交流高壓發(fā)生電路

摘要：分析部分高壓電路的原理，指出高壓不同電路的優(yōu)缺點，提出一種交流高壓發(fā)生電路，應(yīng)用于電擊穿產(chǎn)生臭氧的空氣凈化器中，提升空氣凈化器性能，降低成本。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/283525.htm

關(guān)鍵詞：高壓電路；升壓電路

DOI：10.3969/i.issn.1005-5517.2015.11.013

引言

空氣污染以及空氣中產(chǎn)生大量細菌，流感、SARS病毒、MERS病毒等，嚴重威脅著人們的身體健康，影響人們的日常生活。臭氧，具備強氧化特性，可破壞微生物細胞膜的結(jié)構(gòu)，一方面會對人體產(chǎn)生影響：一方面可直接作用于細菌內(nèi)部，從而達到快整殺菌效果。其殺菌效果相比其它方式效果更為之明顯，故臭氧在水處理及空氣凈化方面被大量應(yīng)用。臭氧的產(chǎn)生一般通過空氣電離的方式，使空氣中的氧分子分裂，再重新組合形成，空氣電離則需要在空氣中的氧分子中出現(xiàn)電擊穿效應(yīng)來產(chǎn)生，通常在臭氧陶瓷片兩端施加一定的交流高壓可使出現(xiàn)電暈的情況，從而在臭氧陶瓷片兩面可產(chǎn)生大量的臭氧，高壓發(fā)生電路是臭氧清新機的核心部件，控制著臭氧清新機的性能。本文通過分析高壓產(chǎn)生的原理，提出一種交流高壓發(fā)生電路，以應(yīng)用于臭氧機中，提升臭氧的發(fā)生量，減少電路熱損耗。

1一般高壓發(fā)生電路分析

一般而言，在臭氧陶瓷片兩面施加幾千伏的交流電壓可出現(xiàn)電暈情形，從而在臭氧陶瓷片兩端的空氣形成臭氧，目前市場上的高壓發(fā)生電路主要有以下兩種實現(xiàn)方式。

1.1線性變壓器升壓方式

通過線性升壓變壓器直接磁耦合方式產(chǎn)生高壓，電路簡單、可靠性高，但這個方式由于電源供電電壓為50Hz或60Hz，頻率較低、磁耦合效果不好，臭氧陶瓷片的電容效應(yīng)會降低電暈強度，升壓變壓器本身無功功率較高，隨著臭氧需求量增大，輸出功率需加大，線性變壓器體積增大明顯，成本較高。一般應(yīng)用于需求小劑量臭氧的場合中。

1.2高頻振蕩升壓方式

隨著臭氧需求量的增加，線性變壓器升壓的方式弊端明顯，而通過高頻方式，增強升壓變壓器的磁耦合，升壓變壓器體積可明顯減少，有利于成本控制及產(chǎn)品的小型化設(shè)計，且由于臭氧陶瓷片本身的電容效應(yīng)，在高頻的作用下，容性阻抗下降，電暈效果增強，臭氧發(fā)生量得到提升。故此種方式一般用于臭氧量需求較大的場合。而高頻振蕩方式又分為兩種：一種為自身電路產(chǎn)生振蕩方式產(chǎn)生高壓，高頻升壓變壓器充當(dāng)升壓作用：一種利用臭氧陶瓷片電容效應(yīng)，通過高頻升壓變壓器與臭氧陶瓷片諧振的方式產(chǎn)生高壓，高頻升壓變壓器充當(dāng)升壓及諧振電感作用。后一種方式電路簡單、成本較低，但通過長期的實驗驗證，當(dāng)臭氧陶瓷片容量發(fā)生變化，或受潮的情況下，容易出現(xiàn)無法諧振且無法產(chǎn)生足夠高壓的情況，在實際使用過程中受環(huán)境及臭氧陶瓷片一致性影響較大。

通過分析，本文提出一種基于高頻振蕩方式，并采取自身頻率控制的方式來產(chǎn)生交流高壓的電路，通過單片機控制頻率及占空比，從而實現(xiàn)不同的高壓輸出，控制臭氧的發(fā)生量。

2交流高壓電路原理

借用反激式開關(guān)電源原理，使開關(guān)MOS管在低電平位置導(dǎo)通降低MOs開通時的沖擊電流，減少電路本身功耗，通過導(dǎo)通形成振蕩電流，控制導(dǎo)通電平時間，從而達到控制高頻升壓變壓器高壓輸出的目的。其高壓原理圖如圖1所示，開關(guān)頻率選擇在40KHz50KHz，電路需采用到快速光耦如IR44 27芯片，其開通、關(guān)斷延遲在200n s以內(nèi)，MOS管采取P sMN7R0-100PS，VDS=100V，ID=100A，其開通、關(guān)斷延遲在200ns以內(nèi)。快速二極管D4、電阻R9、電容C4組成RCD吸收電路，用于吸收MOS開通、關(guān)斷時產(chǎn)生的干擾信號。高頻升壓變壓器采取ETD34骨架，初級線圈圈數(shù)3TS直徑股數(shù)0.5mm*4P，次級線圈350TS直徑股數(shù)0.25*1P，漏感控制在3.0mH以下。初級線圈與次級線圈耐壓達到5KVAC以上。

正常負載條件下，高頻升壓變壓器初級電壓波形及驅(qū)動電壓脈沖如圖2所示，MOS管導(dǎo)通時段MOS管漏極處于低電壓狀態(tài)。以避免沖擊電流導(dǎo)致MOS管的損壞。

在正常負載情況下，高壓輸出的電壓波形如圖3所示，從波形看，輸出接近交流正弦波。

3負載檢測原理

由于控制負載的不同，高頻升壓變壓器能量轉(zhuǎn)化存在差異，根據(jù)反激式原理，高頻變壓器次級在負載較輕時，反饋至高頻變壓器初級的電壓及頻率會發(fā)生變化，體現(xiàn)在電壓幅值加大，頻率加大。由于開關(guān)頻率較大，通過檢測幅度變化的值需要決速電路進行檢測，對于元器件及單片機處理要求較高，故本文選擇通過檢測初級端的頻率變化來區(qū)分次級空載與帶載時頻率變化差別，將初級頻率變化信號通過降壓方式反饋給單片機外部中端，單片機對外部脈沖信號進行檢測，統(tǒng)計一段時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，從而判斷頻率的變化，其輕載檢測原理如圖4所示。二極管D201需采取快速恢復(fù)二極管，如MUR120，其作用為將信號反饋至單片機電壓限定在5V，避免高電壓對單片機I/O口的損傷。

在負載斷路的情況下，高頻升壓變壓器初級電壓波形及驅(qū)動脈沖的波形如圖5所示，可明顯看到升壓變壓器初級電壓頻率及幅值已發(fā)生變化，幅值加大，同時頻率也加大，同時在MOS管導(dǎo)通時段，MOS管漏極電壓不處于低電壓，在MOS管導(dǎo)通時存在瞬間沖擊電流，如長期運行將使MOS發(fā)熱量加大，最終導(dǎo)臻MOS管出現(xiàn)損壞。

在高壓變壓器次級負載較重時，高頻變壓器初級的電壓減小，頻率減小，而由于電路采樣點的頻率與產(chǎn)生的脈沖同頻，在檢測時為固定值，無法直接判斷頻率的變化，通過在高壓變壓器后端增加電壓信號采樣的方式，將電壓信號反饋給單片機的AD采樣口，當(dāng)負載較輕時，電壓較高；當(dāng)負載較重或者短路時，輸出電壓較低；通過判斷輸出電壓的變化，可區(qū)分負載較重或者短路的情況。

通過對電路輕載及重載兩種情況進行判斷檢測，控制電路的開通時間及關(guān)斷時間，使開關(guān)MOS管工作在低電平導(dǎo)通工作狀態(tài)，避免MOS開通時的沖擊電流，降低MOS管的熱損耗，保證電路的可靠運行。

4軟件編程

采取瑞薩8位單片機R8C/2L，RSC/2L采用RBC CPU內(nèi)核，最高工作頻率為20MHz。單片機具備以下功能：

·采用8位預(yù)定標(biāo)器（定時器RA和RB）的8位多功能定時器：2通道：

·輸入捕捉/輸出比較定時器（定時器RC、RD）：16位×3通道；

·UART/時鐘同步串行接口：2通道：

·LIN模塊：1通道（定時器RA、UART0）；

·10位_A/D轉(zhuǎn)換器：9通道：

·檢測定時器：

·時鐘生成電路：XIN時鐘生成電路、片上振蕩器（高/低速）：

·振蕩停止檢測功能：

·電壓檢測電路：

·上電復(fù)位電路：

·I/O端口：25（包括LED驅(qū)動端口）；

·外部中斷引腳：7：

·數(shù)據(jù)閃存：2KB。

使用定時器TB作為系統(tǒng)時鐘，每距0.1ms中斷一次，進入中斷服務(wù)程序，通過中斷服務(wù)程序內(nèi)部設(shè)置不同的計數(shù)變量以形成不同的時間間距標(biāo)志，作為系統(tǒng)不同功能程序的運行時間，定時器TA設(shè)置為PWM輸出模式，作為高壓發(fā)生電路的PWM驅(qū)動信號，單片機中斷口INT1設(shè)置為下降沿觸發(fā)，用于高頻升壓變壓器初級頻率檢測。單片機AD采樣口AN7用于高頻升壓變壓器電壓值檢測。芯片其它I/O口作為產(chǎn)品其它功能的輸入輸出接口，如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制、電源過零信號檢測等。

高壓輸出啟動，定時器TA發(fā)出啟動脈沖，脈沖關(guān)斷時間固定在16.5μs逐步加大脈沖的導(dǎo)通時間，當(dāng)導(dǎo)通時間達到3.5μs時，每間距10ms計算一次中斷口檢測到的脈沖個數(shù)，當(dāng)脈沖個數(shù)為300-700之間時，相應(yīng)的頻率為40KHz左右，判斷為輸出負載正常條件，否則視為負載較輕或者負載斷路情況，重復(fù)判斷，累計判斷正常負載20次，則進入正常運行，脈沖關(guān)斷時間固定在16.5μs，導(dǎo)通時間根據(jù)輸出電壓要求逐步加大，在正常運行狀態(tài)下，實時判斷高頻升壓變壓器初級的頻率變化，如檢測到負載較輕或斷路情況，將導(dǎo)通時間降低至3.5μs，重新進入啟動判斷循環(huán)，以保證電路的可靠運行。實時檢測輸出高壓的電壓變化，如檢測到電壓偏離合理范圍，進入保護狀態(tài)，關(guān)閉脈沖信號輸出。

5電路性能參數(shù)

輸入電壓：直流12V低電壓輸入：輸出電壓：1KV-4KV交流電壓可調(diào)；頻率：關(guān)斷時間固定在16.5μs，開啟時間3.5μs-9μs，頻率范圍：40KHz-50KHz.輸出功率15W。

6電路驗證

通過產(chǎn)品整機性能驗證，使用同一規(guī)格的臭氧陶瓷片，使用此電路相比線性升壓變壓器方式，臭氧量提升100%以上，通過長期運行，電路運行穩(wěn)定，并能智能檢測臭氧陶瓷片斷路或短路等情形，MOS管溫升在20K以下，高頻變壓器溫升控制在30K左右，電路長期運行可靠。

7注意事項

MOS管除了剛啟動時無法避免沖擊電流的產(chǎn)生外，后面連續(xù)脈沖的開通時段需保證在MOS管漏極電壓較低的位置。以控制MOS的沖擊電流.減少MOS管的熱損耗。根據(jù)負載情況調(diào)節(jié)關(guān)斷時間可達到此目的。

高壓電路啟動時，需給MOS管一個小的導(dǎo)通信號，使電路振蕩起來后，再慢慢增加導(dǎo)通時間，以避免剛導(dǎo)通時沖擊電流持續(xù)時間過長對MOS造成損壞。

需根據(jù)負載的不同，選擇不同的關(guān)斷時間，并在運行當(dāng)中實時檢測判斷負載的變化，以避免MOS管漏極電壓超過限值.導(dǎo)致MOS的電壓擊穿。

由于電路運行頻率在40KHz-50KHz左右，為保證電路的穩(wěn)定性，需注意元器件的選型，特別是開通、關(guān)斷速度的要求。

根據(jù)輸出電壓的要求不同，需對高頻升壓變壓器的初級與次級的絕緣耐壓進行充分的評估，以避免高壓串接到初級線圈，導(dǎo)致元器件的損壞。如快速光耦，在電路調(diào)試過程中，由于高頻升壓變壓器的選型問題，多次導(dǎo)致光耦的擊穿。

8電路其它應(yīng)用

本電路主要產(chǎn)生交流高壓輸出，如需要直流并且更高電壓輸出，可在電路后端增加倍壓電路，如離子風(fēng)空氣凈化器一般需要1萬伏以上的直流高壓輸出。為實現(xiàn)更高直流電壓的輸出，需增加倍壓電路，其原理圖如圖6所示：二極管需采取快速恢復(fù)高壓二極管，如UHVM8L，電容可根據(jù)電容及負載能力選擇相應(yīng)耐壓值及容量的規(guī)格。

9總結(jié)

通過分析高壓發(fā)生電路的原理，提出一種交流發(fā)生電路，以滿足臭氧產(chǎn)生的高壓電路要求，并通過實驗驗證，臭氧發(fā)生量比采取線性變壓器升壓的方式有了較為明顯的提升，該電路通過在后端增加倍壓電路的方式可達到更高壓輸出，可應(yīng)用于離子風(fēng)空氣凈化器的高壓模塊中去.具備良好的應(yīng)用前景。