低溫等離子體消毒滅菌設備電源的研究與設計

湖南鐵道職業技術學院電氣工程系 劉紅兵

1.引言

將等離子體技術用于消毒滅菌技術上具有極高的潛在應用價值。因而要求等離子體發生器具有體積小，重量輕，易于控制和高可靠性的特點。作為等離子體發生器中一個重要的組成部分——等離子體高壓電源則起到關鍵作用。它的性能在很大程度上影響等離子體發生器的性能。傳統的高壓電源因體積和重量都大，且性能不好，滿足不了實際應用的需要。隨著電力電子技術和開關器件的發展，高壓逆變電源的高頻化及脈寬調制波形改善技術使得高壓電源的性能成倍提高，體積成倍減小，應用范圍越來越廣。針對等離子體高壓電源的特殊要求，本文將SPWM脈寬調制技術用于該電源設計中，使它具有原理簡單、控制和調節性能好，具有消除諧波、調節和穩定輸出電壓等諸多特點，研制了一臺單相輸出電壓可調、頻率連續可調的等離子體高壓電源。

2.等離子體電源的結構與原理

在低溫等離子體電源中，系統總體電路結構主要由主電路和控制電路兩部分組成，其總體電路結構方案見圖1。其中，主電路由工頻單相半控整流濾波電路、直流斬波電路、SPWM控制的DC/AC高頻逆變電路、LC濾波電路及高頻升壓電路組成。控制電路由SPWM產生的電路、隔離驅動電路、基準正弦波電路、頻率調節電路、過流保護電路、過壓保護電路以及相應的顯示電路組成。

在系統主電路中，單相交流電經低頻半控橋式整流之后進行大電容濾波，得到較平滑的且電壓大小可調的直流輸出電壓，經H橋電壓型逆變電路以及低通濾波器，轉換成脈沖電壓并通過功率變壓器提升電壓值，從而最終得到50kHz的高頻正弦波。

3.等離子體電源的研究與設計

3.1 工頻整流濾波電路的研究設計

在常規的開關穩壓電源中，通常是對交流220V市電直接不可控整流濾波從而得到電壓不可調的直流電壓。本設計根據等離子體電源需要輸出電壓可調的要求，選擇了由晶閘管構成的通過改變a觸發角來改變輸出電壓的大小的單相橋式可控整流電路。而在實際應用中遇到較多的等離子體消毒滅菌設備大多是電感性負載，即含有電感，又含有電阻。這里電感性負載采用串聯的電感元件L和電阻元件R來表示，電路如圖2（a)所示。電路中由于電感性元件的存在，電流i0不能發生躍變，在電源電壓U2的正半周，V1、V4承受正向電壓，當ωt=α時，控制極加上觸發脈沖UG，令晶閘管V1觸發導通，續流二極管V5承受反向電壓而截止。電流流經V1、L、R、V4，輸出電壓U0=U2。

晶閘管剛觸發導通時，由于電感元件產生阻礙電流變化的感應電動勢，電路中的電流不能躍變，將由零逐漸上升。當電流到達最大值時，感應電動勢為零，而后電流隨U2沿正半周減小，電感感應電勢改變極性，和U2相同。由于是大電感負載，所以負載電流i0連續并近似為一直線，這時V2和V3因承受反向電壓而處于阻斷狀態。在u2過π進入負半周時，V3承受正向電壓而導通，V4承受反向電壓而截止。為避免失控現象，在負載兩端并聯一個續流二極管V5。電路的工作波形如圖2（b）所示。

參照電路工作波形圖，可計算推導出如下數量關系：

輸出電壓平均值UO(AV)

晶閘管與整流二極管電流的平均值IV1(AV)、IV2(AV)與有效值IV1、IV2

圖1 等離子電源總體電路結構圖

圖2 單相半控橋感性負載電路及工作波形圖

圖3 逆變電路的基本工作原理

圖4 電壓型逆變電路原理圖及波形圖

圖5 SPWM波形圖

續流二極管電流的平均值IV5(AV)與有效值IV5

變壓器二次繞組的有效值I2

其次，由于本設計中電源是要產生小負載電流的高頻高壓電源，故采用電容濾波為宜。

3.2 脈寬調制（SPWM）型逆變電路的研究設計

逆變器是將直流變為定頻定壓或調頻調壓交流電的變換器，傳統方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路來實現，電路如圖3所示。當S1、S4閉合，S2、S3斷開，輸出U0為正，反之，當S1、S4斷開，S2、S3閉合，輸出為負，這樣就把直流電變成交流電。若改變兩組開關的切換頻率，可改變輸出交流電的頻率。當負載呈電阻性時，電流和電壓的波形相同；負載呈電感性時，電流和電壓的波形不相同，電流滯后電壓一定角度。

在實際中由于電壓型逆變電路使用器件較少，結構簡單而得到廣泛的應用，電路如圖4所示。在阻感負載RL的條件下，0≤θ≤ωt期間，VT1和VT4有驅動信號，電流i0為負值，VT1和VT4不導通，D1、D4導通起負載電流續流作用，U0=+ Ud。θ≤ωt≤π期間，i0為正值，VT1和VT4才導通。π≤ωt≤π+θ期間，T2和T3有驅動信號，由于電流i0為負值，T2、T3不導通，D2、D3導通起負載電流續流作用，U0=- Ud。π+θ≤ωt≤2π期間，T2和T3才導通。

圖6 系統總設計圖

但是由于上述電路含有較大成分的低次諧波等缺點，近十余年來，隨著電力電子技術的迅速發展，全控型快速半導體器件BJT，IGBT，GTO等的發展和PWM的控制技術的日趨完善，使SPWM逆變器得以迅速發展并廣泛使用。PWM控制技術是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術，SPWM控制技術又有許多種，并且還在不斷發展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬PWM法，正弦波PWM法（SPWM法），磁鏈追蹤型PWM法和電流跟蹤型PWM法，其中利用SPWM控制技術做成的SPWM逆變器能同時實現調頻調壓，且系統的動態響應不受中間直流環節濾波器參數的影響。

根據逆變計算原理，調制比M=Urm/Ucm，其中，Urm為調制正弦波的幅值，Ucm為調制三角波（載波）幅值。輸出電壓Uo的基波頻率F1等于正弦波（調制）的頻率Fr，輸出電壓的大小，由調制比M決定，是一個半波對稱的齊函數，用傅立葉級數展開：

根據平均值模型分析法，當Fc>>Fr時，輸出電壓Uo在一個周期Tc中的平均值，可以近似的看成輸出電壓基波電量的瞬時值。即如圖5所示，Uo（AV）=Uo1（當Fc>>Fr）。

每個載波周期Tc有一個脈沖電壓，其寬度為τ。則脈沖電壓在一個載波周期中的平均值為Ud/Tc。因為脈沖數是很多的，在一個載波周期正弦波的Ur=Ursinωt，變比很小，設其中心點αK的相位角為αK，則在一個載波中可以認為Ur為恒值，即Ur=Urmsinωt可得τ/2/Tc/2=ED/EB=FD/AB=Ur/Ucm=Urmsinω/Ucm。周期比K個脈沖電壓的平均值：

Udτ/Tc=Urmsinω/Ucm由Uo（AV)=U01（Fc>>Fr)和M=Urm/Ucm，瞬時值：U01=Udτ/Tc=Ud*Urm/Ucm*sinαk=UdM sinαk，在SPWM調制方式下逆變輸出電壓的基波的有效值U01=M Ud/√2，改變調制比M，即改變正弦波的調制信號的幅值Urm就可以調控輸出基波電壓值。當調制比M大于或等于1時輸出電壓基波的幅值與調制比成正比，呈現嚴格的線性關系，此時SPWM控制的單相逆變電路輸出的最大電壓幅值為Ud，最大有效值為Ud/√2=0.707ud。由U01=Udτ/T c=U d*U r m/U c m*s i nαk=U d M sinαk。可以看出輸出電壓的頻率相位就是由正弦波調制信號來調控的。

本設計采用PWM控制/驅動器IC芯片是LM4651，它內置振蕩器、PWM比較器、誤差放大器、反饋測量放大器、數字邏輯與保護電路及驅動器等，系統總體電路如圖6所示。LM4651具有內部軟啟動功能，該軟啟動功能可保證系統的可靠和協調啟動，在啟動周期內，系統保持待機模式。啟動時間的調節可通過連接到START腳的電容（CSTSRT）來控制。

當輸入信號幅值高于內部三角波時，過調制條件發生，如果缺少過調制，將導致功率MOSFET永久性毀壞。在正統波頂部，過調制保護還提供一個軟削波（soft clip）型響應。對于給定的相同的電壓和負載，這種限幅將使輸出功率降低。反饋放大器用來進行差動取樣輸出信號并為誤差放大器提供一個單端反饋信號，反饋信號直接取自LC濾波器之前的開關輸出，從而避免了輸出濾波器引起的相移。來源于橋式輸出的差動信號經單極點或雙極點的RC濾波器進入到作為反饋放大器使用的高輸入阻抗測量放大。反饋測量放大器的內部固定增益為1。

4.結語

本文針對等離子滅菌設備的特殊要求，提出了新型的等離子電源結構以及系統主電路、控制電路的設計方案。采用SPWM技術控制的等離子電源，具有結構簡單、造價低、電能利用率高等優點。

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