等离子射流电源设计.docx
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等离子射流电源设计
第一章绪论
1.1等离子体的概念
1.2等离子体的分类
1.3等离子体的产生及原理
1.4等离子体的应用
第二章控制电路与驱动的设计
2.1mega16的简要介绍
2.2基于mega16的控制电路设计
2.3基于mega16的显示电路设计
2.4驱动电路设计
2.5辅助电源的设计
第三章逆变电源主电路的设计
3.1高频变压器设计
3.2逆变电路的设计
3.3缓冲电路的设计
第四章实验结果与分析
4.1PWM的调制信号仿真
4.2负载的记录
第五章结论
致谢
摘要
在工业中等离子体技术应用越来越普遍。
由于等离子体的环保、清洁性，因此，它在工业领域的应用非常的广泛。
经等离子处理过的材料表面的亲水性很好，而且材料表面的物理性质得到改变，因为他的这个特性，它在纸盒包装材料领域做出了非常大的贡献。
等离子体具有的独特的环保、清洁及化学性质，它的使用已经取替了学多污染化学物质的使用，使工业生产变得更加的清洁，高效。
本论文主要介绍了低温等离子体在工业中的应用以及设计了介质阻挡放电的等离子电源。
本论文由绪论介绍了等离子的应用广泛和在工业中起到的重要作用，由此，介绍了在纸盒包装材料领域的贡献。
论文主体对电源控制电路、驱动电路、逆变电路、缓冲电路和主电路中器件的的设计和保护等进行了详细的阐述。
由于IGBT驱动的要求很严格，所要我们选用了设计已经很成熟的驱动模块，它具有很强的驱动和过流保护能力，使我们的模块工作在可靠安全的状态。
最后我们合理的选择设计了IGBT缓冲电路，更加的保证了功率模块的可靠工作。
关键字：
等离子体；逆变电路；缓冲电路
Abstract
Applicationofplasmatechnologyintheindustryisbecomingmorecommon.Becauseoftheplasma,cleanenvironmentalprotection,therefore,itiswidelyappliedinthefieldofindustrial.Treatedbytheplasmahydrophilicityonthesurfaceofthematerialisverygood,andthephysicalpropertiesofmaterialsurfaceischanged,becauseofhisthisfeature,itinthecartonpackagingmaterialfieldhasmadetheverybigcontribution.
Plasmahasauniqueenvironmentalprotection,clean,andchemicalproperties,itsusehasbeentakenfortheuseofmanychemicalpollution,industrialproductionhasbecomemoreclean,efficient.Thispapermainlyintroducestheapplicationoflowtemperatureplasmaintheindustrialanddielectricbarrierdischargeplasmapowersupplyisdesigned.Widelyusedbytheintroductionofplasmaareintroducedinthispaper,andplaysanimportantroleintheindustry,asaresult,thecontributioninthefieldofcartonpackagingmaterialareintroduced.Papersubjecttothepowersupplycontrolcircuit,drivecircuit,invertercircuit,snubbercircuitandmaincircuitdevicesinthedesignandprotectionaredetaileddescribed.ByIGBTdriveisverystrict,willwechoosethedrivermoduledesignhasbeenverymature,ithasastrongdriveandovercurrentprotectionability,makeourmoduleworkinareliablesafetycondition.Finally,wereasonablechoiceIGBTsnubbercircuitisdesigned,moretoensurethereliableworkofpowermodule.
Keywords:
plasma;Invertercircuit;Thebuffercircuit
第一章绪论
1.1等离子体的概念
在自然界中的各种物质，由于温度的不同变现出不同的状态，主要分为以下三种，分别是固态、液态和气态。
这些三种状态都是由微观粒子组合成的实实在在物体的集合状态，所处条件的不同会以不同的状态存在。
在物质的各种状态中，结合最紧密的物质是固态粒子，结合较紧密的是液态粒子，最分散的是气态粒子子。
要使物质从紧密的固态转化到分散的气态，就需要吸收额外的能量。
例如物质从固态转化成液态时，就需要吸收足够多的能量，只有使固态物质吸收足够的能量才能使粒子的平均动能超过粒子的固态结合能，才能使固态物质转变成液态的。
从液态到气态的变化也是如此。
在气态中的粒子，再给于提供更多的能量，这是时候组成气态物质的粒子物理键会断裂，电离成带成带正、负电荷的离子和电子。
等离子体是物质存在的第四种状态。
它由电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以及光子。
等离子体的明确定义是:
“等离子体是由大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种中性气体，也就是高度电离的气体。
”不管是物质是部分电离还是全部电离，电离后的正、负电荷的完全相等的，气体表现为中性，我们称这种现象为离子体。
1.2等离子体的分类
1、按等离子体火焰温度分：
（1）高温等离子体；温度高于108-109K并且完全电离的等离子体。
（2）低温等离子体：
温度不盖于103-105K并且完全电离的等离子体。
低温等离子体又分为热等离子体和冷等离子体。
2、按等离子体所处的状态分：
（1）平衡等离子体：
在较高的气压下，粒子的温度跟电离的气体的温度差不多的等离子体。
（2）非平衡等离子体：
在常大气压或以下，粒子的温度远远高于电离气体的温度。
1.3气体放电等离子体
当前的等离子体主要是由气体放电产生的，主要包括:
辉光放电、电晕放
电、介质阻挡放电（DBD）、射流放电和微波放电（如图1-1所示）。
通常辉光放电、射频放电和微波放电要都在低气压条件下进行。
在大规模的工业生产中，低气压等离子体存在着重要的缺点:
1、放电在低气压的环境中，真空环境必不可少，因此环境复杂，费用昂贵;2、工作过程会大批量处理，无法在线产生连续生产，效率也难以提高，无法应用于许多必需在线连续运行处理的工业环境。
大多数工业生产都是工作于在常压环境中，因此，迫切需要探索在常气压环境下可以连续获得大面积的低温等离子体，满足当今工业应用的需求，是具有非常重要的理论意义和实用价值。
图1-1等离子的分类
常见于大气压下的气体放电有:
电弧放电、电晕放电、介质阻挡放电（细丝放电）。
大气压或高于大气压环境下产生大面积的低温等离子体，在非真空和较低的温度环境下，获得化学反应所需的活性粒子，因此在材料的表面处理、臭氧合成、等离子体平板显示器、新物质合成、环境保护等领域获得广泛应用。
辉光放电
辉光放电属于低气压放电，在封闭的容器內放置两个平行的电极板然后冲入低于10Mbar的气体，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态降回至基态时会以光的形式释放出能量。
电源可以为直流电源也可以是交流电源。
各种气体都有它的特有的辉光放电的颜色（如下图1-2所示），荧光灯的发光也是辉光放电。
测试时如果等离子体表现的颜色有差异，通常说明气体在纯度上有一定的问题，也就是荧光灯漏气。
辉光放电在化学等离子体实验中具有突出的作用，但受限于低气压环境，在工业应用中难以实现连续化生产且成本高昂，从而无法广泛应用于工业制造中。
现在的应用范围仅仅局限于实验室、半导体工业和灯光照明产品等。
图1-2辉光放电色带图
电晕放电
电晕放电是气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。
是一种最常见的气体放电形式。
在曲率半径很小的尖端电极附近，局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，于是出现了放电，这就是电晕放电。
电晕放电时在电极周围可以看到光亮，并伴有清脆的咝咝声。
电晕放电可以存在于相对稳定的放电，也可以存在不均匀电场中的间隙击穿放电。
介质阻挡放电
介质阻挡放电是一种不平衡的气体放电，又称为介质阻挡电晕放电或无声放电。
介质阻挡放电能工作于高气压和较宽频率范围下，一般工作在气压是104～106Kbar。
电源频率在50Hz到1MHz自己都可以放电。
电极结构的设计形式多种多样。
最简单的方法就是把绝缘介质直接放于放电电极之间，然后在两个电极上施加足够高的交流电压，电极间流动的气体会被击穿而产生放电，这就是最简单的介质阻挡放电。
在实际应用中，圆管式的电极结构被广泛的应用在各种化学反应器中，而平板式电极结构则被广泛的应用在工业中的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性中。
图1-3常用介质形式
1.4大气射流低温等离子表面处理的原理
被电离的空气气流产生大量的氧原子在内的氧基活性气体，用氧基等离子体照射材料表面，可以使附着于材料表面上的有机污染物"C"元素的分子分离，并变成二氧化碳后被清除；同时可以提高接触性能，从而可以提高接合强度和可靠性。
1.5大气射流低温等离子表面处理的工业应用
a）不锈钢薄板对焊处的焊前处理
不锈钢薄板对焊在工业中应用很普遍。
用等离子体气体对薄板在焊接前进行气体清洗代替了化学试剂的清洗，使清洗更加清洁环保，并且降低了清洗成本。
b）塑料板的表面处理
木塑是一种可以取代木材的新型材料，如果想在材料表面刷漆那是非常难的，所要木塑材料的使用受到了限制。
用等离子体气体处理材料，可使材料表面会发生明显的变化：
颜色略有变浅，反光度降低，呈亚光性；用手触摸可以感觉到表面略有粗糙；使喷漆的附着性能大大增强。
c）橡胶制品的处理
橡胶在我们日常生活中大量使用，例如汽车的门封条。
它的表面须要上漆或织绒。
如果不经过低温等离子处理，则不易粘接。
如果用化学清洗，既是离线的，又会污染环境。
用在线等离子体处理是理想的解决办法。
d）用于玻璃和金属平板处理
用等离子体气体处理玻璃和金属表面，可以使其表面更加的清洁并且还改变了表面的性能，能使它在较长时间里表现这一性能。
因而可以提高产品的接合强度。
此外，常压等离子体清洗还可以用于有机材料和金属材料表面。
F）对纸盒包装材料的处理
市场上的包装纸盒越来越精美，不仅从以前的油纸发展成为了现在的覆膜纸、上光纸、淋膜纸、镀铝纸、PP、PET等塑料新材料，但是这些高品质的材料加工难度也变大了，同时也给糊盒包装产业带来了新的挑战。
面对这些新材料不能粘结或者是粘结不牢，企业通常采用特殊的胶水和表面打光、局部上光等办法，但是这就增加了生产成本和造成了更重环境的污染。
经过等离子体气体表面处理后，纸张的亲水性变强了，编码变得粗糙有附着性了，这样使胶水的粘贴更牢。
更为重要的是大大降低了生产成本。
第二章控制脉宽调制电路及其供电稳压电源设计
2.1mega16的简要介绍
mega16是Atmel公司发行的一款具有AVR内核的芯片。
该芯片具有大量的外设资源，完全可以满足我们控制电源的设计要求，它具有以下的特点：
1.ATmega16是一款基于增强的AVRRISC结构的超低功耗的8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
2.大容量的存储器芯片集成有可编程Flash16K字节（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM。
3.32个通用I/O口，32个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,多个片内/外中断。
4.8路10位具有可选差分输入级可编程端口，具有可编程片内振荡器和看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以设置选择的省电模式。
5.具有4个外部中断和内部中断
6.ATmega16的编程软件与系统开发工具齐全包括：
C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。
2.2基于mega16的控制电路设计
控制系统采用5V电源供电，为使系统更稳定更高效的工作我们为控制系统设计了专门的5V电源，后面的小节为大家介绍。
如图2-1是基于mega16的最小系统图。
图中的RXD、TXD引脚是为现实显示模块的串口引出线。
传感器采集的数据都是经过串口发送给显示模块，再由显示模块处理显示的。
OCR1A、OCR1B引脚是比较输出脚，也就是控制半桥模块的PWM输出引脚。
它们的信号经过驱动器的放大而驱动我们的功率模块。
MOSI、MISO、SCK引脚是单片机的程序烧写引脚，程序都是经过它们烧录给单片机的。
图2-1最小系统图
复位电路
复位电路对微机抗干扰起着非常重要的作用，一个系统在上电后能正常工作必须对其正确的复位。
我们的系统复位采用上电低电平复位，如图2-2所示，复位电路上电时。
复位电容使RESET保持在低电平状态，然后有上拉电路使其变高电平。
图2-2复位电路
晶振振荡器
XTAL1与XTAL2是mega16的片外振荡器的输入和输出，如图2-3所示，振荡器可以是石英晶体材料的晶振，也可以是陶瓷谐振器。
内部熔丝位CKOPT的设置是选择这两种放大器模式。
熔丝位CKOPT被我们置1时振荡器在输出引脚上产生满幅度的振荡，它被用于噪声环境中。
熔丝位CKOPT被我们置0时振荡器的输出信号幅度比较小。
这样的状态在很大程度上降低了功耗，不过工作在较窄的频率范围，而且同时驱动其他时钟缓冲器。
对于谐振器，CKOPT未编程时的最大频率为8MHz，CKOPT编程时为16MHz。
C1和C2的容值要相等，无论使用的是晶体还是谐振器。
我们的控制电路C1、C2为22P晶振为8MKZ。
这样我们选用的就是外部的晶振对单片机起振提供外部的频率。
晶振的周围最好是用地线包围起来，这样可以提高晶振的抗干扰能力，同时是单片机工作在最佳的状态。
图2-3晶振振荡器连接图
欠压及过压保护
要对主电路进行欠压或过压保护，首先就要对主电路的直流电压进行采样测量，也就是采样经全桥整流及滤波后的直流电压，而本电源的交流输入为AC220V（50Hz），所以此直流电压的正常值应该在310V左右，要对这个电压进行采样就必需在主电路分压后，再送入单片机进行处理，并判断主电路电压是否正常。
另外，要在分压电路和采样电路之间加入一级电压跟随器，起到缓冲和隔离的作用。
电压跟随器的原理图如图2-4所示。
图2-4电压跟随器原理图
然后，单片机对电压跟随器输出电压进行AD采样，并在程序中判断主电路的工作状态，从而实现主电路的欠压及过压保护。
过流保护
主电路的过流保护采用电流互感器对主电路工作电流进行采样，通过整流滤波后，经一级跟随器后送入AD采样，由程序处理判断主电路工作状态，并将采样到的数据发送至显示模块，由显示模块显示当前的工作电流及功率。
同时，又将跟随器输出电压接入比较器同向输入端，当采样电压高于预设值时，比较器输出由低电平转换为高电平，引发中断并保护电路，通过调整R11与R15的值，即可改变预设保护值，采样电路如图2-5所示。
图2-5过流保护采样电路
无风故障保护
涡流式气泵故障保护采用压差开关来判断风机是否正常工作，压差开关有常开和常闭两个触点，当风机故障时，压差开关即动作，在此，采用压差开关的常开触点，常开触点闭合后将使光耦动作，在LosePump引脚产生由低电平向高电平的转换，此上升沿将引发单片机中断对电源进行保护。
涡流式气泵故障保护原理图如图2-6所示。
图2-6风机故障保护原理图
2.3基于mega16的显示电路设计
我们采用的是四位共阳极的数码管显示，四位数码可以提高精确度。
为了使数据更好的反应出来，我们设计了电流显示模块和功率显示模块。
数显模块也具有一定的数据接收和处理能力。
数据的传送都是采用了串口，因为串口传送数据可以减少控制系统对大量数据的运算，减少占用主控的资源。
主控只需要把采集回来的数据经过串口放松给显示模块，数据的处理就由显示模块处理和现实。
下图是显示模块的电路图。
2.4驱动电路设计
绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种新型的电力半导体器件，IGBT既具有功率场效应晶体管（MOSFET）高速、高输入阻抗、易驱动的特点，又具有双极达林顿功率晶体管GTO饱和电压低、电流容量大等优点的电力电子开关器件。
IGBT也是一款采用电压型驱动、高输入阻抗、开关速度快（可正常工作在几十千赫兹频率范围内）的电力电子开关器件。
由于他的这么多的优点让IGBT广泛应用于大中功率开关电源、逆变器、高频感应加热、有源滤波器、家用电器等需要电流变换场合。
IGBT的额定工作电流较高，可以应用于输出数百安电流的变频装置，也可应用于数码相机的闪光灯控制电源。
近几年来，变频技术在交流传动领域的应用风起云涌，IGBT作为变频器的功率输出器件，其应用也是日趋广泛。
在快速低损耗的电力电子应用中，在中、低频功率控制应用中，IGBT最具独特性能。
IGBT有逐步取代MOSFET和GTO之趋势。
IGBT与其它半导体开关器件一样，其工作特性依赖于具体电路条件和开关环境。
因此，IGBT的驱动电路及保护电路是电路设计的难点。
采用性能优良的驱动电路，能够保证IGBT开关的可靠运行，提高设备的稳定性。
以下是本论文所采用的驱动电路：
驱动信号是两路输出分别驱动IGBT的上半桥和下半桥。
驱动模块包括DC/DC电源模块和隔离驱动模块。
结构框图如下：
驱动特性（均为在以下条件时测得:
Ta=25℃,Vp=15V,Fop=50KHz,模拟负载电容CL=220nF）如附表一。
参数
符号
最小值
典型值
最大值
单位
输入脉冲电压幅值
Vpwm
2
15
V
输入脉冲电流幅值
Ipwm
9
10
12
mA
输出电压
VOH
14.5
V
VOL
-8
输出电流
IOHP
6
A
IOLP
-6
栅极电阻
Rg
1.5
10
Ω
输出总电荷
Qout
2
2.8
μC
工作频率
Fop
0
60
KHz
占空比
δ
0
100
％
最小工作脉宽
Tonmin
0.5
μS
上升延迟
Trd
0.3
μS
下降延迟
Tfd
0.4
使能端电平
（1）
ENA
2.2
18
V
0.4
绝缘电压
VISO
3500
Vrms
共模瞬态抑制
CMR
30
KV/μS
DC/DC辅助电源电性能参数（均为在以下条件时测得:
Ta=25℃,Vp=15V），如附表二。
参数
符号
最小值
典型值
最大值
单位
输入电压
（1）
Vdc
12
15
20
V
电源输入电流
（2）
Idc
0.05
A
0.5
输出电压
Vo
24.2
V
输出功率
Po
6
W
效率
η
75
％
短路保护性能（均为在以下条件时测得:
Ta=25℃,Vp=24V,Fop=50KHz,模拟负载电容CL=220nF），如附表三。
参数
符号
最小值
典型值
最大值
单位
保护动作阈值
（1）
Vn
8.5
V
保护盲区
（2）
Tblind
1.2
μS
软关断时间（3）
Tsoft
4
μS
故障后再启动时间（4）
Trst
1.1
10
mS
故障信号延迟
Talarm
5
μS
故障信号输出电流
Ialarm
10
mA
电路板的输出接线示意图，如图2-8。
本驱动电路模块既可以驱动一只IGBT，也可以驱动两只并联的IGBT。
图2-8驱动电路接线图
1.输出插座Jo到IGBT栅极和发射极的引线要短一些，并使用绞线，以减小寄生电感，但集电极的反馈连线不要绞在一起。
2.谨防栅极和发射极输出短路，短路时间超过几秒，可能损坏板上器件。
3.尽量减小杂散电感，并设置良好的IGBT过压吸收回路，避免尖峰电压击穿IGBT。
4.输入电源接反，电源插座上并联的二极管将短路外部输入电源，做实验时请注意。
报警信号输出
由于提高输入输出的抗干扰力，我们应用光耦对信号隔离。
报警信号输出可以是高电平输出也可以是低电平输出我们的系统应用了高电平输出。
当IGBT过流时，烯烃会检测到高电平。
图2-9是报警电路的设计：
图2-9报警信号电路
2.5辅助电源设计
系统电源采用5V、12V、15V供电，5V电源是供给芯片的消耗电源和串口的显示电源。
12V是作为系统版的隔离电源，为了增大控制系统的稳定性和抗干扰力。
我们用12V电源让他对输出进行隔离。
15V是开关器件IGBT的驱动电源供电。
由于单片机和驱动的可靠工作，对电源的可靠性和稳定性要求很高。
并且IGBT的驱动工作电流很大，所要对电源稳压芯片的要求比较高。
我们设计用LM1085电源稳压芯片满足大电流可靠供电的要求。
LM1085的正常工作通流能力3A最大带负载功率可达几十瓦。
图2-10是由LM1085设计的电源原理图。
电容是为了滤波、稳压、储能的作用。
图2-10电源电路
第三章逆变电源主电路的设计与构成
3.1高频变压器设计
1）高频变压器的定义与分类
高频变压器是相对于音频和工频变压器而言的。
由于高频的范围涉及很广，要划分明确是困难的。
工作频率在音频以上的变压器统称为高频变压器。
应该说，这种叫法是不严格的。
其工作频率的不同，我们把高频变压器按以下进行分类：
①按频率范围可分为
a.kHz级高频变压器，指工作频率在几kHz到几百kHz之间的高频变压器；
b.MHz级高频变压器,指工作频率在1MHz以上的高频变压器。
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