一种高压脉冲电源设计

彭 享,叶 兵,朱 旗,韦靖博

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)

一种高压脉冲电源设计

彭 享,叶 兵,朱 旗,韦靖博

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)

为研究高压脉冲脉宽及频率对介质阻挡放电效果的影响,文章设计了一款功率1 kW、幅值5 kV、脉宽1～20 μs可调、频率15～25 kHz范围可调的单向高压脉冲电源。与传统高压脉冲电源多采用工频升压加磁压缩开关或旋转火花隙获取高压脉冲能耗较大且不易控制不同,该电源主电路采用半桥式拓扑结构,以SG3525作为脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)主控芯片,利用LCC串并联谐振软开关技术,大大降低开关损耗并能有效降低高频脉冲变压器分布参数影响。测试结果表明,该脉冲高压电源满足介质阻挡放电实验要求。

高压脉冲;介质阻挡放电;串并联谐振;软开关技术

近年来,介质阻挡放电的应用越来越广泛,如利用介质阻挡放电方法产生臭氧或等离子体已用于灭菌消毒、废气处理、材料表面改性、等离子显示屏等各工业领域。所谓介质阻挡放电就是在2个电极的放电空间放入至少一块绝缘介质,用于阻挡贯穿气隙的放电通道[1]。虽然介质阻挡放电理论研究已有很长历史,但其仍是当今气体放电领域研究的热点[2]。

为研究大气压下高压脉冲脉宽以及频率对介质阻挡放电效果的影响,本文设计了一款功率1 kW、幅值5 kV、脉宽1～20 μs可调、频率15 ～25 kHz范围可调的单向高压脉冲电源。

传统高压脉冲电源多采用工频升压加磁压缩开关或旋转火花隙获取高压脉冲,能耗大且控制性较差,如文献[3]中采用碳刷型旋转开关进行电容充放电实现低频高压脉冲,结构庞大不便于实验操作。为使得电源电路结构更简单、能耗降低、性能更稳定,本文参考了相关文献及当前先进技术,设计了实验用高压脉冲电源。

1 系统框架设计

开关电源都包括主电路与控制电路,主电路主要是DC-DC变换电路。而典型的变换电路结构有单端激励、推挽、半桥、全桥4种形式。其中半桥具有结构简单、开关管承受压力小、抗不平衡能力强、不易直通等优点,变压器初级在整个周期中都流过电流,磁芯利用充分,且没有偏磁的问题,所使用的功率开关管耐压要求较低,开关管的饱和压降减少到了最小,对输入滤波电容使用电压要求也较低[4]。

单向高压脉冲电源系统框架结构图如图1所示。该系统直接输入220 V交流市电,经整流滤波后得到直流电压供给DC-DC半桥逆变结构,脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)器的输出信号经驱动电路控制金属-氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)开关管通断,通过逆变得到的中高压脉冲，再由高频变压器升压得到高压脉冲输出,在高频变压器初级电路中串入电流互感器,得到电压反馈信号即时反馈给PWM集成控制电路。若反馈电压过高，PWM控制器即锁死无信号输出。

图1 系统框架结构

2 主电路设计

单向高压脉冲电源系统主电路如图2所示。

图2中,L1为共模电感,过滤共模的电磁干扰信号,同时防止开关电源产生的谐波串扰到输入电源端[5];Q1、Q2为快脉冲MOSFET开关管,与无感电容C1、C2构成半桥逆变电路。220 V AC经大功率集成整流桥整流及C3滤波后变成比较平滑的直流电,施加在半桥逆变电路的输入端。基于对窄脉冲的需求,需要选择dv/dt很大且Ton与Toff都很小的开关管,另外考虑到功率因素,快速开关管Q1、Q2采用IXYS公司高速N沟道增强型MOS开关管,型号为IXZR16N60。其最大漏源电压Vds为600 V,25 ℃时最大导通电流能达到18 A。为防止2个开关管导通时间不对称引起高压包偏磁和直流磁饱和,在电路中串入隔直电容C4来自动平衡变压器初级电压侧的直流分量。由于脉冲变压器不可避免的存在分布电容与漏感,为避免并减小其影响,设计采用串并联谐振方式实现软开关,如此也能减小开关损耗。R5、C5、R6、C6构成高频尖峰吸收回路,以避免对MOS开关管造成过压损坏。

图2 系统主电路设计

2.1 控制电路与驱动电路设计

SG3525 是美国硅通用半导体公司生产的一种功能齐全、通用性强的单片集成PWM芯片，内部集成了振荡器、误差放大器、PWM比较器、软启动控制电路、欠压锁定电路、基准电压产生电路,内部振荡频率范围为0.1～400 kHz,其输出级采用大功率图腾柱式输出,增加了驱动能力,占空比0～50%可调,具有欠压锁定、过压保护和软启动等功能。本文设计的高频窄脉冲开关电源即以SG3525为核心控制芯片,其控制电路设计如图3 所示。

图3 控制电路设计

SG3525的振荡频率f设定在15 ～25 kHz范围,f取决于5脚外接的定时电容CT、6脚外界的定时电阻RT以及7脚与5脚之间的放电电阻RD的大小,它们的关系满足:

(1)

图3中,可调电阻R4与固定电阻R10组合,(1)式中的RT,C7、R11分别对应式中的CT、RD;R4、C7、R10、R11分别取值20 kΩ、3 300 pF、15 kΩ、200 Ω;此时振荡频率f可在15～25 kHz范围可调。

管脚5与管脚7之间的放电电阻RD主要用于调节2路信号输出的死区时间,以避免半桥中2只MOS管出现直通现象。8脚通过外接对地电容C8来实现软启动,该电容由芯片内部5 V基准电压源提供的50 μA恒流源充电,使得输出脉冲占空比由小到大(49%)变化,减小开机时对主电路MOS管的冲击[6]。1、2脚分别为芯片内置误差放大器的反相输入端和非反相输入端,通常是通过其输入电压的改变来调节输出PWM脉冲的占空比,该电路中是通过R9串接可变电阻R3组成分压电路,对16脚的5 V基准电压进行分压输入2脚,如此输出PWM脉冲占空比可以实现0～49%变化调节。10脚通过外接反馈信号,当系统过流时,反馈电路即反馈高电平信号,芯片即对PWM脉冲输出锁定，使得输出端无脉冲信号输出,从而实现过流保护功能。

为了提高脉冲信号的驱动能力,采用专用MOS开关管驱动芯片IXDD404,其最大驱动电流能达到4 A,当开关管栅源电容小于1 800 pF时其上升时间TR与下降时间TF均不超过15 ns,足以实现本文设计对较窄脉冲的需求。

同时为了保证系统安全,对控制信号利用快速光耦6N137进行隔离。驱动与隔离电路如图4所示。

图4 驱动与隔离电路

2.2 过流保护电路

本文设计的过流保护电路(即图1中的反馈电路)如图5所示,在高频变压器初级串接电流互感器,将其次级输出端信号进行整流,通过集成运放LM358组成的电压比较电路与反相输入端电压进行比较,若系统电流过大则同相输入端电压过高，进而反馈高电平信号至SG3525芯片10号脚,PWM脉冲输出锁定系统停止工作。

图5 过流保护电路

3 高频脉冲变压器设计

一般变压器都有以下几种特性参数,包括工作频率、额定功率、额定电压、变压比、空载电流、空载损耗、效率等[7]。而脉冲变压器的设计过程主要包括变压器结构的选取、磁芯材料的选取、绕组线径的计算、匝数的计算等。本文设计的脉冲变压器初级电压Ui为156 V,次级输出电压为5 kV,功率P0为1 kW,频率20 kHz,效率η预计90%,磁芯磁感应强度Bw设计为0.15 T,占空比D为0.1。将采用AP法(麦克莱曼设计方法),AP即磁芯有效截面积和线圈有效窗口面积的乘积[8]。根据变压器功率及工作频率的需求,本次设计将选取锰锌铁氧体(PC40)作为磁芯材料,其磁导率为2 300,饱和磁感应强度为2 000 T,居里温度为180 ℃。根据电源需求输出功率P0为1 kW,则变压器的视在功率为:

(2)

根据AP法计算变压器AP值为:

(3)

其中,Aw为磁芯窗口面积;Ae为磁芯有效截面积;Ku为窗口利用系数，一般取值范围为0.15～0.5,本文取典型值0.35;Kf为波形系数,当波形为正弦波时其值为4.44,而方波取值为4.0;j为导线电流密度大小,其值由导线质量决定,典型值取300 A/cm2;f为变压器工作频率。由(3)式可得所选磁芯结构的最小AP值为22.35 cm4。而实际设计中磁芯结构的AP值要大于预计值,综合考虑将选用国产的UY30磁芯结构。根据法拉第电磁感应定律得到初级线圈匝数为：

(4)

其中,Ui为变压器初级输入电压;Ton为开关管最大导通时间。初级匝数N1取整即为20匝,根据设计变压比为30∶1,则次级匝数N2为600匝。

计算变压器输入电流为:

(5)

输出电流为:

(6)

根据电流大小计算初级绕线直径为:

(7)

考虑集肤效应选择直径为0.6 mm的漆包线进行3股并绕，次级绕线直径为:

(8)

因此,直接选择直径为0.23 mm的漆包线。

4 电源测试

单向高压脉冲电源系统供电调试后基本满足设计要求,脉冲频率及占空比连续可调。开关管驱动信号如图6所示。脉冲变压器初级电压波形如图7所示,脉冲变压器输出经高压整流电路后输出较为稳定。由于示波器探头最高测量电压为2 500 V,故采用电阻分压法测得整流后的波形输出如图8所示,经换算可得高压脉冲输出达到5 kV。

图6 开关管驱动信号波形

图7 脉冲变压器初级波形

图8 分压法测得整流后输出波形

5 结 论

经测试，本文设计的高压脉冲电源输出幅值为5 kV,实现脉宽1～20 μs可调,频率15～25 kHz可调,波形输出稳定,满足介质阻挡放电的实验需求。

[1] 王新新.介质阻挡放电及其应用[J].高电压技术,2009,35(1):5-9.

[2] KOGELSCHATZ U.Dielectric-barrier discharges: their history, dis-charge physics, and industrial applications[J].Plasma Chemistry and Plasma Processing,2003, 23(1): 41-46.

[3] 朱志杰,张贵新,刘亮.用于产生等离子体的高压脉冲电源的研制[J].高电压技术,2007,33(2):28-31.

[4] 石瑜,孟志强,朱良焱.基于SG3525的半桥式激光电源设计[J].电源技术与应用,2009,36(7):17-23.

[5] 牟翔永,张晓春,林刚.基于SG3525的大电流低电压开关电源设计[J].电测与仪表,2013,56(4):120-123.

[6] 伍小杰,曹兴,夏帅.IGBT 驱动保护电路研究[J].电气传动,2010,40(10):23-28.

[7] 吴清玲,蒋强.高压高频变压器的研究与设计[D].沈阳:沈阳理工大学.2011.

[8] 王水平,孙柯,王禾.开关电源原理与应用设计[M].北京:人民邮电出版社,2012:121-125.

Designofahighvoltagepulsepowersupply

PENG Xiang,YE Bing,ZHU Qi,WEI Jingbo

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to study the impact of high voltage pulse width and frequency on the effect of the dielectric barrier discharge, unidirectional high voltage pulse power supply with 1 kW power, 5 kV amplitude, 1-20 μs adjustable pulse width and 15-25 kHz adjustable frequency is designed. The traditional high voltage pulse power supply mainly employs magnetic compression switch or rotating spark gap to obtain high voltage pulse, but it is characterized by high energy consumption, low reliability and poor controllability. In this design, the main power circuit adopts the half-bridge topological structure, using SG3525 as the PWM main control chip. The LCC series and parallel resonant soft-switching technology can lower the switching loss substantially and reduce the impact of distribution parameters of high frequency pulse transformer. The test results show that the presented high voltage pulse power supply satisfies the experimental requirements of dielectric barrier discharge.

high voltage pulse; dielectric barrier discharge; series and parallel resonance; soft-switching technology

2016-02-28；

2016-03-21

合肥工业大学产学研校企合作资助项目(12-516)

彭 享(1991-),男,河南信阳人,合肥工业大学硕士生;

叶 兵(1962-),男,安徽滁州人,博士, 合肥工业大学教授,硕士生导师,通讯作者,E-mail:554019623@qq.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.015

TM836

A

1003-5060(2017)11-1511-04

(责任编辑 胡亚敏)