CN103458596A

CN103458596A - 一种用于uv灯管的直流uv开关电源

Info

Publication number: CN103458596A
Application number: CN2013102717885A
Authority: CN
Inventors: 易智勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2013-12-18

Abstract

本产品发明为一种用于UV灯管的直流UV开关电源，属于UV灯专用开关电源领域，包括一个降压斩波电路和升压斩波电路，两个电路共用一个电感，通过空气接触器来进行电路的转换，具体的电路原理图见摘要附图。其工作原理和工作过程是：启机时，Q1工作，Q2，Q3不工作，K1断开，高频高压电路产生的高压点燃UV灯管后不再工作，整个电路等效于一个降压斩波电路；当UV灯管管压上升到接近三相电(或两相电)整流后的电压时，闭合K1，然后再关闭Q1，让Q2，Q3在PWM脉冲的控制下工作，整个电路等效于一个升压斩波电路，Q2，Q3工作在全软开关状态；该开关电源具有功率因数高，转换效率高，发热量小，成本低廉的特点。

Description

一种用于UV灯管的直流UV开关电源

技术领域

本产品发明属于UV灯专用开关电源领域，与该直流UV开关电源配套的UV灯管是指用于涂装或UV印刷等行业的高压汞灯或卤素灯，该灯能发出用户需要的超强紫外线。

背景技术

目前，UV灯管广泛用于涂装或UV印刷等行业，与UV灯管配套的电源主要是变压器和高频开关电源，但变压器体积大，笨重，功率因数相当低，无法对紫外线强度进行精细调节，高频开关电源克服了变压器的上述缺陷。目前，市面上常见的高频开关电源主要分为方波UV电源和直流UV电源；UV灯管作为开关电源的负载，具有与一般负载很不一样的特殊性：在点灯时需要在UV灯管两极施加高频高压以击穿管内氩气，在点燃灯管后，UV灯管两极的电压接近于0V(一般在30V到60V之间)，随着持续的加热和升温，UV灯管内的液态汞或卤素离子逐渐蒸发并参与导电，UV灯管的管压上升到正常使用时的高压(一般在600V到900V之间)；市面上常见的方波UV电源采用了先斩波后逆变的策略(见图1)，利用斩波来调功，向UV灯管输出大约18KHZ的方波电压和电流，该电路的优点是功率因数大于0.9，可以精细调节输出功率大小；但缺点是电路复杂，成本高(至少需要3个IGBT模块，如果做成软开关，则至少需要4个IGBT模块)，发热量大，在输出功率大于10KW时，必须使用水冷；市面上常见的直流UV电源则普遍使用先倍压，后斩波的方式(见图2)，也就是把380V的交流电倍压整流成约1080V的高压，再通过斩波将输出电压转换成UV灯管的管压(一般在600V到900V之间)，但其缺点是IGBT串联使用，并且工作在硬开关工作状态，容易坏，同时IGBT发热量较大。

本发明在充分考虑到UV灯管的电学属性后，采用了先降压斩波(Buck)，后升压斩波(Boost)，中间利用一个空气接触器过渡的控制策略，成功研制出了功率因数高，转换效率高，发热量极小，成本低廉的全软开关直流UV开关电源。

发明内容

本发明的主电路图见说明书附图3，图3中的Q1，Q2，Q3是IGBT，K1是空气接触器(也可以使用耐高压继电器)。本发明的核心在于整个电路能从Buck向Boost进行平稳的切换，而K1则是完成这一切换的核心器件。本发明的直流UV开关电源工作过程分为三个阶段，其相关原理介绍如下：

第一阶段：降压斩波(Buck)阶段

启机时，Q1工作，Q2，Q3不工作，K1断开，高频高压电路产生的高压点燃UV灯管后不再工作，整个电路等效于一个降压斩波电路；由于UV灯管在点着后的前若干秒内，管内的液态汞或卤素元素尚未蒸发，UV灯管在电路中等效于一个阻值几欧姆的电阻，其两端的电压恒定在60V左右。开关电源的输出功率必须严格控制在700W以下，否则很容易因过流而损坏IGBT。因此，在控制电路中控制Q1仅在启机的前几十秒工作，而Q2和Q3则在这个阶段不工作，处于被关闭状态；随着持续的加热和升温，UV灯管内的液态汞或卤素离子逐渐蒸发并参与导电，UV灯管的管压上升，在输出电流恒定条件下，输出功率逐渐上升。

在完成启机工作后(也就是UV灯管的管压从点着时的约60V上升到接近三相电(或两相电)整流后的电压时)，本电路进入第二阶段。

第二阶段：从Buck向Boost进行的切换阶段

控制电路检测到输出电压上升到接近三相电(或两相电)整流后的电压时，先闭合K1，然后关闭Q1。这时Q1，Q2，Q3都被关闭。电路等效于外接电源通过电感直接向UV灯管供电。在闭合K1的瞬间，会出现一个大约10安培的峰值电流。

第三阶段：升压斩波(Boost)阶段

控制电路检测到输出电流小于7安培后，开启Q2，Q3。整个电路等效于一个升压斩波(Boost)电路。

其中，Q2是Boost电路中的主开关，Q3是确保Q2，DR工作在软开关状态的辅助开关。Q2，Q3，DR都工作在全软开关工作状态：Q3在Q2导通前导通，Q3上串联有电感Lr，是零电流开通；随着流过Q3电流的增加，流过主电感L的电流逐渐从DR上转移到Q3，因此DR是软关断；这时与Q1并联的电容Cr通过电感Lr谐振放电，在Cr两端的电压等于零时，开通Q2，因此Q2是零电压导通；然后关断Q3，由于Cr2的存在，Q3是零电压关断；关断Q2时，由于Cr和Cr2的存在，Q2是零电压关断。

另外，由于目前市面的UV灯管大多数是双极性的普通UV灯，具有正负极性的直流UV灯管比较少见，将普通UV灯直接接在直流UV电源上长期使用，会导致与直流UV电源正极相连的灯管的管极因长期遭受电子轰击而先于负极老化，从而降低UV灯管寿命，为延长UV灯管寿命，在输出端安装了一组切换开关，上电后，在启动UV灯管之前，先在单片机内进行一番运算，把以前点灯时UV灯管的每个电极分别与开关电源的正极联结的导通时间的总时间做比较，时间少的电极则与开关电源的正极相连。另外一种简单的控制策略是：把上次与开关电源正极联结的UV灯电极与开关电源负极联结。

通过对比目前市面上常见的UV灯开关电源和本发明可以看出，无论是方波UV电源还是斩波的直流UV电源，凡是流过负载的电流，都必须流过IGBT，并且至少要流过两个IGBT，而在本发明的电路中，除去启机的前大约两分钟以Buck电路工作，在正常工作中，以Boost电路工作，在一个PWM周期，仅有不到四分之一的时间IGBT导通，在一个周期的大部分时间，三相电在整流后通过电感直接向负载供电，因此，本电路的IGBT直通损耗只有前面两套电路的约十分之一；开关损耗则更小；因此，与目前市面上常见的UV灯开关电源相比，本发明的开关电源功率因数高，转换效率高，发热量极小；例如，同样是对外输出8KW的输出功率，方波UV电源至少需要三个50A的IGBT模块，如果要以全软开关方式工作，则至少需要四个50A的IGBT模块，斩波的直流UV电源则至少需要两个50A的IGBT模块，且只能工作在硬开关状态；而使用本发明的电源，则仅需要三个40A的IGBT单管即可，造价非常低廉。

附图说明

图1是方波UV开关电源主电路图，Q1，Q2，Q3，Q4，Q5都是耐压为1200V的IGBT，其容量由输出功率决定；D1是续流二极管，L1是电感，C1是高频电容，C2，C3是耐压为450V的大电解电容；

图2是斩波的直流UV开关电源主电路图，Q1，Q2都是耐压为1200V的IGBT；D1，D2，D3，D4是功率二极管，C1，C2，C3，C4是耐压为450V的大电解电容。

图3是本发明的直流UV开关电源主电路图；Q1，Q2，Q3是IGBT；D1，D2，D3，DR是功率二极管；Lr，L1是电感；K1，K3，K4是控制电路中由不同的继电器控制的空气接触器；K1的功能是电源完成启机(也就是UV灯管压从约60V上升到接近三相电(或两相电)整流后的电压时)后闭合，使电路从Buck向Boost进行切换；K3，K4由控制电路中的一个单刀双掷继电器控制，每次开机后，在UV灯管点灯前动作，用来确保UV灯的每个电极与电源输出的正极相连接时通电工作的总时间大致相等。

图4是本发明的直流UV开关电源主电路及相关参数。

具体实施方式

本发明的直流UV开关电源在电路上分为两大部分：控制电路和主电路。控制电路的核心器件是一个具有A/D，D/A转换功能的单片机和两个分别用来控制Buck IGBT Q1和Boost IGBT Q2的SG3525(也可以选用一个DSP器件来取代这个单片机和两个SG3525芯片)，Boost电路中的辅助IGBT Q3由与Q2相关联的SG3525的输出脉冲经过CD4098转换后发出恒频的固定脉宽的脉冲来驱动，并且该脉冲在相位上要提前Q2的驱动脉冲若于微秒，用以保证Q2在导通时与Q2并联的谐振电容Cr上的电荷放电完毕，从而使得Q2可以零电压开通；三个IGBT分别由三个专业驱动厚膜M57959L驱动；

控制电路中的工作过程完全由单片机控制，其控制方式叙述如下：

在上电后，确保在缺省情况下两个SG3525都没有驱动脉冲输出，从而保证上电安全；单片机内部程序经过运算，以确定UV灯管两个电极分别与开关电源的正极还是负极联结，也就是决定是K3还是K4闭合。

在单片机收到开机指令后，通过D/A电路和具有负反馈功能的运算放大器向控制Buck IGBT的3525的2脚输出启机电平，同时启动高频高压电路工作，使之在UV灯管两个电极间产生高频高压，以击穿管内氩气，点燃灯管；单片机通过电流传感器检测到电路中有电流后，马上停止高频高压电路工作；随着持续的加热和升温，UV灯管内的液态汞或卤素离子逐渐蒸发并参与导电，UV灯管的管压上升，要维持输出电流的恒定，单片机必须通过D/A电路向控制Buck IGBT的3525的2脚输出逐渐上升的电平，直到检测到输出电压接近三相电整流后的电压时止(本例中取480V)；这个过程大概持续两分钟左右，电路等效于一个Buck电路，详细的主电路图见图4，由于Buck电路工作时间短，为了降低成本，降压斩波用的IGBT可以工作在带缓冲的硬开关状态；图4中的R1，D0，C4以及小电感L1就是Q1的复合缓冲电路；在检测到输出电压大于480V后，单片机发出指令，闭合K1，然后关闭Q1；这时会出现一个大约10安培的峰值电流，在检测到流过电感L2的电流小于7安培后，单片机发出指令，开启Q2，Q3；这时，整个电路等效于一个Boost电路；由于在关机前的长时间里，整个电路一直以Boost电路工作，为了降低IGBT开关损耗，主开关Q1必须工作在全软开关状态，因此，在基本的Boost电路中增加了电感L3和IGBT Q3，目的是使Q2能够做到零电压开通；图4中的功率二极管D2，D3和谐振电容Cr2的加入，目的是使辅助IGBT Q3能够零电压关断；图4中的直流UV开关电源最大可以输出8KW的输出功率；输出电压由UV灯管的管压决定，一般在650V和900V之间；其中，三相整流桥选用75A/1600V整流桥；Q1选用25A/1200V的FGA25N120ANTDIGBT单管，Q2，Q3选用40A/1200V的K40T120IGBT单管；功率二极管DR选用60A/1200V的DSEI60-12A，D1，D2，D3选用30A/1200V的DSEI30-12A；电感L1选用饱和小电感，电感量约20uH；为了能够在较大范围内调节输出功率，主电感L2的电感量取值至少为2.0mH，制作时选用开气隙的EE65铁氧体，气隙厚1.5mm，共绕线75圈，并且要求通过最大电流18安培时电感不饱和；由于一个电感达不到要求，实用时，将两个EE65电感串联起来，就可以达到要求；电感L3则选用开气隙的EE55铁氧体，要求通过最大电流18安培时电感不饱和，电感量设定为300uH；在测试中发现流过Q3的电流有较大的震荡；实际安装时是把一个电感量是300uH的电感与一个饱和电感串联起来作为L3使用，能够较好地抑制流过辅助IGBT Q3的电流的震荡；其它参数的设定按照图4中器件参数的标定。

Claims

1.一种用于UV灯管的直流UV开关电源，其特征在于：

在控制电路的控制下，在启机阶段(UV灯管已经点着，且UV灯管的管压小于三相电(或两相电)整流后的电压)，直流UV开关电源的主电路等效于一个降压斩波电路；在UV灯管的管压上升到接近三相电(或两相电)整流后的电压时，通过闭合开关K(K可以是继电器，或者是空气接触器)以及改变相关功率器件的工作状态，主电路从降压斩波电路转换为升压斩波电路。在UV灯管的管压大于三相电(或两相电)整流后的电压时，直流UV开关电源的主电路等效于一个升压斩波电路。

2.根据权利要求1的直流UV开关电源，其特征在于：主电路中包含的降压斩波电路和升压斩波电路共用同一个电感。

3.一种用于UV灯管的直流UV开关电源，其特征在于：

具有极性转换功能，利用控制电路中单片机或DSP的记忆功能和运算功能，在上电后通过一番运算，闭合相应的开关，以达到改变UV灯管两个电极极性的目的。

4.根据权利要求3的直流UV开关电源，其特征在于：改变UV灯管两个电极极性而闭合相应的开关，总是发生在上电之后，点灯之前。