基于SG3525的高压除尘电源的设计*

陈礼俊，兰志勇

(湘潭大学 信息工程学院，湖南 湘潭 411105)



基于SG3525的高压除尘电源的设计*

陈礼俊，兰志勇

(湘潭大学 信息工程学院，湖南 湘潭 411105)

针对高压电源在不同场合对输电等级与输电功率的不同需求，设计了一种输电可调且功率等级不定的新型高压直流电源。在电源前级引入Zeta斩波电路，用于调节前级直流电压。电源以SG3525为控制核心，通过过流、过压反馈回路，保证电源工作稳定。电源后级由半桥逆变、高频升压、倍压整流3部分组成，并在其中引入高频，有效地减小设计电源的体积。该设计可实现输出直流电压8～12 kV可调。实验结果证明，该设计电源输电稳定、纹波电压小、负载能力强，满足高压除尘电源的要求。

高压电源;SG3525; Zeta斩波

图1 电源整体设计图

0 引言

静电除尘是一种清除大气粉尘的有力手段之一，目前已经广泛应用于家用空气净化、工业油烟净化、医用无尘环境、工厂车间除尘等场合[1-2]。近年来随着人们节能环保意识的增强，以及国家对粉尘排放新标准的施行，客观上对静电除尘提出了更高的要求。作为静电除尘装置中关键部分的高压直流电源，更是向着如何更加节能高效的方向发展，以提升静电除尘的性能。

静电除尘电源是静电除尘系统中的关键部分，其性能直接影响除尘器的除尘效果。本文设计了一种新型高压除尘电源，通过调节电源前级斩波电路的占空比，可实现对输出级电压的调节，实现高压隔离调节。同时在处理电压、电流过大，或者欠压等实际问题上，电源中设计多级电压、电流反馈保护回路。

1 高压电源整体结构

电源电路可分为主电路和保护控制回路。图1为电源整体设计图。电源工作原理：220 V/50 Hz市电先经全桥整流电路变为310 V左右直流电，再通过Zeta斩波电路得到240～360 V可调的直流电压。然后直流电压经半桥逆变变为高频交流电，最后通过高频变压器以及倍压整流电路得出所需要的直流高压。同时电源通过电流、电压反馈电路智能调节输电，使电源工作稳定。

2 高压电源设计

主电路主要由整流滤波电路、Zeta斩波电路、半桥逆变电路、高频升压电路以及倍压整流电路组成。在设计倍压电路时，鉴于多级倍压电路存在纹波大、输电不稳等缺点，因此决定采用二倍压电路。

2.1 Zeta斩波电路原理

Zeta电路的应用是电源能实现输出电压可调的重要部分，图2为Zeta斩波电路。图中实线箭头表示S开通时的回路，虚线表示的是S关断时的回路。

图2 Zeta斩波电路

电路中取电感L1和L2的值相等，而且电感工作在电流连续状态[1-4]。当S开通，E-S-L1、E-S-C1-L2-负载(C2和R)构成回路；当S关断，L1-VD-C1、L2-负载(C2和R)-VD构成回路。当电容C1足够大，UC1的脉动很小，可以认为UC1≈UC1，即得到电路工作时，Zeta电路主要工作波形图，如图3所示。Zeta斩波电路基本工作原理：在S处于通态时，电源向电感L1储能。此时E与C1共同经L2向负载供电。待S关断后，L1向C1充电，并储存到C1，同时L2电流经VD续流。由电感器件的伏秒平衡原理，电路工作在电感电流连续时，电感电压在一周期内平均值为零，即：

图3 zeta电路工作波形图

Eα-UC1(1-α)=0

(1)

(E-UC1-U0)D-U0(1-D)=0

(2)

式中α为开关导通占空比，化简得：

U0=(α/1-α)E

(3)

由式(3)可得，改变开关导通占空比则可以改变输入半桥逆变的直流电压。将占空比α控制在0.4～0.6之间，即可保证Zeta斩波电路输出电压在240～360 V之间。

2.2 控制电路

控制电路主要有两部分，即Zeta斩波控制电路与半桥逆变控制电路。Zeta斩波电路由UC3842芯片控制，通过调节芯片的输出PWM占空比，即可调节斩波输出电压。逆变电路由SG3524芯片控制，经过IR2110驱动半桥开关管[6-7]。

UC3842芯片控制Zeta斩波电路工作，芯片输出PWM的频率由外部定时器件决定，频率公式为：

f=1.8/(RT×CT)kHz

(4)

式中，RT与CT为定时电阻与电容。为保证斩波电路输出可控，设计反馈控制回路。反馈回路通过电阻采样，将采集的电压信号送入由PC817与TL431所构成的过压反馈电路，当电压输出超过所设定范围值时，电路开始工作，UC3842内部驱动三极管电压降低，从而输出PWM占空比减小，斩波电路电压降低，最后电压趋于稳定。图4为UC3842控制电路。同时为防止电压异常，将芯片3脚及电流检测输入端接入反馈电路，如斩波电路持续异常升高，将封锁驱动脉冲，UC3842芯片停止工作。

图4 UC3842控制电路图

SG3525为半桥逆变电路的控制芯片，通过产生的PWM控制着电路的逆变频率[7-8]。控制脉冲信号PWM的频率可由下式得到：

f=1/CT(0.7RT+3RD)Hz

(5)

式中CT为接在5脚的定时电容；RT为接在6脚的定时电阻；RD为接在5脚与7脚之间的放电电阻。取CT=2.2 nF，RT=25 kΩ，RD=300 Ω，代入上式得：振荡输出频率为30 kHz，则PWM输出频率为15 kHz。软启动电容端接入4.7 μF的电容，当电容充电使其8脚处于高电平时，SG3525才正常工作。2脚电压固定在5.1 V。芯片1、2、9脚及外围电路构成PI调节器，其输出与5引脚锯齿波和软启动电容一起控制PWM产生器产生方波。引脚11、14输出两路互补的PWM，但输出的PWM无法直接驱动半桥开关，因而必须利用驱动芯片IR2110来控制半桥逆变。图5为SG3525控制电路。

图5 SG3525控制电路

过压保护电路通过可调精密电阻采样，将其采样到的信号输送到线性光耦TLP521-1中。当采样电压过高时，此时由TL431与TLP521-1构成的反馈电路工作，进而使光耦输送给SG3525芯片10脚一个高电平，芯片立即停止工作，11脚和14脚输出的PWM立即消失，逆变电路停止工作，变压器无输出，达到过压保护的目的。

3 实验结果分析

实验采用UC3842芯片来控制Zeta电路的电压输出，采用SG3525为逆变控制器，用于直流变换高频交流。二者在电源中相互独立，但功能上互补，共同保证输电稳定。

图6是电源斩波电路输出电压波形，由图可知Zeta电路输出电压为直线，表明电路工作稳定。

图6 斩波输出电压波形

图7是电源电路逆变输出电压波形，逆变方波电压幅值相同，表明各电容电压在逆变中电压稳定。

图7 逆变输出电压波形

图8为电源运行最终输出电压波形，电源输出电压高，输电纹波小，符合高压除尘电压供电要求。

图8 电源输出电压波形

4 结论

本文提出利用Zeta斩波电路对前级输入电压进行升降压调节，从而实现不同等级高压输出的目的。分析了电路的工作原理，给出了相关控制方法。通过实验得出以下结论：

(1)前级采用Zeta电路，电源能稳定输出8～12 kV DC。即对低压斩波电路的控制可实现对高压输电等级的有效控制；

(2)电源电路对输入过压、欠压具有一定的自保护功能；

(3)电源中引入高频变压器，有效地减小了设计电源体积、重量和成本，在工业生产领域有一定的应用价值。

[1] LOPEZ H.F,ZOLLMANN C.Photovoltaic panels grid-tied by a Zeta converter[C].Brazilian Power Electronics Conference,IEEE,2009:181-188.

[2] RATHORE A,SURAPANENI R.A single stage CCM zeta microinverter for solar photovoltaic AC module[J].IEEE Journal of Energing and Selected Topics in Power Electronics,2015,3(4):1.[3] VIERO R C,REIS F S D.Designing closed-loop controllers using a MatlabP®dynamic model of the Zeta converter in DCM[C].Ieee/ias International Conference on Industry Applications,IEEE,2012:1-8.

[4] ANDRADE A M S S,BELTRAME R C,SCHUCH L,et al.Integrated quadratic-boost-Zeta converter for high voltage gain applications[C].Industry Applications (INDUSCON),2014 11th IEEE/IAS International Conference on.IEEE,2015:1-8.

[5] 朱晓曲.基于UC3842的多端反激式开关电源的设计与实现[D].长沙：湖南大学,2013.

[6] GU Y J,WANG J J.Design of DC pulse power supply based on the single-chip computer and PWM[C].International Conference on Electrical and Control Engineering.IEEE,2010:721-724.

[7] LI J.A design of DC pulse width modulation speed regulation system[C].International Conference on Electrical and Control Engineering,IEEE,2011:484-487.

[8] WANG L,WEI X Y,ZHANG J H.Design of sinusoidal photovoltaic inverter based on DSP[C].Innovative Smart Grid Technologies-Asia (ISGT Asia),2012:1-4.

Design of high-voltage power supply based on SG3525

Chen Lijun,Lan Zhiyong

(College of Information Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

Aiming at the different needs of high-voltage power transmission level and the transmission power in different occasions,this paper presents a new high-voltage DC power supply that is transmission adjustable and power level uncertain.In order to adjust the DC voltage level,the Zeta chopper is introduced for pro-high-voltage.SG3525 is used as the control core of the power.To improve the stability of power transmission,the over-current and over-voltage feedback loop have been developed.The half-behind power is consisted of half-bridge inverter,high-frequency boost and voltage double rectifier.The high-frequency inverse technology is adopted in both parts of inverter circuit and booster circuit to reduce the volume of output DC power.This design of the high voltage power supply can allow for adjustable output voltage of 8～12 kV DC.The experimental results show that the power supply can work stably and the performance can meet the design requirements.

high-voltage power supply; SG3525; Zeta chopper

国家自然科学基金青年项目(51507148)

TM89

A DOI：10.19358/j.issn.1674-7720.2016.19.007

陈礼俊，兰志勇.基于SG3525的高压除尘电源的设计[J].微型机与应用，2016,35(19)：25-27，30.

2016-06-10)

陈礼俊(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子传动。

兰志勇(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向：电机与电气。