CN107070228A - 一种基于自适应功率控制的等离子谐振电源系统 - Google Patents

一种基于自适应功率控制的等离子谐振电源系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应功率控制的等离子谐振电源系统，该等离子谐振电源系统主要包括全桥逆变电路、串并联谐振电路、滤波电路、变压器、等离子负载、电流采样模块、电压采样模块、控制系统和驱动电路。本发明提出一种自适应功率控制系统，控制模式包括MODE 1模式和MODE 0模式，两种控制模式根据负载状态可自由切换。MODE 1模式，脉冲信号频率恒定，通过调节脉冲宽度，达到调节功率的目的；MODE0模式，脉冲信号脉冲宽度恒定，通过调节脉冲频率，达到调节功率的目的。另外，提出的串并联谐振电路可以有效的阻止直流分量进入变压器并将逆变器的输出电压转为谐振串联电流和并联电压，从而减小功率管的开关损耗，提高系统的效率。

Description

一种基于自适应功率控制的等离子谐振电源系统
技术领域
本发明涉及一种特种应用的电源系统，具体涉及一种基于自适应功率控制的等离子谐振电源系统。
背景技术
等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质。根据发生原理、等离子体性质的不同，可分为不同类型，应用于不同领域,其中大气压常温等离子体广泛应用于杀菌、表面处理、净化和节能空气冷光源等场合,正受到越来越多的关注。在互不相同的应用领域和各种场合下，等离子体负载电压和功率可能变得高度不同，解决该问题的通常方法是开发一种特殊的交流或直流输出的电源系统。然而应该指出，当输出直流，电荷经常积聚在电介质表面上，阻碍电路放电的进行，更糟糕的是，一旦电荷累积到一定程度，它变得容易起弧，甚至发生短路现象，给等离子体性能控制带来困难。相反，选择交流源输出来实现预电离以促进辉光放电，频率越高，电压越高，越容易促进等离子体的生成。
高频输出状态下，逆变电路的功率器件的导通损耗和开关损耗不能忽略，随着频率的增加，功率器件的损耗越大，效率越低。采用谐振技术可减小损耗，提升效率，提高电源频率，谐振逆变器是通过软开关使等离子体电源损耗最小化的良好设计方案。然而随着输入条件的变化或负载的变化，可能会影响逆变器工作的软开关状态。
基于特殊的等离子负载特性，同时避免任何外部扰动，降低等离子体工艺的稳定性，通常采用功率控制调节电源输出，自动调节输出电压和电流，以便保证系统的恒功率输出。传统的逆变器负载功率的控制方式有变频调制和脉冲宽度调制(PWM)两种，变频调制调节功率输出，调节范围越宽，会带来噪声谱宽，滤波电路设计复杂，磁性元件利用率差等问题，PWM调制，输出功率较小时，受到死区时间和控制器分辨率的影响，占空比不能太小，功率调节范围有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自适应功率控制的等离子谐振电源系统，该系统解决了以下3个问题：(1)高频输出的条件下，功率器件的导通损耗和开关损耗大，电磁干扰问题严重，(2)传统的谐振变换器采用单一调频控制方式来调节输出，噪声谱宽，滤波电路设计更复杂，控制原理困难，磁性元件利用率差，(3)输入条件的变化或负载的变化，可能会导致功率器件失去软开关条件。
本发明采用的技术方案为：一种基于自适应功率控制的等离子谐振电源系统，包括全桥逆变电路、串并联谐振电路、滤波电路、变压器、等离子负载、电流采样模块、电压采样模块、控制系统和驱动电路。全桥逆变电路将电源端直流电压转化为交流方波电压，经串并联谐振电路和滤波电路处理后输入到变压器一次侧，变压器匹配等离子负载所需电压等级。电流采样模块和电压采样模块采集电流电压信号送入控制系统，控制系统输出脉冲信号并送入驱动电路，驱动电路产生用于控制功率管开通或关断的信号。
所述的串并联谐振电路由串联谐振电感Ls电容Cs的一端和并联谐振电感Lp电容Cp的一端相连，混合组成串并谐振电路，该串并联谐振电路将逆变器的输出电压转为谐振串联电流和并联电压，电容Cs阻止直流分量进入变压器。滤波电路由电感L2电容C2串联组成，串联组成的滤波电路并联于串并联谐振电路和变压器一次侧之间，滤除高次谐波，减小后级变压器磁芯损耗。根据等离子负载所需电压等级，设定变压器一二次侧线圈的匝数比。
本发明的等离子谐振电源的控制系统所述的控制系统，包括功率计算模块、给定功率、PI调节器、模式选择器、MODE 0模式和MODE 1模式。
功率计算模块根据测量的电流和电压计算实际功率，功率计算模块与功率给定模块的输出误差送入PI调节器，PI调节器的输出送入模式选择器。所述的模式选择器，其特征在于根据调节器的输出确定工作模式，包括MODE 1模式和MODE 0模式。所述的MODE 1模式，其特征在于脉冲频率恒定，通过调节脉冲宽度，达到调节功率的目的。所述的MODE 0模式，其特征在于脉冲宽度恒定，通过调节脉冲频率，达到调节功率的目的。两种控制模式可根据负载状态自由切换。
MODE 1模式，全桥逆变电路输出的电压波形是非对称的，全桥逆变电路中四个功率管S1、S2、S3和S4的驱动脉冲信号频率均固定，S1和S2功率管的脉冲宽度固定为180度，且S1和S2功率管的脉冲信号互补，S3和S4功率管的驱动脉冲宽度经调节器作用在一定范围内调节且互补运行，实现功率调节。
MODE 0模式，全桥逆变电路输出的电压波形是非对称的，全桥逆变电路的S1和S2功率管的驱动脉冲宽度固定为180度且两功率管驱动脉冲信号互补，S3功率管的驱动脉冲宽度固定于最小脉冲宽度，典型的脉冲宽度为60度，S4功率管驱动脉冲与S3功率管的驱动脉冲互补，根据调节器的输出，控制全桥逆变电路四个功率管S1、S2、S3和S4的脉冲信号频率，实现功率调节。
有益效果：
本发明提出的串并联谐振电路，将逆变器的输出电压转为谐振串联电流和并联电压，有效减小功率管的开关损耗，提高系统的效率，并阻止直流分量进入变压器。提出自适应功率控制方式，克服单一采用变频调节和固定频率调占空比的各自缺点，有效融合各自优点，两种控制模式可自由切换，并最终取决于负载状态。采用非对称电压控制策略，可以有效的减小逆变输出方波的基波相位角并增大输出谐振电压和电流的相位差，从而实现全变化范围内的软开关。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本控制系统的控制流程示意图；
图3为本发明MODE1模式下生成脉冲波信号示意图；
图4为本发明MODE0模式下生成脉冲波信号示意图；
图5为本发明门极驱动信号和输出电压波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种基于自适应功率控制的等离子谐振电源系统，包括全桥逆变电路1、串并联谐振电路2、滤波电路3、变压器4、等离子负载5、电流采样模块7、电压采样模块8、控制系统9和驱动电路10。所述的全桥逆变电路1将电源端直流电压转化为交流方波电压，经串并联谐振电路2和滤波电路3处理后输入到变压器4一次侧，变压器4匹配等离子负载5所需电压等级。由电流采样模块7和电压采样模块8采集的电流电压信号送入控制系统9，控制系统输出脉冲信号并送入驱动电路10，驱动电路10产生用于控制功率管6开通或关断的信号。
所述的控制系统9包括功率计算模块9.1、功率给定9.2、PI调节器9.3、模式选择器9.4、MODE 0模式9.5和MODE 1模式9.6。
所述的功率计算模块9.1根据测量的电流和电压计算实际功率，功率计算模块9.1与功率给定模块2的输出误差送入PI调节器9.3，PI调节器9.3的输出送入模式选择器9.4。所述的模式选择器9.4根据调节器的输出确定工作模式，包括MODE 1模式9.6和MODE 0模式9.5。所述的MODE 1模式9.6脉冲频率恒定，通过调节脉冲宽度，达到调节功率的目的。所述的MODE 0模式9.5脉冲宽度恒定，通过调节脉冲频率，达到调节功率的目的。两种控制模式可自由切换，并最终取决于负载状态。
所述的MODE 1模式9.6，全桥逆变电路1输出的电压波形是非对称的，全桥逆变电路1中四个功率管S1、S2、S3和S4的驱动脉冲信号频率均固定，S1和S2功率管的脉冲宽度固定为180度，且S1和S2功率管的脉冲信号互补，S3和S4功率管的驱动脉冲宽度经调节器作用在一定范围内调节且互补运行，实现功率调节。
所述的MODE 0模式9.5，全桥逆变电路1输出的电压波形是非对称的，全桥逆变电路1的S1和S2功率管的驱动脉冲宽度固定为180度且两功率管驱动脉冲信号互补，S3功率管的驱动脉冲宽度固定于最小脉冲宽度，典型的脉冲宽度为60度，S4功率管驱动脉冲与S3功率管的驱动脉冲互补，根据调节器的输出，控制全桥逆变电路1四个功率管S1、S2、S3和S4的脉冲信号频率，实现功率调节。
所述串并联谐振电路2由串联谐振电感Ls电容Cs的一端和并联谐振电感Lp电容Cp的一端相连，混合组成串并谐振电路。所述的滤波电路3由电感L2电容C2串联组成，串联组成的滤波电路3并联于串并联谐振电路2和变压器4一次侧之间。所述变压器4根据等离子负载所需电压等级，设定变压器4一二次侧线圈的匝数比。
如图2所示，根据测量的电流和电压并由公式P＝UIcosθ计算实际功率，实际功率与功率给定模块的输出误差送入PI调节器后，计算出对应输出功率的脉宽计算出的脉宽作为模式选择的器输入量，当(典型的脉冲宽度为度)时，进入MODE1模式，当时，进入MODE0模式。所述的MODE 1模式，其特征在于脉冲频率恒定，通过调节脉冲宽度，实现调节功率的目的。所述的MODE 0模式，其特征在于脉冲宽度恒定，通过调节脉冲频率，实现调节功率的目的，并且模式能自由切换，模式转换取决于负载状态。MODE1模式，控制系统输出恒定频率可调脉宽的脉冲信号S1、S2、S3和S4并送入驱动电路，驱动电路产生用于控制功率管开通或关断的信号；MODE0模式，控制系统输出可变频率恒定脉宽的脉冲信号S1、S2、S3和S4并送入驱动电路，驱动电路产生用于控制功率管开通或关断的信号。
本发明的全桥逆变电路输出的电压波形是非对称的。MODE1模式下生成脉冲波信号，如图3所示，一个开关周期2π/ω内，脉冲信号S1由幅值为1周期固定的三角波与固定值C＝0.5通过比较器得到，脉冲信号S1与S2互补，脉冲信号S3由幅值为1周期固定的三角波与可变量通过比较器得到，脉冲信号S3与S4互补。
MODE0模式下生成脉冲波信号，如图4所示，一个开关周期2π/ω内，脉冲波S1由幅值为1周期可调的三角波与固定值C＝0.5通过比较器得到，脉冲信号S1与S2互补，脉冲波S3由幅值为1周期可调的三角波与恒定值C＝0.167(典型的脉冲宽度为度对应的值)通过比较器得到，脉冲信号S3与S4互补。
如图5所示MODE1模式下的门极驱动信号和输出电压波形，一对脉冲波S1、S2在一个开关周期内2π/ω互补，脉冲信号S3与S4互补，通过调节脉冲信号S3脉宽实现调节方波电压的基波幅值和等离子负载功率的目的。图中分别给出了脉宽和下，逆变器输出电压波形和等离子负载的端电压波形。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种基于自适应功率控制的等离子谐振电源系统，其特征在于：包括全桥逆变电路(1)、串并联谐振电路(2)、滤波电路(3)、变压器(4)、等离子负载(5)、电流采样模块(7)、电压采样模块(8)、控制系统(9)和驱动电路(10)。所述的全桥逆变电路(1)将电源端直流电压转化为交流方波电压，经串并联谐振电路(2)和滤波电路(3)处理后输入到变压器(4)一次侧，变压器(4)匹配等离子负载(5)所需电压等级。由电流采样模块(7)和电压采样模块(8)采集的电流电压信号送入控制系统(9)，控制系统输出脉冲信号并送入驱动电路(10)，驱动电路(10)产生用于控制功率管(6)开通或关断的信号；
所述的控制系统(9)包括功率计算模块(9.1)、功率给定(9.2)、PI调节器(9.3)、模式选择器(9.4)、MODE 0模式(9.5)和MODE 1模式(9.6)；
所述的功率计算模块(9.1)根据测量的电流和电压计算实际功率，功率计算模块(9.1)与功率给定模块(2)的输出误差送入PI调节器(9.3)，PI调节器(9.3)的输出送入模式选择器(9.4)；所述的模式选择器(9.4)根据调节器的输出确定工作模式，包括MODE 1模式(9.6)和MODE 0模式(9.5)；所述的MODE 1模式(9.6)脉冲频率恒定，通过调节脉冲宽度，达到调节功率的目的；所述的MODE 0模式(9.5)脉冲宽度恒定，通过调节脉冲频率，达到调节功率的目的；两种控制模式可自由切换，并最终取决于负载状态；
所述的MODE 1模式(9.6)，全桥逆变电路(1)输出的电压波形是非对称的，全桥逆变电路(1)中四个功率管S1、S2、S3和S4的驱动脉冲信号频率均固定，S1和S2功率管的脉冲宽度固定为180度，且S1和S2功率管的脉冲信号互补，S3和S4功率管的驱动脉冲宽度经调节器作用在一定范围内调节且互补运行，实现功率调节；
所述的MODE 0模式(9.5)，全桥逆变电路(1)输出的电压波形是非对称的，全桥逆变电路(1)的S1和S2功率管的驱动脉冲宽度固定为180度且两功率管驱动脉冲信号互补，S3功率管的驱动脉冲宽度固定于最小脉冲宽度，典型的脉冲宽度为60度，S4功率管驱动脉冲与S3功率管的驱动脉冲互补，根据调节器的输出，控制全桥逆变电路(1)四个功率管S1、S2、S3和S4的脉冲信号频率，实现功率调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应功率控制的等离子谐振电源系统，其特征在于：所述串并联谐振电路(2)由串联谐振电感Ls电容Cs的一端和并联谐振电感Lp电容Cp的一端相连，混合组成串并谐振电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于自适应功率控制的等离子谐振电源系统，其特征在于：所述的滤波电路(3)由电感L2电容C2串联组成，串联组成的滤波电路(3)并联于串并联谐振电路(2)和变压器(4)一次侧之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应功率控制的等离子谐振电源系统，其特征在于：所述的变压器(4)根据等离子负载所需电压等级，设定变压器(4)一二次侧线圈的匝数比。
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