一種用于低溫等離子體發生器的電源設計

趙炎鑫，張靜雅

（合肥工業大學，安徽 合肥 230000）

0 引 言

等離子體近年來在工業、生物工程、醫療等領域有了廣泛的應用。在生物醫療領域，低溫冷離子體因其溫度低、殺菌周期短、效率高等特點，克服了傳統的醫療消毒的諸多不便與缺點，被應用于醫療器械消毒、促進傷口愈合、凝血等方面。本文設計并實現了用于電暈放電形式的低溫等離子體發生器電源。

1 電源的要求

本設計針對電暈放電等離子體形式設計。根據電暈放電的特點，研究不同的輸入電壓、工作頻率、控制信號占空比等因素對于射流長度的影響，電源參數方案如下：（1）輸入電壓為220 V，50 Hz。（2）輸入電壓可調：100～300 V。（3）工作頻率可調：10 kHz～15 kHz。（4）控制信號占空比可調：電源拓撲結構決定了占空比最大45%。（5）輸出電壓：3 000～9 000 V。（6）電源功率：500 W。

2 電源的設計

本電源的設計采用了對稱性好、易于驅動的半橋式拓撲結構設計，采用了電壓型控制芯片SG3525對于開關電源結構進行驅動。

高頻開關電源的電路結構如圖1所示。

圖1 高頻開關電源電路

電網220 V電壓經過可控硅調壓電路，輸出100～300 V可調的電壓，經過整流濾波獲得直流電壓，經過半橋逆變器變換為高頻方波電壓，再經過高頻變壓器，獲得10 kHz～15 kHz的可調工作頻率，3 000～9 000 V的可調電壓對射流發生器的電極進行供電。調壓電路中可控硅是核心器件，使用可變電阻來改變可控硅的導通角，可以實現對于輸入正弦波電壓的調節。為了避免等離子體發生器的空載，使用了風動開關控制電路的整流模塊的輸入。驅動信號的頻率和占空比可以通過電壓型PWM控制芯片外圍電路設計來實現。該驅動信號電壓為3 V，經過起隔離與升壓作用的脈沖變壓器對半橋逆變器進行控制。該信號可以調節死區時間，避免半橋逆變電路的上下兩個橋臂同時導通。最終輸出電壓可調節范圍為3 000～9 000 V、頻率調節范圍10 kHz～15 kHz的高頻電壓。

2.1 可控硅調壓電路

調壓電路的核心是雙向可控硅器件，雙向可控硅的門極G無觸發電壓時，第一陽極和第二陽極之間呈現高阻態。當雙向可控硅的門極G施加觸發電壓時，可控硅可以雙向導通。利用可控硅性質，設計了如圖2所示的調壓電路。

圖2 可控硅調壓電路

電路中電阻R17、電位器P1、電阻R18與電容C12、C13構成了充電回路，由于電容兩端的電壓不能突變，產生一個充電時間。而電位器P1的改變將會改變充電回路的時間。當二極管DB3陽極端電壓大于陰極端，二極管導通，觸發晶閘管Q1的門極，此時晶閘管導通。電路中開關S1代表設計的低溫等離子體發生器中氣源部分對于主電路的控制開關。當有氣體輸入時，風壓微動開關閉合，此時常閉型繼電器的控制回路導通，常開型繼電器端子閉合，整流橋電路形成回路。因此在此電路中，只有當開關S1和晶閘管門極被觸發同時滿足，調壓電路方可正常工作。

2.2 逆變器電路

電路中A、B兩點連接過流保護電路，網絡標號1和2為控制信號輸入端口，網絡標號OUTPUT1與OUTPUT2為調壓電路的輸出端口。逆變器電路采用半橋型拓撲結構，該結構具有良好的抗不平衡能力、易于驅動、關斷時功率管承受電壓較小的優點。半橋型逆變器拓撲結構如圖3所示，電路中的電容器C13和C19是兩只容值較大且完全相同的電容，稱之為分壓電容。當MOS功率管處于截止狀態時，C13與C19之間的電壓為輸入電壓的一半。

圖3 半橋型逆變器拓撲結構

2.3 逆變器功率管驅動電路

對于逆變電路中MOS管的驅動可以使用分立器件，也可以使用集成芯片。集成芯片性能穩定，采用電壓型PWM控制芯片SG3525，芯片的外圍電路如圖4所示。

圖4 SG3525的外圍電路

電路中可變電阻R9、定值電阻R10、R11與電容C5決定了芯片的振蕩器頻率，輸出波形的頻率為振蕩器頻率的一半。改變可變電阻R9的阻值，實現頻率在10 kHz～15 kHz范圍內的調節。SG3525控制信號占空比的調節通過R13與R3的分壓來實現，通過SG3525芯片引腳9電壓值的不同，來改變誤差放大器的輸出值，進而改變控制信號的占空比。

2.4 過流保護電路

芯片引腳10處于高電平狀態時，控制芯片停止工作。當引腳10處于低電平狀態時，控制芯片正常工作。過流保護電路通過控制引腳10狀態，來進行過流保護。過流保護電路如圖5所示。電路中，比較器的輸出與芯片管腳10相連。T5為電流互感器，將變壓器初級線圈電流耦合到次級線圈，當電流過大時，比較器輸出高電平，引腳10處于高電平，芯片停止工作。當電流不超過設定值，比較器輸出低電平，引腳10處于低電平，芯片正常工作。

圖5 過流保護電路

2.5 實驗效果圖

設計的電源用于空氣等離子體射流發生器中，產生了大約2 cm長的空氣等離子體射流（圖6）。

圖6 空氣等離子體射流效果

3 結 論

本文研究并設計了用于電暈放電的半橋式開關電源電路。根據電源放電特點以及電源要求，給出了電源的設計方案，制作了用于電暈放電的開關電源，功能測試表明可以產生2 cm長的空氣等離子體射流。電源設計了過流保護電路，保障了電路的安全性。輸出電壓3 000～9 000 V可調，頻率實現10 kHz～15 kHz的變化，占空比實現0～45%的調節；最終的實驗結果證明了該電源可以實現電暈放電產生等離子體射流。

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