低溫等離子體消毒滅菌設(shè)備電源的研究與設(shè)計(jì)

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 劉紅兵

1.引言

將等離子體技術(shù)用于消毒滅菌技術(shù)上具有極高的潛在應(yīng)用價(jià)值。因而要求等離子體發(fā)生器具有體積小，重量輕，易于控制和高可靠性的特點(diǎn)。作為等離子體發(fā)生器中一個重要的組成部分——等離子體高壓電源則起到關(guān)鍵作用。它的性能在很大程度上影響等離子體發(fā)生器的性能。傳統(tǒng)的高壓電源因體積和重量都大，且性能不好，滿足不了實(shí)際應(yīng)用的需要。隨著電力電子技術(shù)和開關(guān)器件的發(fā)展，高壓逆變電源的高頻化及脈寬調(diào)制波形改善技術(shù)使得高壓電源的性能成倍提高，體積成倍減小，應(yīng)用范圍越來越廣。針對等離子體高壓電源的特殊要求，本文將SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)用于該電源設(shè)計(jì)中，使它具有原理簡單、控制和調(diào)節(jié)性能好，具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓等諸多特點(diǎn)，研制了一臺單相輸出電壓可調(diào)、頻率連續(xù)可調(diào)的等離子體高壓電源。

2.等離子體電源的結(jié)構(gòu)與原理

在低溫等離子體電源中，系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)主要由主電路和控制電路兩部分組成，其總體電路結(jié)構(gòu)方案見圖1。其中，主電路由工頻單相半控整流濾波電路、直流斬波電路、SPWM控制的DC/AC高頻逆變電路、LC濾波電路及高頻升壓電路組成。控制電路由SPWM產(chǎn)生的電路、隔離驅(qū)動電路、基準(zhǔn)正弦波電路、頻率調(diào)節(jié)電路、過流保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路以及相應(yīng)的顯示電路組成。

在系統(tǒng)主電路中，單相交流電經(jīng)低頻半控橋式整流之后進(jìn)行大電容濾波，得到較平滑的且電壓大小可調(diào)的直流輸出電壓，經(jīng)H橋電壓型逆變電路以及低通濾波器，轉(zhuǎn)換成脈沖電壓并通過功率變壓器提升電壓值，從而最終得到50kHz的高頻正弦波。

3.等離子體電源的研究與設(shè)計(jì)

3.1 工頻整流濾波電路的研究設(shè)計(jì)

在常規(guī)的開關(guān)穩(wěn)壓電源中，通常是對交流220V市電直接不可控整流濾波從而得到電壓不可調(diào)的直流電壓。本設(shè)計(jì)根據(jù)等離子體電源需要輸出電壓可調(diào)的要求，選擇了由晶閘管構(gòu)成的通過改變a觸發(fā)角來改變輸出電壓的大小的單相橋式可控整流電路。而在實(shí)際應(yīng)用中遇到較多的等離子體消毒滅菌設(shè)備大多是電感性負(fù)載，即含有電感，又含有電阻。這里電感性負(fù)載采用串聯(lián)的電感元件L和電阻元件R來表示，電路如圖2（a)所示。電路中由于電感性元件的存在，電流i0不能發(fā)生躍變，在電源電壓U2的正半周，V1、V4承受正向電壓，當(dāng)ωt=α?xí)r，控制極加上觸發(fā)脈沖UG，令晶閘管V1觸發(fā)導(dǎo)通，續(xù)流二極管V5承受反向電壓而截止。電流流經(jīng)V1、L、R、V4，輸出電壓U0=U2。

晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時，由于電感元件產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電動勢，電路中的電流不能躍變，將由零逐漸上升。當(dāng)電流到達(dá)最大值時，感應(yīng)電動勢為零，而后電流隨U2沿正半周減小，電感感應(yīng)電勢改變極性，和U2相同。由于是大電感負(fù)載，所以負(fù)載電流i0連續(xù)并近似為一直線，這時V2和V3因承受反向電壓而處于阻斷狀態(tài)。在u2過π進(jìn)入負(fù)半周時，V3承受正向電壓而導(dǎo)通，V4承受反向電壓而截止。為避免失控現(xiàn)象，在負(fù)載兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管V5。電路的工作波形如圖2（b）所示。

參照電路工作波形圖，可計(jì)算推導(dǎo)出如下數(shù)量關(guān)系：

輸出電壓平均值UO(AV)

晶閘管與整流二極管電流的平均值IV1(AV)、IV2(AV)與有效值IV1、IV2

圖1 等離子電源總體電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 單相半控橋感性負(fù)載電路及工作波形圖

圖3 逆變電路的基本工作原理

圖4 電壓型逆變電路原理圖及波形圖

圖5 SPWM波形圖

續(xù)流二極管電流的平均值IV5(AV)與有效值IV5

變壓器二次繞組的有效值I2

其次，由于本設(shè)計(jì)中電源是要產(chǎn)生小負(fù)載電流的高頻高壓電源，故采用電容濾波為宜。

3.2 脈寬調(diào)制（SPWM）型逆變電路的研究設(shè)計(jì)

逆變器是將直流變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的變換器，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路來實(shí)現(xiàn)，電路如圖3所示。當(dāng)S1、S4閉合，S2、S3斷開，輸出U0為正，反之，當(dāng)S1、S4斷開，S2、S3閉合，輸出為負(fù)，這樣就把直流電變成交流電。若改變兩組開關(guān)的切換頻率，可改變輸出交流電的頻率。當(dāng)負(fù)載呈電阻性時，電流和電壓的波形相同；負(fù)載呈電感性時，電流和電壓的波形不相同，電流滯后電壓一定角度。

在實(shí)際中由于電壓型逆變電路使用器件較少，結(jié)構(gòu)簡單而得到廣泛的應(yīng)用，電路如圖4所示。在阻感負(fù)載RL的條件下，0≤θ≤ωt期間，VT1和VT4有驅(qū)動信號，電流i0為負(fù)值，VT1和VT4不導(dǎo)通，D1、D4導(dǎo)通起負(fù)載電流續(xù)流作用，U0=+ Ud。θ≤ωt≤π期間，i0為正值，VT1和VT4才導(dǎo)通。π≤ωt≤π+θ期間，T2和T3有驅(qū)動信號，由于電流i0為負(fù)值，T2、T3不導(dǎo)通，D2、D3導(dǎo)通起負(fù)載電流續(xù)流作用，U0=- Ud。π+θ≤ωt≤2π期間，T2和T3才導(dǎo)通。

圖6 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖

但是由于上述電路含有較大成分的低次諧波等缺點(diǎn)，近十余年來，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器件BJT，IGBT，GTO等的發(fā)展和PWM的控制技術(shù)的日趨完善，使SPWM逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用。PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達(dá)到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)，SPWM控制技術(shù)又有許多種，并且還在不斷發(fā)展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬PWM法，正弦波PWM法（SPWM法），磁鏈追蹤型PWM法和電流跟蹤型PWM法，其中利用SPWM控制技術(shù)做成的SPWM逆變器能同時實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓，且系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響。

根據(jù)逆變計(jì)算原理，調(diào)制比M=Urm/Ucm，其中，Urm為調(diào)制正弦波的幅值，Ucm為調(diào)制三角波（載波）幅值。輸出電壓Uo的基波頻率F1等于正弦波（調(diào)制）的頻率Fr，輸出電壓的大小，由調(diào)制比M決定，是一個半波對稱的齊函數(shù)，用傅立葉級數(shù)展開：

根據(jù)平均值模型分析法，當(dāng)Fc>>Fr時，輸出電壓Uo在一個周期Tc中的平均值，可以近似的看成輸出電壓基波電量的瞬時值。即如圖5所示，Uo（AV）=Uo1（當(dāng)Fc>>Fr）。

每個載波周期Tc有一個脈沖電壓，其寬度為τ。則脈沖電壓在一個載波周期中的平均值為Ud/Tc。因?yàn)槊}沖數(shù)是很多的，在一個載波周期正弦波的Ur=Ursinωt，變比很小，設(shè)其中心點(diǎn)αK的相位角為αK，則在一個載波中可以認(rèn)為Ur為恒值，即Ur=Urmsinωt可得τ/2/Tc/2=ED/EB=FD/AB=Ur/Ucm=Urmsinω/Ucm。周期比K個脈沖電壓的平均值：

Udτ/Tc=Urmsinω/Ucm由Uo（AV)=U01（Fc>>Fr)和M=Urm/Ucm，瞬時值：U01=Udτ/Tc=Ud*Urm/Ucm*sinαk=UdM sinαk，在SPWM調(diào)制方式下逆變輸出電壓的基波的有效值U01=M Ud/√2，改變調(diào)制比M，即改變正弦波的調(diào)制信號的幅值Urm就可以調(diào)控輸出基波電壓值。當(dāng)調(diào)制比M大于或等于1時輸出電壓基波的幅值與調(diào)制比成正比，呈現(xiàn)嚴(yán)格的線性關(guān)系，此時SPWM控制的單相逆變電路輸出的最大電壓幅值為Ud，最大有效值為Ud/√2=0.707ud。由U01=Udτ/T c=U d*U r m/U c m*s i nαk=U d M sinαk。可以看出輸出電壓的頻率相位就是由正弦波調(diào)制信號來調(diào)控的。

本設(shè)計(jì)采用PWM控制/驅(qū)動器IC芯片是LM4651，它內(nèi)置振蕩器、PWM比較器、誤差放大器、反饋測量放大器、數(shù)字邏輯與保護(hù)電路及驅(qū)動器等，系統(tǒng)總體電路如圖6所示。LM4651具有內(nèi)部軟啟動功能，該軟啟動功能可保證系統(tǒng)的可靠和協(xié)調(diào)啟動，在啟動周期內(nèi)，系統(tǒng)保持待機(jī)模式。啟動時間的調(diào)節(jié)可通過連接到START腳的電容（CSTSRT）來控制。

當(dāng)輸入信號幅值高于內(nèi)部三角波時，過調(diào)制條件發(fā)生，如果缺少過調(diào)制，將導(dǎo)致功率MOSFET永久性毀壞。在正統(tǒng)波頂部，過調(diào)制保護(hù)還提供一個軟削波（soft clip）型響應(yīng)。對于給定的相同的電壓和負(fù)載，這種限幅將使輸出功率降低。反饋放大器用來進(jìn)行差動取樣輸出信號并為誤差放大器提供一個單端反饋信號，反饋信號直接取自LC濾波器之前的開關(guān)輸出，從而避免了輸出濾波器引起的相移。來源于橋式輸出的差動信號經(jīng)單極點(diǎn)或雙極點(diǎn)的RC濾波器進(jìn)入到作為反饋放大器使用的高輸入阻抗測量放大。反饋測量放大器的內(nèi)部固定增益為1。

4.結(jié)語

本文針對等離子滅菌設(shè)備的特殊要求，提出了新型的等離子電源結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)主電路、控制電路的設(shè)計(jì)方案。采用SPWM技術(shù)控制的等離子電源，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、電能利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

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