一種應用于等離子體氣化裝置的高壓電源研制

方 航

（安徽華東光電技術研究所有限公司）

0 引言

生物質氣化是一種非常復雜的熱化學反應過程，由于全球氣候影響和能源需求，越來越受到關注［1］，其中等離子體氣化技術作為一種新方法已廣泛應用于廢物處理及垃圾焚燒等領域［2－4］。隨著技術產業化密布，各個領域對等離子體氣化裝置的要求越來越高，裝置中高壓電源系統設計趨向于集成化［5］，使得基準源不僅要求輸出電壓精度高，而且器件封裝尺寸要減小，來實現模塊的小型化，提高系統的組裝密度，從而提高整個裝置的穩定性。本文提出了一種高壓電源模塊的設計方法，能夠穩定輸出0～540V直流電壓信號，成本低，滿足小型化以及可靠性的要求，同時設計濾波電路并對整個模塊進行環境試驗，最終為等離子體氣化裝置的高壓電源系統提供一個穩定可靠的基準源。

1 電源設計

1.1 總體設計

高壓電源模塊是等離子體氣化裝置中高壓電源系統的關鍵模塊之一，對整個系統的影響很大，必須穩定可靠。在實際工程應用中，要求輸入電壓＋12V，控制電壓0～2.5V，輸出電壓0～540V，誤差小于±4%，且與控制電壓呈線性關系，而且在－55～70℃溫度范圍內，輸出電壓漂移小于±5V。整個模塊中升壓電路的設計尤為關鍵，本文設計一種脈沖寬度調制（PWM）的單端反激式變換器來滿足技術要求。輸入電壓＋12V一方面為單端反激式變換器的變壓器提供初級電壓，同時也給PWM控制器供電，控制電壓通過穩壓電路進入由運放構成的同相積分電路正端，負端輸入是對輸出電壓進行采樣得到，通過比較再積分輸出電壓作為PWM控制器的閾值電壓，從而改變PWM控制器輸出脈寬的大小，使得變換器中MOS管導通時間發生變化，以實現調節輸出電壓的目的，具體原理框圖如圖1所示。

圖1 高壓電源模塊原理框圖

1.2 電路設計

選用控制芯片、MOS管、運算放大器、穩壓芯片和變壓器等來搭建電路，具體電路原理圖如圖2所示。

圖2 高壓電源模塊電路原理圖

控制電壓首先通過R9分壓，再經過穩壓芯片U1和RC濾波進入運算放大器U3的正端，負端信號是通過由R11～R17組成的采樣電路對輸出電壓采樣獲得，兩個信號通過由運算放大器U3構成的同相積分電路實現相減的積分并送入控制芯片的5腳，即閾值電壓，當2腳的引腳電壓降到1／3閾值電壓時，3腳輸出脈沖，隨著控制器工作，電容C1開始充電，電容電壓升高，當6腳電壓升到2／3閾值電壓時，脈沖停止，閾值電壓的大小直接影響著脈沖的輸出時間。脈沖信號通過由二極管D1、D2和電阻R4的保護電路進入MOS管Q1，控制其通斷，導通時輸入電壓＋12V通過變壓器進行升壓，最終經過由二極管D3、電容C6、C7和電阻R10組成的整流濾波電路輸出電壓，采樣電路對輸出電壓進行實時采樣再反饋到同相積分電路進行調整，形成穩定的電壓輸出［6］。

2 工藝實現

2.1 工藝流程

根據高壓電源模塊的體積要求，并考慮制作成本的情況下，本文選用材質為FR－4的印制電路板，整體尺寸大小為：30.6mm×29.0mm×1.0mm。對電路板進行布局，頂層優先選擇放置高度相對較高的變壓器和電解電容，便于最終安裝到管殼內部，控制器、MOS管和運算放大器等芯片均選用塑封貼片來減小體積，底層盡量選擇封裝為0603的高精度電容電阻來保證高度一致，便于內部整體灌封。最后根據要求完成管殼和蓋板的制作，安裝粘有元器件的電路板并封蓋，整體制作的工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程圖

首先用酒精對管殼的內壁和外壁，蓋板和印制板的正反面進行清洗并吹干；然后利用點膠機在加熱平臺上將元器件燒結到印制板上，取下粘有元器件的印制板，靜置到常溫；完成以后，用黑膠將印制板與管殼粘接牢固，注意變壓器朝上，放入高溫箱進行烘干；然后用五根導線通過殼體側壁穿孔穿進模塊，分別對應其位置，用焊錫絲進行手工焊接，完成后用酒精棉擦拭焊點；再然后進行整體灌膠，先將膠體擠出灌滿殼體底部，再進行多次注入膠體，間隔期將模塊靜置三分鐘，直至膠體完全覆蓋最高的器件變壓器后停止灌膠，繼續靜置，過程中由于膠體中的氣泡散發導致膠面下降，再注入少量膠體，重復操作待穩定后放在干燥通風處自然風干；最后利用平頭螺絲將蓋板安裝在管殼上，利用打標機進行標識打印，完成整個高壓電源模塊的制作。

2.2 變壓器制作

由于本文電路設計選擇了單端反激式變換器，其中高頻變壓器的參數設計是難點，變壓器參數對變換器性能的影響很大，輕微的會導致輸出電壓不符合技術要求，嚴重的會導致MOS管損壞，因此最關鍵的如何繞制反激高頻變壓器，繞制完成后，對變壓器參數的調試同樣重要，需要經過試驗篩選，挑選出符合要求的變壓器。變壓器采用P14罐型磁心，線圈的初級20匝，線徑0.21的漆包線，次級400匝，線徑0.12的漆包線，由廠家訂做，需要增加氣隙。首先要對磁心預處理，為提高膠粘接強度和降低磁心磁導率，用磨牙機將其中一片P14磁心中心柱輕輕打磨一層，磁心橫切面均勻涂上膠水，插入線圈，兩繞組分別從磁心缺口引出；然后將另一片P14磁心插入線圈中，對齊兩片磁心位置（即缺口位置對齊），測試初級線組電感量，輕壓磁心使電感量達到270～280μH之間，放入烘箱100℃高溫烘2h，因膠水未完全固化，放入烘箱前電感量會一直變化，需反復測量電感量并調節；最后待膠水固化后，再測試初級電感量，挑選出來270～310μH之間的變壓器供反激電路使用。

3 試驗測試與結果分析

高壓電源模塊制作完成后對其進行測試，輸入電壓＋12V，當控制電壓輸入0～2.5V時對應輸出電壓為0～540V，誤差小于±4%，同時在－55℃和＋70℃恒溫半小時后測試，對應常溫數據，輸出電壓漂移小于±5V，具體實驗室實物接線圖如圖4所示。

圖4 實驗室實物接線圖

直流電源采用兩路供電，一路是輸入電壓＋12V，一路是可調的控制電壓0～2.5V，輸出端接入負載電阻，阻值500kΩ，使用數字萬用表讀取電壓值，并使用示波器觀測波形，分別在25℃、－55℃和70℃進行測試，控制電壓每增加0.2V為一個測試點，具體數據如下表所示。

表 測試數據表

通過上表測試數據可知，高壓電源模塊從－55℃到70℃輸出電壓的最大轉換誤差為3.9%，最大溫漂為－4.2V，均符合技術要求，輸出直流電壓紋波均小于50mV，穩定性高。通過比較發現，高溫對高壓電源模塊性能的影響不大，但低溫溫漂相對較大，具體電路中是通過選擇低溫漂的阻容器件以及更換更高等級的芯片得以解決。

4 結束語

本文針對等離子體氣化裝置的高壓電源系統中，對基準源提出的新要求，設計了一種高壓電源模塊，給出了設計原理和工藝實現方案，該模塊精度高、體積小、成本低，輸出穩定，并且通過了全溫區的實驗測試，可靠性高，完全滿足技術要求，目前已在某離子體氣化裝置上使用。基于該高壓電源模塊的研制，下一步將對其帶載能力進行設計加強，使其成為一種具有廣泛適用性的高壓電源模塊。