基于SIR的高頻高壓開關(guān)電源的設(shè)計與實現(xiàn)

隨州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉 鋒

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大氣污染已經(jīng)嚴重影響到生態(tài)環(huán)境和人們的身體健康，因此，煙氣的凈化越來越受到人們的關(guān)注。靜電除塵器以其高效、節(jié)能、功耗低等特點，廣泛應(yīng)用于冶金、電力、化工等各個領(lǐng)域，它采用高壓直流電源控制技術(shù)，目前主要有傳統(tǒng)SCR工頻電源和和高頻SIR電源，由于傳統(tǒng)的SCR電源采用工頻移相交流調(diào)壓的控制原理，其優(yōu)點為：控制原理簡單；設(shè)備經(jīng)過多年的改進，目前絕大部分采用計算機（單片機）控制，成本低廉；但由于控制原理的局限性，使得SCR電源具有效率低、耗電、因工作在工頻50Hz，使得變壓器體積大，重量大，吊裝施工較復(fù)雜、交流移相控制，使得電網(wǎng)測諧波嚴重。采用兩相供電，對電網(wǎng)來說是不均衡負載、由于采用交流移相調(diào)壓，使得輸出高壓波形比較單一，對高濃度粉塵，高比電阻粉塵等工況的適應(yīng)性比較差及除塵效果差等缺點。

上述原因成為SCR電源供電性能進一步提高的瓶頸。另外在變壓器的制作過程供由于采用高頻信號，傳統(tǒng)繞線方式容易產(chǎn)生電抗和絕緣問題，使磁芯發(fā)熱，容易產(chǎn)生諧波導(dǎo)致整流電路燒毀。本文采用高頻開關(guān)技術(shù)與印制電路板變壓器技術(shù)相結(jié)合的方案，在對高頻高壓開關(guān)電源的穩(wěn)定性上起到一個明顯的效果.系統(tǒng)采用的硬件電路控制芯片UCC3895是一款移相PWM控制器，它可對全橋開關(guān)的相位進行移相控制，實現(xiàn)全橋功率級固定頻率脈寬調(diào)制功能。它允許恒定頻率脈沖寬度調(diào)制與諧振零電壓開關(guān)，在高頻率下提供較高的工作效率，還包含有電壓模式和電流模式下的控制器。采用升壓變壓器采用的是PCB線圈繞組結(jié)構(gòu)，在U形磁芯上繞銅線繞組，作為變壓器的初級線圈，接入由全橋變換電路輸出的500伏、50千赫茲的原邊電壓，將PCB線圈繞組板和有機玻璃板交替疊加，放在磁芯正中，作為升壓變壓器次級線圈，每塊PCB板的線圈輸出接全橋整流電路，將升壓后的交流電整流為無干擾的直流電，將每塊PCB板串聯(lián)起來，總的輸出電壓為各塊PCB上的電壓值之和。

1.高頻高壓開關(guān)電源控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖一 高頻高壓開關(guān)電源控制結(jié)構(gòu)圖

圖二 SIR死區(qū)時間設(shè)置波形圖

圖一為高頻高壓開關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。控制板主輸入電路5從外部引進380伏三相電壓，經(jīng)三相開關(guān)和交流接觸器后，通過三相整流器整流成500伏的直流電壓，經(jīng)全橋變換電路升頻為50千赫茲的500V高頻交流電壓后，送至升壓變壓器的原邊，作為升壓變壓器的輸入電壓；升壓變壓器再將500伏50千赫茲的交流電壓升壓為70千伏的高壓電，最后由升壓變壓器內(nèi)的全橋整流電路整流為直流電輸出，給工業(yè)設(shè)備供電；開關(guān)電源變壓模塊將220伏交流電壓整流為低壓的直流點供給電路芯片用電；脈寬調(diào)制電路的UCC3895控制芯片輸出控制信號，通過柵極全橋驅(qū)動電路給全橋變換電路提供驅(qū)動信號；UCC3895芯片還可從升壓變壓器輸出電壓中通過電壓取樣電路和電流取樣電路采樣，通過負反饋來控制全橋變換電路7輸出波形的占空比，從而達到控制輸出功率的目的。

1.1.1 死區(qū)時間設(shè)置

如圖二所示，占空比是指開關(guān)導(dǎo)通時間Ton和關(guān)斷時間Toff之間的關(guān)系，即：δ=Ton/T

確定最大占空比，要根據(jù)采用的電路形式，對于橋式逆變電路，為防止橋臂上下兩只管子直通，要留有一段固定的死區(qū)時間r，這樣就確定了最大占空比max，即：

1.1.2 PWM脈寬調(diào)制技術(shù)(如圖三、四所示)

1.2 高頻變壓器的設(shè)計

升壓變壓器（圖五）是一種油浸風冷變壓器，由U形磁芯、有機玻璃板、次級線圈PCB板線圈繞組和初級線圈銅線繞組組成，兩幅U形磁芯為變壓器提供感應(yīng)磁場，初級線圈銅線繞組是初級線圈，輸入是經(jīng)全橋變換電路整流后的500伏50千赫茲的高頻交流電壓，次級線圈PCB板線圈繞組是次級線圈，輸出為升壓后的高頻高壓直流電，次級線圈PCB板線圈繞組在磁芯中的放置采用有機玻璃板隔開，變壓器外部結(jié)構(gòu)采用環(huán)氧板用不銹鋼螺絲固定。

1.3 PCB電路板的設(shè)計

PCB板為雙面板（圖六），正反兩面的線圈繞組構(gòu)成變壓器次級線圈，升壓后的高壓交流電再經(jīng)全橋整流電路整流為高頻高壓的直流電輸出。取樣電路從變壓器輸出線路中取出電流和電壓的樣本反饋到電壓取樣電路和電流取樣電路，通過脈寬調(diào)制控制電路的UCC3895來調(diào)節(jié)輸出脈寬的占空比，以達到變壓器輸出功率可調(diào)節(jié)的目的。

圖三 PWM橋電路圖

圖五 高頻變壓器結(jié)構(gòu)圖

2.現(xiàn)場測試

通過在襄樊第二水泥的現(xiàn)場進行200小時不間斷運行，測試結(jié)果如下：本體設(shè)計分3級電場，使用電源設(shè)備3臺，一級電場火花頻率設(shè)定70次，二級電場頻率設(shè)置40次，三級電場設(shè)置10次。測試期間運行狀態(tài)良好，一級火花率為60次/min，二級火花率30次/min，3級火花率15次/min。除塵效率達到95%，排量30毫克。結(jié)論，設(shè)備安全可靠效果明顯。

3.結(jié)束語

圖四 PWM波形圖

圖六 變壓器次級線圈

高頻高壓開關(guān)電源是未來電除塵設(shè)備的主流供電電源，本項目提出的全新的高頻信號調(diào)制方式與印制電路變壓器結(jié)合的方式對電源的整體性能有了一個明顯的提高，同時也給今后高頻電源的發(fā)展提供了一個新的標準。

[1]王顯龍,何立波,賈明生,等.靜電除塵器的新應(yīng)用及其發(fā)展方向[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2003,29(11):3-6.

[2]朝澤云,徐至新,鐘和清,康勇.靜電除塵用高壓供電電源特性淺析[J].高電壓技術(shù),2006,32(2):81-83.

[3]曹顯奇,趙明,劉海江.應(yīng)用FPGA的靜電除塵電源控制器設(shè)計[J].高電壓技術(shù),2008,34(3):525-528.

[4]王其英.可控硅穩(wěn)壓電源[M].北京:人民郵電出版社,1984.

[5]高占鳳,杜彥良,劉玉紅,徐紅.基于LabVIEW的遠程數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)[J].微電子學(xué)與計算機,2007,24(3):102-104.

[6]陳道全,秦樹人,周傳德.基于虛擬儀器的監(jiān)測記錄儀的設(shè)計[J].中國測試技術(shù),2007,33(2):4-7.

[7]郭玉輝,王彥瑜,黃繼江,喬衛(wèi)民,林飛宇.嵌入式電源控制器設(shè)計[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2008,28(2):299-301.

[8]許曉航,孔明,李文宏.一種高頻數(shù)字DC-DC開關(guān)電源控制器的設(shè)計[J].復(fù)旦學(xué)報,2008,47(1):40-49.

[9]葛磊,尚雷,李驥.全數(shù)字化FM型高壓電源控制器[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2009,29(4):721-724.