高壓靜電油煙凈化器設計

宋森森　曾實現　吉雙章

摘 要：設計了一款以STM32單片機為主控制器，以半橋逆變器為主電路的高壓靜電發生裝置，裝置還包括電源電路、電壓檢測電路、過流保護電路、MOS管驅動電路。在功率變壓器設計上，加入輔助繞組，通過輔助繞組隔離反饋變壓器高壓側電壓值，通過改變半橋逆變電路工作頻率實現高壓側電壓PI閉環調節，設計了通過死區時間控制的系統軟起程序以及過流保護打嗝控制。

關鍵詞：半橋逆變器;高壓靜電;PI閉環控制;過流保護

Abstract：A high voltage static electricity generating device with STM32 single chip microcomputer as the main controller and half bridge inverter as the main circuit is designed.The device also includes power circuit，voltage detection circuit，over-current protection circuit and MOS tube driving circuit.In the design of the power transformer，the auxiliary winding is added，the voltage value of the high voltage side of the transformer is fed back through the isolation of the auxiliary winding，the PI closed-loop regulation of the high voltage side voltage is realized by changing the working frequency of the half bridge inverter circuit，the system soft start program controlled by the dead time and the belch control of the overcurrent protection are designed.

Key words：half bridge inverter;high voltage electrostatic;PI closed-loop control;over current protection

國家大力倡導環保，但家庭生活、餐飲行業還有一些工業生產活動都會排放油煙、粉塵、含有化工材料的水蒸氣等微小顆粒物。這加劇了空氣污染，嚴重威脅人們的身體健康。環保部門強制上述行業安裝空氣凈化器，實現受污染的空氣達標排放，減小對人體健康的威脅，因此設計了一款低成本高性能高壓靜電油煙凈化器。

1 硬件系統設計

如圖1所示，整個系統包括主控電路，半橋逆變主電路，半橋驅動電路，工頻AC/DC電路，電壓電流采樣電路等。

1.1 主控電路

該設計以STM32F103為主控制器，STM32F103內核為ARM32位的Cortex-M3，最高72MHz的工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25DMips/MHZ，具有單周期乘法和硬件除法，具有128K字節的閃存程序存儲器容量，最大64K字節的SRAM，運算能力強，具有高級定時器TIM1，可互補輸出PWM信號，用來驅動半橋逆變電路，并且該定時器可靈活插入死區時間，方便調節占空比，方便系統軟起。

1.2 半橋逆變主電路

主電路拓撲采用半橋逆變電路，如圖2所示，由兩顆G20N50C MOS管及兩顆0.47uF CBB高壓電容構成半橋結構，圖中R7、R14為均衡電阻，同時起到斷電后及時泄放直流側濾波電容電荷的功能，C6為隔直電容。

1.3 半橋驅動電路

主控芯片輸出互補的PWM波，通過推挽輸出進行功率放大，MOS管驅動電路如圖3所示。脈沖變壓器T1，匝比N1∶N2∶N3=1，在脈沖變壓器T1一次側產生三電平矩形波，脈沖變壓器二次側產生相位互查180°的兩路三電平矩形波隔離驅動半橋電路兩顆MOS管G20N50C。

1.4 工頻交流輸入側EMI電路

為隔離電網干擾以及防止設備產生的諧波注入電網，設計了工頻交流輸入側EMI電路，如圖4所示。

EMI濾波電路采用XC1、XC2兩顆安規電容，取值范圍為0.1～1.0μF，故選取電容值為0.1μF，電壓取值為275V，用來抑制差模干擾。L1為共模電感，由漆包線在閉合磁環上對稱繞制，繞制圈數相同，繞向相反，對共模信號產生較大的感抗，達到抑制共模干擾的效果。NTC1為熱敏電阻型號5D-9，抑制浪涌電流，RV1為壓敏電阻，型號14D471K，抑制浪涌電壓。

1.5 工頻AC/DC

工頻AC/DC如圖5所示，利用整流橋堆KBU1010將工頻交流整流，后經電容濾波，得到脈動直流，電壓在300V左右。圖中R21為泄放電阻，在掉電后，能較迅速泄放濾波電容C10儲存的電荷，防止觸電事故。

1.6 電壓電流采樣電路

利用高頻電流互感器對交流側高頻交流電流進行檢測，經過半波整流，接入采樣電阻，然后進行限幅，連接到STM32單片機的AD引腳采樣。電壓檢測采樣原邊反饋方式，即在功率升壓變壓器T2設置輔助繞組檢測間接檢測輸出測電壓，經過半波整流進一步濾波，分壓限幅最終接入單片機AD引腳，實現電壓值模數轉換，在數字系統中實現電壓閉環控制，如圖6所示。

2 軟件系統設計

2.1 電壓PI閉環控制

電壓控制采用PI閉環控制，通過板載旋鈕電位器設置給定電壓，主控制器進行PI運算控制定時器PWM頻率和死區時間，來控制功率變壓器一次側三電平矩形波頻率，實現二次側電壓的調整，控制流程如圖7所示。

2.2 過流保護控制

過流保護控制流程如圖8所示，高壓靜電油煙凈化器本質是升壓式開關電源，對于開關電源，過流保護功能尤為重要，除保險絲，熱敏電阻等器件保護外，軟件保護的優點是靈活，可控。本設計中采用打嗝控制，檢測輸出電流，與閾值電流比對，如果輸出電流超限，則封鎖PWM輸出，半橋電路開關管停止工作。20s后恢復PWM輸出，若此時輸出不再過流，則過流保護解除，如果依然過流計數過留次數，過流次數計數到10次，永久封鎖PWM輸出，故障指示燈亮起。系統重新上電，單片機復位可解除封鎖。

3 結論

經測試，該高壓靜電油煙凈化器輸出電壓9-20kV可調、額定輸出功率500W、開關頻率25-60kHz可調、工作環境溫度-20℃-60℃。

參考文獻：

[1]王燕濱，陳振水，王靖，李雅軒.高壓靜電捕獲油煙裝置原理及設計[J].河北工業科技，2016.

[2]陳楠.高壓靜電除塵控制系統的研究[D].西安：西安工業大學，2015.

[3]宋臻達.軟開關在開關電源中的應用研究[J].科技資訊，2016.

[4]賈佳.關于高壓大功率開關電源技術的探討[J].科技經濟導刊，2017.

[5]屈彪，張文超.基于DC/DC開關穩壓器的數控電源設計[J].電子設計工程，2016.

[6]曹鑫.電除塵用高頻高壓脈沖電源的研究[D].安徽理工大學，2014.

[7]張海旭.基于DSP控制的全數字化高頻開關電源模塊保護方法[J].中國鐵路，2016.

[8]陳菁，張萬.單片機控制下可變輸出電壓的電源設計[J].現代電子技術，2018.

作者簡介：宋森森，碩士研究生，主要研究方向：智能控制技術。