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基于SG3525的高壓除塵電源的設計
2016年微型機與應用第19期
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。
Abstract:
Key words :

  陳禮俊,蘭志勇

 ?。ㄏ嫣洞髮W 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。

圖像 001.png

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。

圖像 002.png

  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[14]。當S開通,ESL1、ESC1L2負載(C2和R)構成回路;當S關斷,L1VDC1、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:

圖像 003.png

     QQ圖片20161213181940.png

  QQ圖片20161213181943.png

  式中α為開關導通占QQ圖片20161213181946.png

  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。

圖像 004.png

  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]??刂泼}沖信號PWM的頻率可由下式得到:

  QQ圖片20161213181953.png

  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。

圖像 005.png

  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TLP5211中。當采樣電壓過高時,此時由TL431與TLP5211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。

圖像 006.png

  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。

圖像 007.png

  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。

圖像 008.png

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:

 ?。?)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;

 ?。?)電源電路對輸入過壓、欠壓具有一定的自保護功能;

 ?。?)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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