微秒脈沖疊加恒定直流的高壓復(fù)合電源設(shè)計(jì)

李 紅

（江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 無錫 214433）

0 引 言

近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步，等離子體逐漸應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)療、能源以及環(huán)保等學(xué)科。另外，在設(shè)計(jì)高壓復(fù)合電源時(shí)，對(duì)擴(kuò)散效率以及穩(wěn)定性提出了更高的要求[1]。直流激勵(lì)電源雖然相對(duì)較為簡(jiǎn)單，并可以直接放電，但是直流電源存在不穩(wěn)定性，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)功耗的有效控制[2]。而交流電源雖然具有穩(wěn)定性，但是成本相對(duì)較高。脈沖激勵(lì)電源的能量相對(duì)較高，然而卻容易對(duì)周圍的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾[3]。在科技不斷進(jìn)步的環(huán)境下，IGBT、MOSFET以及IGCT等技術(shù)逐漸應(yīng)用于電源的復(fù)合設(shè)計(jì)，并取得了一定的應(yīng)用成果[4]。基于此，本次研究微秒脈沖疊加恒定電流的高壓復(fù)合電源設(shè)計(jì)。

1 微秒脈沖疊加恒定電流的高壓復(fù)合電源設(shè)計(jì)

在微秒脈沖疊加恒定電流的復(fù)合電源設(shè)計(jì)中，為了確保電路運(yùn)行的穩(wěn)定性和有效性，需要確保電路可以進(jìn)行脈沖調(diào)節(jié)和電路保護(hù)[5]。基于此，本文進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)以及輔助電源設(shè)計(jì)。

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

在總體方案設(shè)計(jì)下，選擇PWM波形調(diào)節(jié)脈沖的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的有效調(diào)節(jié)。同時(shí)，在總體電路設(shè)計(jì)中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的過流保護(hù)和過壓保護(hù)，以此來確保系統(tǒng)的安全性與可靠性。電路輸出時(shí)，需要確保電路的電壓值相同，并且相位差保持在180°，之后經(jīng)過電源調(diào)節(jié)可以將驅(qū)動(dòng)傳送到開關(guān)控制中，通過開關(guān)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)控可以形成雙極性脈沖。溫度傳感器會(huì)將溫度信息傳遞到控制電路，如果溫度過高則會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的關(guān)斷，過壓檢測(cè)同樣采用該原理，在系統(tǒng)電壓超過額定電壓時(shí)會(huì)通過關(guān)斷的形式來阻止PWM波形的輸出。具體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體電路方案設(shè)計(jì)

1.2 控制電路的方案和功能設(shè)計(jì)

在控制電路的設(shè)計(jì)中，通過選擇UC2525和STM32F103等方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的設(shè)計(jì)對(duì)比，經(jīng)過方案的綜合對(duì)比確定控制電路的設(shè)計(jì)方案。

闡述UC2525的電路設(shè)計(jì)方案，采用UC2525ADW芯片，工作電壓保證在8～35 V，頻率控制在100～400 kHz，通過推挽輸出的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的綜合調(diào)控[6]。系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 UC2525的系統(tǒng)電路

在電路的整體設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)方式為：

式中，fUC表示頻率，CT表示電容，RT和RD表示電阻，電路系統(tǒng)的頻率在10～100 kHz的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。電路系統(tǒng)采用PCB電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保電路的可行性。

STM32F103電路的設(shè)計(jì)中，選擇單片機(jī)來作為控制核心，芯片具有M4內(nèi)核，RAM的空間為192 kB，通過調(diào)節(jié)頻率的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效控制[7]。

綜上，經(jīng)過綜合對(duì)比，本次設(shè)計(jì)采用STM32F103單片機(jī)來進(jìn)行系統(tǒng)的控制，通過單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的數(shù)字化控制。在電路芯片設(shè)計(jì)完成后，由數(shù)碼管、按鍵、溫度檢測(cè)模塊以及過壓保護(hù)模塊共同組成系統(tǒng)。

控制電路設(shè)計(jì)中，首先對(duì)系統(tǒng)展開初始化的操作設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)整體初始化、配置初始化、引腳初始化以及時(shí)鐘初始化[8]。其次通過主程序的控制，執(zhí)行系統(tǒng)的中斷程序，而系統(tǒng)則通過A/D的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率以及占空比的計(jì)算。最后在脈寬和頻率模塊的調(diào)節(jié)中設(shè)置死區(qū)，驅(qū)動(dòng)電路接收頻率的最高限值為60 kHz，如果超過最高的限值，則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)丟失。過流模塊設(shè)計(jì)中，在高頻電壓變壓器的初級(jí)側(cè)連接電流互感器，可以將電流的信息傳遞到LM324，之后經(jīng)過電流信息的對(duì)比將信號(hào)輸出到PC端口，關(guān)斷復(fù)位的情況下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)壓保護(hù)。在溫度檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)中，如果溫度過高則容易導(dǎo)致開關(guān)損壞。傳感器選擇DS18B20，其會(huì)將溫度信號(hào)通過數(shù)字化的形式傳遞到單排年級(jí)，之后經(jīng)過溫度判斷確定系統(tǒng)的溫度，如果溫度過高則系統(tǒng)會(huì)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。

1.3 輔助電源及系統(tǒng)整體測(cè)試

在系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行輔助電路設(shè)計(jì)，控制電路選擇5 V，驅(qū)動(dòng)電路選擇24 V，經(jīng)過MSB40M系統(tǒng)的整流處理后，系統(tǒng)的最大電流為3 A。經(jīng)過系統(tǒng)連接后運(yùn)行系統(tǒng)，使用Hantek6000采集系統(tǒng)信息，獲取相位差180°的PWM波形，電壓約為4.3 V，與預(yù)期計(jì)劃的5 V存在一定的誤差，但是總體上達(dá)到PWM波形的運(yùn)行需求，可以進(jìn)一步展開對(duì)電源的測(cè)試。

2 電源測(cè)試

在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)模型進(jìn)行仿真處理并綜合測(cè)試波形，選擇MATLAB的方式實(shí)現(xiàn)仿真分析，之后對(duì)波形進(jìn)行處理，確定電源是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具體內(nèi)容如下。

2.1 仿真模型及實(shí)物測(cè)試

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行仿真測(cè)試，在不考慮電感及非穩(wěn)定的狀態(tài)下，設(shè)定系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，之后應(yīng)用軟件對(duì)系統(tǒng)展開仿真[9]。經(jīng)過仿真測(cè)試，變壓器的調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波的電壓控制和對(duì)系統(tǒng)電壓的整體仿真測(cè)試。在仿真模型中，假設(shè)系統(tǒng)整體為理想元件，但是在實(shí)際運(yùn)行中，電源存在電磁干擾，從而會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在系統(tǒng)測(cè)試中，需要確保仿真模型參數(shù)設(shè)計(jì)的有效性和可行性。其中交流電源設(shè)計(jì)為220 V，濾波電容C1和C2設(shè)計(jì)為2 μF，C3和C4設(shè)計(jì)為4.7 μF，C5設(shè)計(jì)為1 800 μF，C6～C13調(diào)節(jié)為5 μF，濾波電感L1設(shè)計(jì)為30 mH，L2設(shè)計(jì)為3 mH，電阻R1設(shè)計(jì)為600 kΩ，變壓器T1的變比為16，T2的變比為4，PWM的占空比調(diào)整為0.2。經(jīng)過系統(tǒng)參數(shù)值的綜合調(diào)控，可以獲取仿真圖形，為了確定波形的穩(wěn)定性，在0.47 s左右選擇具體的疊加后仿真細(xì)節(jié)模型，結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真波形圖

經(jīng)過系統(tǒng)的整體仿真測(cè)試，在模型中會(huì)產(chǎn)生逆變的波形。線性變壓器加大電壓后，整流波形圖中，相對(duì)于底部而言，頂部區(qū)域較為狹窄，主要原因是增壓情況下電壓漲幅高于理想理論值5 kV。在仿真模型中，直流電壓只作為基礎(chǔ)電壓用來提升電壓漲幅程度。

在確定系統(tǒng)仿真后，需要對(duì)模塊進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，通過實(shí)物功能調(diào)試確定系統(tǒng)的不足。在實(shí)物測(cè)試中，存在高壓脈沖和高壓直流兩個(gè)組成部分，并且由附注電路、逆變電路以及驅(qū)動(dòng)電路共同設(shè)計(jì)完成整體的方案設(shè)計(jì)。經(jīng)過綜合調(diào)控，選擇220 V的隔離變壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的綜合管理。

2.2 波形選擇

在脈沖電源設(shè)計(jì)完成后，需要在連接實(shí)物的基礎(chǔ)上對(duì)電源整體進(jìn)行測(cè)試，采集各脈沖模塊的波形，之后對(duì)采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用EMI濾波、整流以及濾波電路處理，以達(dá)到逆變電路電壓的設(shè)計(jì)要求[10]。

驅(qū)動(dòng)電路的波形設(shè)計(jì)中，電壓約為4.3 V，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的波形整體呈現(xiàn)平穩(wěn)的特征，并無明顯的毛刺。為了確保電路的穩(wěn)定運(yùn)行，將采用驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的放大，之后獲取放大后的波形記錄，發(fā)現(xiàn)放大后波形的頂部存在毛刺，可能是受到元器件自身電磁干擾的因素所致。

在全橋逆變電路實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)物測(cè)試，在完成逆變電路的實(shí)物連接后，確定實(shí)物測(cè)量的波形，RCD緩沖電路雖然會(huì)減少尖峰電壓，但是同樣會(huì)導(dǎo)致波形變動(dòng)幅度的時(shí)間增加。在波形的變化趨勢(shì)中，存在顯著的凸起和凹陷。

在逆變波形測(cè)量實(shí)驗(yàn)完成后，將T1變壓器與高壓硅堆相結(jié)合，而后重新進(jìn)行波形采集。結(jié)果顯示，變壓器的電壓增幅為4.8 kV，略低于理想數(shù)值5 kV，經(jīng)檢測(cè)，是元器件損耗所致。而由于手工纏繞變壓器，使磁感分布錯(cuò)亂，造成T1變壓器副邊波形的形狀呈畸形的三角波，并且在波形尾端存在拖尾的特征。

在倍壓整流以及疊加波形的環(huán)境下，進(jìn)一步對(duì)電路整體的波形進(jìn)行測(cè)試。通過倍壓整流的電壓測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在直線環(huán)境的影響下，電壓為4.8 kV，紋波系數(shù)約為4%，低于理想下的狀態(tài)值，但是總體滿足系統(tǒng)的運(yùn)行需求。

為了進(jìn)一步確定不同頻率下的波形變化狀況，可以采用控制變量法，得到不同頻率下的疊加波形，方便后期的比對(duì)。在本次設(shè)計(jì)中，選擇6 kHz、8 kHz、10 kHz以及20 kHz的頻率變化，對(duì)系統(tǒng)的波形進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)整體存在震蕩以及毛刺，但是并未影響整體的疊加波形。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖寬度的增加，波形會(huì)呈現(xiàn)一定的下降，尤其是在脈沖寬度達(dá)到25 μs的環(huán)境下，整體出現(xiàn)最大的拖尾，幅度達(dá)到3 μs。經(jīng)過分析，最可能的原因就是阻性負(fù)載特性帶來的影響，但仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

經(jīng)過系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)以及波形的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電源的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)的要求，不僅具有一定的穩(wěn)定性和集成性，而且具有重要的應(yīng)用價(jià)值與前景。

3 結(jié) 論

高壓復(fù)合電源的設(shè)計(jì)具有重要的價(jià)值，本文在基于等離子技術(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上探究電源的設(shè)計(jì)方案。首先設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體方案及電源方案，包括STM32F103、過壓保護(hù)模塊、溫度保護(hù)模塊以及輔助電源等幾個(gè)部分。其次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試和實(shí)物連接，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)基本達(dá)到使用的需求。最后對(duì)系統(tǒng)實(shí)物連接后的波形進(jìn)行綜合測(cè)試，發(fā)現(xiàn)波形存在毛刺和拖尾現(xiàn)象，并且與理想狀態(tài)存在一定差異，但是總體達(dá)到了初始設(shè)計(jì)方案的要求，并且確保了系統(tǒng)的可行性和可靠性。