氙燈電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉寧，方鵬飛

（武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430072）

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，光催化制氫[1]、降解污染物[2]等產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開實(shí)驗(yàn)科學(xué)基礎(chǔ)，因此，光催化的效率低、成本高等問題需要更多的實(shí)踐去解決。氙燈具有輸出功率大的特性，可以覆蓋從200～1 000 nm 的光譜范圍，是理想的人工太陽，是實(shí)驗(yàn)室用來催化、老化的重要人工光源[3]。目前，包括氙燈電源在內(nèi)的很多供電電源都逐漸使用開關(guān)電源來替代其他類型電源，但是開關(guān)電源干擾比較大[4-6]，很容易對(duì)實(shí)驗(yàn)室的其他設(shè)備造成影響，特別是對(duì)高精度儀器測(cè)量帶來不良影響。同時(shí)氙燈點(diǎn)燃需要比較高的電壓[7]，目前大部分采用市電升壓的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加了電路的復(fù)雜性，帶來了一定的安全問題。實(shí)驗(yàn)室使用的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)需要滿足低噪音、高效率的條件[8-10]，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室儀器的安全性也是非常重要的。該文在結(jié)合市場上現(xiàn)有氙燈系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提高電源效率、降低開關(guān)電源的干擾，同時(shí)利用開關(guān)電源開路電位設(shè)計(jì)氙燈觸發(fā)電路，降低電路的復(fù)雜性，增加設(shè)備的安全性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

該設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：開關(guān)電源設(shè)計(jì)和氙燈觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。文中設(shè)計(jì)的目標(biāo)輸入電壓為160～230 V，輸出電壓為14～20 V，輸出電流為10～20 A，效率為85%，最大輸出功率為400 W，工作頻率為100 kHz，紋波小于3%。氙燈觸發(fā)電路使用開關(guān)電源作為電壓源，通過逆變的方式產(chǎn)生氙燈需要的高壓，從而實(shí)現(xiàn)氙燈電源系統(tǒng)單一電源工作的目的。

2 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的整體框架[11-12]如圖1所示，實(shí)現(xiàn)AC-DC的轉(zhuǎn)換。整體框架由輸入保護(hù)電路、EMI 濾波器、整流濾波電路、功率開關(guān)管、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、反饋電路、驅(qū)動(dòng)控制電路以及過溫保護(hù)電路組成。

圖1 氙燈整體設(shè)計(jì)圖

160～245 V 的交流電接入系統(tǒng)后經(jīng)過整流濾波形成穩(wěn)定的高壓直流電源，高壓直流再經(jīng)過功率管的斬波、高頻變壓器的降壓形成低壓高頻的方波，最后通過整流濾波實(shí)現(xiàn)低壓直流的穩(wěn)定輸出，達(dá)到設(shè)計(jì)需求。

2.1 主電源結(jié)構(gòu)及其工作原理

根據(jù)開關(guān)電源的相關(guān)拓?fù)涮攸c(diǎn)以及功率要求，選擇開關(guān)電源為半橋式電路結(jié)構(gòu)。半橋式拓?fù)鋄13]的基本構(gòu)架如圖2 所示，由兩個(gè)電容和開關(guān)管組成橋，橋的對(duì)角線連接變壓器的原邊兩端，故稱半橋式轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)開關(guān)管Q1 被脈寬激勵(lì)信號(hào)（PWM）激勵(lì)而導(dǎo)通時(shí)，Q2 在控制脈沖作用下處于關(guān)短狀態(tài)，此時(shí)變壓器兩端所加的電壓為母線電壓的一半，能量由原邊向次級(jí)傳遞:當(dāng)Q1 和Q2 同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，此時(shí)變壓器的次級(jí)繞組由于整流二極管同時(shí)續(xù)流而處于短路狀態(tài)；當(dāng)Q2 導(dǎo)通Q1 斷開時(shí)，過程和前面相同。通過Q1、Q2 的交替導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，大大提高了磁芯的利用率，同時(shí)不會(huì)發(fā)生偏磁問題。

2.2 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

由于開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到電源的各項(xiàng)指標(biāo)的好壞。在工作頻率為100 kHz、輸出功率為400 W 的條件下，參考磁芯手冊(cè)選擇磁芯材料，選擇使用TDK 公司的PC90 材料磁芯。

圖2 半橋工作原理

損耗比為100 mW/cm3對(duì)應(yīng)的磁通擺幅應(yīng)為0.2 T，參照AP[14-15]方法選擇磁芯的類型。

其中，AP為面積乘積，單位為cm4；Pin為輸入功率，單位為W；K′為銅的有效利用系數(shù)，取值0.2；ΔB為磁通密度擺幅，單位為T；f為頻率，單位為Hz。

考慮到實(shí)際制作變壓器可能會(huì)增加更多的損耗，故應(yīng)留出30%～40%的裕量，參考手冊(cè)選用EER42 磁芯。根據(jù)經(jīng)典變壓器公式：

其中，N為原邊最小匝數(shù)；v為繞組最大直流電壓，單位為V；ΔB為最大的磁通密度，單位為T；Aφ為有效磁芯面，單位為mm2。

考慮到設(shè)定輸入交流電壓為160～230 V，經(jīng)過橋式整流和電容濾波后輸入的直流電壓為交流的1.3倍左右，即208～299 V，得到Nmin=7.8，取整為8。

兼顧開關(guān)管和整流二極管的電壓應(yīng)力以及用于14～21 V 可調(diào)電壓，根據(jù)仿真及經(jīng)驗(yàn)，選取次級(jí)的匝數(shù)為3，所以變壓器選擇的匝比為8∶3∶3。

2.3 基于SG3525芯片的電路設(shè)計(jì)

采用SG3525[16-17]芯片作為驅(qū)動(dòng)控制主芯片，芯片具有雙路互補(bǔ)輸出電壓控制、軟啟動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地使用在單端雙端等多種開關(guān)電源中。15 腳為工作電源，工作電壓為8～35 V，該實(shí)驗(yàn)選用的工作電壓為15 V；12 腳為信號(hào)地；8 腳為軟啟動(dòng)，通過外接電容實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)；16 腳為基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可達(dá)到（5.1±1%）V，可作為外部基準(zhǔn)電源使用；5、6 腳為C6、R4，通過外接電容電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)；7 腳為放電回路，通過5、7 腳之間的電阻改變放電回路，控制死區(qū)時(shí)間；13 腳為輸出偏置電壓輸入腳；11、14 腳為推挽互補(bǔ)輸出；9 腳作為補(bǔ)償腳可以實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)控；1、2 腳為誤差放大器的輸入端，其中1 腳為反相輸入端；10 腳為外部信號(hào)關(guān)斷，可以與保護(hù)電路連接，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。實(shí)驗(yàn)中采用的電路拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)控制原理

振蕩頻率由5、6 和7 腳控制，可以表示為：

C6、R4、R5的值分別取680 pF、20 kΩ、200 Ω，由式（3）可知頻率為100 kHz。利用16 腳輸出的5.1 V 輸出基準(zhǔn)電源通過電阻分壓實(shí)現(xiàn)9 腳電位的可調(diào)，從而控制電路的占空比，在9 腳輸入端前加入100 kΩ左右的電阻，進(jìn)行阻抗調(diào)節(jié)，很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)9 腳電位的控制。1 腳接采樣電阻，實(shí)現(xiàn)限流調(diào)節(jié)；2 腳通過電阻分壓接入一個(gè)電位，從而調(diào)整1 腳的反饋靈敏度；10 腳接變溫電阻的一端，當(dāng)散熱片溫度大于90 ℃時(shí)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，從而防止電源過熱；11、14 腳外接推挽式電路，大大提升電路的電流電壓驅(qū)動(dòng)能力，通過耦合變壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高壓和低壓的隔離，很好地保護(hù)驅(qū)動(dòng)芯片不受直流母線高壓的影響。利用二極管和三極管組成負(fù)沖吸收電路，降低因?yàn)樽儔浩黢詈蠋淼拿}沖電位的影響，進(jìn)一步改善控制輸出波形。

2.4 輸入整流電路

直流整流濾波電路對(duì)于開關(guān)電源是十分重要的部分，實(shí)驗(yàn)中其由整流橋和電容組成，整流橋由4 個(gè)導(dǎo)通壓降很小的二極管組成，低導(dǎo)通壓降可以減少整流過程中功耗的損失。電容采用電解電容和無極性電容，不同的容值可以減少高頻和工頻對(duì)整流濾波后的電流的影響。

2.5 EMI濾波器

實(shí)驗(yàn)中采用的EMI 濾波設(shè)計(jì)如圖4 所示，C1、C5為X 電容，用來減少差模信號(hào)的影響。C3、C6為Y 電容，用來減少共模信號(hào)的影響。L1為共模扼流線圈，分別接在火線和零線上，當(dāng)有共模電流時(shí)，兩個(gè)線圈產(chǎn)生同向的磁場，加大了電路的感抗，有效地消除了共模電流對(duì)電路的影響。

圖4 EMI電路設(shè)計(jì)

L2、L3為差模扼流線圈，是兩個(gè)分別和火線、零線連接的線圈，用來抑制回路的差模信號(hào)。當(dāng)采用圖中的兩級(jí)X電容時(shí)，通常前一級(jí)X電容取值為0.47 μF，第二級(jí)X 電容一般取值為0.1 μF。對(duì)于Y 電容的選擇，原則上不能超過0.1 μF，該次設(shè)計(jì)中選取的兩個(gè)Y 電容均為2.2 nF[8]。

2.6 保護(hù)電路

評(píng)價(jià)電氣設(shè)備最重要的一個(gè)指標(biāo)就是其安全性，采用必要的保護(hù)對(duì)于電路設(shè)計(jì)是必不可少的。文中設(shè)置了過流保護(hù)、過溫保護(hù)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)。采用全波整流輸入，在輸入端通過設(shè)置外部保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)過保護(hù)，該設(shè)計(jì)采用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，根據(jù)功率以及保險(xiǎn)絲選擇的標(biāo)準(zhǔn)選用規(guī)格為4 A/250 V 的保險(xiǎn)絲，可以很好地實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。同時(shí)采用壓敏電阻，可以降低成本同時(shí)有效地降低浪涌損害。大多數(shù)電子器件的工作溫度為80～100 ℃，開關(guān)電源中三極管作為核心電子元件，設(shè)計(jì)過熱保護(hù)主要采用測(cè)量三極管表面溫度的方式進(jìn)行。芯片的10 腳電位高于2.1 V 時(shí)，輸出關(guān)斷，根據(jù)芯片特點(diǎn)設(shè)計(jì)電路，利用變溫電阻阻值隨著溫度變化的特點(diǎn)，采用變溫電阻和定值電阻構(gòu)成串聯(lián)分壓電路，將分壓的電位送入10 腳，當(dāng)溫度上升時(shí)，變溫電阻的阻值不斷減小，電位不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，輸出關(guān)斷，達(dá)到溫度保護(hù)的目的。

2.7 可調(diào)恒流反饋電路設(shè)計(jì)

在恒流電路設(shè)計(jì)中,通過采樣電阻對(duì)輸出電流信號(hào)取樣，在輸出端串聯(lián)采樣電阻，電壓經(jīng)R6與R1的串聯(lián)分壓后,從SG3525 芯片的1 腳輸入,控制占空比,進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。由于輸出負(fù)載的阻抗是穩(wěn)定的，可以通過穩(wěn)壓的方法實(shí)現(xiàn)恒流。其恒流原理是:若輸出電流偏高,通過采樣電阻得到的反饋信號(hào)也偏高,則SG3525 的1 腳電壓升高而2 腳的基準(zhǔn)電位不變，從而使誤差放大器的輸出電位降低,使輸出端占空比的寬度變窄,引起輸出電壓下降，電流達(dá)到設(shè)定電流；反之亦然。

電流大小的調(diào)整是通過9 腳也就是輔助腳實(shí)現(xiàn)的，通過利用SG3525 的5.1 V 基準(zhǔn)電位，通過電阻分壓給9 腳提供電位，從而直接控制占空比，進(jìn)而控制電流的大小。在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要在9 腳之前串聯(lián)電阻，阻值選擇100 kΩ，目的是平衡外接電路和芯片的電阻，很好地控制9 腳電位。

3 氙燈啟輝電路設(shè)計(jì)

氙燈在點(diǎn)燃期間屬于場致發(fā)射，持續(xù)放電時(shí)為熱電子發(fā)射，目前大多數(shù)啟輝裝置是基于市電設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)一款基于直流電源的啟輝裝置可以很好地實(shí)現(xiàn)減少市電的引入、減少電源的復(fù)雜性、提高安全性的目的。

直接使用開關(guān)電源的輸出電壓不足以達(dá)到氙燈的啟輝電壓，需要采用逆變升壓的方式，將電源開路電壓變?yōu)樯先f伏的高壓，用于氙燈的點(diǎn)燃，開關(guān)電源的開路電壓直接加在裝置的輸入端，利用直流逆變的方式將直流電壓進(jìn)行第一次升壓，再通過電容放電經(jīng)過線圈后進(jìn)行第二次升壓，從而實(shí)現(xiàn)氙燈啟輝。

分析氙燈從點(diǎn)燃到正常工作的過程可以發(fā)現(xiàn)氙燈的工作需要高壓點(diǎn)燃和大電流維持，該設(shè)計(jì)使用一個(gè)電源需要完成高壓到大電流的銜接。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)燃后大電流無法供給的現(xiàn)象，高壓狀態(tài)下輸出整流二極管無法導(dǎo)通，能量無法傳遞。文中利用特斯拉線圈原理進(jìn)行升壓，同時(shí)將開關(guān)電源的正極和兩個(gè)高壓變壓器的一端連接，這種連接方式可以將點(diǎn)燃高壓和開關(guān)電源的輸出直流電壓看作共模關(guān)系。點(diǎn)燃所需要的高壓和大電流的直流電壓同時(shí)存在，當(dāng)氙燈點(diǎn)燃后直流電源可以順利地供給大電流，使氙燈正常工作。

氙燈啟輝設(shè)計(jì)原理如圖5 所示。變壓器的一次側(cè)與開關(guān)管串聯(lián)，在外加脈沖信號(hào)的作用下，開關(guān)管的通斷實(shí)現(xiàn)電位的轉(zhuǎn)換。當(dāng)脈沖信號(hào)為高電位時(shí)，變壓器的二次側(cè)感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓，高壓二極管導(dǎo)通，給電容C1P 和C2P 充電，當(dāng)脈沖信號(hào)為低電位時(shí)，二次側(cè)感應(yīng)出上正下負(fù)的電壓，二極管閉合。此時(shí)電容C1P 和C2P 開始放電，通過P 的放電構(gòu)成閉合回路，在變壓器T2P 的下端產(chǎn)生高壓點(diǎn)燃氙燈。通過控制脈沖電路的占空比可以控制T1P 二次側(cè)的電壓大小，從而找到最合適的點(diǎn)燃電壓，延長氙燈壽命。

圖5 氙燈啟輝設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中將變壓器T1P 和T2P 的一端與開關(guān)電源的高電位連接，很好地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃的高壓和電源電壓的隔離，減少高壓對(duì)于電源的沖擊，利用開關(guān)電源的輸出電容較大,可以很好地保證由點(diǎn)燃到持續(xù)放電的維弧電流的實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃放電一體。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無負(fù)載時(shí)輸出開路電壓為70 V，當(dāng)負(fù)載為氙燈時(shí)，輸出端的電壓為15～21 V，電流為15～20 A 可調(diào)；負(fù)載最大時(shí)效率可達(dá)87%，紋波系數(shù)為3%，基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖6 為變壓器二次側(cè)的輸出波形，整流管都有RC吸收電路，波形振蕩很小，提高了效率。圖7 為電源實(shí)物圖，采用驅(qū)動(dòng)輸出和電源輸出分開布局并通過金屬板進(jìn)行電磁隔離，很好地減少了電磁干擾。圖8 為氙燈正常工作時(shí)的實(shí)物圖，氙燈啟動(dòng)容易，電路恒定，發(fā)光穩(wěn)定。

圖6 變壓器二次側(cè)波形

圖7 電源實(shí)物圖

圖8 氙燈系統(tǒng)工作實(shí)物圖

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一款單一電源工作的氙燈電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)減少了氙燈電源系統(tǒng)對(duì)其他設(shè)備的影響，高效率地實(shí)現(xiàn)了對(duì)氙燈的穩(wěn)定供電。采用半橋式開關(guān)電源滿足高效率、低成本的需求，通過優(yōu)化啟輝電路，很好地實(shí)現(xiàn)了氙燈電源的改進(jìn)，減少了電磁干擾，簡化了啟輝電路，實(shí)現(xiàn)了高低壓的隔離，增加了電源的安全性。