CN113726188A - 多工作模式的高频高压交流电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及逆变交流电源领域，其实施方式提供了多工作模式的高频高压交流电源，包括：依次相连的交流输入电源、EMI滤波器、整流滤波电路、Buck调压电路、全桥逆变、高频高压变压器和高压输出接口，所述电源还包括：Buck驱动电路，用于驱动所述Buck调压电路；全桥驱动电路，用于驱动所述全桥逆变；主控制器，与所述Buck驱动电路和全桥驱动电路相连，并被配置为根据工作模式控制所述Buck驱动电路和全桥驱动电路；以及热成像传感器，所述热成像传感器的输出与所述主控制器相连，用于采集目标位置的热图像并传输至所述主控制器。本发明的实施方式具有适应场景广和具有热图像反馈的优点。

Description

多工作模式的高频高压交流电源

技术领域

本发明涉及逆变交流电源领域，特别涉及一种多工作模式的高频高压交流电源。

背景技术

随着介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)的应用范围越来越广泛，例如环境污染治理、纳米级薄膜的形成、高分子材料表面改性、大面积紫外辐射源、大屏幕彩电显示器等领域，介质阻挡放电电源作为介质阻挡放电系统中的重要设备之一在近些年的发展也越来越迅速。介质阻挡放电电源的波形由早期的正弦交流电源，向脉冲电源转变；电源的功率由小功率电源向大功率电源转变；电源的频率由低频电源向高频电源转变。

针对目前的DBD反应器负载而言，普通工频交流电源技术成熟，但是效率偏低，体积大，所需的起晕电压高；高频交流电源效率相对工频电源高，但是负载发热量大，容易产生积碳与废气等产物，电磁污染严重，电源与DBD装置匹配(接口)复杂；而高频脉冲电源，存在较大噪声污染，并且容易造成反应器火花放电，设备可靠性低，成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种多工作模式的高频高压交流电源，并至少解决现有高频高压交流电源的模式单一和无法根据负载发热状态的自动调节的问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种多工作模式的高频高压交流电源，包括：依次相连的交流输入电源、EMI滤波器、整流滤波电路、Buck调压电路、全桥逆变、高频高压变压器和高压输出接口，所述电源还包括：

Buck驱动电路，用于驱动所述Buck调压电路；

全桥驱动电路，用于驱动所述全桥逆变；

主控制器，与所述Buck驱动电路和全桥驱动电路相连，并被配置为根据工作模式控制所述Buck驱动电路和全桥驱动电路；所述工作模式包括连续交流模式、断续交流模式和脉冲模式；以及

热成像传感器，所述热成像传感器的输出与所述主控制器相连，用于采集目标位置的热图像并传输至所述主控制器。；。

可选的，所述的工作模式包括：所述连续交流模式为连续的正弦波，所述断续交流模式为断续的正弦波，所述脉冲模式为连续的正弦波陡化处理后形成的陡脉冲。

可选的，所述工作模式根据以下参量进行切换：所述目标位置的热图像和工作模式控制按钮的状态。

可选的，所述电源还包括高压采样电路，用于采集所述高压输出接口上的输出状态，并将采样结果传输至所述主控制器。

可选的，所述高压采样电路包括电压采样子电路和电流采样子电路；

所述电压采样子电路包括衰减电路；所述电流采样子电路包括互感器。

可选的，所述整流滤波电路包括：依次相连的无源PFC、整流桥、防浪涌电路和滤波电路。

可选的，所述防浪涌电路包括：并联的限流电阻和继电器。

可选的，所述电源还包括前面控制板，所述前面控制板与所述主控制器相连，用于提供所述电源的人机互交界面。

可选的，所述主控制器还被配置为：

基于所述目标位置的热图像，得到所述目标位置的温度；

确定所述温度大于设定温度阈值，

将所述电源设置为断续交流模式。

可选的，所述主控制器还被配置为：

确定所述电源发生过流或短路，

向所述Buck驱动电路和全桥驱动电路发送停止指令。

可选的，所属电源还包括辅助电源，所述辅助电源用于给所述Buck驱动电路、所述全桥驱动电路以及所述主控制器供电。

可选的，所述电源应用于向介质阻挡放电反应器供电。

通过本发明提供的上述技术方案，具有以下有益效果：可以根据不同的DBD反应器选择不同的工作模式，电源的灵活性高、适用性强。本发明中的Buck调压电路与全桥逆变均参与输出电压控制，可以基于不同的电路情况更有效快速的调整输出电压与主控制器设定电压一致。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1是本发明一种实施方式提供的多工作模式的高频高压交流电源的结构示意图；

图2是本发明一种实施方式提供的多工作模式的高频高压交流电源的结构详图；

图3是本发明一种实施方式提供的多工作模式的高频高压交流电源在连续交流模式下的输出波形图；

图4是本发明一种实施方式提供的多工作模式的高频高压交流电源在断续交流模式下的输出波形图；

图5是本发明一种实施方式提供的多工作模式的高频高压交流电源在脉冲模式下的输出波形图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明一种实施方式提供的多工作模式的高频高压交流电源的结构示意图。如图1所示，一种多工作模式的高频高压交流电源，包括：依次相连的交流输入电源、EMI滤波器、整流滤波电路、Buck调压电路、全桥逆变、高频高压变压器和高压输出接口，所述电源还包括：

Buck驱动电路，用于驱动所述Buck调压电路；

全桥驱动电路，用于驱动所述全桥逆变；

主控制器，与所述Buck驱动电路和全桥驱动电路相连，并被配置为根据工作模式控制所述Buck驱动电路和全桥驱动电路；以及

热成像传感器，所述热成像传感器的输出与所述主控制器相连，用于采集目标位置的热图像并传输至所述主控制器。

如此，能够通过热成像传感器的反馈，根据预设程序自动调节供电模式，以降低供电功率，以此避免由于电源或者由电源驱动的部件因温度过高而产生的工况变差的问题。此处的多种工作模式预置于主控制器之中，工作模式中包括设定的频率、脉宽和占空比等参数，并且主控制器具有掉电存储功能，以此实现多种工作模式的预设和控制。

具体的，现有的技术中存在的高压电源模块，大多采用以下的结构，即依次相连的交流输入电源、EMI滤波器、整流滤波电路、Buck调压电路、全桥逆变、高频高压变压器和高压输出接口，通过对交流输入电源的一系列处理后，得到所需的高压直流输出或者高压电流输出。虽然也有设置DSP的方案，但是没有多种模式的预置，无法满足多种场合的使用需求。此处的主控制器采用内存大且可靠性高的微控制器，用于控制Buck调压电路与全桥逆变电路的频率、脉宽和占空比，调整输出工作模式、输出频率以及输出电压。并且具有掉电存储功能，系统断电后可以记忆最终设定的频率、脉宽和占空比等参数。

所述的热成像传感器采用红外热传感器阵列，体积小巧并且采集热成像数据简单易处理。将DBD反应器的温度场分布情况送给主控制器，主控制器将反馈得到的信号进行分析，从而切换工作模式。在具体实施中，可以选用松下AMG8833热成像传感器，这款传感器是一个8x8的红外热传感器阵列，当其通过I2C接口连接到所述主控制器时，将通过该I2C接口返回64个单独的红外温度读数阵列，测量的温度范围为0℃至80℃，检测到距离高达7米，最大帧速率为10Hz，体积小巧，简单易用。并具有可配置的中断引脚，可在任何单个像素高于或低于设置的阈值时触发。

本发明提供的一种实施方式中所述的工作模式包括：连续交流模式、断续交流模式和脉冲模式。具体为：连续交流模式为：输出高压正弦波；断续交流模式为：高压正弦波是断续的，改变全桥逆变导通的周波数和断开的周波数来调节导通时间、关断时间，进而调节输出功率；脉冲模式为：高压输出波形是脉冲输出，对第一种工作模式所输出的高压正弦电压波形进行陡化处理，使之成为连续的高压、高重复频率的陡脉冲。以上三种工作模式的不同特性能够使电源满足多种场合的需求。

在本发明提供的一种实施方式中，所述工作模式根据以下参量进行切换：所述目标位置的热图像和控制按钮的状态。前述的工作模式可以采用手动切换和自动切换，手动切换即通过控制按钮的状态进行切换，此处的控制按钮包括前面控制板或者硬件按钮。自动切换即通过获取到的所述目标位置的热图像的状态进行切换，例如主控制器能够在过热情况下切换连续交流模式至断续交流模式。

在本发明提供的一种实施方式中，所述电源还包括高压采样电路，用于采集所述高压输出接口上的输入状态，并将采样结果传输至所述主控制器。在电源中引入采样反馈，不仅能够监控高压输出接口的状态，还能够根据输出的波形状态调整对所述Buck驱动电路和全桥驱动电路的控制。

在本发明提供的一种实施方式中，所述高压采样电路包括电压采样子电路和电流采样子电路；所述电压采样子电路包括衰减电路；所述电流采样子电路包括互感器。具体的，所述的高压采样针对电压与电流分别采用衰减电路与互感器进行采样。交流电压经过衰减送到电压处理电路，电压处理电路将信号的峰值提取出来。经过整定的电压信号送到主控制器进行闭环控制，以及电压保护。交流电流经过互感器缩减后送到电流处理电路，经过整流滤波后取电流的平均值送给主控制器进行控制和保护。与直流高压的采样处理电路不同，交流采样处理电路要充分考虑系统的延时时间。

在本发明提供的一种实施方式中，所述整流滤波电路包括：依次相连的无源PFC(PFC，Power Factor Correction，即“功率因数校正”)、整流桥、防浪涌电路和滤波电路。无源PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式(Valley Fill Circuit)”，依据实际的场景选用。整流桥用于交流和直流变化，具体型号依据功率进行选用。滤波电路用于滤去电路中的杂波。

进一步的，防浪涌电路包括：并联的限流电阻和继电器。所述的防浪涌电路采用防浪涌缓启动电路，将限流电阻与继电器并联。当限流电阻充电一段时间输出电压达到设定值后继电器吸合，这样既限制了浪涌电流又提高了系统效率。

在本发明提供的一种实施方式中，所述电源还包括前面控制板，所述前面控制板与所述主控制器相连，用于提供所述电源的人机互交界面。所述的前面板控制与I/O控制采用隔离RS485通信方式与主控制器进行信息交互，用户可以通过前面控制板控制电源的工作模式，以及获知到电源的当前工作状态。

在本发明提供的一种实施方式中，所述主控制器还被配置为：基于所述目标位置的热图像，得到所述目标位置的温度；确定所述温度大于设定温度阈值，将所述电源设置为断续交流模式。当电源处于自动模式下，当采集的目标位置的热图像的温度过高时，将所述电源设置为断续交流模式，以此降低电源的输出功率，避免温度的进一步升高。

在本发明提供的一种实施方式中，所述主控制器还被配置为：确定所述电源发生过流或短路，向所述Buck驱动电路和全桥驱动电路发送停止指令。主控制器采用内存大且可靠性高的微控制器，用于控制Buck调压电路与全桥逆变电路的频率、脉宽和占空比，调整输出工作模式、输出频率以及输出电压。并且具有掉电存储功能，系统断电后可以记忆最终设定的频率、脉宽和占空比等参数。同时因高频高压电源输出功率大，当发生过流或短路时，主控制器能够保护电路，发送指令停止Buck调压电路以及全桥电路运行，可实现ns级的保护速度，使该高频高压电源拥有极高的可靠性。

在本发明提供的一种实施方式中，所属电源还包括辅助电源，所述辅助电源用于给所述Buck驱动电路、所述全桥驱动电路以及所述主控制器供电。其中所述的辅助电源采用反激电路，实现多路电源隔离输出。辅助电源的电路由整流滤波电路，启动电路，反馈电路，变压器，整流取样电路，开关管及其控制电路组成。

在本发明提供的一种实施方式中，将前述的所述电源应用于向介质阻挡放电反应器供电。介质阻挡放电反应器，即DBD反应器，当DBD反应器采用前述的电源进行供电时，不仅能够有效控制DBD反应器的工作状态，还能够通过热成像传感器的反馈，避免反应器内由于温度过热产生废气、积碳等副产物。

图2是本发明一种实施方式提供的多工作模式的高频高压交流电源的结构详图，以下依据图2对本发明实施方式提供的高频高压交流电源进行说明。如图2所示，电源整体结构包括：380VAC(即前述的交流输入电源)、EMI滤波器、无源PFC、整流桥、防浪涌电路、滤波电路、Buck调压电路、全桥逆变、高压高频变压器、高压输出接口、辅助电源、Buck驱动电路、全桥驱动电路、主控制器、高压采样、热成像传感器、前面板控制以及I/O控制。

其中，交流电源AC380V输出端连接EMI滤波器，然后经过无源PFC，到整流桥、防浪涌电路和滤波电路之后产生直流电压，提供给Buck调压电路。Buck调压电路输出端连接全桥逆变，经过高频高压变压器输出至高压输出接口。高压输出接口连接高压采样，高压采样将数据传送至主控制器，同时利用热成像传感器采集多工作模式的高频高压交流电源的温度场，并传送温度信息至主控制器。前面控制板以及I/O控制两种控制方式输出端连接主控制器，主控制器控制Buck驱动电路以及全桥驱动电路，Buck驱动电路以及全桥驱动电路分别驱动Buck调压电路与全桥逆变。交流电源AC380V输出经过EMI滤波器，输出电压连接辅助电源，输出三路电源分别给Buck驱动电路、全桥驱动电路以及主控制器供电。

为了展示本发明实施方式提供的多工作模式的高频高压交流电源的工作状态，特通过示波器对不同工作模式下的输出波形进行展示：

图3是本发明一种实施方式提供的多工作模式的高频高压交流电源在连续交流模式下的输出波形图，如图3所示，连续交流模式输出电压波形，高压探头缩放1000倍，每格代表5kV。输出电压峰峰值为24.6kV是DBD装置的起晕电压。此时电源的输出频率为12kHz。

图4是本发明一种实施方式提供的多工作模式的高频高压交流电源在断续交流模式下的输出波形图，如图4所示。断续交流模式输出电压波形，高压探头缩放1000倍，每格代表5kV。输出电压峰峰值为28kV。通过主控制器控制全桥逆变工作时间来实现关断的时间与导通的时间或者是占空比。通过控制前级BUCK调压电路与全桥逆变的占空比调节输出电压。

图5是本发明一种实施方式提供的多工作模式的高频高压交流电源在脉冲模式下的输出波形图，如图5所示，脉冲模式输出电压波形，高压探头缩放1000倍，每格代表5kV。输出电压峰峰值为27.9kV。

综上所述，为了解决单一工作模式的DBD电源存在的诸多弊端，本发明实施方式提供一种多工作模式的高频高压交流电源，在连续高频正弦交流电源的基础上，增加脉冲电源输出模式与间断正弦交流电源输出模式，能够手动选择切换三种供电模式，并可以利用热成像传感器根据DBD反应器温度场自动调节供电模式。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (12)

1.一种多工作模式的高频高压交流电源，包括：依次相连的交流输入电源、EMI滤波器、整流滤波电路、Buck调压电路、全桥逆变、高频高压变压器和高压输出接口，其特征在于，所述电源还包括：

Buck驱动电路，用于驱动所述Buck调压电路；

全桥驱动电路，用于驱动所述全桥逆变；

主控制器，与所述Buck驱动电路和全桥驱动电路相连，并被配置为根据工作模式控制所述Buck驱动电路和全桥驱动电路，所述工作模式包括：连续交流模式、断续交流模式和脉冲模式；以及

热成像传感器，所述热成像传感器的输出与所述主控制器相连，用于采集目标位置的热图像并传输至所述主控制器。

2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述连续交流模式为连续的正弦波，所述断续交流模式为断续的正弦波，所述脉冲模式为连续的正弦波陡化处理后形成的陡脉冲。

3.根据权利要求2所述的电源，其特征在于，所述工作模式根据以下参量进行切换：所述目标位置的热图像和工作模式控制按钮的状态。

4.根据权利要求2所述的电源，其特征在于，所述电源还包括高压采样电路，所述高压采样电路用于采集所述高压输出接口上的输出状态，并将采样结果传输至所述主控制器。

5.根据权利要求4所述的电源，其特征在于，所述高压采样电路包括电压采样子电路和电流采样子电路；

所述电压采样子电路包括衰减电路；所述电流采样子电路包括互感器。

6.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述整流滤波电路包括：依次相连的无源PFC、整流桥、防浪涌电路和滤波电路。

7.根据权利要求6所述的电源，其特征在于，所述防浪涌电路包括：并联的限流电阻和继电器。

8.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述电源还包括前面控制板，所述前面控制板与所述主控制器相连，用于提供所述电源的人机互交界面。

9.根据权利要求2所述的电源，其特征在于，所述主控制器还被配置为：

基于所述目标位置的热图像得到所述目标位置的温度；

确定所述温度大于设定温度阈值，将所述电源设置为断续交流模式。

10.根据权利要求2所述的电源，其特征在于，所述主控制器还被配置为：

确定所述电源发生过流或短路，向所述Buck驱动电路和全桥驱动电路发送停止指令。

11.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述电源还包括辅助电源，所述辅助电源用于给所述Buck驱动电路、所述全桥驱动电路以及所述主控制器供电。

12.根据权利要求1至11中任一项权利要求所述的电源，其特征在于，所述电源应用于向介质阻挡放电反应器供电。

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