陳禮俊，蘭志勇
（湘潭大學 信息工程學院，湖南 湘潭 411105）
摘要：針對高壓電源在不同場合對輸電等級與輸電功率的不同需求，設計了一種輸電可調且功率等級不定的新型高壓直流電源。在電源前級引入Zeta斬波電路，用于調節前級直流電壓。電源以SG3525為控制核心，通過過流、過壓反饋回路，保證電源工作穩定。電源后級由半橋逆變、高頻升壓、倍壓整流3部分組成，并在其中引入高頻，有效地減小設計電源的體積。該設計可實現輸出直流電壓8～12 kV可調。實驗結果證明，該設計電源輸電穩定、紋波電壓小、負載能力強，滿足高壓除塵電源的要求。
關鍵詞：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，目前已經廣泛應用于家用空氣凈化、工業油煙凈化、醫用無塵環境、工廠車間除塵等場合［1-2］。近年來隨著人們節能環保意識的增強，以及國家對粉塵排放新標準的施行，客觀上對靜電除塵提出了更高的要求。作為靜電除塵裝置中關鍵部分的高壓直流電源，更是向著如何更加節能高效的方向發展，以提升靜電除塵的性能。
靜電除塵電源是靜電除塵系統中的關鍵部分，其性能直接影響除塵器的除塵效果。本文設計了一種新型高壓除塵電源，通過調節電源前級斬波電路的占空比，可實現對輸出級電壓的調節，實現高壓隔離調節。同時在處理電壓、電流過大，或者欠壓等實際問題上，電源中設計多級電壓、電流反饋保護回路。
1高壓電源整體結構
電源電路可分為主電路和保護控制回路。
電源工作原理：220 V/50 Hz市電先經全橋整流電路變為310 V左右直流電，再通過Zeta斬波電路得到240～360 V可調的直流電壓。然后直流電壓經半橋逆變變為高頻交流電，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。同時電源通過電流、電壓反饋電路智能調節輸電，使電源工作穩定。
2高壓電源設計
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。在設計倍壓電路時，鑒于多級倍壓電路存在紋波大、輸電不穩等缺點，因此決定采用二倍壓電路。
2.1Zeta斬波電路原理
Zeta電路的應用是電源能實現輸出電壓可調的重要部分，圖2為Zeta斬波電路。圖中實線箭頭表示S開通時的回路，虛線表示的是S關斷時的回路。
電路中取電感L1和L2的值相等，而且電感工作在電流連續狀態［14］。當S開通，ESL1、ESC1L2負載（C2和R）構成回路；當S關斷，L1VDC1、L2負載（C2和R）VD構成回路。當電容C1足夠大，UC1的脈動很小，可以認為UC1≈UC1，即得到電路工作時，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處于通態時，電源向電感L1儲能。此時E與C1共同經L2向負載供電。待S關斷后，L1向C1充電，并儲存到C1，同時L2電流經VD續流。由電感器件的伏秒平衡原理，電路工作在電感電流連續時，電感電壓在一周期內平均值為零，即：
式中α為開關導通占
由式(3)可得，改變開關導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，通過調節芯片的輸出PWM占空比，即可調節斬波輸出電壓。逆變電路由SG3524芯片控制，經過IR2110驅動半橋開關管［67］。
UC3842芯片控制Zeta斬波電路工作，芯片輸出PWM的頻率由外部定時器件決定，頻率公式為：
f=1.8/(RT×CT)kHz(4)
式中，RT與CT為定時電阻與電容。為保證斬波電路輸出可控，設計反饋控制回路。反饋回路通過電阻采樣，將采集的電壓信號送入由PC817與TL431所構成的過壓反饋電路，當電壓輸出超過所設定范圍值時，電路開始工作，UC3842內部驅動三極管電壓降低，從而輸出PWM占空比減小，斬波電路電壓降低，最后電壓趨于穩定。圖4為UC3842控制電路。同時為防止電壓異常，將芯片3腳及電流檢測輸入端接入反饋電路，如斬波電路持續異常升高，將封鎖驅動脈沖，UC3842芯片停止工作。
SG3525為半橋逆變電路的控制芯片，通過產生的PWM控制著電路的逆變頻率［7-8］。控制脈沖信號PWM的頻率可由下式得到：
式中CT為接在5腳的定時電容；RT為接在6腳的定時電阻；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。軟啟動電容端接入4.7 μF的電容，當電容充電使其8腳處于高電平時，SG3525才正常工作。2腳電壓固定在5.1 V。芯片1、2、9腳及外圍電路構成PI調節器，其輸出與5引腳鋸齒波和軟啟動電容一起控制PWM產生器產生方波。引腳11、14輸出兩路互補的PWM，但輸出的PWM無法直接驅動半橋開關，因而必須利用驅動芯片IR2110來控制半橋逆變。圖5為SG3525控制電路。
過壓保護電路通過可調精密電阻采樣，將其采樣到的信號輸送到線性光耦TLP5211中。當采樣電壓過高時，此時由TL431與TLP5211構成的反饋電路工作，進而使光耦輸送給SG3525芯片10腳一個高電平，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，變壓器無輸出，達到過壓保護的目的。
3實驗結果分析
實驗采用UC3842芯片來控制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立，但功能上互補，共同保證輸電穩定。
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定。
圖8為電源運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結論
本文提出利用Zeta斬波電路對前級輸入電壓進行升降壓調節，從而實現不同等級高壓輸出的目的。分析了電路的工作原理，給出了相關控制方法。通過實驗得出以下結論：
（1）前級采用Zeta電路，電源能穩定輸出8～12 kV DC。即對低壓斬波電路的控制可實現對高壓輸電等級的有效控制；
（2）電源電路對輸入過壓、欠壓具有一定的自保護功能；
（3）電源中引入高頻變壓器，有效地減小了設計電源體積、重量和成本，在工業生產領域有一定的應用價值。
參考文獻
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