一種高壓正弦波變頻逆變電源

1 引言

目前，在臭氧發生器，污水處理，煙氣脫硫，高功率激光，等離子體放電等技術領域，高壓逆變電源正得到越來越多的應用。傳統的高壓逆變電源一般由工頻或中頻變壓器直接升壓或LC串聯諧振獲得，不可避免地具有體積大，效率低的缺點。在目前許多需要高壓電源的場合，采用遠遠高于工頻的高頻高壓電源效果更好，而且高頻電源體積小，重量輕，是未來發展的方向。本文介紹了一種介質阻擋放電發生器專用的配套高壓正弦波逆變電源。該介質阻擋放電發生器由絕緣材料和在絕緣材料兩端蝕刻而成的放電極兩部分組成，如圖1所示。在放電極間隙中加入介質層，可有效抑制放電電流的增大，有助于在介質兩端形成穩定的等離子體層。其等效電路可近似看成是電容和電阻并聯組成，這種容性負載在電源設計時必須考慮其對濾波特性的影響。為了研究在不同電壓和頻率下該放電裝置的特性，需要配套的供電電源輸出電壓和頻率變動范圍較大。就本裝置而言，對電源的要求是：輸出電壓要能達到20kV，輸出電流可達到1A，頻率變化范圍為5～20kHz，波形為純正弦。以下介紹該電源的設計要點。

(a)發生器簡圖 (b)等效電路

圖1 介質阻擋放電發生器及其等效電路示意圖

2 高壓正弦波變頻逆變電源的設計

本文所設計的高壓正弦波逆變電源原理圖如圖2所示。輸入電源為三相380V，經三相橋整流后，可得約540V的直流電壓（隨電網電壓的變化波動）。該直流電壓經過DC/DC變換器，得到一個輸出幅值可變的直流電壓，變化范圍設計為0～500V。該變換采用普通的Buck降壓變換電路即可實現。可變直流電壓經DC/AC全橋逆變電路得到方波輸出。該方波經LC濾波后可得到正弦波輸出。濾波電感由外加電感和變壓器自身漏感組成，濾波電容由變壓器自身雜散電容和負載本身的電容構成。低壓正弦波最后經高壓高頻變壓器升壓得到所需要的高壓正弦波。一般的逆變器僅僅靠DC/AC一級變換就可同時實現變頻和變壓的功能，但本例對輸出波形的要求較高，而且輸出頻率較高，不好實現高頻調制，因此，采用兩級變換，分別實現變頻和變壓的功能。

圖2 高壓變頻逆變電源原理圖

DC/DC部分采用SG3525控制，通過改變其輸出的占空比來改變直流輸出電壓。DC/AC部分的功能僅僅是將直流變成交流，因此，本部分的控制芯片也采用SG3525，且其在工作過程中占空比基本保持不變，僅僅頻率在設定范圍內變化。80C196KC單片機在整個電路中主要起一個人機接口的作用。它負責接受控制指令并將工作過程中的一些參數及狀態顯示出來。鍵盤及顯示接口電路通過8255芯片實現與CPU的通訊。參數調整接口主要負責將80C196KC的輸出指令傳送到SG3525電源控制芯片，以實現對電源的輸出電壓及頻率的調整。功率開關管全部采用IGBT，所有功率管的驅動均采用專用IGBT驅動控制芯片M57959L，該芯片內部帶有光電隔離器和過流保護電路，使用起來比較方便。