CN204145330U - 一种高压静电脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型特别涉及一种静电除尘装置中的电源部分，解决了现有技术中控制模块驱动能力受限、能耗较大、成本偏高等问题，其技术方案是设计一种高压静电脉冲电源，包括稳压电路、控制驱动电路、脉冲升压电路和倍压整流电路；稳压电路为整个电路提供供电电压；控制驱动电路包括振荡电路、PWM产生电路和驱动电路三个集成电路，脉冲升压电路将驱动电路所输出的脉冲调制电压进行升压；倍压整流电路采用并联结构倍压电路，将脉冲升压电路所升压的电压进一步升压并进行整流，最终输出高压脉冲。本实用新型体积小，运行稳定可靠，提高了模块的驱动能力，大大降低了成本。

Description

一种高压静电脉冲电源

技术领域

本实用新型涉及一种高压静电产生装置，特别涉及一种静电除尘装置中的电源部分，具体地是一种通过PWM脉冲调节方式，将低压脉冲通过脉冲变压器和倍压电路升压整流产生高压脉冲，可以产生频率1Hz、脉冲宽度100ms、脉冲幅值-18kV高压脉冲。

背景技术

静电除尘装置广泛应用于工业生产中，其原理是通过产生几十千伏直流高压在静电极板上建立强电场，对一定粒径的粉尘颗粒进行静电吸附，达到除尘效果。静电除尘装置由控制电路、升压电路和电极板组成，控制电路按照一定频率产生一定幅值的输出电压，升压电路将低压信号转化为高压输出，电极板用来形成均匀或者不均匀电场。静电除尘装置要求高压静电脉冲源工作可靠，电路简单，成本低廉，散热良好。

目前，国内对高压静电除尘装置研究虽然较多，但是在技术应用的不同领域仍有下列问题需要说明：

高压静电电源效率和能耗问题。目前高压静电产生方式有直流与脉冲两种，实验结果表明，脉冲电源比直流电源更有优势，脉冲电源可以提高高比电阻粉尘收集；形成的低温等离子体利于烟气脱硫脱硝；提高臭氧转化效率；在细胞分选、提纯、融合和分裂具有优势。此外，脉冲电源比直流电源节电50％左右。

电源总成本偏高。目前广泛应用单片机、PLC作为控制单元，外加辅助电路复杂，所需电子器件和集成电路过多，导致其硬件成本居高不下，价格优势不明显。

控制模块驱动能力受限。在不采用桥式电路情况下，单片机的输出电流只有十几毫安，将会大大降低升压电路的效率，导致升压电路体积增大，成本增加，而升压电路的体积和器件成本本身就高，应从提高驱动能力考虑，尽量避免此种情况出现。

发明内容

本实用新型的目的是针对目前广泛应用的静电除尘装置，采用合理的集成电路，设计出低成本的脉冲电源，解决输出功率受限的问题，并保证脉冲电源输出波形稳定、体积小、重量轻、安全可靠，能够满足输出电压要求指标。

本实用新型解决的技术问题是：设计一种高压静电脉冲电源，采用集成电路代替单片机和PLC，在保证输出性能前提下，不仅节约成本，还可以提高输出性能，同时提高了控制模块的驱动能力。

本实用新型的技术方案是：构建一种高压静电脉冲电源，包括稳压电路、控制驱动电路、脉冲升压电路和倍压整流电路；稳压电路为整个电路提供供电电压；控制驱动电路包括振荡电路、PWM产生电路和驱动电路三个集成电路，其中振荡电路产生使能信号，PWM脉冲产生电路产生PWM脉冲电压，振荡电路所产生的使能信号控制PWM脉冲产生电路的使能端，对PWM脉冲电压进行调制，驱动电路对调制后的PWM脉冲电压进行升压，提高调制后PWM脉冲电压的驱动能力；脉冲升压电路将驱动电路所输出的脉冲调制电压进行升压；倍压整流电路采用并联结构倍压电路，将脉冲升压电路所升压的电压进一步升压并进行整流，最终输出高压脉冲。

本实用新型的进一步技术方案是：在稳压电路、控制驱动电路、脉冲升压电路和倍压整流电路中，各个元器件的连接关系如下：输入电压Vcc给整个电路供电，输入电压VCC、电容C6、电阻R1、电阻R2依次串联；振荡器U1与电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、电容C6组成振荡电路，振荡器U1的VCC端接供电电压VCC，振荡器U1的GND端接地，振荡器U1的DIS端经电阻R1、电阻R2、电容C1接地，振荡器U1的TRIG端经电容C1接地，振荡器U1的TRIG端与THR端短接后经电容C1接地，振荡器U1的CON端经电容C2接地，振荡器U1的OUT端输出使能信号，接入到PWM控制器U2的SHUT端；PWM控制器U2与电阻R3、电阻R4、电容C3、电容C4组成PWM脉冲发生电路，PWM控制器U2的VIN端和PWM控制器U2的VC端接供电电压Vcc，PWM控制器U2的GND端和PWM控制器U2的INPUT-端接地，PWM控制器U2的INPUT+端接PWM控制器U2的VERF端即基准电压，PWM控制器U2的CT端经电容C3接地，PWM控制器U2的RT端经电阻R3接地，PWM控制器U2的DIS端接放电电阻R4，经电容C3接地，PWM控制器U2的SS端经电容C4接地，PWM控制器U2的OUTA端和OUTB端输出PWM脉冲电压，接入到晶体管驱动器U3的INB端和INA端；晶体管驱动器U3与电容C5组成驱动电路，晶体管驱动器U3的VCC端分出两路，一路接供电电压Vcc，一路经电容C5接地，晶体管驱动器U3的GND端接地，晶体管驱动器U3的OUTA端和OUTB端输出调制升压后的PWM脉冲电压，接入到脉冲变压器T1的初级；脉冲变压器T1的次级接倍压整流电路；倍压整流电路为并联的两路四倍压电路，包括D1-D8八个二极管和C7-C15八个电容，其中二极管D8正极接地，二极管D4的负极和二极管D5的正极作为输入端，接收经脉冲变压器T1再次升压的脉冲电压，二极管D1的正极作为负高压的输出端，最终输出高压脉冲。

本实用新型的进一步技术方案是：U1为NE555。

本实用新型的进一步技术方案是：U2为SG3525。

本实用新型的进一步技术方案是：U3为TC4424。

本实用新型的进一步技术方案是：脉冲变压器T1采用内环型铁氧体铁芯，根据实际需要确定要求变比以及变压器的初级匝数和次级匝数。

发明效果

本实用新型的技术效果在于：设计一种高压静电脉冲电源，用集成电路代替单片机和PLC，采用NE555输出信号控制SG3525输出PWM脉冲序列。利用NE555输出占空比为90％脉冲控制SG3525的shutdown使能端，将SG3525正负输入端分别接高电平和地，即可得到占空比10％的PWM脉冲序列。控制电路结构简单，采用的集成电路数量少，价格低，降低了电源成本。采用晶体管驱动芯片代替MOSFET开关。TC4424输出电流可达3A，可以替代普遍采用半桥逆变电路，在保证散热要求条件下，保证脉冲变压器高压输出端电压稳定；采用双路并联倍压电路降低输出损耗。倍压电路串联结构在倍压级数超过4级后损耗较高，倍压能力降低，采用并联结构可以降低损耗，提高输出电压。本实用新型采用双路4倍压并联结构，串联输出8倍压电压，降低了倍压电路损耗。

附图说明

图1为脉冲电源组成框图

图2为本实施例中脉冲电源电路原理图

图3为SG3525输出PWM波形示意图

图4为NE555输出控制波形示意图

图5为脉冲电源输出高压脉冲波形图

附图标记说明

U1—NE555，U2—SG3525，U3—TC4424。

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本实用新型技术方案进一步说明。

1.参见图1，本实用新型包括稳压电路、控制驱动电路、脉冲升压电路和倍压整流电路；稳压电路为整个电路提供供电电压；控制驱动电路包括振荡电路、PWM产生电路和驱动电路三个集成电路，其中振荡电路产生使能信号，PWM脉冲产生电路产生PWM脉冲电压，振荡电路所产生的使能信号控制PWM脉冲产生电路的使能端，对PWM脉冲电压进行调制，驱动电路对调制后的PWM脉冲电压进行升压，提高调制后PWM脉冲电压的驱动能力；脉冲升压电路将驱动电路所输出的脉冲调制电压进行升压；倍压整流电路采用并联结构倍压电路，将脉冲升压电路所升压的电压进一步升压并进行整流，最终输出高压脉冲。稳压电路采用开关电源模块AC220V/DC15V组成，输出电压15±0.5V，作为整个电路的供电电源，不需进行电压装换，便可实现输出脉冲电压可调。

2.参见图2，采用集成电路代替单片机和PLC，在保证输出性能前提下，不仅节约成本，还可以提高输出性能。其中振荡器NE555产生一定占空比的控制脉冲信号，PWM控制器采用SG3525产生PWM脉冲信号，用振荡器NE555输出信号控制SG3525使能端，对SG3525信号输出进行调节后经脉冲变压器升压，通过倍压电路倍压后输出高压脉冲。

在振荡器NE555中，GND为地端，TRIG为触发端，OUT为输出端，RESET为复位端，VCC为电源端，DIS为放电端，THR为门限(阈值)端，CON为控制端；在PWM控制器SG3525中，INPUT-为反向输入端，INPUT+为同相输入端，CT为定时电容接入端，RT为定时电阻接入端，DIS为放电端，SS为软启动端，VERF为基准电压端，VIN为电源端，OUTB-B为输出端，VC为偏置电压端，GND为地端，OUTA为A输出端，SHUT为关断输入端；在晶体管驱动器U3中，INA-A为输入端，GND为地端，INB-B为输入端，OUTA-A为输出端，VCC为电源端，OUTB-B为输出端。

运用外接电阻电容，在U2的OUTA端、OUTB端输出端产生PWM脉冲，脉冲频率50kHz，脉冲幅值10V，死区时间3μs。为了得到1Hz的高压脉冲，采用振荡器NE555作为控制信号对PWM脉冲序列进行调制。选择合适的附加电阻电容可以得到频率1Hz，占空比90％的输出电压。根据SG3525的控制特性，选择其低电平有效的SHUT端作为使能端，因为使能端是低电平有效，使SG3525脉冲输出时间由NE555的输出信号控制，可输出总宽度100ms、频率1Hz、占空比为10％的PWM脉冲序列。这种设计完全省略了SG3525的外加反馈控制模块，可节约电源成本。该脉冲序列将作为脉冲变压器的初级电压。

由于SG3525电路直流输出电流为几十毫安，直接连接脉冲变压器初级会导致变压器驱动能力不够，使得变压器耦合系数降低，变压器次级输出电压达不到设定值，进而引起倍压电路输出电压将比预期值低。采取的解决办法是用驱动电路TC4424作为脉冲变压器的初级驱动电路。TC4424电源电压高达22V，输出最大瞬时电流为3A，而该电路需要的最大瞬时电流为0.5A，故TC4424满足脉冲变压器的驱动要求，保证变压器正常工作。

脉冲变压器采用内环型铁氧体铁芯，尺寸为26mm×5.2mm×23.5mm，要求变比为150:1。设计变压器初级匝数3匝，次级匝数500匝，匝数比为500:3。考虑变压器次级输出电压在2～3kV左右，又要考虑脉冲变压器的体积，初级采用0.4mm漆包线绕制，初级与次级之间垫三层0.05mm聚四氟乙烯薄膜。次级采用0.21mm漆包线分层绕制，每层之间垫两层0.05mm聚四氟乙烯薄膜，以保证变压器次级之间的高压绝缘问题。

为了得到-18kV高压脉冲，采用倍压电路对变压器次级输出电压进行升压整流。考虑到倍压电路在倍压级数超过4倍时输出损耗较大，为了减少倍压级数，节约成本，采用并联结构倍压电路，每一路4倍压，串联输出之和为8倍压。倍压电路每级电容采用470pF、6kV高压瓷片电容，二极管采用高压快恢复二极管2CL70，反向恢复时间<100ns，反向击穿电压6kV。

3.参见图2-图5，采用开关电源AC220V/DC15V模块为总电路供电，输出电流为0.8A，功率为12W。当输入接通AC220市电供电后，输出脉冲-18kV，上升时间为50ms，脉冲宽度>100ms，脉冲频率1Hz本电路采用了三个集成电路芯片U1(振荡器NE555)、U2(脉冲调制器SG3525)、U3(晶体管驱动器TC4424)，若干阻容元件，结构简单，器件量少，价格优势明显。利用U1(振荡器NE555)的输出脉冲序列长度及序列频率，经过脉冲变压器升压，利用双路并联倍压电路进行倍压和整流，最终输出高压脉冲。其中，图3所示为SG3525输出PWM脉冲波形，脉冲幅值为10V，周期为20μs，死区时间为3μs，周期和死区时间由图2的阻容元件R4、R3、C3调整控制。为了得到频率1Hz、脉宽100ms的高压脉冲，采用NE555输出控制SG3523输出，NE555输出脉冲波形如图3所示。由图可知，脉冲频率为1Hz，有效电平低电平宽度为100ms。利用低电平有效控制SG3525输出，可以得到100ms的脉冲序列。经过U3(TC4424)放大，保持脉冲频率不变，幅值增加。将上述脉冲序列经过脉冲变压器升压，得到幅值为2.5kV的高压正负脉冲序列，波形周期、占空比与初级波形一致。将此高压脉冲序列经过倍压电路充电可以得到脉冲宽度100ms，频率1Hz的高压脉冲，输出波形如图4所示，脉冲顶部较平坦，幅值稳定，脉冲前沿50ms，后沿100ms。

本实用新型采用SG3525产生PWM脉冲，利用NE555控制脉冲输出，经过脉冲变压器和倍压电路升压整流可得到幅值-18kV、频率1Hz、脉冲宽度100ms的高压脉冲，体积小，运行稳定可靠，提高了模块的驱动能力，大大降低了成本。

Claims (6)

1.一种高压静电脉冲电源，其特征在于，包括稳压电路、控制驱动电路、脉冲升压电路和倍压整流电路；稳压电路为整个电路提供供电电压；控制驱动电路包括振荡电路、PWM产生电路和驱动电路三个集成电路，其中振荡电路产生使能信号，PWM脉冲产生电路产生PWM脉冲电压，振荡电路所产生的使能信号控制PWM脉冲产生电路的使能端，对PWM脉冲电压进行调制，驱动电路对调制后的PWM脉冲电压进行升压，提高调制后PWM脉冲电压的驱动能力；脉冲升压电路将驱动电路所输出的脉冲调制电压进行升压；倍压整流电路采用并联结构倍压电路，将脉冲升压电路所升压的电压进一步升压并进行整流，最终输出高压脉冲。

2.如权利要求1所述的一种高压静电脉冲电源，其特征在于，在稳压电路、控制驱动电路、脉冲升压电路和倍压整流电路中，各个元器件的连接关系如下：输入电压Vcc给整个电路供电，输入电压VCC、电容C6、电阻R1、电阻R2依次串联；振荡器U1与电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、电容C6组成振荡电路，振荡器U1的VCC端接供电电压VCC，振荡器U1的GND端接地，振荡器U1的DIS端经电阻R1、电阻R2、电容C1接地，振荡器U1的TRIG端经电容C1接地，振荡器U1的TRIG端与THR端短接后经电容C1接地，振荡器U1的CON端经电容C2接地，振荡器U1的OUT端输出使能信号，接入到PWM控制器U2的SHUT端；PWM控制器U2与电阻R3、电阻R4、电容C3、电容C4组成PWM脉冲发生电路，PWM控制器U2的VIN端和PWM控制器U2的VC端接供电电压Vcc，PWM控制器U2的GND端和PWM控制器U2的INPUT-端接地，PWM控制器U2的INPUT+端接PWM控制器U2的VERF端，PWM控制器U2的CT端经电容C3接地，PWM控制器U2的RT端经电阻R3接地，PWM控制器U2的DIS端接放电电阻R4，经电容C3接地，PWM控制器U2的SS端经电容C4接地，PWM控制器U2的OUTA端和OUTB端输出PWM脉冲电压，接入到晶体管驱动器U3的INB端和INA端；晶体管驱动器U3与电容C5组成驱动电路，晶体管驱动器U3的VCC端分出两路，一路接供电电压Vcc，一路经电容C5接地，晶体管驱动器U3的GND端接地，晶体管驱动器U3的OUTA端和OUTB端输出调制升压后的PWM脉冲电压，接入到脉冲变压器T1的初级；脉冲变压器T1的次级接倍压整流电路；倍压整流电路为并联的两路四倍压电路，包括D1-D8八个二极管和C7-C15八个电容，其中二极管D8正极接地，二极管D4的负极和二极管D5的正极作为输入端，接收经脉冲变压器T1再次升压的脉冲电压，二极管D1的正极作为负高压的输出端，最终输出高压脉冲。

3.如权利要求1所述的一种高压静电脉冲电源，其特征在于，U1为NE555。

4.如权利要求1所述的一种高压静电脉冲电源，其特征在于，U2为SG3525。

5.如权利要求1所述的一种高压静电脉冲电源，其特征在于，U3为TC4424。

6.如权利要求1所述的一种高压静电脉冲电源，其特征在于，脉冲变压器T1采用内环型铁氧体铁芯，根据实际需要确定要求变比以及变压器的初级匝数和次级匝数。