高压大功率脉冲电源的设计Word格式文档下载.docx

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由于高电压技术易于实现高能化，近年来将高电压技术用于处理难处理工业污水的研究己引起了国内外研究者们的极大的兴趣。

李劲、李胜利等提出了高压脉冲放电等离子体水处理技术。

高压脉冲放电废水处理基于以下四种效应:

高能电子轰击;

臭氧杀菌;

紫外线的光化学处理作用;

放电等离子体中产生的活性自由基的作用。

高压脉冲放电等离子体水处理技术使放电生产的臭氧与水直接作用，简化了传统臭氧净水技术中气体干燥、电极冷却、水气混合等程序，使装置小型化，不仅避免了臭氧质量浓度随时间的衰减，而且充分发挥放电产生的活性粒子的净化作用。

因此，与传统的臭氧净水方法相比，高压脉冲等离子体水处理显然具有更好的应用前景。

高压脉冲放电废水处理的研究热点主要集中在高压脉冲电源的设计和等离子体生成法的优化设计。

脉冲静电除尘

传统静电除尘采用直流高压供电方式。

在这种供电方式下，由于粉尘层等效电容效应会造成反电晕现象，导致除尘率下降。

当采用脉冲供电时，除尘器粉尘层的等效电容在脉冲施加期间只充上很少的电荷，在脉冲消失期间所充电荷基本放完，所以除尘器粉尘层上不会因积累电荷形成高电压而使粉尘造成反电晕。

因此与常规直流电源供电的除尘器相比，脉冲供电电源除尘器的除尘效果更佳。

此外，对于不同比电阻的粉尘，可通过调整直流基压、脉冲频率和占空比，使之达到最佳除尘效果。

脉冲静电除尘是一种先进的空气净化技术，如果将之与脱硫脱氮技术相结合，采用微秒级或纳秒级的脉冲供电电源，可以实现脱硫脱氮技术与除尘技术一体化。

目前国内外电除尘脉冲供电电源大多采用在直流基础电压上迭加脉冲电压的设计方案，这种电源设计方案需要用两台变压器构成两套电源，分别用于产生直流基压和脉冲电压，因此电源的结构和控制系统都比较复杂，价格昂贵，在一定程度上限制了其的推广应用。

（3）脉冲电源在其他领域的应用

1）脉冲焊接电源

电弧焊是焊接方法中应用最为广泛的一种，它通过电弧供给加热能量，使工件熔合在一起，达到原子间的接合。

弧焊电源是电弧焊机中的主要部分，是对焊接电弧提供能量的一种装置，它必须具有电弧焊接所要求的主要电气性能。

没有性能良好工作稳定的弧焊电源，很难保证电弧稳定燃烧和焊接过程顺利进行，同时也很难得到良好的焊接接头，最终先进的焊接工艺更是不可能实现的。

弧焊电源常用脉冲形式，脉冲焊接可独立地调节峰值电流、基值电流、脉冲宽度、脉冲周期或频率等规范参数，表现在焊接工艺上，可增大焊缝的深宽比、防止烧穿、减小热影响区、增加熔池的搅拌作用。

逆变弧焊电源重量轻、省材料、节能，而且控制性能好，动态响应快。

目前在工业发达国家，手工电弧焊、钨极氢弧焊<

TIG）、氢气电弧焊CMIG）、C02电弧焊（MAG）和等离子切割等己广泛采用逆变电源。

目前逆变焊接电源的发展和研究主要集中在以下一些方面:

功率开关器件向IGBT更新换代;

磁性材料的发展;

功率控制方式的发展;

自动化及智能控制技术的应用。

逆变弧焊电源采用传统的模拟控制方式，存在着一些弊端，很大程度上制约了逆变弧焊电源的进一步发展，由此产生并推动了数字化焊接电源的发展。

目前，国外已有数字化焊接电源产品问世，最具代表性的如奥地利FRONIIJS公司生产的TR.ANSPi.USSYNERGiC系列TPS2700/400015000全数字化焊接电源。

它的心脏部分是一个数字信号处理器，由它集中处理所有焊接数据，监测和控制整个焊接过程，焊机具有引弧、精确控制电弧、专家系统、一机多功能、焊接数据接口和评价系统等功能。

在国内，数字化焊接电源尚处于探索性研究阶段，某些高校和科研机构己在这方面开展了工作。

上海交通大学焊接研究所1999年提出了“数字化焊接电源”的研究课题，北京工业大学材料学院分析了数字化焊接电源的特征，提出了“全数字化控制焊接电源的方案”，华南理工大学提出了基于DSP的弧焊逆变电源数字化控制系统。

2）脉冲激光电源

激光器在工业生产中广泛应用，其中尤以C仇激光器，灯泵浦YAG固体激光器，以及准分子激光器为主。

激光电源是激光系统中一个重要的组成部分，是决定激光器整体性能的重要因素。

目前国内应用较广，技术上比较成熟的脉冲激光电源主要包括谐振充电式激光电源，开关型高频脉冲电源。

谐振充电式激光电源在激光器电源中应用十分广泛，它的原理简单，经过长期应用，技术上较为成熟，但整套装置体积庞大，可控硅全桥整流的控制和驱动电路复杂，成本较高。

开关型高频脉冲电源主要利用开关器件将一种形式的电能转变为另一种形式的电能，这类激光电源的体积小，重量轻，高效节能，动态响应速度快。

70年代中后期出现了MOS场效应晶体管，特别是80年代问世的功率MOSFET，以及派生的MOS型绝缘栅双极型晶体管IGBT，其特性和功能的改善和发展，使激光电源技术得到了极大的促进。

1.4课题的主要内容

由于脉冲电源拥有广阔的应用领域，因此研制高效、高可靠性、智能化、输出特性优良的脉冲电源对工程应用有重要的实际意义。

同时，脉冲电源的研究涉及电力电子、新型功率开关器件的应用、自动控制技术、电磁理论、材料科学和电路系统建模、优化等多方面内容，因此具有广泛的理论和学术意义。

本文的研究重点在于高压脉冲电源采用单片机控制高频PWM调制芯片SG3525工作时间的方法，改变逆变电路工作状态，最终使系统输出脉冲波形。

其输出脉冲电压幅度连续可调，脉宽和频率也均可由用户在规定范围内调整。

同时还采取了有效的电源输出保护策略，当系统过流时，立即进行保护动作，且不会因为实现保护功能而引起其他器件的损坏或对用户造成人身伤害，研究出一种安全性高，稳定可靠的可调高压脉冲电源。

2．脉冲电源总体结构

2.1脉冲实现方式

实现脉冲电源的方式有很多，但归结起来大致可分为三种。

第一种是利用储能元件，如L，C的充放电实现脉冲输出；

第二种是利用逆变将直流电变换为脉冲输出；

第三种是利用直流斩波原理输出脉冲电压。

比较而言，储能放电法结构简单，能获得高压窄脉冲，但脉冲波形不易控制，脉冲参数不易调节。

逆变法是利用开关管将直流电转换成一定频率的脉冲，这种电路的结构较为复杂，由于采用了高频变压器使其体积、重量、效率均有所提高，但它的缺点也在于脉冲的幅值、频率、占空比不易调节。

2.2脉冲电源总体结构

图2．2系统整体结构框图

图2.2为系统整体结构框图。

系统工作流程为：

系统上电之后，用户通过键盘设定满足要求的系统输出脉宽和频率，其间全部设定操作过程均可在液晶页面上得以体现。

当按下“ENTER’’键后，单片机立即产生高低电平控制SG3525工作时间，单片机引脚输出高电平时SG3525不工作，则无驱动脉冲，系统输出脉冲低电平；

反之，系统输出脉冲高电平。

通过输出信号采样及检测电路，系统输出的脉冲电压、电流、脉冲和频率都会显示到液晶屏幕上。

系统运行过程中，可按下“MODIFY”键，进入修改页面进行输出参数的重新设定。

3．系统硬件电路的设计

.1主电路拓扑结构

3.1.1常用拓扑结构

开关变换器的拓扑结构指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。

开关变换器拓扑结构可分为两种基本类型，非隔离型和隔离型[6]。

非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的不同，可以分为降压型（Buck）电路、升压型（Boost）电路、升降压（Buck．Boost）型电路、Cuk型电路。

降压型电路只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单。

升压型电路只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单。

隔离型电路指输入侧与输出侧通过一个高频变压器隔离，可实现多路输出。

常用的有正激式、反激式、推挽式、半桥和全桥。

正激型电路较简单，成本低，可靠性高，但变压器单向励磁，利用率低，适用于各种中小功率开关电源。

反激型电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单，但难以达到较大的功率，适用于小功率场合。

全桥型电路中变压器双向励磁，容易达到较大功率，但电路结构复杂，成本高，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路，有直通和偏磁问题，适用于大功率工业开关电源、焊接电源、电解电源等。

由于本电源输出功率不高，输出最大电流为10mA，最大电压为50KV，最大输出功率为500W，属中小功率，故可采用半桥式逆变电路作为主电路拓扑结构。

3.1.2半桥逆变式变换器工作原理

半桥逆变电路具有高频变压器利用率高，截止开关管极间承受的电压低，抗不平衡能力强等优点，其工作原理如图3．1所示[9-11]。

当上管VFl的栅极驱动脉冲变为高电平时，vFl饱和导通，此时加在VF2漏极的高压电源+300V经C31到变压器T1的原边绕组，再经C33到地，形成C33的充电回路。

图3.1半桥式功率变换器简化电路

而电容器C32则经Tl、C31、VFl放电。

使2个电容器中点电位VA在前半周期结束时升高了AVEl。

当VFl变为截止、Ⅶ2尚未导通时，两管中点电压Vo又恢复到接近1／2的半电源电压值。

当桥壁下管VF2的栅极驱动脉冲变为高电平时，VF2饱和导通，电源电流又由+300V经C32、T1、C31到地，形成c32充电回路。

此时VFl截止，C33则经T1、C31、饱和导通的VF2放电。

因此中点电压V▲在后半周期结束时又下降了△VE20如果电路参数对称，则AVEl=△VE2，中点电位V▲在开关过程中将以电源电压一半值E／2为中心，按±

△VE幅度作指数规律的上升和下降变化。

半桥逆变电路的工作波形如图3．2所示。

其中a、b是两路驱动脉冲电压波形，它们的相位差为1800。

在驱动电压的轮流开关作用下，半桥变换器的2只功率MOSFET交替导通和截止，在变压器T1的原边产生高压开关脉冲，从而在副边感应出交变的方波脉冲，实现功率转换。

当开关管VFl（或Ⅶ2）导通时，加于变压器原边绕组上的电压是电容器C32（或C33）两端的电压。

在电路中，由于开关管特性不一致，引起开关管VFl的导通时间比开关管VF2的长，则电容C32两端的平均电压就会比电容C33两端的低。

故VFl导通时，加于变压器原边绕组两端电压的幅值，就会比Ⅶ2导通时的要低，从而就能够使加到变压器原边绕组两端正负方波的伏·

秒积分始终维持相等。

因此，此电路的抗不平衡能力是比较强的。

虽然半桥逆变电路自身具有抗不平衡能力，但在实际应用电路中，通常在高频变压器原边电路中，串入一只容量足够大的电容C31。

其作用是用来进一步增强电路的抗不平衡能力，防止由于开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和。

图3.2半桥式逆变电路工作原理波形

3.2高频开关电源主要功能模块

3.2.1全隔离单相交流调压模块

由于本脉冲电源系统适用于不同负载，因此要求输出脉冲电压的幅值需要在

10KV"

-,50KV连续可调，那么就需要设计电压调节电路。

为了简化电路设计，本论文引入全隔离单相交流调压模块。

该模块是集同步变压器、相