等離子清洗用諧振電源混合調制技術研究

薛家祥　丁度焓

摘要：針對現有等離子體放電電源及其控制系統低效率和高成本的缺點，該文以串聯諧振型高頻高壓電源為研究對象，對不同的控制模式進行研究，提出基于PWM-PFM混合調制的功率跟蹤控制策略。同時，對感性和容性兩種控制模式進行對比，根據IGBT的關斷特點和工作頻率，提出高功率欠諧振和低功率過諧振的工作模式，解決等離子清洗用電源在高頻率下功率因數低、開關損耗大的問題。實驗結果表明：混合調制策略能夠有效降低IGBT的損耗，使整機效率提高0.65%～5.51%;在相同工況下，將設備的調功范圍從600～950W提升到550～1000W，使得等離子清洗機的清洗對象更為豐富，更容易推廣。

關鍵詞：電源控制系統;等離子清洗;混合調制;諧振

中圖分類號：TN86

文獻標志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）03–0121–06

Research on hybrid modulation technology of resonant power supply for plasma cleaning

XUE Jiaxiang， DING Duhan

（School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China）

Abstract： In order to solve the problem of low efficiency and high cost of the current plasma discharge power supply and its control system， this subject takes series resonant high frequency and high voltage power supply as the research object， studies the different control modes， presents a power tracking control strategy based on PWM-PFM hybrid modulation. At the same time， the inductive control mode and capacitive control mode are compared. According to the switching characteristics and working frequency of IGBT， the working mode of high power below resonant and low power over resonance is proposed， which solves the problem of low power factor and high switch stress of power supply for plasma cleaning at high frequency. The experimental results show that the mixed modulation strategy can effectively reduce the loss of IGBT and improve the efficiency of the whole machine by 0.65% to 5.51%. In the same working condition， the power adjustment range of the equipment is raised from 600-950 W to 550-1 000 W， which makes the cleaning objects of plasma cleaning machine more abundant and easier to spread.

Keywords： power control system; plasma cleaning; hybrid modulation; resonance

0 引言

近年來，低溫等離子體在許多工程領域（如材料制備、材料改性、醫藥和電子）都具有重要的應用價值[1-2]。其中，等離子清洗由于其處理過程干燥、綠色環保、無有害溶劑、效率高和改善表面性能等優點，成為學科研究的熱點。但由于目前市場上的高壓低溫等離子體諧振電源系統及其控制方式都不同程度的存在著低效率和高成本的問題，嚴重影響了它的進一步推廣[3-4]。

目前常見的等離子電源系統控制方式有脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）、脈沖頻率調制（pulse frequency modulation，PFM）、脈沖幅度調制（pulse amplitude modulation，PAM）和脈沖密度調制（pulse density modulation，PDM）等[5]。PWM控制方式盡管在調節系統輸出功率上有優勢，但存在著不易構造軟開關，高頻損耗大，難以控制系統的工作狀態等缺點;PFM控制方式控制簡單，容易調節系統的工作狀態，但由于其功率因數低，調功范圍窄，制約了它的應用范圍;PAM控制模式則由于其采用相控整流，電路復雜，難以得到大面積推廣;PDM控制模式容易構造軟開關，但是它是有級調功，閉環穩定性較差、響應較慢，不太適用于等離子清洗用電源系統[6-7]。

針對上述傳統控制方式的優缺點，本文提出一種基于串聯諧振拓撲的PWM-PFM混合調控的控制方式，旨在結合PWM和PFM兩者的優點，使系統既可以方便迅速地調節功率，又可以控制系統的工作狀態，同時還保證系統具有足夠寬的調功范圍，使得等離子體的清洗對象更加豐富。

1 總體結構與工作原理

等離子清洗系統的總體結構如圖1所示，主要包括：系統的主電路、包含PWM-PFM混合控制算法的控制電路以及噴射出等離子體的負載槍頭。

系統首先將電網的220V交流電通過二極管組成的整流電路，然后經過π型濾波電路，得到平滑的310V直流電，作為IGBT全橋逆變電路的輸入。全橋逆變電路將直流電轉換為頻率和脈寬可調的正負方波并輸出至諧振變壓器，變壓器的二次側輸出高頻高壓電，通過負載槍頭放電，噴射出能量可控的等離子體用于清洗。

檢測電路對系統的電壓、電流及溫度等進行實時采樣，經過信號調理電路后反饋到控制芯片，芯片根據采樣的信號進行動作和控制，保證系統工作的可靠安全和穩定。控制芯片STM32F103根據使用者設定的功率和控制算法，輸出PWM-PFM方波給驅動電路，以此來控制IGBT的通斷。人機交互界面則是數據監控和功率調節的窗口，通過面板可以瀏覽設備當前的工作電壓、電流和頻率等關鍵信息，還可以設定等離子發生器的輸出功率。

負載槍頭負責產生并噴射出等離子體，其工作原理如圖2所示。槍頭本質上就是極間電容的空氣不斷被擊穿的過程，擊穿電容產生等離子體需要在槍頭施加高頻高壓電，而高頻高壓變壓器通常漏感很大，如果采用傳統的方式則會使系統的輸出功率受到很大的限制。因此，該電路拓撲利用變壓器的漏感和負載槍頭的等效電容進行串聯諧振，從而產生等離子所需的高頻高壓電。

由等離子清洗系統的工作原理可知，只要對施加的高頻高壓電的占空比進行調控，就可以控制輸出等離子體的功率。這就是PWM控制相比于PFM控制的優勢。

2 工作狀態分析

圖3為系統的負載等效電路圖，相當于一個串聯諧振，其負載阻抗為

式中：f——負載工作頻率，Hz;

L——負載電路的總電感，H;

C——負載電路的總電容，F;

R——負載電路的總電阻，Ω。

串聯諧振電路的功率因數為

其中ω為負載的工作角頻率，rad/s。

等效電路的諧振頻率和角頻率分別為

系統輸出功率為

當負載處于諧振狀態時，輸入電壓和電流同相位，即

根據式（1）～式（6），負載處于諧振狀態時，阻抗Z=R，電路的功率因數cosφ=1，輸出功率P0=UINI0。

初次級電感比、電容比和匝數比的關系分別為

本系統所設計的變壓器初級漏感L1=92μH，變壓器次級漏感L2S=24mH，槍管電感L3S=9.5mH，槍頭電容容值CS=322.5pF，初次級變壓器匝數比NP=40，代入式（7）和（8）可得：

NS416次級等效漏感為

槍管等效電感為

槍頭氣隙等效電容為

則參與諧振的總電感為

將電感和電容數據帶入式（3），可得初始諧振頻率為

當工作頻率小于42.52kHz時，系統處于欠諧振狀態，負載呈容性，此時電流超前電壓，電流先于電壓換向，即開關管關斷時電流先于電壓減小到零，所以開關管為零電流關斷，大電流開通。

當工作頻率在42.52kHz時，系統處于諧振狀態，負載呈純阻性，此時電流和電壓同相，阻抗最小，電流最大，輸出功率達到最大值，功率因數為1，但開關管無論開通或關斷都是硬開關。

當工作頻率大于42.52kHz時，系統處于過諧振狀態，負載呈感性，此時電流滯后電壓，電壓先于電流換向，即開關管關斷時電壓先于電流減小到零，所以開關管為大電流關斷，零電流開通[8]。

由上述分析可知，只要對施加的逆變方波電源的進行調頻，就可以針對不同的工作條件，對系統的工作狀態進行控制，從而減小電路的功耗，提高系統的效率。這就是PFM控制相比于PWM控制的優勢。

3 控制策略

3.1 分階段控制策略

全橋逆變的開關管常選用場效應晶體管MOSFET或絕緣柵雙極型晶體管IGBT。由于本系統的最大輸出功率為1000W，因此，必須選用耐壓和耐流特性更好的IGBT作為本系統全橋逆變的開關管。

不同于MOSFET，IGBT是雙極型器件，由少數載流子導電。其關斷過程可分為兩個階段：第一個階段是其內部的MOSFET關斷過程，此時集電極電流迅速下降，該過程時間較短;第二個階段是內部PNP晶體管關斷過程，此時N基區內少子復合緩慢，關斷時有明顯的電流拖尾現象，該拖尾電流與已經建立的集電極電壓會產生很大的重疊面積，所以較長的電流下降時間會產生較大的關斷損耗。因此，IGBT適合應用在開通損耗較大、關斷損耗較小的容性工作狀態下。

圖4為IGBT的推薦負載電流和工作頻率關系圖。當系統高頻工作時，尤其是在硬開關條件下，推薦的負載電流值較小，若系統長時間工作于高頻且IGBT承受大電流時，會產生很高的耗散功率，嚴重影響系統的效率。

基于上述IGBT電流拖尾效應和IGBT的頻率-電流關系圖，對等離子清洗電源采用分階段控制策略：當系統工作于高功率時，此時電流較大，采取降頻方式，使其工作在弱容性狀態，以此讓IGBT能夠零電流下關斷，從而減小IGBT的損耗;當系統工作在低功率時，此時負載電流較小，電流拖尾引起的損耗也較小，可以讓其工作在過諧振狀態，方便負載槍頭起弧，即犧牲小部分的效率，換取起弧的成功率，從而使系統能夠工作在更低功率，系統的輸出功率更寬，應用范圍更廣[9-10]。

3.2 基于PWM-PFM

混合調控的功率跟蹤算法基于傳統控制方式的優缺點，本系統采用PWM-PFM混合調控的功率跟蹤算法。系統首先根據用戶設定的功率分配一個初始占空比和頻率。占空比的設定是根據設定的功率進行分配的，而頻率是為了保證大功率時系統處于欠諧振狀態，而低功率時處于過諧振狀態。

但由于氣流速度、大氣壓和槍頭溫度等其他外部影響因素，由初始占空比和頻率得到的輸出功率往往不精確，需要進行進一步的調控。

若系統的實際輸出功率和設定功率差值在50W以上時，系統進行PWM調節：如果實際輸出功率大于設定功率，則增加占空比;如果實際輸出功率小于設定功率，則減小占空比。

當差值在50W以內時，系統改用PFM進行調節，本文采用功率跟蹤算法，即不斷檢測系統增頻或減頻后，系統的功率是往增加還是減小的方向進行。如果系統需要增加功率，而增加頻率的結果使功率增加，則繼續增加頻率，否則減少頻率。如果增加頻率使功率減少，則下一個周期系統會做相反的動作，即減少頻率。如果系統需要減少功率，則調控邏輯與上述過程相反。

同時，算法對系統的工作頻率、死區時間和占空比進行限制，對系統的電流、電壓和溫度的異常迅速進行保護動作，保證系統全程工作的安全可靠和穩定。

4 測試結果及分析

4.1 PWM-PFM混合調控和純PWM調控對比

圖5為PWM-PFM混合調控和純PWM控制兩種控制方式的效率曲線對比圖。其中設定功率為550W時，PWM的數據缺失是因為槍頭起弧不成功。由圖可知，采用PWM-PFM混合調制總體效率要比PWM高，整機效率提升了0.65%～5.51%。尤其當設備工作在高功率和低功率時候，兩者效率的差值更大。這是因為固定頻率而單純進行PWM控制，無法控制其工作在感性、諧振或者容性狀態。而當氣流速度、氣壓強度或工作溫度發生變化時，系統的諧振頻率會隨之產生變化，則PWM無法調頻的劣勢會更為明顯。

4.2 PWM-PFM混合調控和純PFM調控對比

圖6為PWM-PFM混合調控和純PFM兩種控制方式下，實際輸出功率與設定功率的符合程度。數值越接近1則表明實際功率越符合設定功率。由圖可知，在低功率和高功率時，兩種不同的控制方式都不同程度地偏離了設定功率，PFM調控的情況更為嚴重，這是因為單純調頻的控制方式，其調功范圍有限，系統難以匹配到設定的功率。而且，PFM控制方式容易使頻率接近極限值，遠離系統的諧振頻率，使負載處于強感性或強容性，從而影響系統的工作效率。

在實際的工業應用中，若實際功率比設定功率大太多，則會損害清洗對象;若實際功率比設定功率小太多，則清洗效果太差。本實驗以實際功率和設定功率之比為0.9～1.1作為系統的可接受范圍。根據該標準，則采取混合調制取代PFM調制，能有效將調功范圍從600～950W提升到550～1000W。

4.3 電路關鍵點波形

圖7為系統的設定功率為900W時，IGBT全橋臂的驅動波形。圖中橫坐標為時間，每格代表10μs。縱坐標為電壓，每格代表5V。藍色曲線為超前驅動信號，紫色曲線為滯后驅動信號，兩路驅動信號呈現中心互補對稱，即相移180°，頻率為28.04kHz，占空比24.52%，死區時間在8.6μs左右。頻率、占空比和死區時間都在程序設定的極限值之內，符合要求。

圖8和圖9分別是系統工作在大功率時，感性和容性狀態下，諧振變壓器一次側的電流和電壓波形。圖中橫坐標為時間，每格代表10μs。綠色曲線為電流波形，其縱坐標為電流，每格代表10A。紫色曲線為電壓波形，其縱坐標為電壓，每格代表500V。由圖可知，容性狀態下，電流超前電壓，電流在IGBT關斷前已經下降到零，即零電流關斷，從而有效降低了IGBT的損耗。感性狀態下，電流滯后電壓，在IGBT關斷后，電流才下降到零，為有電流關斷，增加了IGBT的開關損耗。波形符合上述的理論分析。

圖10為負載高壓端和驅動的電壓波形，圖中橫坐標為時間，每格代表10μs。藍色和紫色曲線為驅動電壓波形，其縱坐標為電壓，每格代表10V。綠色曲線為高壓波形，其縱坐標為電壓，每格代表5kV。當有驅動信號作用時，槍頭電容充電，負載高壓端電壓隨之升高，直至達到擊穿電壓。空氣被擊穿產生電弧后，等效于電容通過并聯電阻放電，電容電壓下降。此時電弧在氣流的作用下越吹越長，同時槍頭內的等離子濃度增加，電阻下降，所以電壓下降，電流增大，直到再也無法維持該電弧，在波形上表現為一個較緩的平臺[11-12]。當另一對橋臂的驅動信號作用，電壓又從低值上升到負的高值，如此循環反復，被擊穿的電弧被施加的氣體不斷從槍頭吹出，產生等離子體[13]。

5 結束語

本文在介紹了等離子清洗電源系統的基礎上，通過分析PWM和PFM各自調制的特性，采用PWM-PFM混合調制的控制策略，結合了兩者的優點，使得整機效率得到提升;同時保證了系統具有較寬的調功范圍，增加了等離子電源的作用對象和應用場景;根據IGBT的電流拖尾效應及工作頻率和電流關系，提出低功率過諧振和高功率欠諧振的控制方式，減小了IGBT的損耗，提升了系統的效率。試驗的結果驗證了上述理論分析是正確的，并且具有可行性。

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（編輯：商丹丹）