等離子體高頻高壓電源的製作方法
2023-05-27 18:26:16
等離子體高頻高壓電源的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種閃絡數低、電源效率高的等離子體高頻高壓電源，包括依次串聯的EMC管理單元、整流濾波/慢啟動單元、BUCK變換單元、全橋高頻變換單元、高頻高壓變壓器和高壓整流濾波單元，還包括輔助電源、DSP控制及參數顯示單元、電流/電壓傳感單元和IGBT驅動單元，來自三相交流電網的380V交流電源經EMC管理單元濾除來自電網的高頻幹擾信號和本電源工作時所產生的高次諧波，又經整流濾波/慢啟動單元形成脈動直流電源，再經BUCK變換單元實現同步續流，再經全橋高頻變換單元實現定頻諧振式零壓零流全橋變換器，再經高頻高壓變壓器升壓，最後經高壓整流濾波單元整流濾波後產生高壓輸出。本發明的等離子體高頻高壓電源可適用於等離子體發生器。
【專利說明】等離子體高頻高壓電源
【技術領域】
[0001]本發明屬於電源【技術領域】，特別是一種高效率的等離子體高頻高壓電源。
【背景技術】
[0002]等離子體高壓電源是等離子體發生器的重要組成部分，等離子體高壓電源的性能在很大程度上影響著等離子體發生器的性能。
[0003]現有等離子體高壓電源為採用可控矽控制的工頻高壓電源，其輸出性能不好，在實際應用中主要體現在高壓電源閃絡數高，電源效率低下。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種等離子體高頻高壓電源，其閃絡數低，電源效率高。
[0005]實現本發明目的的技術解決方案為:一種等離子體高頻高壓電源，其包括EMC管理單元、整流濾波/慢啟動單元、BUCK變換單元、全橋高頻變換單元、高頻高壓變壓器和高壓整流濾波單元，所述EMC管理單元的輸入端作為所述等離子體高頻高壓電源的三相交流電源輸入端，EMC管理單元的第一輸出端與整流濾波/慢啟動單元的第一輸入端相連，BUCK變換單元的第一輸入端與整流濾波/慢啟動單元的輸出端相連，BUCK變換單元的輸出端與全橋高頻變換單元的第一輸入端相連，高頻高壓變壓器的輸入端接全橋高頻變換單元的輸出端，高頻高壓變壓器的輸出端接高壓整流濾波單元的輸入端，所述高壓整流濾波單元的第一輸出端作為所述等離子體高頻高壓電源的高壓輸出端；
[0006]還包括輔助電源、DSP控制及參數顯示單元、電流/電壓傳感單元和IGBT驅動單元，所述輔助電源的輸入端接EMC管理單元的第二輸出端，所述輔助電源的輸出端接DSP控制及參數顯示單元的第一輸入端，所述DSP控制及參數顯示單元的第二輸入端接電流/電壓傳感單元的輸出端，所述電流/電壓傳感單元的輸入端與所述高壓整流濾波單元的第二輸出端相連；所述DSP控制及參數顯示單元的第一輸出端與整流濾波/慢啟動單元的第二輸入端相連，所述DSP控制及參數顯示單元的第二輸出端與IGBT驅動單元的輸入端相連，所述IGBT驅動單元的第一輸出端接BUCK變換單元的第二輸入端，所述IGBT驅動單元的第二輸出端接高頻變換單元的第二輸入端；
[0007]來自三相交流電網的380V交流電源經EMC管理單元，濾除來自電網的高頻幹擾信號和本電源工作時所產生的高次諧波，又經整流濾波/慢啟動單元形成脈動直流電源，再經BUCK變換單元實現同步續流,再經全橋高頻變換單元實現定頻諧振式零壓零流全橋變換器，再經高頻高壓變壓器升壓，最後經高壓整流濾波單元整流濾波後輸出；
[0008]DSP控制及參數顯示單元由輔助電源供電，根據電流/電壓傳感單元的信號，通過IGBT驅動單元對BUCK變換單元和全橋高頻變換單元進行時序控制,DSP控制及參數顯示單元還對整流濾波單元進行啟動控制。
[0009]本發明與現有技術相比，其顯著優點:
[0010]1、電源效率高:由於採用定頻諧振式零壓零流全橋變換器和同步整流技術，減少了開關損耗，閃絡數低，有效提高了變換器效率；
[0011]2、電源可靠性好:引入DSP作為核心控制晶片，簡化電源管理，提高了高壓電源可靠性。
[0012]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明等離子體高頻高壓電源的結構框圖。
[0014]圖2為圖1中EMC管理單元的電路圖。
[0015]圖3為圖1中整流濾波/慢啟動單元的電路圖。
[0016]圖4為圖1中BUCK變換單元和全橋高頻變換單元的電路圖；
[0017]圖5為圖1中高頻高壓變壓器、整流濾波單元和電壓/電流傳感單元的電路圖。
[0018]圖中:1EMC管理單元，2整流濾波/慢啟動單元，3BUCK變換單元，4全橋高頻變換單元，5高頻高壓變壓器，6高壓整流濾波單元，7電流/電壓傳感單元，8DSP控制及參數顯示單元，9IGBT驅動單元，10輔助電源。
【具體實施方式】
[0019]如圖1所示，本發明等離子體高頻高壓電源，包括依次串聯的EMC管理單元1、整流濾波/慢啟動單元2、BUCK變換單元3、全橋高頻變換單元4、高頻高壓變壓器5和高壓整流濾波單元6，所述EMC管理單元I的輸入端作為所述等離子體高頻高壓電源的三相交流電源輸入端，所述高壓整流濾波單元6的輸出端作為所述等離子體高頻高壓電源的高壓輸出端;
[0020]EMC管理單元I的第一輸出端與整流濾波/慢啟動單元2的第一輸入端相連，BUCK變換單元3的第一輸入端與整流濾波/慢啟動單元2的輸出端相連，BUCK變換單元3的輸出端與全橋高頻變換單元4的第一輸入端相連，高頻高壓變壓器5的輸入端接全橋高頻變換單元4的輸出端，高頻高壓變壓器5的輸出端接高壓整流濾波單元6的輸入端；
[0021]本發明等離子體高頻高壓電源還包括輔助電源10、DSP控制及參數顯示單元8、電流/電壓傳感單元7和IGBT驅動單元9，所述輔助電源10的輸入端接EMC管理單元I的第二輸出端，所述輔助電源10的輸出端接DSP控制及參數顯示單元8的第一輸入端，所述DSP控制及參數顯示單元8的第二輸入端接電流/電壓傳感單元7的輸出端，所述電流/電壓傳感單元7的輸入端與所述高壓整流濾波單元6的第二輸出端相連；
[0022]所述DSP控制及參數顯示單元的8第一輸出端與整流濾波/慢啟動單元2的第二輸入端相連，所述DSP控制及參數顯示單元8的第二輸出端J4與IGBT驅動單元9的輸入端Jl相連，所述IGBT驅動單元9的第一輸出端J2接BUCK變換單元3的第二輸入端，所述IGBT驅動單元9的第二輸出端J3接高頻變換單元4的第二輸入端；
[0023]來自三相交流電網的380V交流電源經EMC管理單元I，濾除來自電網的高頻幹擾信號和本電源工作時所產生的高次諧波，又經整流濾波/慢啟動單元2形成脈動直流電源，再經BUCK變換單元3實現同步續流，再經全橋高頻變換單元4實現定頻諧振式零壓零流全橋變換器，再經高頻高壓變壓器5升壓，最後經高壓整流濾波單元6整流濾波後輸出；
[0024]DSP控制及參數顯示單元8由輔助電源10供電，根據電流/電壓傳感單元7的電壓和電流反饋信號，通過IGBT驅動單元9對BUCK變換單元3和全橋高頻變換單元4進行時序控制，DSP控制及參數顯示單元8還對整流濾波單元2進行慢啟動控制。
[0025]由於本發明採用定頻諧振式零壓零流全橋變換器和同步整流技術，減少了開關損耗，降低了閃絡數，從而有效提高了變換器效率，使電源效率提高。
[0026]如圖2所示，所述EMC管理單元I包括與電源三相輸入串聯的第一電感L1、與電源三相輸出串聯的第二電感L2、與三相線兩兩連接的第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3，以及串接在各相線與地極之間的第四電容C4、第五電容C5、第六電容C6 ；
[0027]由電感L1、L2、電容Cl至C6組成LCL濾波器，一方面對來自電網的高頻幹擾信號進行濾波處理，以消除電網擾動對電源的不良影響，同時對本電源工作時所產生的高次諧波進行濾波處理，以消除電源工作時對電網可能產生的汙染。
[0028]如圖3所示，所述整流濾波/慢啟動單元2包括三相整流模塊VCl、慢啟動電阻R4、可控矽V1、電感L3、電容C7，所述慢啟動電阻R4與可控矽Vl並聯後，一端接所述三相整流模塊VCl的正極輸出端，另一端接電感L3輸入端，三相整流模塊VCl的負極輸出端與電感L3的輸出端之間並聯電容C7 ；
[0029]所述三相整流模塊VCl對交流電源進行整流形成脈動直流電源，通過延時後利用可控矽Vl將電阻R4短路，電感L3、電容C7構成 型濾波器，利用電感L3的儲能和續流完成三相無源功率因素校正以提高電源功率。
[0030]為提高本電源的功率因素，採用L3、C7構成的 型濾波器，而不是常用的C型濾波器，通過簡單的 型濾波處理，電源功率因素可提高到95%以上。
[0031]所述電容C7為兩個以上的多個400V、1000 μ F的電解電容器通過串並聯形成的電
容器組。
[0032]由於C7容量較大，電路中採用簡單的電阻限流方式，避免開機時對電網的衝擊。通過延時後利用可控矽Vl將限流電阻短路。
[0033]如圖4所示，所述BUCK變換單元3由兩隻具有相同電氣參數的大功率半橋IGBT模塊V2、V3和續流電感L4、L5構成，V2、V3採用脈衝分時工作方式，利用大功率半橋IGBT模塊的下橋臂實現同步續流。
[0034]在圖4中，所述全橋(FULL-BRIDGE)高頻變換單元4由兩隻具有相同電氣參數的大功率半橋IGBT模塊V4、V5和輔助諧振電感L6、輔助諧振電容C13、C14構成定頻諧振式零壓零流全橋變換器。
[0035]V2、V3、V4、V5的控制由DSP控制器實現，來自DSP控制單元的IGBT模塊柵極驅動信號，經過IGBT驅動單元放大後分別驅動相應的IGBT模塊。
[0036]大功率IGBT模塊V2、V3、V4、V5安裝在一塊水冷散熱板上，模塊工作時所產生的熱耗迅速傳導至水冷散熱板，並通過循環水流將熱量帶走。
[0037]如圖5所示，所述高頻高壓變壓器5、高壓整流濾波單元6和電流電壓傳感7集成於一個油箱內，高壓通過一根可插拔的高壓電纜引出。
[0038]所述高頻高壓變壓器5次級採用多繞組平面型結構。
[0039]來自全橋高頻變換單元4的高頻脈衝通過高頻高壓變壓器5升壓。次級各繞組按圖5所示電氣連接方式分別連接至相應的整流二極體，電容器選擇多個高頻電容串聯，以滿足50kV工作電壓。串聯後的電容容量一般在1500PF-2000PF之間。電阻Rl為高壓大功率限流電阻，本電源Rl取值為IkQ，將高壓迴路的最大電流限制為50A。在正常工作條件下，即負載電流為0.6A時，Rl的常態功耗為360W。但Rl的瞬態承受功率應能承受負載直接短路時，電源輸出電壓全部施加於該電阻時的所最大功率和電壓。
[0040]電源的輸出電壓經電阻R2、R3、R4、R5構成的5000:1的電阻分壓器，在R5上形成高壓取樣電壓，反饋至DSP控制及參數顯示單元8。在_50kV電壓時取樣電壓為-10V。負載電流通過阻值為5Ω的取樣電阻R6取樣，在負載電流IA時，R6兩端電壓約為5V。電流取樣信號反饋至DSP控制板。由於等離子體發生器可能發生飛弧甚至出現電暈絲斷開而導致瞬間短路，因而電阻R6採用多電阻並聯，在電阻兩端並聯18V壓敏電阻和旁路電容，從而防止在高壓電源出現閃絡現象和負載短路時，電流取樣電阻兩端可能出現的過電壓。
[0041]所述電流/電壓傳感單元7為在高壓整流濾波單元6的高壓電源輸出的低端串聯一電流互感器TAl，在高壓電源發生打火時，向DSP控制及參數顯示單元8提供快速的電流脈衝信號，快速切斷BUCK變換和全橋高頻變換電路中IGBT的柵極驅動PWM信號。
[0042]DSP控制及參數顯示單元8，採用TI公司的TMS320F系列DSP晶片中的TMS320LF2407作為核心控制晶片，依據高壓反饋信號、直流電流取樣信號，通過軟體方式，實時調節BUCK變換單元中IGBT模塊V2、V3的柵極驅動PWM信號，實現高壓輸出的穩壓控制。依據脈衝電流信號，實時微調等離子體高頻高壓電源的高壓輸出幅度，實現等離子體發生器的閃絡數控制。當然根據晶片技術的發展，也可用其他型號的DSP晶片例如TMS320F2812、TMS320F28335 等。
[0043]上述僅為本發明的一種較佳實施例，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種等離子體高頻高壓電源，其特徵在於: 包括EMC管理單元(I)、整流濾波/慢啟動單元(2 )、BUCK變換單元(3 )、全橋高頻變換單元(4 )、高頻高壓變壓器(5 )和高壓整流濾波單元(6 )，所述EMC管理單元(I)的輸入端作為所述等離子體高頻高壓電源的三相交流電源輸入端，EMC管理單元(I)的第一輸出端與整流濾波/慢啟動單元(2)的第一輸入端相連，BUCK變換單元(3)的第一輸入端與整流濾波/慢啟動單元(2)的輸出端相連，BUCK變換單元(3)的輸出端與全橋高頻變換單元(4)的第一輸入端相連，高頻高壓變壓器(5)的輸入端接全橋高頻變換單元(4)的輸出端，高頻高壓變壓器(5)的輸出端接高壓整流濾波單元(6)的輸入端，所述高壓整流濾波單元(6)的第一輸出端作為所述等離子體高頻高壓電源的高壓輸出端； 還包括輔助電源(10)、DSP控制及參數顯示單元(8)、電流/電壓傳感單元(7)和IGBT驅動單元(9 )，所述輔助電源(10 )的輸入端接EMC管理單元(I)的第二輸出端，所述輔助電源(10)的輸出端接DSP控制及參數顯示單元(8)的第一輸入端，所述DSP控制及參數顯示單元(8 )的第二輸入端接電流/電壓傳感單元(7 )的輸出端，所述電流/電壓傳感單元(7 )的輸入端與所述高壓整流濾波單元(6)的第二輸出端相連； 所述DSP控制及參數顯示單元(8)的第一輸出端與整流濾波/慢啟動單元(2)的第二輸入端相連，所述DSP控制及參數顯示單元(8)的第二輸出端與IGBT驅動單元(9)的輸入端相連，所述IGBT驅動單元(9)的第一輸出端接BUCK變換單元(3)的第二輸入端，所述IGBT驅動單元(9)的第二輸出端接高頻變換單元(4)的第二輸入端； 來自三相交流電網的380V交流電源經EMC管理單元(I )，濾除來自電網的高頻幹擾信號和本電源工作時所產生的高次諧波，又經整流濾波/慢啟動單元(2)形成脈動直流電源，再經BUCK變換單元(3)實現同步續流，再經全橋高頻變換單元(4)實現定頻諧振式零壓零流全橋變換器，再經高頻高壓變壓器(5)升壓，最後經高壓整流濾波單元(6)整流濾波後輸出； DSP控制及參數顯示單元(8 )由輔助電源(10 )供電，根據電流/電壓傳感單元(7 )的信號，通過IGBT驅動單元(9)對BUCK變換單元(3)和全橋高頻變換單元(4)進行時序控制，DSP控制及參數顯示單元(8)還對整流濾波單元(2)進行啟動控制。
2.根據權利要求1所述的等離子體高頻高壓電源，其特徵在於:所述EMC管理單元(I)包括與電源三相輸入串聯的第一電感L1、與電源三相輸出串聯的第二電感L2、與三相線兩兩連接的第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3，以及串接在各相線與地極之間的第四電容C4、第五電容C5、第六電容C6 ； 由電感L1、L2、電容Cl至C6組成LCL濾波器，一方面對來自電網的高頻幹擾信號進行濾波處理，以消除電網擾動對電源的不良影響，同時對本電源工作時所產生的高次諧波進行濾波處理，以消除電源工作時對電網可能產生的汙染。
3.根據權利要求1所述的等離子體高頻高壓電源，其特徵在於:所述整流濾波/慢啟動單元(2)包括三相整流模塊VC1、慢啟動電阻R4、可控矽V1、電感L3、電容C7，所述慢啟動電阻R4與可控矽Vl並聯後，一端接所述三相整流模塊VCl的正極輸出端，另一端接電感L3輸入端，三相整流模塊VCl的負極輸出端與電感L3的輸出端之間並聯電容C7 ； 所述三相整流模塊VCl對交流電源進行整流形成脈動直流電源，通過延時後利用可控矽Vl將電阻R4短路，電感L3、電容C7構成gamma型濾波器，利用電感L3的儲能和續流完成三相無源功率因素校正以提高電源功率。
4.根據權利要求3所述的等離子體高頻高壓電源，其特徵在於:所述電容C7為兩個以上400V、1000 μ F的電解電容器通過串並聯形成的電容器組。
5.根據權利要求1所述的等離子體高頻高壓電源，其特徵在於:所述BUCK變換單元(3)由兩隻具有相同電氣參數的大功率半橋IGBT模塊V2、V3和續流電感L4、L5構成，V2、V3採用分時工作方式，利用模塊的下橋臂實現同步續流。
6.根據權利要求1所述的等離子體高頻高壓電源，其特徵在於:所述全橋高頻變換單元(4)由兩隻具有相同電氣參數的大功率半橋IGBT模塊V4、V5和輔助諧振電感L6、輔助諧振電容C13、C14構成定頻諧振式零壓零流全橋變換器。
7.根據權利要求1所述 的等離子體高頻高壓電源，其特徵在於:所述高頻高壓變壓器(5)、高壓整流濾波單元(6)和電流電壓傳感(7)集成於一個油箱內，高壓通過一根可插拔的聞壓電纜引出。
8.根據權利要求1所述的等離子體高頻高壓電源，其特徵在於:所述高頻高壓變壓器(5)次級採用多繞組平面型結構。
9.根據權利要求1所述的等離子體高頻高壓電源，其特徵在於:所述電流/電壓傳感單元(7)為在高壓整流濾波單元(6)的高壓電源輸出的低端串聯一電流互感器TA1，在高壓電源發生打火時，向DSP控制及參數顯示單元(8)提供快速的電流脈衝信號，快速切斷BUCK變換和全橋高頻變換電路中IGBT的柵極驅動PWM信號。
10.根據權利要求1所述的等離子體高頻高壓電源，其特徵在於:所述DSP控制及參數顯示單元(8)的控制晶片為TMS320LF2407。
【文檔編號】H02M7/219GK103475242SQ201310407364
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月9日 優先權日:2013年9月9日
【發明者】蔣洪衛, 沙亮, 曹佳平, 張彥, 畢磊, 湯明春 申請人:中國船舶重工集團公司第七二三研究所