CN105048858B

CN105048858B - 高压等离子体电源

Info

Publication number: CN105048858B
Application number: CN201510510015.7A
Authority: CN
Inventors: 戴斌; 王贤斌; 陶忠元
Original assignee: Nanjing Wei Deng Plasma Science & Technology Equipment Co Ltd
Current assignee: Nanjing Wei Deng Plasma Science & Technology Equipment Co Ltd
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2035-08-19
Also published as: CN105048858A

Abstract

本发明涉及一种高压等离子体电源，其特征在于,所述等离子电源包括整流电路、全桥电路、交流互感器、高压变压器、辅助电源、变频电路、采样电路、功率调节电路以及电流反馈控制电路，所述整流电路将输入交流电变为直流300V电压，通过全桥电路、交流互感器连接高压变压器，变压器输出的几十千伏高压电形成气体放电，放电气体的能量聚集形成等离子体。所述交流互感器通过采样电路连接电流反馈控制电路，所述电流反馈控制电路通过变频电路连接全桥电路，所述功率调节电路连接电流反馈控制电路，所述辅助电源为反激式开关电源，为整机电路提供+12V直流工作电压。整体结构如图1所示。

Description

高压等离子体电源

技术领域

本发明涉及一种电源，具体涉及一种高压等离子体电源，属于等离子技术领域。

背景技术

等离子技术的本质是气体放电，达到足够能量便形成电弧，电弧再通过压缩使其能量更集中，电离度更大，流速更快，这种压缩电弧通常称为等离子技术，随着等离子体技术的广泛应用，高压等离子体电源的稳定性和可靠性越来越受人关注。目前国内广泛使用的等离子体电源，大多数使用IGBT驱动的半桥硬开关开环控制技术，由于高压变压器次级电压高至几千甚至几万伏，采样和隔离非常困难，所以一般设计通常使用开环控制。

上述技术的特点是原理简单，技术难度低，便于技术人员掌握和使用，维修方便。但IGBT器件限制了频率的提高，通常在20kHz以下，提高开关频率，对开关电源的质量具有重要意义例如可减小变压器体积，输出电压稳定性好等。而在低频率下工作时，半桥电容承受的电流脉动大而导致发热，硬开关技术的缺陷是开关管工作波形为方波，开关瞬间产生高次谐波，使功率半导体开关器件的开关损耗大，发热厉害，现有的措施是，采用耗能型RC吸收电路，在发热器件上加大散热器和强制风冷，但RC吸收只是将损耗转移到功率电阻上，这种损耗使电源效率降低，而电子器件发热量大小决定了该器件使用的寿命。使用开环控制，等离子体容易受到电网波动和工业现场压缩气体气源变化的影响，稳定性能也使相对较差。在实际使用过程中，如果用户对产品品质要求较高时，通常是通过配备交流稳压器等辅助措施，来弥补电源本身稳定性的不足。维修服务中，时常发现IGBT损坏，半桥大电容爆浆以及RC吸收回路电阻过热而发黑等，严重过热时印刷电路板烧毁。这些问题的频频出现，都暴露出原理设计的不足，使可靠性较低，影响了设备的正常使用。可见，等离子体电源影响了等离子体技术的发展，迫切需要一种稳定又高效的等离子体电源来替代现有电源。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种高压等离子体电源，该技术方案采用一种全桥软开关闭环高压电源，利用高压变压器的漏感和分布电容组成电压串联谐振电路，使流过开关管的电流变为正弦波而不是方波，调理好LC参数使开关管在正弦电流过零时导通或关断，从而大大减低开关损耗。这种软开关技术适合于高压低电流型大功率开关电源，能使得开关损耗大大降低，电源效率大幅提高，同时，器件损耗小，发热量小，器件寿命和可靠性相应提高。该全桥电源使用MOS功率器件，开关频率在50kHz以上。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，高压等离子体电源，其特征在于,所述等离子电源包括整流电路、全桥电路、交流互感器、高压变压器、辅助电源、变频电路、采样电路、功率调节电路以及电流反馈控制电路，所述整流电路通过全桥电路、交流传感器连接高压变压器，所述交流互感器通过采样电路连接电流反馈控制电路，所述电流反馈控制电路通过变频电路连接全桥电路，所述功率调节电路连接电流反馈控制电路，所述辅助电源为整机电路提供直流工作电压。

作为本发明的一种改进，全桥软开关电路包括全桥电路、全桥驱动电路、能量贮存和滤波电容、功率管保护电路、隔直电路，其中Q19~Q22组成全桥电路，C70,C71为能量贮存和滤波电容，Z5~Z8和C50~C53组成功率管保护电路，C37~C40,C42~C45，R54,R55组成隔直电路，电路输出接高压变压器。全桥驱动电路输出G1~G4四路信号，分别驱动MOS功率管Q19~Q22。

作为本发明的一种改进，所述交流互感器中，CSP1为交流互感器初级,CPS1为级。

作为本发明的一种改进，所述采样电路包括全波整流电路以及滤波、额定负载电路，其中D26,D27,D28，D29组成全波整流电路，C41,R53组成滤波、额定负载电路。它们共同组成电流采样电路，电路工作时，电流互感器用于采样高压变压器输入端原边的交流工作电流，经过采样电路后，形成与变压器原边的工作电流变化相对应的电流信号PC。采样电流PC幅值较小，经过R44，C33滤去杂波，再送到运放U4B及R40,R42,C22，将小电流信号放大。

作为本发明的一种改进，所述电流反馈控制电路包括U4B及R40,R42,C22经R39送到功率调节电路的反相输入端，形成反馈信号。

作为本发明的一种改进，所述功率调节电路包括可调电位器W1和阻容元件R35,R36,R38,C20，运放U4A等共同完成。Q12，Q13，R48,R49,R50组成镜像电流源。根据电流镜像对称的原理，镜像电流源的输出电流恒等于输入电流，输出负载变化不影响输出电流，所以又称恒流源，流经R48的输入电流与流经D25的输出电流完全相等。而电流镜的输入电流跟随运放U4A输出端电压的变化。因此，采样电流PC经过U4B正相放大，与功率调节电路的信号比较，形成反馈控制信号，该信号送到镜像电流源的输入端，反馈信号的大小直接改变镜像恒流源的输入电流，从而镜像电流源的输出电流也随之变化。

作为本发明的一种改进，所述变频电路包括D25,U6,C46,R57,R58。Q2,Q14,36,C47,R51,R52等元件共同组成软启动电路，R71,R74，C64组成关断电路，对异常信设置完善的保护措施，如过压欠压，过流，过温，散热风机损坏等，均可通过相关保护电路送到主控制器U6的FLT端（引脚10），实现保护性停止，保证电路安全工作。该信号也用于远程自动控制。全桥驱动电路中U8,U9为高速MOSFET驱动器，C76,C77,C80,C81为滤波电容，R80,R81为输入保护电阻，D8~D15为钳位电路，Z3,C86,R122组成稳压电路，C89,R101,C92,R103为加速电路，T2，T3为两个隔离驱动变压器，采用铁氧体磁芯绕制而成。

相对于现有技术，本发明的优点如下，1）该技术方案解决了闭环控制，次级高压采样与隔离的难题，通过反复实验，可以采用检测初级电流的方法来实现闭环控制，当次级负载变化或电源电网波动时，通过电流变化反馈到变频电路，从而改变MOS功率器件的工作频率，使输出稳定；2）该技术方案高压变压器输入电流变化时，输出功率相应变化，正确调整变压器的输入电流，输出功率也随之调整；3）该技术方案使等离子电弧的稳定性和可靠性得以提高，使用该高压等离子电源组成的等离子设备，通过半年多的现场试用，未发生任何质量问题。产品质量可靠；4）该技术方案成本较低，便于推广应用。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为全桥电路和电流采样电路示意图；

图3为电流反馈与变频控制示意图；

图4为驱动电路示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

实施例1：

参见图1，一种高压等离子体电源，所述等离子电源包括整流电路、全桥电路、交流互感器、高压变压器、辅助电源、变频电路、采样电路、功率调节电路以及电流反馈控制电路，所述整流电路通过全桥电路、交流传感器连接高压变压器，所述交流互感器通过采样电路连接电流反馈控制电路，所述电流反馈控制电路通过变频电路连接全桥电路，所述功率调节电路连接电流反馈控制电路，所述辅助电源为整机电路提供直流工作电压；参见图2，全桥软开关电路包括全桥电路、全桥驱动电路、能量贮存和滤波电容、功率管保护电路、隔直电路，其中三极管Q19~Q22组成全桥电路，电容C70、电容C71为能量贮存和滤波电容，阻抗Z5~Z8、电容C50~C53组成功率管保护电路，电容C37~C40、C42~C45和电阻R54、R55组成隔直电路，电路输出接高压变压器；参见图4，全桥驱动电路输出G1~G4四路信号，分别驱动MOS功率管Q19~Q22；所述交流互感器中，CSP1为交流互感器初级,CPS1为级；参见图2，所述采样电路包括全波整流电路以及滤波、额定负载电路，其中二极管D26、D27、D28、D29组成全波整流电路，电容C41、电阻R53组成滤波、负载电路，所述功率调节电路包括，可调电位器W1和阻容元件R35、R36、R38、C20、运放U4A，所述变频电路包括二极管D25、集成电路U6、电容C46、电阻R57、R58，，电路工作时，电流互感器用于采样高压变压器输入端原边的交流工作电流，经过采样电路后，形成与变压器原边的工作电流变化相对应的电流信号PC。采样电流PC幅值较小，经过电阻R44，电容C33滤去杂波，再送到运放U4B及电阻R40,R42电容,C22，将小电流信号放大。参见图3，所述电流反馈控制电路包括集成电路U4B及电阻R40、电阻R42、电容C22经电阻R39送到功率调节电路的反相输入端，形成反馈信号；所述交流互感器中，CSP1为交流互感器初级，CPS1为次级，所述采样电路包括全波整流电路以及滤波、负载电路；所述功率调节电路包括可调电位器W1和阻容元件R35,R36,R38,C20，运放U4A等共同完成。Q12，Q13，R48,R49,R50组成镜像电流源。根据电流镜像对称的原理，镜像电流源的输出电流恒等于输入电流，输出负载变化不影响输出电流，所以又称恒流源，流经R48的输入电流与流经D25的输出电流完全相等。而电流镜的输入电流跟随运放U4A输出端电压的变化。因此，采样电流PC经过U4B正相放大，与功率调节电路的信号比较，形成反馈控制信号，该信号送到镜像电流源的输入端，反馈信号的大小直接改变镜像恒流源的输入电流，从而镜像电流源的输出电流也随之变化，所述变频电路包括D25,U6,C46,R57,R58；Q2,Q14,36,C47,R51,R52等元件共同组成软启动电路，R71,R74，C64组成关断电路，对异常信设置完善的保护措施，如过压欠压，过流，过温，散热风机损坏等，均可通过相关保护电路送到主控制器U6的FLT端（引脚10），实现保护性停止，保证电路安全工作。该信号也用于远程自动控制。全桥驱动电路中U8,U9为高速MOSFET驱动器，C76,C77,C80,C81为滤波电容，R80,R81为输入保护电阻，D8~D15为钳位电路，Z3,C86,R122组成稳压电路，C89,R101,C92,R103为加速电路，T2，T3为两个隔离驱动变压器，采用铁氧体磁芯绕制而成。

工作原理：参见图3，由常规PWM控制器U6组成控制和反馈系统。工作时，当高压变压器输入端原边的交流工作电流减小时，采样电流PC也减小，功率调节电路U4A输出电压增大，镜像电流减小，电流变化直接改变CT的充电时间常数，使三角波的斜率减小，PWM控制器U6内部振荡器的工作频率也减小。输出端OUTA和OUTB的频率随之减小。OUTA和OUTB送到图4所示的全桥驱动电路，全桥驱动电路输出G1~G4控制全桥电路（图2所示）中四个MOS功率器件Q19~Q22导通时间变大，高压变压器工作频率减小，输出功率增大，输入电流随之增大，实现电流反馈控制。同理，当高压变压器输入端原边的交流工作电流增大时，采样电流PC也增大，功率调节电路U4A输出电压减小，镜像电流增大，变化直接改变CT的充电时间常数，使三角波的斜率增大，内部振荡器的工作频率增大。输出端OUTA和OUTB的频率随之增大。OUTA和OUTB送到图4所示的全桥驱动电路，控制全桥电路中四个MOS功率器件Q19~Q22导通时间减小。高压变压器工作频率增大，输出功率减小，输入电流随之减小。因此，PWM控制器U6输出端OUTA和OUTB的频率变化与功率调节电位器变化以及变压器初级电流变化相关。电位器W1为功率手动给定值，变压器初级电流（采样值PC）为反馈值，只要变压器初级电流发生变化，采样值PC经过反馈后，PWM控制器频率响应发生变化，全桥电路的工作频率随之做相应的变化，实现电流反馈闭环控制。

需要说明的是，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上作出的等同替换或者替代，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高压等离子体电源，其特征在于，所述等离子体电源包括整流电路、全桥电路、交流互感器、高压变压器、辅助电源、变频电路、采样电路、功率调节电路以及电流反馈控制电路，所述整流电路通过全桥电路、交流传感器连接高压变压器，所述交流互感器通过采样电路连接电流反馈控制电路，所述电流反馈控制电路通过变频电路连接全桥电路，所述功率调节电路连接电流反馈控制电路，所述辅助电源为反激式开关电源，为整机电路提供+12V直流工作电压；全桥软开关电路包括全桥电路、全桥驱动电路、能量贮存和滤波电容、功率管保护电路、隔直电路，其中三极管Q19~Q22组成全桥电路，电容C70、电容C71为能量贮存和滤波电容，阻抗Z5~Z8、电容C50~C53组成功率管保护电路，电容C37~C40、C42~C45和电阻R54、R55组成隔直电路，电路输出接高压变压器；所述交流互感器中，CSP1为交流互感器初级，CPS1为次级，所述采样电路包括全波整流电路以及滤波、负载电路，其中二极管D26、D27、D28、D29组成全波整流电路，电容C41、电阻R53组成滤波、负载电路，所述功率调节电路包括，可调电位器W1和阻容元件R35、R36、R38、C20、运放U4A，所述变频电路包括二极管D25、集成电路U6、电容C46、电阻R57、R58，所述电流反馈控制电路包括集成电路U4B及电阻R40、电阻R42、电容C22经电阻R39送到功率调节电路的反相输入端，形成反馈信号；其中，电阻R59、R61并联后经过稳压管Z5、电阻R63连接到MOS管Q19的栅极，电容C51连接到Q19的漏源极之间；电阻R60、R62并联后经过稳压管Z6、电阻R64连接到MOS管Q20的栅极，电容C50连接到Q20的漏源极之间；电阻R77、R78并联后经过稳压管Z8、电阻R73连接到MOS管Q20的栅极，电容C52连接到Q20的漏源极之间；电阻R75、R76并联后经过稳压管Z7、电阻R72连接到MOS管Q22的栅极，电容C53连接到Q53的漏源极之间；电容C37、C38、C39、C40并联；电容C32、C33、C34、C45并联，电阻R54、R55串联，两组电容和电阻共同组成隔直流电路；交流互感器次级CSS1一端经二极管D27连接到二极管D29,另一端经二极管D26连接到二极管D28，其输出经过电容C41连接电阻R53；电阻R36经可调电位器W1连接电阻R35到地线，W1又经电阻R38、电容C20连接到运放U4A，组成功率调节电路；电阻R44连接运放U4B同相端，电阻R42经过电阻R40、电容C22并联后连接到运放的输出端，又经电阻R39输出到运放U4A；PWM控制器U6的5端经过电容C46到地，U6的6端经过电阻R57到地，形成RC振荡，来自镜像恒流源的信号经过二极管D25和电阻R58连接到运放的5端，调节振荡频率。