基于SG3525的高壓除塵電源的設計*

陳禮俊，蘭志勇

(湘潭大學 信息工程學院，湖南 湘潭 411105)

?

基于SG3525的高壓除塵電源的設計*

陳禮俊，蘭志勇

(湘潭大學 信息工程學院，湖南 湘潭 411105)

針對高壓電源在不同場合對輸電等級與輸電功率的不同需求，設計了一種輸電可調且功率等級不定的新型高壓直流電源。在電源前級引入Zeta斬波電路，用于調節前級直流電壓。電源以SG3525為控制核心，通過過流、過壓反饋回路，保證電源工作穩定。電源后級由半橋逆變、高頻升壓、倍壓整流3部分組成，并在其中引入高頻，有效地減小設計電源的體積。該設計可實現輸出直流電壓8～12 kV可調。實驗結果證明，該設計電源輸電穩定、紋波電壓小、負載能力強，滿足高壓除塵電源的要求。

高壓電源;SG3525; Zeta斬波

圖1 電源整體設計圖

0 引言

靜電除塵是一種清除大氣粉塵的有力手段之一，目前已經廣泛應用于家用空氣凈化、工業油煙凈化、醫用無塵環境、工廠車間除塵等場合[1-2]。近年來隨著人們節能環保意識的增強，以及國家對粉塵排放新標準的施行，客觀上對靜電除塵提出了更高的要求。作為靜電除塵裝置中關鍵部分的高壓直流電源，更是向著如何更加節能高效的方向發展，以提升靜電除塵的性能。

靜電除塵電源是靜電除塵系統中的關鍵部分，其性能直接影響除塵器的除塵效果。本文設計了一種新型高壓除塵電源，通過調節電源前級斬波電路的占空比，可實現對輸出級電壓的調節，實現高壓隔離調節。同時在處理電壓、電流過大，或者欠壓等實際問題上，電源中設計多級電壓、電流反饋保護回路。

1 高壓電源整體結構

電源電路可分為主電路和保護控制回路。圖1為電源整體設計圖。電源工作原理：220 V/50 Hz市電先經全橋整流電路變為310 V左右直流電，再通過Zeta斬波電路得到240～360 V可調的直流電壓。然后直流電壓經半橋逆變變為高頻交流電，最后通過高頻變壓器以及倍壓整流電路得出所需要的直流高壓。同時電源通過電流、電壓反饋電路智能調節輸電，使電源工作穩定。

2 高壓電源設計

主電路主要由整流濾波電路、Zeta斬波電路、半橋逆變電路、高頻升壓電路以及倍壓整流電路組成。在設計倍壓電路時，鑒于多級倍壓電路存在紋波大、輸電不穩等缺點，因此決定采用二倍壓電路。

2.1 Zeta斬波電路原理

Zeta電路的應用是電源能實現輸出電壓可調的重要部分，圖2為Zeta斬波電路。圖中實線箭頭表示S開通時的回路，虛線表示的是S關斷時的回路。

圖2 Zeta斬波電路

電路中取電感L1和L2的值相等，而且電感工作在電流連續狀態[1-4]。當S開通，E-S-L1、E-S-C1-L2-負載(C2和R)構成回路；當S關斷，L1-VD-C1、L2-負載(C2和R)-VD構成回路。當電容C1足夠大，UC1的脈動很小，可以認為UC1≈UC1，即得到電路工作時，Zeta電路主要工作波形圖，如圖3所示。Zeta斬波電路基本工作原理：在S處于通態時，電源向電感L1儲能。此時E與C1共同經L2向負載供電。待S關斷后，L1向C1充電，并儲存到C1，同時L2電流經VD續流。由電感器件的伏秒平衡原理，電路工作在電感電流連續時，電感電壓在一周期內平均值為零，即：

圖3 zeta電路工作波形圖

Eα-UC1(1-α)=0

(1)

(E-UC1-U0)D-U0(1-D)=0

(2)

式中α為開關導通占空比，化簡得：

U0=(α/1-α)E

(3)

由式(3)可得，改變開關導通占空比則可以改變輸入半橋逆變的直流電壓。將占空比α控制在0.4～0.6之間，即可保證Zeta斬波電路輸出電壓在240～360 V之間。

2.2 控制電路

控制電路主要有兩部分，即Zeta斬波控制電路與半橋逆變控制電路。Zeta斬波電路由UC3842芯片控制，通過調節芯片的輸出PWM占空比，即可調節斬波輸出電壓。逆變電路由SG3524芯片控制，經過IR2110驅動半橋開關管[6-7]。

UC3842芯片控制Zeta斬波電路工作，芯片輸出PWM的頻率由外部定時器件決定，頻率公式為：

f=1.8/(RT×CT)kHz

(4)

式中，RT與CT為定時電阻與電容。為保證斬波電路輸出可控，設計反饋控制回路。反饋回路通過電阻采樣，將采集的電壓信號送入由PC817與TL431所構成的過壓反饋電路，當電壓輸出超過所設定范圍值時，電路開始工作，UC3842內部驅動三極管電壓降低，從而輸出PWM占空比減小，斬波電路電壓降低，最后電壓趨于穩定。圖4為UC3842控制電路。同時為防止電壓異常，將芯片3腳及電流檢測輸入端接入反饋電路，如斬波電路持續異常升高，將封鎖驅動脈沖，UC3842芯片停止工作。

圖4 UC3842控制電路圖

SG3525為半橋逆變電路的控制芯片，通過產生的PWM控制著電路的逆變頻率[7-8]。控制脈沖信號PWM的頻率可由下式得到：

f=1/CT(0.7RT+3RD)Hz

(5)

式中CT為接在5腳的定時電容；RT為接在6腳的定時電阻；RD為接在5腳與7腳之間的放電電阻。取CT=2.2 nF，RT=25 kΩ，RD=300 Ω，代入上式得：振蕩輸出頻率為30 kHz，則PWM輸出頻率為15 kHz。軟啟動電容端接入4.7 μF的電容，當電容充電使其8腳處于高電平時，SG3525才正常工作。2腳電壓固定在5.1 V。芯片1、2、9腳及外圍電路構成PI調節器，其輸出與5引腳鋸齒波和軟啟動電容一起控制PWM產生器產生方波。引腳11、14輸出兩路互補的PWM，但輸出的PWM無法直接驅動半橋開關，因而必須利用驅動芯片IR2110來控制半橋逆變。圖5為SG3525控制電路。

圖5 SG3525控制電路

過壓保護電路通過可調精密電阻采樣，將其采樣到的信號輸送到線性光耦TLP521-1中。當采樣電壓過高時，此時由TL431與TLP521-1構成的反饋電路工作，進而使光耦輸送給SG3525芯片10腳一個高電平，芯片立即停止工作，11腳和14腳輸出的PWM立即消失，逆變電路停止工作，變壓器無輸出，達到過壓保護的目的。

3 實驗結果分析

實驗采用UC3842芯片來控制Zeta電路的電壓輸出，采用SG3525為逆變控制器，用于直流變換高頻交流。二者在電源中相互獨立，但功能上互補，共同保證輸電穩定。

圖6是電源斬波電路輸出電壓波形，由圖可知Zeta電路輸出電壓為直線，表明電路工作穩定。

圖6 斬波輸出電壓波形

圖7是電源電路逆變輸出電壓波形，逆變方波電壓幅值相同，表明各電容電壓在逆變中電壓穩定。

圖7 逆變輸出電壓波形

圖8為電源運行最終輸出電壓波形，電源輸出電壓高，輸電紋波小，符合高壓除塵電壓供電要求。

圖8 電源輸出電壓波形

4 結論

本文提出利用Zeta斬波電路對前級輸入電壓進行升降壓調節，從而實現不同等級高壓輸出的目的。分析了電路的工作原理，給出了相關控制方法。通過實驗得出以下結論：

(1)前級采用Zeta電路，電源能穩定輸出8～12 kV DC。即對低壓斬波電路的控制可實現對高壓輸電等級的有效控制；

(2)電源電路對輸入過壓、欠壓具有一定的自保護功能；

(3)電源中引入高頻變壓器，有效地減小了設計電源體積、重量和成本，在工業生產領域有一定的應用價值。

[1] LOPEZ H.F,ZOLLMANN C.Photovoltaic panels grid-tied by a Zeta converter[C].Brazilian Power Electronics Conference,IEEE,2009:181-188.

[2] RATHORE A,SURAPANENI R.A single stage CCM zeta microinverter for solar photovoltaic AC module[J].IEEE Journal of Energing and Selected Topics in Power Electronics,2015,3(4):1.[3] VIERO R C,REIS F S D.Designing closed-loop controllers using a MatlabP?dynamic model of the Zeta converter in DCM[C].Ieee/ias International Conference on Industry Applications,IEEE,2012:1-8.

[4] ANDRADE A M S S,BELTRAME R C,SCHUCH L,et al.Integrated quadratic-boost-Zeta converter for high voltage gain applications[C].Industry Applications (INDUSCON),2014 11th IEEE/IAS International Conference on.IEEE,2015:1-8.

[5] 朱曉曲.基于UC3842的多端反激式開關電源的設計與實現[D].長沙：湖南大學,2013.

[6] GU Y J,WANG J J.Design of DC pulse power supply based on the single-chip computer and PWM[C].International Conference on Electrical and Control Engineering.IEEE,2010:721-724.

[7] LI J.A design of DC pulse width modulation speed regulation system[C].International Conference on Electrical and Control Engineering,IEEE,2011:484-487.

[8] WANG L,WEI X Y,ZHANG J H.Design of sinusoidal photovoltaic inverter based on DSP[C].Innovative Smart Grid Technologies-Asia (ISGT Asia),2012:1-4.

Design of high-voltage power supply based on SG3525

Chen Lijun,Lan Zhiyong

(College of Information Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

Aiming at the different needs of high-voltage power transmission level and the transmission power in different occasions,this paper presents a new high-voltage DC power supply that is transmission adjustable and power level uncertain.In order to adjust the DC voltage level,the Zeta chopper is introduced for pro-high-voltage.SG3525 is used as the control core of the power.To improve the stability of power transmission,the over-current and over-voltage feedback loop have been developed.The half-behind power is consisted of half-bridge inverter,high-frequency boost and voltage double rectifier.The high-frequency inverse technology is adopted in both parts of inverter circuit and booster circuit to reduce the volume of output DC power.This design of the high voltage power supply can allow for adjustable output voltage of 8～12 kV DC.The experimental results show that the power supply can work stably and the performance can meet the design requirements.

high-voltage power supply; SG3525; Zeta chopper

國家自然科學基金青年項目(51507148)

TM89

A DOI：10.19358/j.issn.1674-7720.2016.19.007

陳禮俊，蘭志勇.基于SG3525的高壓除塵電源的設計[J].微型機與應用，2016,35(19)：25-27，30.

2016-06-10)

陳禮俊(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子傳動。

蘭志勇(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向：電機與電氣。