陳禮俊，蘭志勇

　　（湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院,，湖南 湘潭 411105）

       摘要：針對(duì)高壓電源在不同場(chǎng)合對(duì)輸電等級(jí)與輸電功率的不同需求,，設(shè)計(jì)了一種輸電可調(diào)且功率等級(jí)不定的新型高壓直流電源。在電源前級(jí)引入Zeta斬波電路,，用于調(diào)節(jié)前級(jí)直流電壓,。電源以SG3525為控制核心，通過過流,、過壓反饋回路,，保證電源工作穩(wěn)定。電源后級(jí)由半橋逆變,、高頻升壓,、倍壓整流3部分組成，并在其中引入高頻,，有效地減小設(shè)計(jì)電源的體積,。該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓8～12 kV可調(diào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,，該設(shè)計(jì)電源輸電穩(wěn)定,、紋波電壓小、負(fù)載能力強(qiáng),，滿足高壓除塵電源的要求,。

　　關(guān)鍵詞：高壓電源;SG3525; Zeta斬波

0引言

　　靜電除塵是一種清除大氣粉塵的有力手段之一，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家用空氣凈化,、工業(yè)油煙凈化,、醫(yī)用無(wú)塵環(huán)境、工廠車間除塵等場(chǎng)合［1-2］,。近年來(lái)隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),，以及國(guó)家對(duì)粉塵排放新標(biāo)準(zhǔn)的施行，客觀上對(duì)靜電除塵提出了更高的要求,。作為靜電除塵裝置中關(guān)鍵部分的高壓直流電源,，更是向著如何更加節(jié)能高效的方向發(fā)展，以提升靜電除塵的性能,。

　　靜電除塵電源是靜電除塵系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分,，其性能直接影響除塵器的除塵效果。本文設(shè)計(jì)了一種新型高壓除塵電源,，通過調(diào)節(jié)電源前級(jí)斬波電路的占空比,，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出級(jí)電壓的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高壓隔離調(diào)節(jié),。同時(shí)在處理電壓,、電流過大,，或者欠壓等實(shí)際問題上，電源中設(shè)計(jì)多級(jí)電壓,、電流反饋保護(hù)回路,。

1高壓電源整體結(jié)構(gòu)

　　電源電路可分為主電路和保護(hù)控制回路。

電源工作原理：220 V/50 Hz市電先經(jīng)全橋整流電路變?yōu)?10 V左右直流電,，再通過Zeta斬波電路得到240～360 V可調(diào)的直流電壓,。然后直流電壓經(jīng)半橋逆變變?yōu)楦哳l交流電，最后通過高頻變壓器以及倍壓整流電路得出所需要的直流高壓,。同時(shí)電源通過電流,、電壓反饋電路智能調(diào)節(jié)輸電，使電源工作穩(wěn)定,。

2高壓電源設(shè)計(jì)

　　主電路主要由整流濾波電路,、Zeta斬波電路、半橋逆變電路,、高頻升壓電路以及倍壓整流電路組成,。在設(shè)計(jì)倍壓電路時(shí)，鑒于多級(jí)倍壓電路存在紋波大,、輸電不穩(wěn)等缺點(diǎn),，因此決定采用二倍壓電路。

　　2.1Zeta斬波電路原理

　　Zeta電路的應(yīng)用是電源能實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)的重要部分,，圖2為Zeta斬波電路,。圖中實(shí)線箭頭表示S開通時(shí)的回路，虛線表示的是S關(guān)斷時(shí)的回路,。

　　電路中取電感L1和L2的值相等,，而且電感工作在電流連續(xù)狀態(tài)［14］。當(dāng)S開通,，ESL1,、ESC1L2負(fù)載（C2和R）構(gòu)成回路；當(dāng)S關(guān)斷,，L1VDC1,、L2負(fù)載（C2和R）VD構(gòu)成回路。當(dāng)電容C1足夠大,，UC1的脈動(dòng)很小,，可以認(rèn)為UC1≈UC1，即得到電路工作時(shí),，Zeta電路主要工作波形圖,，如圖3所示。Zeta斬波電路基本工作原理：在S處于通態(tài)時(shí),，電源向電感L1儲(chǔ)能,。此時(shí)E與C1共同經(jīng)L2向負(fù)載供電,。待S關(guān)斷后，L1向C1充電,，并儲(chǔ)存到C1,，同時(shí)L2電流經(jīng)VD續(xù)流。由電感器件的伏秒平衡原理,，電路工作在電感電流連續(xù)時(shí),，電感電壓在一周期內(nèi)平均值為零，即：

　　式中α為開關(guān)導(dǎo)通占

　　由式(3)可得,，改變開關(guān)導(dǎo)通占空比則可以改變輸入半橋逆變的直流電壓。將占空比α控制在0.4～0.6之間,，即可保證Zeta斬波電路輸出電壓在240～360 V之間,。

　　2.2控制電路

　　控制電路主要有兩部分，即Zeta斬波控制電路與半橋逆變控制電路,。Zeta斬波電路由UC3842芯片控制,，通過調(diào)節(jié)芯片的輸出PWM占空比，即可調(diào)節(jié)斬波輸出電壓,。逆變電路由SG3524芯片控制,，經(jīng)過IR2110驅(qū)動(dòng)半橋開關(guān)管［67］。

　　UC3842芯片控制Zeta斬波電路工作,，芯片輸出PWM的頻率由外部定時(shí)器件決定,，頻率公式為：

　　f=1.8/(RT×CT)kHz(4)

　　式中，RT與CT為定時(shí)電阻與電容,。為保證斬波電路輸出可控,，設(shè)計(jì)反饋控制回路。反饋回路通過電阻采樣,，將采集的電壓信號(hào)送入由PC817與TL431所構(gòu)成的過壓反饋電路,，當(dāng)電壓輸出超過所設(shè)定范圍值時(shí)，電路開始工作,，UC3842內(nèi)部驅(qū)動(dòng)三極管電壓降低,，從而輸出PWM占空比減小，斬波電路電壓降低,，最后電壓趨于穩(wěn)定,。圖4為UC3842控制電路。同時(shí)為防止電壓異常,，將芯片3腳及電流檢測(cè)輸入端接入反饋電路,，如斬波電路持續(xù)異常升高，將封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖,，UC3842芯片停止工作,。

　　SG3525為半橋逆變電路的控制芯片,，通過產(chǎn)生的PWM控制著電路的逆變頻率［7-8］?？刂泼}沖信號(hào)PWM的頻率可由下式得到：

　　式中CT為接在5腳的定時(shí)電容,；RT為接在6腳的定時(shí)電阻；RD為接在5腳與7腳之間的放電電阻,。取CT=2.2 nF,，RT=25 kΩ，RD=300 Ω,，代入上式得：振蕩輸出頻率為30 kHz,，則PWM輸出頻率為15 kHz。軟啟動(dòng)電容端接入4.7 μF的電容,，當(dāng)電容充電使其8腳處于高電平時(shí),，SG3525才正常工作。2腳電壓固定在5.1 V,。芯片1,、2、9腳及外圍電路構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器,，其輸出與5引腳鋸齒波和軟啟動(dòng)電容一起控制PWM產(chǎn)生器產(chǎn)生方波,。引腳11、14輸出兩路互補(bǔ)的PWM,，但輸出的PWM無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)半橋開關(guān),，因而必須利用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110來(lái)控制半橋逆變。圖5為SG3525控制電路,。

　　過壓保護(hù)電路通過可調(diào)精密電阻采樣,，將其采樣到的信號(hào)輸送到線性光耦TLP5211中。當(dāng)采樣電壓過高時(shí),，此時(shí)由TL431與TLP5211構(gòu)成的反饋電路工作,，進(jìn)而使光耦輸送給SG3525芯片10腳一個(gè)高電平，芯片立即停止工作,，11腳和14腳輸出的PWM立即消失,，逆變電路停止工作，變壓器無(wú)輸出,，達(dá)到過壓保護(hù)的目的,。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　實(shí)驗(yàn)采用UC3842芯片來(lái)控制Zeta電路的電壓輸出，采用SG3525為逆變控制器,，用于直流變換高頻交流,。二者在電源中相互獨(dú)立，但功能上互補(bǔ)，共同保證輸電穩(wěn)定,。

　　圖6是電源斬波電路輸出電壓波形,，由圖可知Zeta電路輸出電壓為直線，表明電路工作穩(wěn)定,。

　　圖7是電源電路逆變輸出電壓波形,，逆變方波電壓幅值相同，表明各電容電壓在逆變中電壓穩(wěn)定,。

　　圖8為電源運(yùn)行最終輸出電壓波形,，電源輸出電壓高，輸電紋波小,，符合高壓除塵電壓供電要求,。

4結(jié)論

　　本文提出利用Zeta斬波電路對(duì)前級(jí)輸入電壓進(jìn)行升降壓調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)高壓輸出的目的,。分析了電路的工作原理,，給出了相關(guān)控制方法。通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

　?。?）前級(jí)采用Zeta電路，電源能穩(wěn)定輸出8～12 kV DC,。即對(duì)低壓斬波電路的控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓輸電等級(jí)的有效控制,；

　　（2）電源電路對(duì)輸入過壓,、欠壓具有一定的自保護(hù)功能,；

　　（3）電源中引入高頻變壓器,，有效地減小了設(shè)計(jì)電源體積,、重量和成本，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值,。

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