一種用于低溫等離子體發(fā)生器的電源設(shè)計

趙炎鑫，張靜雅

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230000）

0 引 言

等離子體近年來在工業(yè)、生物工程、醫(yī)療等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，低溫冷離子體因其溫度低、殺菌周期短、效率高等特點，克服了傳統(tǒng)的醫(yī)療消毒的諸多不便與缺點，被應(yīng)用于醫(yī)療器械消毒、促進(jìn)傷口愈合、凝血等方面。本文設(shè)計并實現(xiàn)了用于電暈放電形式的低溫等離子體發(fā)生器電源。

1 電源的要求

本設(shè)計針對電暈放電等離子體形式設(shè)計。根據(jù)電暈放電的特點，研究不同的輸入電壓、工作頻率、控制信號占空比等因素對于射流長度的影響，電源參數(shù)方案如下：（1）輸入電壓為220 V，50 Hz。（2）輸入電壓可調(diào)：100～300 V。（3）工作頻率可調(diào)：10 kHz～15 kHz。（4）控制信號占空比可調(diào)：電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了占空比最大45%。（5）輸出電壓：3 000～9 000 V。（6）電源功率：500 W。

2 電源的設(shè)計

本電源的設(shè)計采用了對稱性好、易于驅(qū)動的半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，采用了電壓型控制芯片SG3525對于開關(guān)電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動。

高頻開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高頻開關(guān)電源電路

電網(wǎng)220 V電壓經(jīng)過可控硅調(diào)壓電路，輸出100～300 V可調(diào)的電壓，經(jīng)過整流濾波獲得直流電壓，經(jīng)過半橋逆變器變換為高頻方波電壓，再經(jīng)過高頻變壓器，獲得10 kHz～15 kHz的可調(diào)工作頻率，3 000～9 000 V的可調(diào)電壓對射流發(fā)生器的電極進(jìn)行供電。調(diào)壓電路中可控硅是核心器件，使用可變電阻來改變可控硅的導(dǎo)通角，可以實現(xiàn)對于輸入正弦波電壓的調(diào)節(jié)。為了避免等離子體發(fā)生器的空載，使用了風(fēng)動開關(guān)控制電路的整流模塊的輸入。驅(qū)動信號的頻率和占空比可以通過電壓型PWM控制芯片外圍電路設(shè)計來實現(xiàn)。該驅(qū)動信號電壓為3 V，經(jīng)過起隔離與升壓作用的脈沖變壓器對半橋逆變器進(jìn)行控制。該信號可以調(diào)節(jié)死區(qū)時間，避免半橋逆變電路的上下兩個橋臂同時導(dǎo)通。最終輸出電壓可調(diào)節(jié)范圍為3 000～9 000 V、頻率調(diào)節(jié)范圍10 kHz～15 kHz的高頻電壓。

2.1 可控硅調(diào)壓電路

調(diào)壓電路的核心是雙向可控硅器件，雙向可控硅的門極G無觸發(fā)電壓時，第一陽極和第二陽極之間呈現(xiàn)高阻態(tài)。當(dāng)雙向可控硅的門極G施加觸發(fā)電壓時，可控硅可以雙向?qū)?。利用可控硅性質(zhì)，設(shè)計了如圖2所示的調(diào)壓電路。

圖2 可控硅調(diào)壓電路

電路中電阻R17、電位器P1、電阻R18與電容C12、C13構(gòu)成了充電回路，由于電容兩端的電壓不能突變，產(chǎn)生一個充電時間。而電位器P1的改變將會改變充電回路的時間。當(dāng)二極管DB3陽極端電壓大于陰極端，二極管導(dǎo)通，觸發(fā)晶閘管Q1的門極，此時晶閘管導(dǎo)通。電路中開關(guān)S1代表設(shè)計的低溫等離子體發(fā)生器中氣源部分對于主電路的控制開關(guān)。當(dāng)有氣體輸入時，風(fēng)壓微動開關(guān)閉合，此時常閉型繼電器的控制回路導(dǎo)通，常開型繼電器端子閉合，整流橋電路形成回路。因此在此電路中，只有當(dāng)開關(guān)S1和晶閘管門極被觸發(fā)同時滿足，調(diào)壓電路方可正常工作。

2.2 逆變器電路

電路中A、B兩點連接過流保護(hù)電路，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號1和2為控制信號輸入端口，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號OUTPUT1與OUTPUT2為調(diào)壓電路的輸出端口。逆變器電路采用半橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有良好的抗不平衡能力、易于驅(qū)動、關(guān)斷時功率管承受電壓較小的優(yōu)點。半橋型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，電路中的電容器C13和C19是兩只容值較大且完全相同的電容，稱之為分壓電容。當(dāng)MOS功率管處于截止?fàn)顟B(tài)時，C13與C19之間的電壓為輸入電壓的一半。

圖3 半橋型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 逆變器功率管驅(qū)動電路

對于逆變電路中MOS管的驅(qū)動可以使用分立器件，也可以使用集成芯片。集成芯片性能穩(wěn)定，采用電壓型PWM控制芯片SG3525，芯片的外圍電路如圖4所示。

圖4 SG3525的外圍電路

電路中可變電阻R9、定值電阻R10、R11與電容C5決定了芯片的振蕩器頻率，輸出波形的頻率為振蕩器頻率的一半。改變可變電阻R9的阻值，實現(xiàn)頻率在10 kHz～15 kHz范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。SG3525控制信號占空比的調(diào)節(jié)通過R13與R3的分壓來實現(xiàn)，通過SG3525芯片引腳9電壓值的不同，來改變誤差放大器的輸出值，進(jìn)而改變控制信號的占空比。

2.4 過流保護(hù)電路

芯片引腳10處于高電平狀態(tài)時，控制芯片停止工作。當(dāng)引腳10處于低電平狀態(tài)時，控制芯片正常工作。過流保護(hù)電路通過控制引腳10狀態(tài)，來進(jìn)行過流保護(hù)。過流保護(hù)電路如圖5所示。電路中，比較器的輸出與芯片管腳10相連。T5為電流互感器，將變壓器初級線圈電流耦合到次級線圈，當(dāng)電流過大時，比較器輸出高電平，引腳10處于高電平，芯片停止工作。當(dāng)電流不超過設(shè)定值，比較器輸出低電平，引腳10處于低電平，芯片正常工作。

圖5 過流保護(hù)電路

2.5 實驗效果圖

設(shè)計的電源用于空氣等離子體射流發(fā)生器中，產(chǎn)生了大約2 cm長的空氣等離子體射流（圖6）。

圖6 空氣等離子體射流效果

3 結(jié) 論

本文研究并設(shè)計了用于電暈放電的半橋式開關(guān)電源電路。根據(jù)電源放電特點以及電源要求，給出了電源的設(shè)計方案，制作了用于電暈放電的開關(guān)電源，功能測試表明可以產(chǎn)生2 cm長的空氣等離子體射流。電源設(shè)計了過流保護(hù)電路，保障了電路的安全性。輸出電壓3 000～9 000 V可調(diào)，頻率實現(xiàn)10 kHz～15 kHz的變化，占空比實現(xiàn)0～45%的調(diào)節(jié)；最終的實驗結(jié)果證明了該電源可以實現(xiàn)電暈放電產(chǎn)生等離子體射流。

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