基于CA1524的高壓放電技術(shù)研究

楊小光

（中國電子科技集團公司 第四十一研究所，安徽 蚌埠 233006）

0 引言[1]

在一般情況下，空氣是不導(dǎo)電的，但是如果創(chuàng)造條件，比如在曲率半徑很小的電極兩端加上高電壓時兩極間加上強的電場，電極表面附近的電場（局部電場）很強，則電極附近的氣體介質(zhì)會被局部擊穿而產(chǎn)生高壓放電現(xiàn)象，當(dāng)放電的功率達(dá)到一定強度時，將會產(chǎn)生人眼所見的電弧現(xiàn)象，如下圖所示。高壓放電廣泛用于建筑、工業(yè)和醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。

圖1 高壓放電電弧圖

1 高壓放電產(chǎn)生原理[2]

由于空氣中的氣體粒子（包括分子和原子）接受一定能量后，中性的分子或原子周圍運動者電子活動能力增加，當(dāng)達(dá)到一定能量時，電子可能脫離原來的軌道，從低的能級躍升到高的能級，這一現(xiàn)象成為激勵。假如外界給原子的能力更大，使電子完全脫離原子核的引力范圍而跑掉，這時由于原子失去外層的一個（或幾個）電子而變成正離子，使其帶有正電性，而脫離原子的電子，具有負(fù)電性。這種把中性粒子解離成帶正電性粒子和負(fù)電性粒子的過程稱為電離。中性粒子被電離后形成的正粒子和電子，在電場作用下，分別向陰極和陽極移動，帶電粒子的定向移動，在宏觀上形成了電流，高壓放電產(chǎn)生。

圖2 CA1524 及主要外圍電路圖

2 電路設(shè)計方案

2.1 脈沖產(chǎn)生電路

該電路原理是利用脈寬調(diào)制器CA1524[3]及其外圍電路產(chǎn)生一定頻率和占空比的脈沖信號，經(jīng)過驅(qū)動電路，通過變壓器轉(zhuǎn)換成高壓，再加上多級倍壓電路，使得加在放電電極兩端的電壓達(dá)4800V，從而將空氣擊穿放電。

圖中，脈沖產(chǎn)生電路由芯片CA1524 及其外圍電路組成，其可輸出占空比和頻率均可調(diào)節(jié)的脈沖信號。該電路的作用是將在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的模擬量信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)頻率固定、占空比跟隨輸入信號連續(xù)變化的PWM 信號。

芯片CA1524 內(nèi)部電路主要由高頻振蕩器、PWM 比較器、基準(zhǔn)電壓源、誤差電壓放大器、驅(qū)動電路和封鎖電路等組成?？刂菩酒瑑?nèi)部有2 個電壓比較器，管腳1、2 和15、16 是電壓比較器正負(fù)輸入端子，管腳3 是電壓比較器統(tǒng)一輸出端。同時誤差放大器的輸出也可開放給用戶，用戶可以根據(jù)需要設(shè)計成PI 控制器。管腳5、6 可接振蕩電容和電阻，振蕩器的振動頻率由外接電阻和電容決定，根據(jù)電路頻率而調(diào)節(jié)容值和阻值。管腳8 為觸發(fā)脈沖輸出口，采用電流圖騰輸出，使得芯片可以直接驅(qū)動功率不大的開關(guān)管。T 觸發(fā)器的作用是將輸出進(jìn)行分頻，得到占空比為50%的頻率為振蕩器頻率的1/2 的方波，將T 觸發(fā)器輸出的這樣兩路互補的方波同比較器輸出PWM 信號進(jìn)行“或非”運算，就可以得到兩路互補的占空比為0～50%的PWM 信號，考慮死區(qū)時間的存在，最大占空比通常為45%～47.5%。管腳13 為封鎖控制，管腳14 為參考電壓，管腳12 為工作電壓，管腳4 為死區(qū)控制端，一旦高電平輸入，芯片輸出脈沖被封鎖，直流電壓輸出為零。PWM 控制器的反饋通道由電壓誤差放大器EA、PWM比較器和鎖存器及驅(qū)動電路組成。管腳1 作為直流輸出電壓的反饋信號，管腳2與芯片輸出的參考電壓相連，作為誤差放大器的參考輸入，管腳3 輸入主電路的電壓反饋。受時鐘脈沖觸發(fā)，功率管開通，電感(功率管)電流上升到由EA 輸出決定的門限值時，PWM 比較器翻轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動脈沖關(guān)斷功率管，電感電流下降，直到下一個時鐘脈沖到來，鎖存器置位，開關(guān)管重新開通。輸入電壓變化時，電感電流的上升斜率變化，輸出占空比改變以抑制輸入電壓的變化，這是一個前饋調(diào)節(jié)過程，響應(yīng)極快；負(fù)載擾動則是通過EA 改變電流門限值進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

其振蕩器頻率由C14 和R29 共同決定。公式如下：

式中，RT 為R29，CT 即為C14 的容值，電路輸入頻率可以根據(jù)需要通過調(diào)節(jié)R29 和C14 的參數(shù)得到理想頻率。本設(shè)計中該芯片的輸入頻率一般設(shè)為250-300K。其波形圖如下所示。

圖3 CA1524 內(nèi)部振蕩器波形圖

上文提到，經(jīng)過電路內(nèi)部分頻，可得到兩路互補的占空比為0～50%的脈沖信號。因為高壓放電時，電路通過電流較大，如果作為后面場效應(yīng)管驅(qū)動信號的脈沖信號不好，上升或下降沿時間較長，就會在功率管上消耗大量的能量，導(dǎo)致整機功耗增大。下面是該脈沖電路產(chǎn)生的波形圖。

圖4 PWM 電路輸出脈沖波形

驅(qū)動電路是控制電路與主電路的接口，同開關(guān)電源的可靠性、效率等性能密切相關(guān)。驅(qū)動電路需要有很高的快速性，能提供一定的驅(qū)動功率，并具有較高的抗干擾和隔離噪聲能力。驅(qū)動信號施加在開關(guān)器件的柵極一源極(MOSFET)間，在全橋電路中，不同開關(guān)器件的源極間的電位差很大，而且在高速變化。

2.2 倍壓整流電路

由于產(chǎn)生高壓放電現(xiàn)象需要較高電壓，部分設(shè)計采用了增加變壓器的匝數(shù)來提高副邊電壓，但是該設(shè)計會導(dǎo)致變壓器的體積太大以及寄生電容增大。故本方案采用一定匝比的變壓器加多級倍壓電路的方法來提高輸出電壓。本設(shè)計電路采用了4 級倍壓整流電路。如下圖所示。

運用濾波電容的存儲作用，由多個電容和二極管可以獲得幾倍于變壓器副邊電壓的輸出電壓，稱為倍壓整流電路。我們通常稱2 倍為一階，用N 表示，我們所用的就是2 階倍壓整流電路。當(dāng)變壓器次極輸出為上正下負(fù)時，變壓器向上臂兩個電容充電儲能；當(dāng)變壓器次極輸出為上負(fù)下正時，上臂電容通過變壓器向下臂兩個電容充電儲能。C9 兩端的電壓為次極電壓，C10，C11，C12 兩端的電壓均為變壓器次極電壓的2 倍。經(jīng)過倍壓整流之后，電極兩端的電壓為4800V 左右。事實上，由于高階倍壓整流電路帶負(fù)載能力差，輸出很小的功率就會導(dǎo)致出電壓的大幅度跌落。跌落電壓公式如下。

經(jīng)過計算，本設(shè)計中高壓放電倍壓電路最終跌落電壓為2000V左右。

由上式可以看到，高壓放電之后電壓跌落2000V 左右，仍足以維持放電，而在起弧之前如果電壓低于4800V時卻無法將空氣擊穿。由此說明在開始放電瞬間需要很高的電壓電極之間的空氣電離放電，產(chǎn)生放電之后，要維持放電的電壓并不需要很高。

2.3 取樣反饋電路

一般的高壓放電電路為一個開路，沒有反饋及補償功能。這樣導(dǎo)致放電電流極不穩(wěn)定，隨供電電壓和環(huán)境等因素變化較大。

為了解決這個問題，本設(shè)計電路在放電終端加上反饋電路，使整個放電電路形成一個閉環(huán)，這樣放電電流具有自動調(diào)節(jié)功能。當(dāng)放電電流變化導(dǎo)致取樣電壓變化時，經(jīng)過反饋電路處理，通過改變輸出脈沖的頻率來調(diào)節(jié)電流，使放電電流達(dá)到初始設(shè)定值。

3 結(jié)束語

本文較詳細(xì)分析了高壓放電的基本原理。采用芯片CA1524 產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的脈沖信號，并采用升壓變壓器加多級倍壓電路的方法來提高輸出電壓擊穿空氣放出電弧，并增加了反饋電路。經(jīng)過試驗驗證，本設(shè)計電路輸出的高壓放電電流穩(wěn)定，可用于對電弧溫度穩(wěn)定性要求較高的各種場合。

［1］黃石生.新型弧焊電源及其智能控制[M].機械工業(yè)出版社.

［2］周澤存.高電壓技術(shù)[M].水利電力出版社.

［3］http：//www.intersil.com CA1524.pdf[OL].