低溫等離子體電源逆變電路的設計與實現

楊揚 燕杰 張堅鋒

【摘要】本文設計出了應用低溫等離子體電源的逆變硬件電路，該逆變電路以C8051F系列單片機為載體，實現兩路PWM波移相控制，產生幅值可調的高頻交流電壓，并且作為低溫等離子體主電路電源使用。

1.引言

低溫等離子體放電根據放電特性、放電區域介質狀態及放電強弱的不同，分為以下四種：輝光放電、電暈放電、火花放電、流光放電，其中在大容量放電發生器上可以獲得很好的流光放電效果。與交流電源供電相比而言，要實現高效率的低溫等離子體放電，需要用高頻交流電壓與直流電壓疊加供電。本文的電源為高頻高壓的交流電與高壓直流電相加獲得。考慮到低溫等離子體電源的逆變電路是單相H橋逆變電路，產生高頻的交流電壓。

本文設計了低溫等離子體電源的逆變電路，其采用C8051F系列單片機，可以實現兩路PWM波移相控制單相H橋逆變和產生幅值可調的高頻交流電壓。

2.單相H橋逆變電路及其PWM控制方式

單相電壓型H橋逆變電路共有四個橋臂，可以看成由2個半橋電路單元并聯組合而成，負載跨接在兩半橋的輸出端之間。對于單相H橋逆變電路通常有3種比較典型的控制方式[1]。

1）移相控制方式：改變移相角來調節輸出交流電壓有效值的大小，輸出電壓也是通過移相的方式來調節，其本質為調節輸出電壓脈沖的寬度。

2）固定180°移相方波控制方式：對于單相電壓型H橋逆變電路，2個半橋均采用180°方波控制，輸出給負載的電壓波形為正、負對稱的180°寬的方波電壓脈沖。改變輸出電壓是通過改變直流電壓來實現。

3）單相H橋逆變電路的PWM控制：分為單極性PWM控制方式和雙極性PWM控制方式。兩者輸出波形不同。

3.逆變電路的設計

本文采用C8051F系列單片機來實現兩路移相控制，編程實現兩路方波0到180度相移，按鍵操作實現相位的連續可調和增減及數碼管的顯示。頻率設置為20KHz，占空比為50%。

3.1 編程實現移相PWM波

本文采用16MHz系統時鐘，時鐘控制字設置如下：OSCICN高四位為0，低四位時鐘選擇位CLKSL=0，內部振蕩器頻率控制位IFCN1-0=11，內部振蕩器使能位IOSCEN=1，則控制字OSCICN=0x07。時鐘周期T=1/16，要求生成PWM波頻率為20KHz-，則周期為T=50，占空比為50%，定時器1的計數初值M1=65536-25×16，選用方式1。定時器T0的方式也為方式1。在程序設計的過程中，我們設定兩路PWM的移相角為120o，而一個周期波形的度數為360o，則移相1°對應的系統晶振次數為0.139×16，約2次，M0=65536-120×2。為了實現一個周期內120o的相移，T1開始計數時刻就需檢測到P03的上升沿，并將T0計數初值裝入相應的控制字，在系統晶振次數計數完120o后，變P03低電平為高電平，P04也從低電平為高電平，T1重裝初值，計數開始。此刻P03、P04兩路輸出均為高電平，并持續半個周期。在T1計數完后，P03、P04輸出電平翻轉，則產生兩路PWM波，移相角度為120o。

3.2 按鍵控制角度的增減

在程序設計時，實現任意角度相移的兩路PWM波，需要在120o的位置轉換變量，稱為start time。把start time設為要實現的偏移角度全局變量，并放入while（1）語句循環當中，判斷按鍵狀態。如果增加健按下，start time自動加1，如果按下減小鍵，start time自動減1。這些將影響定時器T0初值來改變輸出的PWM波形。與此同時，硬件電路的抖動問題，可以通過判斷按鍵函數中加函數delay來消除。如一直按delay，start time則會一直加1（一直減1），在if語句中判斷start time的范圍為0-180，如果超過這個范圍，其產生的波形不再變化。

3.3 數碼管顯示

將數碼管顯示數0-9表示為數組形式，把每一位start time取整取零后賦值到P3相應的口，并把顯示函數整合到while循環語句中，作為循環程序中最后一句，實時顯示相移角度，在顯示函數中判斷start time的范圍。

3.4 實驗結果及波形分析

4.低溫等離子主電路設計

經過三相全橋可控整流和高頻單相橋逆變，低溫等離子體電源主電路交流側與直流側輸入電壓均為高頻交流電壓。這時主電路需要直流側與交流側的諧振升壓和升壓后的高壓直流電壓與高頻高壓交流電壓的疊加。根據第三節逆變電路的設計可以知道，主電路兩側輸入的高頻交流電壓是由工頻三相交流電壓經過高頻單相橋式逆變和三相全橋可控整流所得。幅值為，頻率為20kHz。

根據工業要求和實際運行需要，直流側電感為LDCR=1，電容CA=60，電壓器TDC的變比為1：2。在疊加電路上，隔直耦合電容CCP取40nF，隔交濾波電感LAP=100mH，抗短路電感LS=1mH，放電發生器等效電容CL=20nF。

參考文獻

[1]張加勝，張磊.電力電子技術[M].石油大學出版社，2004.