高频升压电源的脉宽和容抗联合调压电路
技术领域
本发明涉及到一种电子电路,特别涉及到一种高频升压电路。
背景技术
高频开关电源由于去掉了工频变压器而具有高效率和小型化的特点,在工业生产、环保和现代通信领域得到广泛应用。在电站锅炉的烟气净化系统中或易产生粉尘的生产车间中,需使用电集尘器来除尘,在电集尘器装置中,需上高频升压电源产生静电。
当前,等离子技术已得到广泛的应用,工业上应用于等离子点火、等离子体煤气化、等离子热解水制氢、工业有害物质处置、医疗垃圾处置、生活垃圾无害化及能源化处置。用等离子体处置工业有害物质、医疗垃圾、生活垃圾的方式与一般的焚烧方式大不一样,等离子体是在电离层或放电现象下所形成的一种状态,放电作用使得工作气分子失去外层电子而形成离子状态,经相互碰撞而产生高温,等离子体火炬的中心温度可高达摄氏5万度以上,火炬边缘温度也可达到3千度以上,被处理的工业有害物质、医疗垃圾、垃圾废物受到高温高压的等离子体冲击时,其分子、原子将会重新组合而生成新的物质,从而使有害物质变为无害物质。利用等离子体喷枪把水蒸汽气化剂加热分解后再喷入生活垃圾气化炉内或煤气化炉内与焦炭进行化学反应,所发生的反应是放热反应,可以为气化炉提供原料烘干和热解所需的热量,从而使气化炉不需输入空气或氧气,生产的合成气中氢气的分数比例高,废气的含量低,可作为生产甲醇的原料气利用。用等离子体喷枪加热分解水蒸汽做气化剂来气化煤或垃圾将成为今后的首选,在常压条件下,温度在2000K时水分子几乎不分解,2500K时有25%的水发生分解,3400~3500K时氢气和氧气的摩尔分数达到最大,分别为18%和6%,当温度达到4200K时,水分子将全部分解为氢气、氢、氧气、氧和氢氧原子团,一般的加热方式难以达到这么高的温度,而使用等离子体喷枪则很容易做到。
一般等离子体喷枪的电弧作用在喷枪之外,而用于分解水蒸汽的等离子体喷枪与一般等离子体喷枪不同,为了实现把水分子分解为氢和氧,提高水分子的分解率,用于分解水蒸汽的等离子体喷枪其电弧作用在喷枪的内部,并且是多级电弧串联,高温等离子体电弧的能量集中作用在喷枪内的水分子上,使水分子很容易分解,分解效率高。这类等离子体喷枪需要高压电源进行引弧,使喷枪内产生等离子体电弧。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频升压电源的脉宽和容抗联合调压电路,用于电集尘器装置和等离子体引弧的高频升压电源装置中,实现高频升压电源的输出高电压幅度可调,以满足不同工况的电压要求,使高频升压电源装置效率高和工作可靠。
本发明的一种高频升压电源的脉宽和容抗联合调压电路,包括控制电路和功率升压电路,功率升压电路由功率开关管和升压变压器构成,其特征是在控制电路中有脉宽调节变阻器RP和脉宽电容器C6构成的脉冲宽度调节电路,在升压变压器的初级线圈回路中有容抗切换电路,容抗切换电路由切换开关和调容容抗器C8~10构成,调容容抗器C8~10为一只以上的无极性电容器;在功率升压电路中,第一功率开关管VT5和第二功率开关管VT10构成功率输出对管,第一功率开关管VT5和第二功率开关管VT10受开关信号控制交替导通,第一功率开关管VT5的源极与第二功率开关管VT10的漏极连接后构成功率输出对管的中点,功率输出对管的中点通过容抗切换电路连接到升压变压器初级线圈的尾端。
本发明中,切换开关为多个单极开关或波段转换开关,当切换开关为多个单极开关时,各个单极开关各与一只无极性电容器串联后连接在升压变压器初级线圈的尾端与功率输出对管的中点之间;当切换开关为波段转换开关时,波段转换开关KB为单刀多位开关,波段转换开关KB的刀极连接到功率输出对管的中点,波段转换开关KB上的各个位极各通过一只无极性电容器连接到升压变压器初级线圈的尾端;在功率输出对管的中点与升压变压器T2的初级线圈之间有固定容抗器C7,固定容抗器C7为一只无极性电容器;在电路中有直流供电线路1、第一分压电容器C1和第二分压电容器C2,直流供电线路1连接到第一分压电容器C1的正极,第一分压电容器C1的负极连接到第二分压电容器C2的正极后再连接到升压变压器初级线圈的头端,第二分压电容器C2的负极连接到地线;控制电路中有振荡门IC1、反相门IC2、延迟门IC3、第一控制门IC4、隔离二极管和第二控制门IC5,振荡门IC1产生的振荡周期前半周信号通过反相门IC2和延迟门IC3输送到第一控制门IC4的输入端,第一控制门IC4的输出端构成前半周开关信号输出端;振荡门IC1产生的振荡周期后半周信号通过隔离二极管输送到第二控制门IC5的输入端,第二控制门IC5的输出端构成后半周开关信号输出端;脉冲宽度调节电路设置在振荡门IC1的输出端与延迟门IC3的输入端之间;在控制电路和功率升压电路之间有隔离变压器T1和驱动电路,隔离变压器T1由输入线圈L1、第一输出线圈L2和第二输出线圈L3构成,输入线圈L1连接到控制电路的开关信号输出端,第一输出线圈L2构成前半周开关信号输出接口,第二输出线圈L3构成后半周开关信号输出接口;驱动电路包括第一驱动电路和第二驱动电路,第一驱动电路和第二驱动电路互相隔离,其中,第一驱动电路的输入端连接到隔离变压器T1的第一输出线圈L2,第一驱动电路的输出端连接到第一功率开关管VT5的栅极,第二驱动电路的输入端连接到隔离变压器T1的第二输出线圈L3,第二驱动电路的输出端连接到第二功率开关管VT10的栅极。
本发明在电集尘器装置和等离子体引弧的高频升压电源中应用,所述高频升压电源工作频率为10-100KHz,是一种高频开关电源。高频开关电源具有高效率和小型化的特点。高频升压电源主要由电源输入电路、控制电路、驱动电路和功率输出电路组成,其中,控制电路由振荡门产生矩形脉冲波开关信号,为了获取使第一功率开关管VT5和第二功率开关管VT10交替导通的开关信号,在控制电路中,利用反相门与第一控制门构成的二级电路来获取振荡周期的前半周信号,用来驱动第一功率开关管VT5,利用第二控制门的一级电路来获取振荡周期的后半周信号,用来驱动第二功率开关管VT10,第一控制门和第二控制门交替输出开关信号,从而使第一功率开关管VT5和第二功率开关管VT10交替导通,使得升压变压器的初级低压线圈中流过高频交变电流,次级高压线圈便感应产生数万至数十万伏的高频电压。为了避免第一功率开关管VT5和第二功率开关管VT10共态导通而造成损坏,控制电路中具有死区控制时间电路,所述死区控制时间略大于功率开关管的存储时间。为了避免功率开关管过流损坏,当流过功率开关管的电流达到给定值时,取样电压反馈到控制电路中,使振荡门停止振荡并使第一控制门和第二控制门停止输出开关信号,使第一功率开关管VT5和第二功率开关管VT10截止,实现逐周过流保护。控制电路采用门电路为主控元件,门电路为数字化的集成电路,非常适合矩形脉冲波的形成和控制,其产生的开关信号用来驱动功率开关管也非常匹配,CMOS数字集成电路还是一种微功耗元件,具有电源电压工作范围宽、抗干扰能力强、输入阻抗高、电路接口简单、工作可靠和使用寿命长的特点,因此,使得高频升压电源具有结构简单、工作可靠、效率高和工作稳定的特点。
本发明在升压变压器的初级线圈回路中串联电容器,可以在不改变升压变压器线圈变压比的情况下,来提升输出电压和输出功率,从而使高频升压电源的效率得到提高。一般情况下,在升压变压器的初级线圈回路中没有电容器,如本发明的电路在升压变压器的初级线圈回路中也没有电容器,工作时,升压变压器初级线圈的端电压UL=1/2 Vin,升压变压器次级线圈的输出电压等于1/2Vin×N2/N1×Ton/T,式中, Vin为直流供电电压,N2/N1为升压变压器线圈的变压比,Ton/T为开关信号的占空比;当本发明的升压变压器初级线圈回路中串联有电容器,因升压变压器初级线圈的直流电阻极小,其电阻性的阻抗可以忽略不计,工作时,电容器的容抗与升压变压器初级线圈的感抗组成复合阻抗,因此在本发明中,电容器上的电压与升压变压器初级线圈上的电压合计为1/2直流供电电压,由于升压变压器初级线圈上的电压超前90°及电容器上的电压滞后90°,因此,升压变压器初级线圈的端电压UL=1/2 Vin+Uc, 升压变压器次级线圈的输出电压等于(1/2 Vin+Uc)×N2/N1×Ton/T,式中,Uc为电容器上的端电压,其值可接近1/2 Vin,使得在不改变升压变压器线圈变压比的情况下,获得更高电压的高压输出,最大可获得近双倍电压的高压电源,使高频升压电源的效率得到提高。
在实际应用中,往往需要调节高频升压电源输出高压的幅度,以使电集尘器装置或等离子体设备处于最佳的运行工况中,在达到电集尘器装置或等离子体设备正常的运行参数下实现节省电能。本发明中,控制电路中振荡门IC1输出端的为矩形脉冲波,改变矩形脉冲波的宽度既改变开关信号的占空比,由于升压变压器次级高压线圈的输出电压与开关信号的占空比有关,因此,本发明在控制电路中设置脉冲宽度调节电路可以有效调节高频升压电源输出电压的幅度。在本发明中,升压变压器初级线圈回路中有容抗切换电路,当改变了升压变压器初级线圈回路中的容抗时,将改变初级线圈回路中容抗切换电路的电容器端电压,从而改变升压变压器初级线圈的端电压,直接改变升压变压器次级高压线圈的输出电压。本发明采用脉宽和容抗联合调压的措施,使得高频升压电源输出电压幅度调节的范围更广,可以获得更高输出的高压电源幅度。
本发明的有益效果是:提供一种用于高频升压电源的脉宽和容抗联合调压电路,实现高频升压电源的输出高电压幅度可调,使电集尘器装置或等离子体设备处于最佳的运行工况中,在达到电集尘器装置或等离子体设备正常的运行参数下实现节省电能。
附图说明
附图1是本发明在高频升压电源中应用的电路结构图。
图中:R1.第一降压电阻,R2.第二降压电阻,R3.振荡电阻,R4.死区电阻,R5.隔离电阻,R6.反馈电阻,R7.第一傍路电阻,R8.第二傍路电阻,R9.第一输入电阻,R10.第一换相电阻,R11.第一负载电阻,R12.第一限流电阻,R13.第一驱动电阻,R14.第二输入电阻,R15.第二换相电阻,R16.第二负载电阻,R17.第二限流电阻,R18.第二驱动电阻,R19.取样电阻,RP.脉宽调节变阻器,C1.第一分压电容器,C2.第二分压电容器,C3.第一滤波电容器,C4.第二滤波电容器,C5.振荡电容器,C6.脉宽电容器,C7.固定容抗器,C8~10.调容容抗器,C11.抗干扰电容器,VD1.第一稳压二极管,VD2.第二稳压二极管,VD3.第一隔离二极管,VD4.第二隔离二极管,VD5.第三隔离二极管,VD6.第四隔离二极管,VD7.第五隔离二极管,VD8.第六隔离二极管,VD9.第一续流二极管,VD10.第二续流二极管,VD11.第一钳位二极管,VD12.第二钳位二极管,VD13~15.傍路二极管,VD16.第一反馈二极管,VD17.第二反馈二极管,VT1.第一换相管,VT2.第一整形管,VT3.第一驱动上管,VT4.第一驱动下管,VT5.第一功率开关管,VT6.第二换相管,VT7.第二整形管,VT8.第二驱动上管,VT9.第二驱动下管,VT10.第二功率开关管,VT11.控制开关管,IC1.振荡门,IC2.反相门,IC3.延迟门,IC4.第一控制门,IC5.第二控制门,IC6.保护门,T1.隔离变压器,L1.输入线圈,L2.第一输出线圈,L3.第二输出线圈,T2.升压变压器,WL.初级线圈,WH.次级高压线圈,KB.波段转换开关,1.直流供电线路,2.第一高压输出端,3.第二高压输出端,4.控制端。
具体实施方式
实施例1 一种高频升压电源的脉宽和容抗联合调压电路包括控制电路和功率升压电路,功率升压电路由功率开关管和升压变压器构成,在控制电路中有脉宽调节变阻器RP和脉宽电容器C6构成的脉冲宽度调节电路,在升压变压器的初级线圈回路中有容抗切换电路,容抗切换电路由波段转换开关KB和调容容抗器C8~10构成,波段转换开关KB为单刀多位开关,调容容抗器C8~10为三只无极性电容器;控制电路中有振荡门IC1、反相门IC2、延迟门IC3、第一控制门IC4、隔离二极管和第二控制门IC5,振荡门IC1产生的振荡周期前半周信号通过反相门IC2和延迟门IC3输送到第一控制门IC4的输入端,第一控制门IC4的输出端构成前半周开关信号输出端,振荡门IC1产生的振荡周期后半周信号通过隔离二极管输送到第二控制门IC5的输入端,第二控制门IC5的输出端构成后半周开关信号输出端;脉冲宽度调节电路设置在振荡门IC1的输出端与延迟门IC3的输入端之间;在功率升压电路中,第一功率开关管VT5和第二功率开关管VT10构成功率输出对管,第一功率开关管VT5和第二功率开关管VT10受开关信号控制交替导通,第一功率开关管VT5的源极与第二功率开关管VT10的漏极连接后构成功率输出对管的中点,波段转换开关KB的刀极连接到功率输出对管的中点,波段转换开关KB上的各个位极各通过一只无极性电容器连接到升压变压器初级线圈的尾端;在功率输出对管的中点与升压变压器T2的初级线圈之间还有一只无极性电容器构成的固定容抗器C7;在电路中有直流供电线路1、第一分压电容器C1和第二分压电容器C2,直流供电线路1连接到第一分压电容器C1的正极,第一分压电容器C1的负极连接到第二分压电容器C2的正极后再连接到升压变压器初级线圈的头端,第二分压电容器C2的负极连接到地线。
在图1所示的实施方式中,高频升压电源电路由电源输入电路、控制电路、驱动电路和功率升压电路组成,在电源输入电路中,第一分压电容器C1和第二分压电容器C2串联后连接在直流供电线路1与地线之间,第一降压电阻R1的第一脚连接到直流供电线路1,第一降压电阻R1的第二脚连接到第一滤波电容器C3的正极和第一稳压二极管VD1的阴极构成第一驱动电源,第一滤波电容器C3的负极和第一稳压二极管VD1的阳极连接后构成悬浮地端;第二降压电阻R2的第一脚连接到第一降压电阻R1的第二脚,第二降压电阻R2的第二脚连接到第二滤波电容器C4的正极和第二稳压二极管VD2的阴极构成第二驱动电源,第二滤波电容器C4的负极和第二稳压二极管VD2的阳极连接到地线;在控制电路中,振荡电容器C5连接在振荡门IC1的输入端与地线之间,振荡电阻R3连接在振荡门IC1的输出端与输入端之间,振荡门IC1的输出端连接到死区电阻R4的第一脚、第一隔离二极管VD3的阳极和反相门IC2的输入端,死区电阻R4的第二脚连接到脉宽电容器C6的第一脚、延迟门IC3的输入端和第二隔离二极管VD4的阳极,脉宽电容器C6的第二脚连接到地线,脉宽调节变阻器RP连接在脉宽电容器C6的第一脚与振荡门IC1的输出端之间,反相门IC2的输出端连接到第三隔离二极管VD5的阳极;延迟门IC3的输出端连接到第四隔离二极管VD6的阳极,第四隔离二极管VD6的阴极和第三隔离二极管VD5的阴极连接到第一控制门IC4的输入端,第一控制门IC4的输出端构成前半周开关信号输出端,第一隔离二极管VD3的阴极和第二隔离二极管VD4的阴极连接到第二控制门IC5的输入端,第二控制门IC5的输出端构成后半周开关信号输出端,在第一控制门IC4的输入端与地线之间有第一傍路电阻R7,在第二控制门IC5的输入端与地线之间有第二傍路电阻R8,在控制电路中有过流保护电路,过流保护电路由第一反馈二极管VD16、第二反馈二极管VD17、反馈电阻R6、抗干扰电容器C11、隔离电阻R5、控制开关管VT11、保护门IC6第五隔离二极管VD7和第六隔离二极管VD8组成,第一反馈二极管VD16与第二反馈二极管VD17进行串联连接,第一反馈二极管VD16的阳极过流反馈信号的输入端,第二反馈二极管VD17的阴极连接到反馈电阻R6的第一脚,反馈电阻R6的第二脚连接到抗干扰电容器C11的第一脚和控制开关管VT11的基极,控制开关管VT11的发射极和抗干扰电容器C11的第二脚连接到地线,控制开关管VT11的集电极连接到隔离电阻R5的第二脚和保护门IC6的输入端,隔离电阻R5的第一脚连接到第二驱动电源,保护门IC6的输出端连接到第五隔离二极管VD7的阳极和第六隔离二极管VD8的阳极,第五隔离二极管VD7的阴极连接到第一控制门IC4的输入端,第六隔离二极管VD8的阴极连接到第二控制门IC5的输入端;在第二反馈二极管VD17的阴极与反馈电阻R6的第一脚连接线路上有控制端4接入;在控制电路与驱动电路之间有隔离变压器T1,隔离变压器T1由输入线圈L1、第一输出线圈L2和第二输出线圈L3构成,输入线圈L1的同名端连接到第一控制门IC4的输出端,输入线圈L1的异名端连接到第二控制门IC5的输出端,第一输出线圈L2的同名端构成前半周开关信号输出接口,第一输出线圈L2的异名端连接到悬浮地端,第二输出线圈L3的异名端构成后半周开关信号输出接口,第二输出线圈L3的同名端连接到地线;驱动电路包括第一驱动电路和第二驱动电路,第一驱动电路和第二驱动电路互相隔离,各个驱动电路结构相同,由输入电阻、换相管、换相电阻、整形管、负载电阻、限流电阻、驱动上管和驱动下管构成,输入电阻的第二脚连接到换相管的基极,换相管的集电极连接到换相电阻的第二脚和整形管的基极,整形管的集电极连接到负载电阻的第二脚、驱动上管的基极和驱动下管的基极,驱动上管的集电极连接到限流电阻的第二脚,驱动上管的发射极连接到驱动下管的发射极,第一驱动电路中换相管的发射极、整形管的发射极和驱动下管的集电极连接到悬浮地端,在第一驱动电路的换相管基极与悬浮地端之间有第一续流二极管VD9,第一续流二极管VD9的阴极连接到第一驱动电路的换相管基极,第一续流二极管VD9的阳极连接到悬浮地端,第一驱动电路中换相电阻的第一脚、负载电阻的第一脚和限流电阻的第一脚连接到第一驱动电源,第二驱动电路中换相管的发射极、整形管的发射极和驱动下管的集电极连接到地线,在第二驱动电路的换相管基极与地线之间有第二续流二极管VD10,第二续流二极管VD10的阴极连接到第二驱动电路的换相管基极,第二续流二极管VD10的阳极连接到地线,第二驱动电路中换相电阻的第一脚、负载电阻的第一脚和限流电阻的第一脚连接到第二驱动电源,第一驱动电路的输入电阻第一脚连接到隔离变压器T1的第一输出线圈L2同名端,第二驱动电路的输入电阻第一脚连接到隔离变压器T1的第二输出线圈L3异名端;第一驱动电路中的驱动上管发射极和驱动下管发射极连接后输出前半周开关信号的驱动电压,第二驱动电路中的驱动上管发射极和驱动下管发射极连接后输出后半周开关信号的驱动电压;功率升压电路有驱动电阻,第一驱动电阻R13的第一脚连接到第一驱动电路的驱动上管发射极和驱动下管发射极的连接线路上,第一驱动电阻R13的第二脚连接到第一功率开关管VT5的栅极,第二驱动电阻R18的第一脚连接到第二驱动电路的驱动上管发射极和驱动下管发射极的连接线路上,第二驱动电阻R18的第二脚连接到第二功率开关管VT10的栅极;第一功率开关管VT5的漏极连接到第一分压电容器C1的正极,第一功率开关管VT5的源极与悬浮地端、第二功率开关管VT10的漏极连接后构成功率输出对管的中点,第二功率开关管VT10的源极连接到取样电阻R19第一脚和傍路二极管VD13~15的阴极,傍路二极管VD13~15由三只同向串联的二极管构成,取样电阻R19第二脚和傍路二极管VD13~15的阳极连接到地线,在第二功率开关管VT10的源极有取样信号线接出,取样信号线连接到控制电路的第一反馈二极管VD16的阳极,在第一功率开关管VT5的漏极与源极之间有第一钳位二极管VD11,第一钳位二极管VD11的阴极连接到第一功率开关管VT5的漏极,第一钳位二极管VD11的阳极连接到第一功率开关管VT5的源极,在第二功率开关管VT10的漏极与源极之间有第二钳位二极管VD12,第二钳位二极管VD12的阴极连接到第二功率开关管VT10的漏极,第二钳位二极管VD12的阳极连接到第二功率开关管VT10的源极,功率输出对管的中点连接到波段转换开关K的刀极,波段转换开关KB上的三个位极各连接到调容容抗器C8~10其中的一脚,调容容抗器C8~10三只电容器第二脚连接到升压变压器T2初级线圈WL的尾端,在功率输出对管的中点与升压变压器T2的初级线圈WL尾之间还有固定容抗器C7,升压变压器T2初级线圈WL的头端连接到第一分压电容器C1负极与第二分压电容器C2正极的连接线路上。
上述的实施例在电集尘器装置和等离子体引弧的高频升压电源中应用,工作时,控制电路由振荡门产生矩形脉冲波开关信号,由第一控制门输出振荡周期的前半周开关信号,通过第一驱动电路使第一功率开关管VT5导通,由第二控制门输出振荡周期的后半周开关信号,通过第一驱动电路使第二功率开关管VT10导通,当第一控制门有开关信号输出时,第二控制门的输出端与地线同电位,当第二控制门有开关信号输出时,第一控制门的输出端与地线同电位,因此,第一控制门和第二控制门交替输出开关信号,从而使第一功率开关管VT5和第二功率开关管VT10交替导通,使得升压变压器的初级低压线圈中流过交变电流,次级高压线圈便感应产生数万至数十万伏的高电压。当流过功率开关管的电流大于到给定值时,取样信号便反馈到控制电路中,使振荡门停止振荡并使第一控制门和第二控制门停止输出开关信号,使第一功率开关管VT5和第二功率开关管VT10截止,实现逐周过流保护。控制端4用来执行软启动或暂停开关。当需对高频升压电源输出的高压电进行调压时,通过操作脉宽调节变阻器RP改变开关信号的占空比和操作波段转换开关KB改变升压变压器的初级线圈回路中的容抗来调整高频升压电源输出的高压电压,实现脉宽和容抗联合调压。