CN210609091U - 基于spwm的高压发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于SPWM的高压发生器，包括：单片机电路，用于输出16KHz的SPWM脉冲方波；功率放大电路，用于将所述SPWM脉冲方波进行放大，输出脉冲电压；变压器，接收所述脉冲电压，并进行等比例放大后，输出SPWM脉冲高压；低通滤波电路，用于对所述变压器输出的SPWM脉冲高压进行滤波，输出正弦波高压。本实用新型有效解决了上述现有高压发生器的不足，其调制输出的SPWM脉冲方波的失真度较低，可在50Hz左右的低频工作频率下工作，且能提供5KV左右的电压值，同时还降低了发生器的体积。

Description

基于SPWM的高压发生器

技术领域

本实用新型涉及发生器技术领域，特别涉及一种基于SPWM的高压发生器。

背景技术

最开始流行起来的高压发生装置是Marx电路，该电路是德国科学家Marx在1925年实用新型的。Marx电路产生脉冲的原理是：把很多级的电容和电阻串联起来，整体再接入电源，通过电源的重复开和断，使得每一级的电容和电阻两端的电压倍增，经过多级的放大，使得最后的输出电压达到所需要的强度。但是这种高电压的波形是类似于三角波的波形，不是理想型的脉冲波，最重要的是体积很大。

到了1990年，D.A.Phelps改进了传统的逐级串联的方式，将电阻电容连接成了网络状，即脉冲网络。这种新型的连接方式，大大减小了发生器的体积，而且获得电压强度达到了600kv。但是需要注意每级充放电需要保持一致，而且测量出来的波形不是完美的脉冲方波，所以这种方式并没有广泛利用在某些特定领域中，例如食物保鲜领域。

加拿大科学家Keikez在此基础改变了电容电阻的材质，以此想得到更好的波形，但实际上收效甚微。

与此同时，中国工程物理研究院也对Marx电路进行了改进，分别研究了低阻抗、紧凑型和全固态等条件下的输出情况，最终决定正负两端同时采用横流充电的方式，才得到比较理想的脉冲波。

进入21世纪后，半导体技术发展越来越成熟，半导体器件的种类和性能也变得越来越丰富。科研人员发现了一种半导体材料——金属氧化物压敏电阻(MOV)，它可以代替Marx电路中电容电阻组成的网络，利用自身的稳压特性，可以产生高压脉冲。2009年，M.C.Clark就证明这一结论。

此外，2011年，R.J.Adler在原有高压发生装置的基础上加入了脉冲变压器，他的目的是为了获得更好的脉冲波形，然而，得到的下降沿始终不是很好。后来，国内的一些研究人员在电路中加入了磁开关(MS)，有效的解决了下降沿的问题。

随着科研人员的不断努力，Trivedi使用IGBT模块产生高压脉冲，但是频率极高。纵观高压脉冲发生器的发展史，直接采用半导体器件产生高压脉冲，这种方式会出现几个不足之处：

第一，因为各个半导体器件本身的参数做不到完全一致，产生的脉冲方波达不到理想效果，失真度高。

第二，直接采用半导体材料升压的方式，所以就导致半导体器件两端的电压极高，需要的半导体材料性能就需要很好，长时间使用发生器后效果就会越来越差。

第三，产生的脉冲波的工作频率都是高频，低频状态下的发生器很少。

第四，采用多级串联的RC电路升压的方式，使得发生器的体积很大，最小的也有41cm，而且需要采用耐压值高的元器件，发生器工作极易不稳定。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种基于SPWM(Sinusoidal PWM，正弦脉冲宽度调制)的高压发生器，有效解决了上述现有高压发生器的不足，其调制输出的SPWM脉冲方波的失真度较低，可在50Hz左右的低频工作频率下工作，且能提供5KV左右的电压值，同时还降低了发生器的体积。

本实用新型采用的技术方案为，一种基于SPWM的高压发生器，包括：

单片机电路，用于输出16KHz的SPWM脉冲方波；

功率放大电路，用于将所述SPWM脉冲方波进行放大，输出脉冲电压；

变压器，接收所述脉冲电压，并进行等比例放大后，输出SPWM脉冲高压；

低通滤波电路，用于对所述变压器输出的SPWM脉冲高压进行滤波，输出正弦波高压。

由上，通过对单片机电路进行编程控制，使其输出16KHz的SPWM脉冲方波，该SPWM脉冲方波经过功率放大电路的放大后，输出可驱动变压器工作的脉冲电压，变压器对该脉冲电压进行等比例放大后，输出SPWM脉冲高压，通过低通滤波电路对SPWM脉冲高压进行滤波，即可输出低频率的正弦波高压。

优选的，所述单片机电路包括IAP15W型号的单片机芯片，通过编程控制输出16KHz的SPWM脉冲方波。

由上，IAP15W系列的单片机芯片具有产生的电压高；程序运行速度快；输出的波形失真度低；功率消耗也比一般的单片机低；内部自带的时钟误差相对小；在长时间工作情况下，温度漂移不超过1％等优点，通过采用该单片机芯片，可进行编程输出16KHz的SPWM脉冲方波，且输出的脉冲方波相对于传统的硬件波形更加稳定，失真率较低。

优选的，所述功率放大电路包括：

TDA2030A型号的功率放大器。

由上，通过采用TDA2030A型号的功率放大器构成功率放大电路，对单片机电路输出的SPWM脉冲方波进行放大，该芯片相对于传统的推挽式放大电路或组合放大电路，能产生更大的输出电压，以满足变压器升高压时对基准电压的需求。

优选的，所述变压器包括高压包，采用100:5000的线圈匝数比。

由上，选用高压包进行升压，并通过调整线圈匝数比为100:5000，使其获得的变化更大，输出的电压值更高。

优选的，还包括电源模块，分别为所述单片机电路和功率放大电路提供工作电压。

由上，电源模块可将220V电压进行转换，分别为单片机电路和功率放大电路提供其工作所需的电压。

附图说明

图1为本实用新型基于SPWM的高压发生器的模块示意图；

图2为本实用新型基于SPWM的高压发生器的电路示意图

图3为本实用新型功率放大电路的电路示意图；

图4为本实用新型低通滤波电路的电路示意图；

图5为本实用新型电源模块中HV2405芯片降压电路的电路示意图；

图6为本实用新型电源模块中HT7660芯片产生负电源电路的电路示意图；

图7为本实用新型电源模块中24V降12V电路的电路示意图；

图8为本实用新型电源模块中24V降5V电路的电路示意图；

图9为本实用新型串行通信接口的电路示意图；

图10为本实用新型USB通信接口的电路示意图。

具体实施方式

下面参照如图1-图10对本实用新型所述的基于SPWM的高压发生器的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示为本实用新型基于SPWM的高压发生器的模块示意图，该高压发生器包括依次连接的IAP15W芯片100、功率放大电路200、变压器300和低通滤波电路400；还包括电源模块500，其分别为IAP15W芯片100和功率放大电路200提高工作电压。

如图2所示为本实用新型基于SPWM的高压发生器的电路示意图，结合该图对本实施例各构成部分进行详细描述，具体的：

所述IAP15W芯片100具体选用IAP15W4K58S4型号的单片机芯片，该单片机芯片的功能较为齐全，其内部还集成了中央处理器CPU、程序处理器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、掉电唤醒专用定时器、I/O口、高速A/D转换、比较器、看门狗、四个UART高速异步串口通信口；

通过异步串口通信口和计算机通信连接，首先利用MATLAB软件设置正弦波的均值、正弦波的幅值、采样点数以及调制度等参数，计算出正弦波的采样点数。然后将计算出的采样点数预制到单片机的寄存器中，在KEIL软件中设置该单片机芯片工作的方式、主时钟频率、计数周期以及中断设置等参数。通过设置该单片机芯片分频方式，工作公式计算，使得该单片机芯片输出经过SPWM调制后的16KHz的SPWM脉冲方波(实际等效为50Hz的正弦波)。

所述功率放大电路200接收所述单片机芯片输出的16KHz的SPWM脉冲方波，并进行放大，输出脉冲电压驱动变压器300。如图3所示，该功率放大电路200采用TDA2030A型号的功率放大器构建，其工作原理为：

单片机芯片输出的16KHz脉冲方波经过电容C16后，滤掉信号中的直流干扰信号，进入TDA2030A功率放大器的同相输入端，经过该功率放大器的放大后，由输出端输出脉冲电压至变压器，驱动变压器工作；

值得说明的是，输出端连接的电阻R16需要选择功率较大的电阻，当该功率放大电路不连接变压器工作时，其输出端输出的电流，即流过电阻R16的电流会很大，因此需要大功率电阻防止其被大电流损坏；

该功率放大电路200相对于传统的推挽式放大电路或组合放大电路具有以下优点：

(1)输出的电流和输出的功率较大，适合当变压器的初级输入。

(2)输出具有较低的谐波和交叉失真，这能够保证有较好的SPWM波，保证工作时波形不会失真影响效果。

(3)内含各种保护电路，工作安全可靠，主要的保护电路有：热保护电路、地线偶然开路、电源极性反接以及负载泄放电压反冲击等。其中热保护电路能够承受输出的过载或者因为环境温度过高时起到保护作用。

(4)TDA2030A功率放大器能在正负6V到正负22V之间工作，输出的有效功率误差小于等于0.1％，最适合做放大电路。

(5)具有输出对地保护功能，当外接变压器短路时，能够保护电路不会损坏。

(6)外接电路元器件少。

(7)采用超小型封装，组装密度高。

(8)开机冲击极小，不会烧坏电路。

所述变压器300在进行设计时，通过计算得到功率放大电路200放大输出的最大电压不超过20V，考虑到匹配阻抗的问题，设计变压器300采用的线圈匝数比为100:5000，同时采用高压包(行输出变压器)升压的方式，使其具有比普通变压器更好的放大能力；

除上述线圈匝数比之外，本实施例在设计高压包时，还采用了50:4000或50:5000的线圈匝数比进行对比实验，实验结果证明高压包采用100:5000的线圈匝数比时，输出的电压值更高，且更稳定。

所述低通滤波电路400采用RC电路，如图4所示，采用的电阻R的阻值为30KΩ，电容C的电容量为0.1μF，当高频的16KHzSPWM脉冲高压进入该低通滤波电路后，经过滤波转换，可得到50Hz的正弦波，说明16KHz的SPWM脉冲方波的脉冲宽度是按50Hz的正弦波变化，并且16KHz的SPWM脉冲方波效果等效于50Hz正弦波。

所述电源模块500通过选用HV2405芯片和HT7660芯片构建电源转换电路，分别为功率放大电路200提供正负12V的工作电压，还通过USB通讯电路或串口通讯电路为IAP15W芯片100提供5V工作电压，其中，

如图5所示，HV2405芯片是一种单芯片离线电源，在不需要变压器的情况下，可以将各种交流电变成可调节的直流电，输出的电压可以在5V-24V直流电压。相比较其他AC-DC来说，可以使用任意一种外部电路产生各种电压，特别灵活，该芯片可以监控电路中的dv/dt(电压上升速率)，如果接入的电压突然增大，芯片会自动切断与外界的电路，能够确保芯片工作在安全范围内。该HV2405芯片降压电路的工作原理为：当交流电压从芯片的1脚和8脚输入时，经过电阻R50使得电压幅值降低，再通过对电容C51的充电，控制电压达到想要的值(24V)，经过芯片内部的预整流单元进入保持模式，一直循环下去；

如图6所示，HT7660芯片是一款CMOS开关电容电压转换器，HT7660芯片用于设计电压从正到负的电压转换，用于放大电路负电源。需要的外部元器件很少，只要两个电解电容。HT7660芯片内部包括电压调节器、RC振荡器和四个输出功率MOS开关。输出电压最大能够达到输入的两倍，转换效率达到99.9％。该HT7660芯片产生负电源电路的工作原理为：当电源从8脚输入时，经过内部的一组MOS开关，电容C41充电，使得两端电压达到VDD。同时，另外一组MOS开关打开，使得电容C42充电，从而使得输出等于VDD，但是由于电容反向接入，使得实际得到的输出是负电压；

通过上述HV2405芯片、HT7660芯片组成的电源转换电路即可将220V交流电压转换为正负24V的直流电压，再结合图7所示的24V降12V电路以及图8所示的24V降5V电路即可为功率放大电路提供正负12V的工作电压，以及为单片机芯片提供5V工作电压。

其中，图7、图8所示电路的结构相同，均通过使用XL4015芯片组成一个降压电源模块。该XL4015芯片能够将8V至36V的任意输入电源，转换成1.5V至32V的输出电源，刚好满足该电源模块所需要的电源输出范围。并且该XL4015芯片有良好的导热能力和短路保护能力，能够很好地解决发生器长时间工作的安全问题。图7与

图8所示电路中不同的是，通过调整电阻R1和R2的阻值即可改变其输出的电压。

图9所示为串口通信接口的电路示意图，该串口通信接口采用RS232接口标准，其内部采用SP3232芯片作为电平逻辑转换芯片。

如图10所示为USB通信接口的电路示意图，既可实现IAP15W芯片100与外部计算机的通信，还可实现为单片机芯片供电。该电路的工作原理为：当单片机芯片通过USB线缆接入到电脑中时，电路中电流流过三极管SB1204，再流过LED9，当计算机给定一个下载指令时，等待单片机回应，此时需要按下S3开关，这时电流通过开关流到地，LED9灯灭，下载开始。下载的数据通过USB接口的2和3脚先传输到CH340G芯片的5和6脚，再通过CH340G芯片的2和3脚传输给单片机芯片，完成通信。

本实施例选用SB1204三极管是因为它的集电极对发射极饱和电压低、高电流和高频率，高功率器件线性度好，快速切换时间短。

综上，本实用新型有效解决了现有高压发生器的不足，其调制输出的SPWM脉冲方波的失真度较低，可在50Hz左右的低频工作频率下工作，且最大能提供5KV左右的电压值，同时还降低了发生器的体积，可广泛利用在某些对高压发生器体积或输出至有特定需求的领域中。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于SPWM的高压发生器，其特征在于，包括：

单片机电路，用于输出16KHz的SPWM脉冲方波；

功率放大电路，用于将所述SPWM脉冲方波进行放大，输出脉冲电压；

变压器，接收所述脉冲电压，并进行等比例放大后，输出SPWM脉冲高压；

低通滤波电路，用于对所述变压器输出的SPWM脉冲高压进行滤波，输出正弦波高压。

2.根据权利要求1所述的高压发生器，其特征在于，所述单片机电路包括IAP15W型号的单片机芯片，通过编程控制输出16KHz的SPWM脉冲方波。

3.根据权利要求2所述的高压发生器，其特征在于，所述功率放大电路包括：

TDA2030A型号的功率放大器。

4.根据权利要求3所述的高压发生器，其特征在于，所述变压器包括高压包，采用100:5000的线圈匝数比。

5.根据权利要求1所述的高压发生器，其特征在于，还包括电源模块，分别为所述单片机电路和功率放大电路提供工作电压。

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