陳禮俊，蘭志勇

　　（湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

       摘要：針對高壓電源在不同場合對輸電等級與輸電功率的不同需求，設(shè)計了一種輸電可調(diào)且功率等級不定的新型高壓直流電源。在電源前級引入Zeta斬波電路，用于調(diào)節(jié)前級直流電壓。電源以SG3525為控制核心，通過過流、過壓反饋回路，保證電源工作穩(wěn)定。電源后級由半橋逆變、高頻升壓、倍壓整流3部分組成，并在其中引入高頻，有效地減小設(shè)計電源的體積。該設(shè)計可實現(xiàn)輸出直流電壓8～12 kV可調(diào)。實驗結(jié)果證明，該設(shè)計電源輸電穩(wěn)定、紋波電壓小、負(fù)載能力強，滿足高壓除塵電源的要求。

　　關(guān)鍵詞：高壓電源;SG3525; Zeta斬波

0引言

　　靜電除塵是一種清除大氣粉塵的有力手段之一，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家用空氣凈化、工業(yè)油煙凈化、醫(yī)用無塵環(huán)境、工廠車間除塵等場合［1-2］。近年來隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的增強，以及國家對粉塵排放新標(biāo)準(zhǔn)的施行，客觀上對靜電除塵提出了更高的要求。作為靜電除塵裝置中關(guān)鍵部分的高壓直流電源，更是向著如何更加節(jié)能高效的方向發(fā)展，以提升靜電除塵的性能。

　　靜電除塵電源是靜電除塵系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其性能直接影響除塵器的除塵效果。本文設(shè)計了一種新型高壓除塵電源，通過調(diào)節(jié)電源前級斬波電路的占空比，可實現(xiàn)對輸出級電壓的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)高壓隔離調(diào)節(jié)。同時在處理電壓、電流過大，或者欠壓等實際問題上，電源中設(shè)計多級電壓、電流反饋保護(hù)回路。

1高壓電源整體結(jié)構(gòu)

　　電源電路可分為主電路和保護(hù)控制回路。

電源工作原理：220 V/50 Hz市電先經(jīng)全橋整流電路變?yōu)?10 V左右直流電，再通過Zeta斬波電路得到240～360 V可調(diào)的直流電壓。然后直流電壓經(jīng)半橋逆變變?yōu)楦哳l交流電，最后通過高頻變壓器以及倍壓整流電路得出所需要的直流高壓。同時電源通過電流、電壓反饋電路智能調(diào)節(jié)輸電，使電源工作穩(wěn)定。

2高壓電源設(shè)計

　　主電路主要由整流濾波電路、Zeta斬波電路、半橋逆變電路、高頻升壓電路以及倍壓整流電路組成。在設(shè)計倍壓電路時，鑒于多級倍壓電路存在紋波大、輸電不穩(wěn)等缺點，因此決定采用二倍壓電路。

　　2.1Zeta斬波電路原理

　　Zeta電路的應(yīng)用是電源能實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)的重要部分，圖2為Zeta斬波電路。圖中實線箭頭表示S開通時的回路，虛線表示的是S關(guān)斷時的回路。

　　電路中取電感L1和L2的值相等，而且電感工作在電流連續(xù)狀態(tài)［14］。當(dāng)S開通，ESL1、ESC1L2負(fù)載（C2和R）構(gòu)成回路；當(dāng)S關(guān)斷，L1VDC1、L2負(fù)載（C2和R）VD構(gòu)成回路。當(dāng)電容C1足夠大，UC1的脈動很小，可以認(rèn)為UC1≈UC1，即得到電路工作時，Zeta電路主要工作波形圖，如圖3所示。Zeta斬波電路基本工作原理：在S處于通態(tài)時，電源向電感L1儲能。此時E與C1共同經(jīng)L2向負(fù)載供電。待S關(guān)斷后，L1向C1充電，并儲存到C1，同時L2電流經(jīng)VD續(xù)流。由電感器件的伏秒平衡原理，電路工作在電感電流連續(xù)時，電感電壓在一周期內(nèi)平均值為零，即：

　　式中α為開關(guān)導(dǎo)通占

　　由式(3)可得，改變開關(guān)導(dǎo)通占空比則可以改變輸入半橋逆變的直流電壓。將占空比α控制在0.4～0.6之間，即可保證Zeta斬波電路輸出電壓在240～360 V之間。

　　2.2控制電路

　　控制電路主要有兩部分，即Zeta斬波控制電路與半橋逆變控制電路。Zeta斬波電路由UC3842芯片控制，通過調(diào)節(jié)芯片的輸出PWM占空比，即可調(diào)節(jié)斬波輸出電壓。逆變電路由SG3524芯片控制，經(jīng)過IR2110驅(qū)動半橋開關(guān)管［67］。

　　UC3842芯片控制Zeta斬波電路工作，芯片輸出PWM的頻率由外部定時器件決定，頻率公式為：

　　f=1.8/(RT×CT)kHz(4)

　　式中，RT與CT為定時電阻與電容。為保證斬波電路輸出可控，設(shè)計反饋控制回路。反饋回路通過電阻采樣，將采集的電壓信號送入由PC817與TL431所構(gòu)成的過壓反饋電路，當(dāng)電壓輸出超過所設(shè)定范圍值時，電路開始工作，UC3842內(nèi)部驅(qū)動三極管電壓降低，從而輸出PWM占空比減小，斬波電路電壓降低，最后電壓趨于穩(wěn)定。圖4為UC3842控制電路。同時為防止電壓異常，將芯片3腳及電流檢測輸入端接入反饋電路，如斬波電路持續(xù)異常升高，將封鎖驅(qū)動脈沖，UC3842芯片停止工作。

　　SG3525為半橋逆變電路的控制芯片，通過產(chǎn)生的PWM控制著電路的逆變頻率［7-8］。控制脈沖信號PWM的頻率可由下式得到：

　　式中CT為接在5腳的定時電容；RT為接在6腳的定時電阻；RD為接在5腳與7腳之間的放電電阻。取CT=2.2 nF，RT=25 kΩ，RD=300 Ω，代入上式得：振蕩輸出頻率為30 kHz，則PWM輸出頻率為15 kHz。軟啟動電容端接入4.7 μF的電容，當(dāng)電容充電使其8腳處于高電平時，SG3525才正常工作。2腳電壓固定在5.1 V。芯片1、2、9腳及外圍電路構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，其輸出與5引腳鋸齒波和軟啟動電容一起控制PWM產(chǎn)生器產(chǎn)生方波。引腳11、14輸出兩路互補的PWM，但輸出的PWM無法直接驅(qū)動半橋開關(guān)，因而必須利用驅(qū)動芯片IR2110來控制半橋逆變。圖5為SG3525控制電路。

　　過壓保護(hù)電路通過可調(diào)精密電阻采樣，將其采樣到的信號輸送到線性光耦TLP5211中。當(dāng)采樣電壓過高時，此時由TL431與TLP5211構(gòu)成的反饋電路工作，進(jìn)而使光耦輸送給SG3525芯片10腳一個高電平，芯片立即停止工作，11腳和14腳輸出的PWM立即消失，逆變電路停止工作，變壓器無輸出，達(dá)到過壓保護(hù)的目的。

3實驗結(jié)果分析

　　實驗采用UC3842芯片來控制Zeta電路的電壓輸出，采用SG3525為逆變控制器，用于直流變換高頻交流。二者在電源中相互獨立，但功能上互補，共同保證輸電穩(wěn)定。

　　圖6是電源斬波電路輸出電壓波形，由圖可知Zeta電路輸出電壓為直線，表明電路工作穩(wěn)定。

　　圖7是電源電路逆變輸出電壓波形，逆變方波電壓幅值相同，表明各電容電壓在逆變中電壓穩(wěn)定。

　　圖8為電源運行最終輸出電壓波形，電源輸出電壓高，輸電紋波小，符合高壓除塵電壓供電要求。

4結(jié)論

　　本文提出利用Zeta斬波電路對前級輸入電壓進(jìn)行升降壓調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)不同等級高壓輸出的目的。分析了電路的工作原理，給出了相關(guān)控制方法。通過實驗得出以下結(jié)論：

　　（1）前級采用Zeta電路，電源能穩(wěn)定輸出8～12 kV DC。即對低壓斬波電路的控制可實現(xiàn)對高壓輸電等級的有效控制；

　　（2）電源電路對輸入過壓、欠壓具有一定的自保護(hù)功能；

　　（3）電源中引入高頻變壓器，有效地減小了設(shè)計電源體積、重量和成本，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價值。

　　參考文獻(xiàn)

　　［1］ LOPEZ H. F, ZOLLMANN C. Photovoltaic panels grid tied by a Zeta converter［C］. Brazilian Power Electronics Conference, IEEE, 2009:181-188.

　　［2］ RATHORE A, SURAPANENI R. A single stage CCM zeta microinverter for solar photovoltaic AC module［J］. IEEE Journal of Energing and Selected Topics in Power Electronics,2015, 3(4):1.

　　［3］ VIERO R C, REIS F S D. Designing closedloop controllers using a MatlabP dynamic model of the Zeta converter in DCM［C］. Ieee/ias International Conference on Industry Applications, IEEE, 2012:1-8.

　　［4］ ANDRADE A M S S, BELTRAME R C, SCHUCH L, et al. Integrated quadraticboostZeta converter for high voltage gain applications［C］. Industry Applications (INDUSCON), 2014 11th IEEE/IAS International Conference on. IEEE, 2015:1-8.

　　［5］ 朱曉曲. 基于UC3842的多端反激式開關(guān)電源的設(shè)計與實現(xiàn)［D］. 長沙：湖南大學(xué), 2013.

　　［6］ GU Y J, WANG J J. Design of DC pulse power supply based on the single chip computer and PWM［C］.International Conference on Electrical and Control Engineering. IEEE, 2010:721-724.

　　［7］ LI J. A design of DC pulse width modulation speed regulation system［C］. International Conference on Electrical and Control Engineering, IEEE, 2011:484-487.

　　［8］ WANG L, WEI X Y, ZHANG J H. Design of sinusoidal photovoltaic inverter based on DSP［C］. Innovative Smart Grid Technologies Asia (ISGT Asia), 2012:1-4.