高壓等離子體電源的製作方法
2023-12-02 07:14:26
本實用新型涉及一種等離子體電源，具體涉及一種高壓等離子體電源，屬於等離子技術應用領域。
背景技術：
本實用新型所涉及的低溫等離子體電源適用於DBD介質阻擋放電、線筒式電暈放電以及去除煙氣顆粒的線筒式荷電放電。適用於工業廢氣處理的介質阻擋放電通道通常有平板式DBD通道，同軸圓管式DBD通道及圓管排列式DBD通道這三種結構形式，介質材料由陶瓷或石英材料製作，形狀可以為片材或空心管，導電電極則為鋁粉或鎂粉填充物；適用於工業廢氣處理的線筒式電暈放電由同心的金屬材料製成，其中高壓電極可以為曲率半徑較小的鉬絲、金絲或合金絲，也可以為帶有尖刺的金屬棒，接地極是金屬空心管。適用於工業廢氣處理中的線筒式荷電通道結構與線筒式電暈放電通道結構類似。高頻高壓電源使通道內的氣體發生電離，激發出高能電子，高能電子和廢氣分子發生非彈性碰撞，當其能量大於廢氣分子的化學鍵能時使汙染物分解，同時非彈性碰撞也產生大量正負離子、激發態離子和自由基，它們和廢氣分子進行反應也能夠分解汙染物。使用低溫等離子體處理方法具有效率高，能耗低，使用範圍廣，操作簡便等優點，因此，利用等離子體技術處理環境中有毒物質或難以降解物質，正從實驗室走向市場，等離子技術將逐步發展成為一個新的高技術產業。目前，使用低溫等離子體處理有毒物質或難以降解物質的技術還有待提高，等離子反應器（發生器）的選擇，匹配和優化，反應機理等方面需要進一步研究。需要處理的氣體種類，流量，濃度，溫度等參數與電極結構，電源特性之間的關係共同決定了廢氣處理的效果。可見，反應器的結構，電源特性是低溫等離子體技術的關鍵。國內已商品化生產的大功率等離子體放電電源，有的使用微秒或納秒窄脈衝電源，其驅動電路成本偏高，性價比不利於市場化，也有使用單相IGBT驅動的半橋硬開關結構，電源的功率效率較低，故障率高，不適合大批量使用，難於滿足中大功率工業廢氣處理需求。
技術實現要素：
為了解決上述存在的問題，本實用新型公開了一種高壓等離子體電源，該技術方案適用於各種電暈放電和各種介質阻擋放電（DBD）發生器使用。該技術方案採用一種全橋軟開關閉環結構，利用LC電壓串聯諧振電路，使流過開關管的電流變為正弦波而不是方波，調理好LC參數使開關管在正弦電流過零時導通或關斷，從而大大減低功率器件IGBT模塊的開關損耗。這種軟開關技術適合於高壓低電流型大功率開關電源，能使得開關損耗大大降低，電源效率大幅提高，同時，器件損耗小，發熱量小，簡化了通風設計，實現了設備的小型化，可靠性相應提高。
為了實現上述目的，本實用新型的技術方案如下，一種高壓等離子體電源，其特徵在於,所述等離子體電源包括三相半控整流電路、延時啟動電路，濾波儲能電路、全橋電路、LC串聯諧振電路、倍壓整流電路、功率調節電路、反饋控制電路、變頻電路、IGBT全橋驅動電路、報警電路,所述三相半控整流電路通過全橋電路、LC串聯諧振電路連接高壓變壓器，所述反饋控制電路通過變頻電路連接全橋驅動電路，所述三相半控整流電路由半控整流橋BR1，電阻R1~6，電容C11,C18~20，二極體D1及接插件H18連接至輔助電源共同完成，控制電源經H18連接R3,R6,C20控制L1相；控制電源經H18連接R1,R5,C19控制L2相；控制電源經H18連接R2,R4,C18控制L3相，二極體D1經接插件H18反向連接至輔助電源起保護作用；所述延時啟動電路由二極體D2,D10,D11，電阻R11~14組成，延時啟動由控制電源產生，通過接插件H18連接到R11~14，再通過D2,D10,D11連接到三相交流電源，所述濾波儲能電路由電容C24~31,電阻R24,R26組成，電容C24，C26並聯後連接C28與C30並聯,C12並接C13濾出高頻幹擾，電阻R24連接R26為儲能電容提供能量卸放迴路，電阻R24,R26為儲能電容提供能量卸放迴路，所述全橋電路由兩個IGBT0模塊Q19,Q20組成全橋電路，瞬態吸收二極體Z3~Z6和電容C16，C17,C22,C23組成IGBT模塊保護電路；電阻R30,R15,R113,R20,R32,R8,R114,R17為柵極串聯電阻，電阻R10,R19,R16,R22為柵極並聯電阻，所述電阻為IGBT驅動電路的一部分，為減小開關時間和損耗，設計時儘量靠近IGBT模塊，電阻R15,R16,R30連接瞬態吸收二極體Z4組成Q20柵極驅動G1，電阻R113,R20,R22連接瞬態吸收二極體Z6組成Q20柵極驅動G2，電阻R32,R8,R10連接瞬態吸收二極體Z3組成Q19柵極驅動G3，電阻R114,R17,R19連接瞬態吸收二極體Z5組成Q19柵極驅動G4；C16，C22連接Q20的漏源極，C17,C23連接Q19的漏源極組成IGBT模塊漏源保護電路。
作為本實用新型的一種改進，所述LC串聯諧振電路由L1,C1~5以及高壓變壓器T1漏感組成。
作為本實用新型的一種改進，所述倍壓整流電路由高壓電容CH1,CH2,高壓矽堆DH1組成，採用倍壓後，輸出電壓升高一倍。倍壓整流電路在電暈放電的反應器中使用，介質阻擋放電（DBD）的反應器工作頻率低，可以省略倍壓整流電路。
作為本實用新型的一種改進，所述功率調節電路由可調電位器W4及電阻R46,R78,R79,C47組成，功率調節作為給定輸入參數，作為反饋調節的參考點。
作為本實用新型的一種改進，所述反饋控制電路是指在給定的功率條件下，通過控制輸出電壓或輸出電流實現穩定的功率輸出。根據處理廢氣汙染物的濃度及流量不同，選取不同的反饋形式。本實用新型包括電流反饋和電壓反饋，U4B及電阻R40,R42,C22經R39送到功率調節電路的反相輸入端，形成反饋信號。
所述電流反饋包括：電流互感器CSS1採樣高壓變壓器輸入端原邊的交流工作電流，採樣包括全波整流電路以及濾波、額定電阻負載，其中二極體D4,D5,D8，D9組成全波整流電路，電容C48,R50組成濾波，R54為額定負載。採樣電流幅值較小，再經過R39，C35濾去雜波，再送到運放U3A及R42,R43,C34，將小電流信號放大。經過採樣電路後，形成與變壓器原邊的工作電流變化相對應的電流信號PC。所述電壓反饋包括：H10來自高壓變壓器輔助繞組，形成與輸出電壓成比例的電壓信號，採樣包括全波整流電路以及濾波，其中D16,D17,D20，D21組成全波整流電路，R96為額定負載，C95濾波，R84,R86，C74組成分壓取樣，再經U1A電壓跟隨，形成與變壓器原邊的工作電壓變化相對應的電流信號PV。
作為本實用新型的一種改進，所述變頻電路包括D23,U10,C51,R60,R63。
作為本實用新型的一種改進，所述IGBT全橋驅動電路由全橋驅動模塊U4~U7組成。驅動電路的供電採用DCDC隔離電源模塊，功率大，能提供足夠高的正負柵壓。驅動信號傳輸採用高絕緣等級的高速光耦電路，傳輸時間小，電隔離保證了大功率條件下，IGBT不受電路波動影響。柵極串聯電阻和並聯電阻的合理選擇有利於減小開關時間和減小開關損耗。
作為本實用新型的一種改進，所述報警電路共5路：
1.過流報警OPC，來自CSS1的電流採樣值送電壓比較器U2A的反相端，可調電位器W1調節過流值並送電壓比較器U2A同相端，比較結果通過二輸入與門U9B輸出；
2.欠壓報警LV，來自H10的電壓採樣值送電壓比較器U1B的同相端，可調電位器W6調節欠壓值並送電壓比較器U1B的反相端，比較結果通過二輸入與門U9E輸出；
3.過壓報警OV，來自H10的電壓採樣值送電壓比較器U2B的反相端，可調電位器W5調節過壓值並送電壓比較器U2B的同相端，比較結果通過二輸入與門U9D輸出；
4.過溫報警OT，來自溫控開關H9的開關量信號直接輸出；
5.風機報警FANST，三芯電聯接器H14,H15連接兩臺散熱風機，只要某一臺故障，二極體D12或D13將輸出高電平告警，告警信號通過二輸入與門U9C輸出。
相對於現有技術，本實用新型的優點如下：
1）該技術方案解決了閉環控制，可提供電流反饋或電壓反饋供選擇，適應範圍廣。當輸出端負載變化或輸入電源電網波動時，通過檢測電流電壓瞬時變化量反饋到變頻電路，從而迅速改變IGBT模塊工作頻率，使輸出功率保持穩定；
2）該技術方案高壓變壓器輸出端可按需要選用倍壓整流技術，使輸出電壓提高一倍；
3）該技術方案使用LC串聯諧振軟開關電路，功率器件損耗小，發熱量小，穩定性和可靠性得以提高；
4）保護措施完備，工作安全可靠，通過半年多的現場試用，未發生任何質量問題；
5）該技術方案成本較低，便於推廣應用。
附圖說明
圖1為全橋軟開關主電路圖；
圖2為反饋控制與變頻控制電路圖；
圖3為電壓電流採樣及告警電路圖；
圖4為啟動電路，風機告警及過溫告警電路圖；
圖5為整體框圖。
具體實施方式
為了加深對本實用新型的認識和理解，下面結合附圖和具體實施方式，進一步闡明本實用新型。
實施例：
參見圖1-圖5，一種高壓等離子體電源,所述等離子體電源包括三相半控整流電路、延時啟動電路，濾波儲能電路、全橋電路、LC串聯諧振電路、倍壓整流電路、功率調節電路、反饋控制電路、變頻電路、IGBT全橋驅動電路、報警電路，所述三相半控整流電路通過全橋電路、LC串聯諧振電路連接高壓變壓器，所述功率調節電路和反饋控制電路連接反饋控制電路，所述反饋控制電路通過變頻電路連接全橋驅動電路。所述三相半控整流電路由半控整流橋BR1，控制由電阻R1~6，電容C11,C18~20，二極體D1及接插件H18連接至輔助電源共同完成。所述延時啟動電路由二極體D2,D10,D11，電阻R11~14組成。延時啟動由輔助電源產生，延時期間，三相交流電源通過R11~14對儲能電容緩慢充電。其作用是避免啟動瞬時電流過大，造成三相交流電力幹擾。所述濾波儲能電路由電容C24~31,電阻R24,R26組成，電阻R24,R26為儲能電容提供能量卸放迴路。所述全橋電路由兩個IGBT模塊Q19,Q20組成全橋電路，瞬態吸收二極體Z3~Z6和C16，C17,C22,C23組成IGBT模塊保護電路。R30,R15,R113,R20,R32,R8,R114,R17為柵極串聯電阻，R10,R19,R16,R22為柵極並聯電阻，所述電阻為IGBT驅動電路的一部分，為減小開關時間和損耗，設計時儘量靠近IGBT模塊。所述LC串聯諧振電路由L1,C1~5以及高壓變壓器T1漏感組成。所述倍壓整流電路由高壓電容CH1,CH2,高壓矽堆DH1組成，採用倍壓後，輸出電壓升高一倍。倍壓整流電路在電暈放電的反應器中使用，介質阻擋放電（DBD）的反應器工作頻率低，可以省略。所述功率調節電路由可調電位器W4及電阻R46,R78,R79,C47組成，功率調節作為給定輸入參數，作為反饋調節的參考點。所述反饋控制電路是指在給定的功率條件下，通過控制輸出電壓或輸出電流實現穩定的功率輸出。根據處理廢氣汙染物的濃度及流量不同，選取不同的反饋形式。本實用新型包括電流反饋和電壓反饋，U4B及電阻R40,R42,C22經R39送到功率調節電路的反相輸入端，形成反饋信號。所述電流反饋包括：電流互感器CSS1採樣高壓變壓器輸入端原邊的交流工作電流，採樣包括全波整流電路以及濾波、額定電阻負載，其中二極體D4,D5,D8，D9組成全波整流電路，電容C48,R50組成濾波，R54為額定負載。採樣電流幅值較小，再經過R39，C35濾去雜波，再送到運放U3A及R42,R43,C34，將小電流信號放大。經過採樣電路後，形成與變壓器原邊的工作電流變化相對應的電流信號PC。所述電壓反饋包括：H10來自高壓變壓器輔助繞組，形成與輸出電壓成比例的電壓信號，採樣包括全波整流電路以及濾波，其中D16,D17,D20，D21組成全波整流電路，R96為額定負載，C95濾波，R84,R86，C74組成分壓取樣，再經U1A電壓跟隨，形成與變壓器原邊的工作電壓變化相對應的電流信號PV；所述變頻電路包括D23,U10,C51,R60,R63；所述IGBT全橋驅動電路由全橋驅動模塊U4~U7組成。驅動電路的供電採用DCDC隔離電源模塊，功率大，能提供足夠高的正負柵壓。驅動信號傳輸採用高絕緣等級的高速光耦電路，傳輸時間小，電隔離保證了大功率條件下，IGBT不受電路波動影響。柵極串聯電阻和並聯電阻的合理選擇有利於減小開關時間和減小開關損耗。所述報警電路共5路：過流報警OPC，來自CSS1的電流採樣值送電壓比較器U2A的反相端，可調電位器W1調節過流值並送電壓比較器U2A同相端，比較結果通過U9B輸出；欠壓報警LV，來自H10的電壓採樣值送電壓比較器U1B的同相端，可調電位器W6調節欠壓值並送電壓比較器U1B的反相端，比較結果通過U9E輸出；過壓報警OV，來自H10的電壓採樣值送電壓比較器U2B的反相端，可調電位器W5調節過壓值並送電壓比較器U2B的同相端，比較結果通過U9D輸出；過溫報警OT，來自溫控開關H9的開關量信號直接輸出；風機報警FANST，三芯電聯接器H14,H15連接兩臺散熱風機，只要某一臺故障，二極體D12或D13將輸出高電平告警，告警信號通過U9C輸出。
工作原理：圖1所示電路採用三相交流380V輸入，經過三相半控整流，輸出直流500V電壓送到全橋軟開關電路。通過延時啟動電路控制半控整流橋的導通時間，減小開機瞬時的衝擊電流。高壓變壓器的輸出端採用倍壓整流技術，使輸出電壓提高一倍。圖2所示電路中，Q23，Q24，R44,R45,R49，C45是一個標準鏡像電流源電路。根據電流鏡像對稱的原理，鏡像電流源的輸出電流與輸入電流完全相等，輸出負載變化不會影響輸出電流，所以又稱鏡像電流源為恆流源，流經R49的輸入電流與流經D3的輸出電流完全相等，而電流鏡的輸入電流是有運放U3B輸出端電壓來控制的，因此，採樣電流PC（電壓PV）信號經過與功率調節的信號進行差值運算，並動態放大，形成反饋控制信號，該信號送到鏡像電流源的輸入端，反饋信號的大小直接改變鏡像恆流源的輸入電流，從而鏡像電流源的輸出電流也隨之變化。
以下以電流反饋為例，詳述閉環控制原理。
U10為通用PWM控制器SG3525A，組成控制和反饋系統簡單可靠。
電路工作中，當由於某種原因使高壓變壓器原邊的交流工作電流減小時，採樣電流PC也減小，差值運算後，運放電路U3B輸出電壓增大，鏡像電流減小，恆流源輸出電流變化直接改變PWM控制器CT端的充電時間常數，使三角波的斜率減小，PWM控制器U10內部振蕩器的工作頻率也減小。U10控制輸出端OUTA和OUTB的工作頻率隨之減小。OUTA和OUTB送到IGBT全橋驅動電路U4~U7，全橋驅動電路輸出四路控制信號G1~G4，控制全橋電路中IGBT功率模塊Q19，Q20導通時間將變大，高壓變壓器工作頻率相應減小，輸出功率相應增大，原邊的交流工作電流又隨之增大。
同理，當高壓變壓器輸入端原邊的交流工作電流增大時，採樣電流PC也增大，功率調節電路U3B輸出電壓減小，鏡像電流增大，變化直接改變CT的充電時間常數，使三角波的斜率增大，內部振蕩器的工作頻率增大。控制輸出端OUTA和OUTB的頻率隨之增大。OUTA和OUTB送到圖2所示的全橋驅動電路U4~U7，控制全橋電路中IGBT功率模塊Q19，Q20導通時間減小。高壓變壓器工作頻率相應增大，輸出功率相應減小，原邊的交流工作電流又隨之減小。
因此，PWM控制器U10輸出端OUTA和OUTB的頻率變化與功率調節電位器W4變化以及變壓器初級電流變化相關。電位器W4為功率調節手動給定值，變壓器初級電流（採樣值PC）為反饋值，二者進行差值運算。只要變壓器初級電流發生變化，採樣值PC緊隨變化，經過反饋後，PWM控制器內部振蕩器的工作頻率發生變化，全橋電路的工作頻率隨之做相應的變化，實現電流反饋閉環控制。
本實用新型具有完備的故障告警電路，對異常信號設置完善的保護措施，使放電設備安全可靠運行。如過壓欠壓，過流，過溫，散熱風機損壞等，均可通過相關告警電路，經過D22,D25,D26,D28,D31送出高電平，觸發三極體Q14導通，導致高電平經過Q14發射極，觸發Q14導通，繼電器J1B得電工作，告警信號（開關量）由H16輸出。
同時，Q14導通，導致D18導通，ST輸出高電平，經R69,R66，57組成的關斷電路，送到PWM控制器U10的FLT端（引腳10），實現保護性停止，保證電路安全工作。
需要說明的是，上述實施例僅僅是本實用新型的較佳實施例，並沒有用來限定本實用新型的保護範圍，在上述技術方案的基礎上作出的等同替換或者替代，均屬於本實用新型的保護範圍。