等离子脉冲电源的研制

摘要 : 介质阻挡放电技术可以用来产生等离子体 ,而等离子体在工业及军事上具有十分广阔的应用前景 。要实现介
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质阻挡放电 ,供电电源必须具有较高的工作频率和输出电压 。文章给出了这种特殊的高频高压正弦波电源的设计方案 ,
此电源包括整流电路 、斩波电路 、逆变电路 、控制电路以及保护电路等 。文中对电源各个部分的原理做了介绍 ,给出了设
(5) CPU 的高速输出口发出脉冲信号 ,S G3525 输
通信电源技术
2007 年 9 月 25 日第 24 卷第 5 期
袁佑新 等 : 等离子脉冲电源的研制
Telecom Power Technologies Sep . 25 , 2007 , Vol. 24 No . 5
出逆变信号的频率与脉冲信号的频率同步 。 (6) 电路检测到过流时 , CPU 发出 Shut down 信
(3) 应用电路中的电容器 C1 、C2 用于吸收电源线 阻抗引起的供电电压变化 ,而不是作为电源滤波用的 。
(4) 必要时可增大 Rc ,抑制 I GB T 的集电极产生 大的电压尖脉冲 。
图 3 M57959 应用实例
1. 3 调压及逆变电路 通过由驱动电路发出的信号 ( CP) 控制 I GB T 的
由西安普天承建研制的此数字微波系统设备 ,是由微波天线 、微波馈线 、CP MCE01 微波收发信机 、微波分路倒换系统 、中频调 制解调机 、电视解调器 、PCM 终端机 、会议电视编解码机 、协议转换器 、基础通信电源 、电源配电系统 、简易 2M 配线盘等组成的多功 能传输系统 。该设备基本采用 19 英寸上架结构 ,外观明了 ,维护方便 ,系统采用了 1 + 1 同频热备份 ,倒换关键部分采用了原装进 口器材保证了系统维护的可靠性 ,可满足用户多项业务传输需求 。
号 ,关断 S G3525 的输出 。 主程序的流程图和键盘检测程序的流程图如图
7 、图 8 ,具体的程序由于比较长 ,并且很通用 ,就不详 细给出 。 2. 1 主程序流程图
主程序流程图主要结合人机交换部分而作 ,实际 上和电源的操作流程图比较类似 。该电源控制面板 (即人机交换部分) 有 7 个按键 , 分别标注 : 参数 、保 存 、上升 、下降 、运行 、停止 、复位 。
图 6 逆变后输出电压波形
2 软件部分概述
软件部分使用基于 80C196 单片机的 C 语言编 写 ,该软件主要结合硬件实现以下功能 :
(1) 负责对 EPROM (27128 芯片) 、ROM 以及外 部接口 (8255 芯片) 的访问 。
(2) 实现人机交换 。对键盘输入的检测 ,从而实现 输出参数的调整 ,并显示输出参数 。
T
π
UD = 6
1 T
12
∫U 0
-
T 12
d
T
=
3
π
6
3Um
∫co s (ωt) d (ωt)
π
-6
=
33
π
U
m
=
2.
34U s
=
1.
35Ul
式中 ,Um为相电压峰值 ,U S为相电压有效值 ,Ul 为线电 压有效值 。若输出三相交流市电 ,Ul = 380 V ,则 UD = 1 . 35 Ul = 1 . 35 ×380 V = 513 V 。 1. 2 驱动及控制电路
图 2 三相桥式不可控整流电路
其工作原理为 :负载上的整流电压为线电压 ,哪两
相的线电压瞬时值最大时 ,哪两相的二极管导通 ,整流
电流从相电压瞬时值最高的那一端点流出至负载 ,再
回到相电压瞬时值最低 (负) 的那一相 。负载电压 UD
( t) = U PN = UAC ( t) 输出直流电压平均值为 :
本设计 采 用 三 菱 公 司 的 IGB T 专 用 驱 动 芯 片 M57959 ,图 3 给出了驱动应用实例 。使用 M57959 驱 动电路应注意如下问题 : (1) 输入电路 (光电耦合器原边) 接线应远离输出 电路 ,以保证有适当的绝缘强度和高的噪声阻抗 。
(2) I GB T 的栅 、射极回路的接线要小于 50 cm ,且 应使用双绞线 。
要实现介质阻挡放电 ,供电电源必须具有较高的 工作频率和较高的输出电压 。产生等离子体用的配套 电源 ,可以是脉冲形式的 ,也可以是正弦波 ,或是方波 、
甚至直流 。本文给出了这种特殊的高频高压正弦波电 源的设计方案[2 ] 。
1 电源电路部分工作原理及设计详述
电源设计的各部分如图 1 所示 :包括整流电路 、斩 波电路 、逆变电路 、控制电路以及保护电路等 。
Abst ract : At p resent , mo st st udies of p roducing plasma are focused on t ho se p roduced by Dielect ric Barrier Discharge (DBD) under at mo sp here , which has very wide p ro spect s in indust rial and military affairs application. In t his t hesis , we discuss t he power supply of t he f ull design of data acquisition and p rocessing , p rinciple , software and hardware.
介质阻挡放电 (DBD) 是一种典型的可通过大气压 放电产生等离子体的技术 ,因而受到国内外的广泛关 注 。由于 DBD 具有高电压 、非平衡电子密度等特点 , 特别适宜进行化学反应 、材料生长 、臭氧合成及产生准 分子激光 。介质阻挡放电是将绝缘介质插入放电空间 的一种气体放电 。介质可以覆盖在电极上 ,也可以悬 挂在放电空间中 ,在电极两端加上很高的交流电压 ,即 使在很高的气压下也可以击穿气体 。通常放电中间的 气体压强可达到 105 Pa 或更高 ,由于它不像空气中的 火花放电那样会发出巨大的击穿响声 ,在历史上把这 种放电也称为无声放电 。早期的介质阻挡放电是以臭 氧发生器为研究背景而展开的 ,实验研究另一目的就 是以应用为目标 ,研制各种介质阻挡发生器 ,以满足各 种不同要求的工业应用 。这一研究使得介质阻挡放电 开始广泛地应用到各个工业领域 。
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1. 1 整流滤波电路 输入 380 V 工频交流 ,采用三相桥式不可控整流
如图 2 所示 。
时 ,VD2 截止 ,电源在给负载提供能量的同时电容 C 储 能增加 ,输出电压 U 和输出电流 i 按指数规律增加 ,电 感主要起限流滤波作用 。当 I GB T 关断时 ,VD1 起续 流作用 ,C 中储能经过负载形成回路释放 。通过调节 IGB T 的导通与关断的时间比 ,就可以改变其输出的 直流电压的大小 。显然 ,这是一个降压电路[3 ,4 ] 。
下文对电源各个部分的原理做介绍 ,给出设计思 路 ,并对电路进行分析 。
收稿日期 : 2007203207 作者简介 : 袁佑新 (19532) ,男 ,教授 ,研究方向为电气设备健康 监测与故障诊断技术 、现代电力传动控制技术 。
图 1 系统结构图
·1 ·
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主程序流程如图 7 所示 。
源在介质阻挡放电技术中已经获得成功的应用 。实践 证明 ,该逆变电源系统的设计完全满足了介质阻挡放 电技术的需要 。该电源不但电路结构简单 ,体积成倍 减小 ,性能稳定可靠 ,而且使应用该电源的介质阻挡放 电装置的体积大大减少 ,性能却大幅度提高 。
图 8 键盘检测程序流程图
(3) 存储预制参数 。通过键盘输入的预置参数 ,存 储在芯片 X25043 中 , X25043 为 512 字节串行可擦写 EEPROM 。
(4 ) CPU 的 P1 口 发 出 电 压 幅 值 控 制 信 号 , 经 TL C5617 数模转换后输入到 S G3525 ,用于产生 PWM 波形 ,控制 I GB T 的关断 。
Key wo rds : plasma ;p ulse power supply ;inverter circuit
0 引 言
等离子体在工业及军事上具有十分广阔的应用前 景 。高温等离子体的重要应用是受控核聚变 。低温等 离子体用于切割 、焊接和喷涂以及制造各种新型的电 光源与显示器等 。低温等离子体还被用于材料的表面 聚合 、表面接枝和表面改性[1 ] 。
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文章编号 :100923664 (2007) 0520001203
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研制开发
等离子脉冲电源的研制
袁佑新 ,辛华强 ,叶静元 (武汉理工大学自动化学院 ,湖北 武汉 430070)
计思路 ,并对电路进行了分析 。
关键词 : 等离子 ;脉冲电源 ;逆变电路
中图分类号 : TN86
文献标识码 : A
Research of Plasma Pulse Power Supply
YUAN Yo u2xin ,XIN Hua2qiang , YE Jing2yuan ( School of Auto mation , Wuhan U niversity of Technology ,Wuhan 430070 ,China)
参考文献 :
图 7 主程序流程图
2. 2 键盘检测程序流程图 键盘检测程序检测有无键按下 ,流程如图 8 所示 。
3 结束语
[ 1 ] 白希尧. 高气压强电离放电等离子体学科的形成及应用 展望[J ]. 自然杂志 ,2000 ,20 (3) :1562160 .
[2 ] 万山明 ,吴 芳 ,黄声华. 一种高压正弦波变频逆变电源 [J ] . 电源技术应用 ,2003 ,15 (10) :12213 .
输入电源为三相 380 V ,经三相桥整流后 ,可得约 510 V 的直流电压 (随电网电压的变化波动) 。该直流 电压经过 DC/ DC 变换器 ,得到一个输出幅值可变的 直流电压 ,变化范围设计为 0～500 V 。该变换采用普 通的 Buck 降压变换电路即可实现 。
可变直流电压经 DC/ AC 全桥逆变电路得到方波 输出 。该方波经 L C 滤波后可得到正弦波输出 。滤波 电感由外加电感和变压器自身漏感组成 ,滤波电容由 变压器自身杂散电容和负载本身的电容构成 。低压正 弦波最后经高压高频变压器升压得到所需要的高压正 弦波 。输出电压的大小和频率通过单片机 80C196 控 制 IGB T 的关断来实现 。
导通与关断以实现调压 ,如图 4 所示 。当 I GB T 导通 ·2 ·
图 4 电源调压电路
逆变电路见图 5 ,其工作原理如下 。
图 5 电源逆变电路
I GB T1 、I GB T4 同时导通 , 此时 I GB T2 、I GB T3 截 止 ,电流经 I GB T1 到负载 ,再经 I GB T4 形成回路 ,输出 电压为负半周 ; I GB T1 、I GB T4 截止时 , I GB T2 、I GB T3 导通 , 输出电压为正半周 。为防止直通 , IGB T1 、IG2 B T4 导通后经一定的延时 , IGB T2 、IGB T3 才导通 。这 样经逆变后的电压波形如图 6 所示 。
[ 3 ] 何希才. 新型开关电源及其应用[ M ] . 北京 : 人民邮电出 版社 , 1996 .
[ 4 ] 邱关源. 电路[ M ] . 北京 :高等教育出版社 ,1999.
采用 I GB T 及 PWM 脉宽调制技术设计的逆变电
简 讯
中国普天配套设备再次服务国家授时中心
2007 年 8 月 13 日 ,中国科学院国家授时中心组织专家对中国普天提供的数字微波通信系统设备进行了联测验收 。测试结果 表明各项指标均达到规定要求 ,中国普天配套系统设备将再次服务国家授时中心 。