节器立即禁止Buck变换器开关管的PWM脉冲，并迅速切断供电电源，即快速跳闸保护［7］［8］。

4　电源试验结果分析

4.1试验结果

本文试验研究用于织物表面处理工艺要求产生稳定、均匀、柔和低温等离子的20kV／2kW高压电源。高压电压取样比为2kV：1V，束流取样比为25：1。图8（a）所示为高压电源空载20kV时的上升和下降波形；图8（b）所示为额定功率20kV／100mA试验信号波形；图8（c）所示为高压电源输出电压降落U%与负载电流I的关系波形。

（1）空载试验：按设定的上升和下降时间为1.5s时开启电压至20kV，如图所示8（a），高压能在设定时间内线性上升，且几乎无超调现象，电源及控制系统工作正常；

（2）短路试验：将变压器的副边短路，原边控制电流至一次额定值，短路阻抗约为7%，符合高压整流要求；

（3）满功率运行试验：束流100mA，输出电压20kV，当输入电压增大，开关管占空比减小，纹波系数会稍微增大，实测纹波系数0.76%。且束流上升和下降时高压几乎无波动，如图8（b）和8（c）所示，说明该高压电源具有良好的稳定度；

（4）电源效率试验：束流100mA、20kV时输出功率2kW，输入功率2.45kW，效率81.6%；当输入电压增大，开关管的占空比减小，管耗增大，因此效率稍为降低。

4.2电源技术指标

高压电源应用到织物表面处理生产线时，工作稳定，通过对电源技术指标的测量，具体参数如下：高压范围为0kV－20kV连续可调，开关频率为10k－20kHz连续可调，电压上升时间为1s－1.5s，额定电压为20kV，纹波系数＜1%，稳定度＜1%；额定等离子束流为100mA，纹波系数＜1%，稳定度＜1%。电源高压放电时，高压电源能快速恢复而不停机。

5　结论

图8　试验波形

应用本文介绍的纺织工业用高压低温等离子体电源，研究了其系统结构及自动调节方案。研究结果表明如下。

（1）高压电源前级为Buck DC／DC斩波变换器，后级为全桥逆变器，结构简单、技术成熟、调压调频易操作实现，有利于整个设备的集成化。

（2）采用IGBT元件与计算机控制技术，控制电路不复杂便于智能化升级，高压自动联锁保护，工艺调节方便。

（3）采用单脉冲周期抑制峰值电流，即使发生细丝放电，放电能量也不会损坏处理织物，可以保证电源高效可靠。

参考文献：

［1］韦寿祺，杨建湘，王斌，李震.一种常压低温等离子体电源装置［P］.中国发明专利，2014－1.

［2］蒋欣，陈伟.织物生态染色用常压低温等离子体处理设备电路［P］.中国专利：200920282871.1，2010－10－27.

［3］陈实，张才清，李网生，徐功潜等.离子体高压电源的研究［J］.电力电子技术，2006，40（4）.

［4］王慧东.新型IGBT驱动器原理及其保护功能研究［J］.电子技术，2010（05）.

［5］韦寿祺，莫金海，何少佳.大功率电子束轰击炉高压PWM电源的研制［J］.核技术，2008，32（2）：147－151.

［6］彭燕昌，严萍，舒立，张适昌.介质阻挡放电用大功率高频高压电源的研究［J］.高电压技术，2002，28（120）.

［7］叶汉民.一种新型的电子束焊机用直流高压电源装置［J］.高电压技术，2003，29（8）.

［8］樊生文，王泽庭，李正熙.基于移相全桥的电子束焊机高压电源的研制［J］.电力电子技术.2010，44（12）.

［9］杨建湘.一种自动调节的常压低温等离子体电源的设计［J］.贺州学院学报，2014，（02）.

中图分类号：TN86；TM832

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）06—0029—05

基金项目：＊贺州学院科研项目（2014YBZK02）；广西教育厅高校科研一般项目（KY2015YB305）

作者简介：杨建湘（1987－），男，汉族，湖南省洞口县人，贺州学院教师，硕士。主要研究方向为高能束成套设备及电力电子技术的研究。

收稿日期：2015－07－14

Research on the high－voltage pulse power supply used for the textile surface treatment

YANG Jian－xiang
（Hezhou University，Hezhou542899，China）

Abstract：The working principle of a kind of atmospheric pressure low temperature plasma power supply used for the surface processing of fabric and its control circuit are presented.The stable，uniform，soft and low temperature plasma should be produced according to the fabric surface treatment process.Using IGBT as the switching element，the high voltage power supply conducts DC chopping and full bridge inverting to realize its high efficiency and miniaturization.The peripheral circuit comprised of computer control units realizes the automatic adjustment and power failure protection for the power supply.By tests and experiments，it is verified that the various performance of the power supply reaches to the anticipated design index and can meet the needs of the fabric surface treatment process.

Key words：DC chopping；full bridge inverting；PWM；computer control；high－frequency high－voltage power supply