高压等离子体电源的制作方法

本实用新型涉及一种等离子体电源，具体涉及一种高压等离子体电源，属于等离子技术应用领域。

背景技术：

本实用新型所涉及的低温等离子体电源适用于DBD介质阻挡放电、线筒式电晕放电以及去除烟气颗粒的线筒式荷电放电。适用于工业废气处理的介质阻挡放电通道通常有平板式DBD通道，同轴圆管式DBD通道及圆管排列式DBD通道这三种结构形式，介质材料由陶瓷或石英材料制作，形状可以为片材或空心管，导电电极则为铝粉或镁粉填充物；适用于工业废气处理的线筒式电晕放电由同心的金属材料制成，其中高压电极可以为曲率半径较小的钼丝、金丝或合金丝，也可以为带有尖刺的金属棒，接地极是金属空心管。适用于工业废气处理中的线筒式荷电通道结构与线筒式电晕放电通道结构类似。高频高压电源使通道内的气体发生电离，激发出高能电子，高能电子和废气分子发生非弹性碰撞，当其能量大于废气分子的化学键能时使污染物分解，同时非弹性碰撞也产生大量正负离子、激发态离子和自由基，它们和废气分子进行反应也能够分解污染物。使用低温等离子体处理方法具有效率高，能耗低，使用范围广，操作简便等优点，因此，利用等离子体技术处理环境中有毒物质或难以降解物质，正从实验室走向市场，等离子技术将逐步发展成为一个新的高技术产业。目前，使用低温等离子体处理有毒物质或难以降解物质的技术还有待提高，等离子反应器（发生器）的选择，匹配和优化，反应机理等方面需要进一步研究。需要处理的气体种类，流量，浓度，温度等参数与电极结构，电源特性之间的关系共同决定了废气处理的效果。可见，反应器的结构，电源特性是低温等离子体技术的关键。国内已商品化生产的大功率等离子体放电电源，有的使用微秒或纳秒窄脉冲电源，其驱动电路成本偏高，性价比不利于市场化，也有使用单相IGBT驱动的半桥硬开关结构，电源的功率效率较低，故障率高，不适合大批量使用，难于满足中大功率工业废气处理需求。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本实用新型公开了一种高压等离子体电源，该技术方案适用于各种电晕放电和各种介质阻挡放电（DBD）发生器使用。该技术方案采用一种全桥软开关闭环结构，利用LC电压串联谐振电路，使流过开关管的电流变为正弦波而不是方波，调理好LC参数使开关管在正弦电流过零时导通或关断，从而大大减低功率器件IGBT模块的开关损耗。这种软开关技术适合于高压低电流型大功率开关电源，能使得开关损耗大大降低，电源效率大幅提高，同时，器件损耗小，发热量小，简化了通风设计，实现了设备的小型化，可靠性相应提高。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下，一种高压等离子体电源，其特征在于,所述等离子体电源包括三相半控整流电路、延时启动电路，滤波储能电路、全桥电路、LC串联谐振电路、倍压整流电路、功率调节电路、反馈控制电路、变频电路、IGBT全桥驱动电路、报警电路,所述三相半控整流电路通过全桥电路、LC串联谐振电路连接高压变压器，所述反馈控制电路通过变频电路连接全桥驱动电路，所述三相半控整流电路由半控整流桥BR1，电阻R1~6，电容C11,C18~20，二极管D1及接插件H18连接至辅助电源共同完成，控制电源经H18连接R3,R6,C20控制L1相；控制电源经H18连接R1,R5,C19控制L2相；控制电源经H18连接R2,R4,C18控制L3相，二极管D1经接插件H18反向连接至辅助电源起保护作用；所述延时启动电路由二极管D2,D10,D11，电阻R11~14组成，延时启动由控制电源产生，通过接插件H18连接到R11~14，再通过D2,D10,D11连接到三相交流电源，所述滤波储能电路由电容C24~31,电阻R24,R26组成，电容C24，C26并联后连接C28与C30并联,C12并接C13滤出高频干扰，电阻R24连接R26为储能电容提供能量卸放回路，电阻R24,R26为储能电容提供能量卸放回路，所述全桥电路由两个IGBT0模块Q19,Q20组成全桥电路，瞬态吸收二极管Z3~Z6和电容C16，C17,C22,C23组成IGBT模块保护电路；电阻R30,R15,R113,R20,R32,R8,R114,R17为栅极串联电阻，电阻R10,R19,R16,R22为栅极并联电阻，所述电阻为IGBT驱动电路的一部分，为减小开关时间和损耗，设计时尽量靠近IGBT模块，电阻R15,R16,R30连接瞬态吸收二极管Z4组成Q20栅极驱动G1，电阻R113,R20,R22连接瞬态吸收二极管Z6组成Q20栅极驱动G2，电阻R32,R8,R10连接瞬态吸收二极管Z3组成Q19栅极驱动G3，电阻R114,R17,R19连接瞬态吸收二极管Z5组成Q19栅极驱动G4；C16，C22连接Q20的漏源极，C17,C23连接Q19的漏源极组成IGBT模块漏源保护电路。

作为本实用新型的一种改进，所述LC串联谐振电路由L1,C1~5以及高压变压器T1漏感组成。

作为本实用新型的一种改进，所述倍压整流电路由高压电容CH1,CH2,高压硅堆DH1组成，采用倍压后，输出电压升高一倍。倍压整流电路在电晕放电的反应器中使用，介质阻挡放电（DBD）的反应器工作频率低，可以省略倍压整流电路。

作为本实用新型的一种改进，所述功率调节电路由可调电位器W4及电阻R46,R78,R79,C47组成，功率调节作为给定输入参数，作为反馈调节的参考点。

作为本实用新型的一种改进，所述反馈控制电路是指在给定的功率条件下，通过控制输出电压或输出电流实现稳定的功率输出。根据处理废气污染物的浓度及流量不同，选取不同的反馈形式。本实用新型包括电流反馈和电压反馈，U4B及电阻R40,R42,C22经R39送到功率调节电路的反相输入端，形成反馈信号。

所述电流反馈包括：电流互感器CSS1采样高压变压器输入端原边的交流工作电流，采样包括全波整流电路以及滤波、额定电阻负载，其中二极管D4,D5,D8，D9组成全波整流电路，电容C48,R50组成滤波，R54为额定负载。采样电流幅值较小，再经过R39，C35滤去杂波，再送到运放U3A及R42,R43,C34，将小电流信号放大。经过采样电路后，形成与变压器原边的工作电流变化相对应的电流信号PC。所述电压反馈包括：H10来自高压变压器辅助绕组，形成与输出电压成比例的电压信号，采样包括全波整流电路以及滤波，其中D16,D17,D20，D21组成全波整流电路，R96为额定负载，C95滤波，R84,R86，C74组成分压取样，再经U1A电压跟随，形成与变压器原边的工作电压变化相对应的电流信号PV。

作为本实用新型的一种改进，所述变频电路包括D23,U10,C51,R60,R63。

作为本实用新型的一种改进，所述IGBT全桥驱动电路由全桥驱动模块U4~U7组成。驱动电路的供电采用DCDC隔离电源模块，功率大，能提供足够高的正负栅压。驱动信号传输采用高绝缘等级的高速光耦电路，传输时间小，电隔离保证了大功率条件下，IGBT不受电路波动影响。栅极串联电阻和并联电阻的合理选择有利于减小开关时间和减小开关损耗。

作为本实用新型的一种改进，所述报警电路共5路：

1.过流报警OPC，来自CSS1的电流采样值送电压比较器U2A的反相端，可调电位器W1调节过流值并送电压比较器U2A同相端，比较结果通过二输入与门U9B输出；

2.欠压报警LV，来自H10的电压采样值送电压比较器U1B的同相端，可调电位器W6调节欠压值并送电压比较器U1B的反相端，比较结果通过二输入与门U9E输出；

3.过压报警OV，来自H10的电压采样值送电压比较器U2B的反相端，可调电位器W5调节过压值并送电压比较器U2B的同相端，比较结果通过二输入与门U9D输出；

4.过温报警OT，来自温控开关H9的开关量信号直接输出；

5.风机报警FANST，三芯电联接器H14,H15连接两台散热风机，只要某一台故障，二极管D12或D13将输出高电平告警，告警信号通过二输入与门U9C输出。

相对于现有技术，本实用新型的优点如下：

1）该技术方案解决了闭环控制，可提供电流反馈或电压反馈供选择，适应范围广。当输出端负载变化或输入电源电网波动时，通过检测电流电压瞬时变化量反馈到变频电路，从而迅速改变IGBT模块工作频率，使输出功率保持稳定；

2）该技术方案高压变压器输出端可按需要选用倍压整流技术，使输出电压提高一倍；

3）该技术方案使用LC串联谐振软开关电路，功率器件损耗小，发热量小，稳定性和可靠性得以提高；

4）保护措施完备，工作安全可靠，通过半年多的现场试用，未发生任何质量问题；

5）该技术方案成本较低，便于推广应用。

附图说明

图1为全桥软开关主电路图；

图2为反馈控制与变频控制电路图；

图3为电压电流采样及告警电路图；

图4为启动电路，风机告警及过温告警电路图；

图5为整体框图。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型。

实施例：

参见图1-图5，一种高压等离子体电源,所述等离子体电源包括三相半控整流电路、延时启动电路，滤波储能电路、全桥电路、LC串联谐振电路、倍压整流电路、功率调节电路、反馈控制电路、变频电路、IGBT全桥驱动电路、报警电路，所述三相半控整流电路通过全桥电路、LC串联谐振电路连接高压变压器，所述功率调节电路和反馈控制电路连接反馈控制电路，所述反馈控制电路通过变频电路连接全桥驱动电路。所述三相半控整流电路由半控整流桥BR1，控制由电阻R1~6，电容C11,C18~20，二极管D1及接插件H18连接至辅助电源共同完成。所述延时启动电路由二极管D2,D10,D11，电阻R11~14组成。延时启动由辅助电源产生，延时期间，三相交流电源通过R11~14对储能电容缓慢充电。其作用是避免启动瞬时电流过大，造成三相交流电力干扰。所述滤波储能电路由电容C24~31,电阻R24,R26组成，电阻R24,R26为储能电容提供能量卸放回路。所述全桥电路由两个IGBT模块Q19,Q20组成全桥电路，瞬态吸收二极管Z3~Z6和C16，C17,C22,C23组成IGBT模块保护电路。R30,R15,R113,R20,R32,R8,R114,R17为栅极串联电阻，R10,R19,R16,R22为栅极并联电阻，所述电阻为IGBT驱动电路的一部分，为减小开关时间和损耗，设计时尽量靠近IGBT模块。所述LC串联谐振电路由L1,C1~5以及高压变压器T1漏感组成。所述倍压整流电路由高压电容CH1,CH2,高压硅堆DH1组成，采用倍压后，输出电压升高一倍。倍压整流电路在电晕放电的反应器中使用，介质阻挡放电（DBD）的反应器工作频率低，可以省略。所述功率调节电路由可调电位器W4及电阻R46,R78,R79,C47组成，功率调节作为给定输入参数，作为反馈调节的参考点。所述反馈控制电路是指在给定的功率条件下，通过控制输出电压或输出电流实现稳定的功率输出。根据处理废气污染物的浓度及流量不同，选取不同的反馈形式。本实用新型包括电流反馈和电压反馈，U4B及电阻R40,R42,C22经R39送到功率调节电路的反相输入端，形成反馈信号。所述电流反馈包括：电流互感器CSS1采样高压变压器输入端原边的交流工作电流，采样包括全波整流电路以及滤波、额定电阻负载，其中二极管D4,D5,D8，D9组成全波整流电路，电容C48,R50组成滤波，R54为额定负载。采样电流幅值较小，再经过R39，C35滤去杂波，再送到运放U3A及R42,R43,C34，将小电流信号放大。经过采样电路后，形成与变压器原边的工作电流变化相对应的电流信号PC。所述电压反馈包括：H10来自高压变压器辅助绕组，形成与输出电压成比例的电压信号，采样包括全波整流电路以及滤波，其中D16,D17,D20，D21组成全波整流电路，R96为额定负载，C95滤波，R84,R86，C74组成分压取样，再经U1A电压跟随，形成与变压器原边的工作电压变化相对应的电流信号PV；所述变频电路包括D23,U10,C51,R60,R63；所述IGBT全桥驱动电路由全桥驱动模块U4~U7组成。驱动电路的供电采用DCDC隔离电源模块，功率大，能提供足够高的正负栅压。驱动信号传输采用高绝缘等级的高速光耦电路，传输时间小，电隔离保证了大功率条件下，IGBT不受电路波动影响。栅极串联电阻和并联电阻的合理选择有利于减小开关时间和减小开关损耗。所述报警电路共5路：过流报警OPC，来自CSS1的电流采样值送电压比较器U2A的反相端，可调电位器W1调节过流值并送电压比较器U2A同相端，比较结果通过U9B输出；欠压报警LV，来自H10的电压采样值送电压比较器U1B的同相端，可调电位器W6调节欠压值并送电压比较器U1B的反相端，比较结果通过U9E输出；过压报警OV，来自H10的电压采样值送电压比较器U2B的反相端，可调电位器W5调节过压值并送电压比较器U2B的同相端，比较结果通过U9D输出；过温报警OT，来自温控开关H9的开关量信号直接输出；风机报警FANST，三芯电联接器H14,H15连接两台散热风机，只要某一台故障，二极管D12或D13将输出高电平告警，告警信号通过U9C输出。

工作原理：图1所示电路采用三相交流380V输入，经过三相半控整流，输出直流500V电压送到全桥软开关电路。通过延时启动电路控制半控整流桥的导通时间，减小开机瞬时的冲击电流。高压变压器的输出端采用倍压整流技术，使输出电压提高一倍。图2所示电路中，Q23，Q24，R44,R45,R49，C45是一个标准镜像电流源电路。根据电流镜像对称的原理，镜像电流源的输出电流与输入电流完全相等，输出负载变化不会影响输出电流，所以又称镜像电流源为恒流源，流经R49的输入电流与流经D3的输出电流完全相等，而电流镜的输入电流是有运放U3B输出端电压来控制的，因此，采样电流PC（电压PV）信号经过与功率调节的信号进行差值运算，并动态放大，形成反馈控制信号，该信号送到镜像电流源的输入端，反馈信号的大小直接改变镜像恒流源的输入电流，从而镜像电流源的输出电流也随之变化。

以下以电流反馈为例，详述闭环控制原理。

U10为通用PWM控制器SG3525A，组成控制和反馈系统简单可靠。

电路工作中，当由于某种原因使高压变压器原边的交流工作电流减小时，采样电流PC也减小，差值运算后，运放电路U3B输出电压增大，镜像电流减小，恒流源输出电流变化直接改变PWM控制器CT端的充电时间常数，使三角波的斜率减小，PWM控制器U10内部振荡器的工作频率也减小。U10控制输出端OUTA和OUTB的工作频率随之减小。OUTA和OUTB送到IGBT全桥驱动电路U4~U7，全桥驱动电路输出四路控制信号G1~G4，控制全桥电路中IGBT功率模块Q19，Q20导通时间将变大，高压变压器工作频率相应减小，输出功率相应增大，原边的交流工作电流又随之增大。

同理，当高压变压器输入端原边的交流工作电流增大时，采样电流PC也增大，功率调节电路U3B输出电压减小，镜像电流增大，变化直接改变CT的充电时间常数，使三角波的斜率增大，内部振荡器的工作频率增大。控制输出端OUTA和OUTB的频率随之增大。OUTA和OUTB送到图2所示的全桥驱动电路U4~U7，控制全桥电路中IGBT功率模块Q19，Q20导通时间减小。高压变压器工作频率相应增大，输出功率相应减小，原边的交流工作电流又随之减小。

因此，PWM控制器U10输出端OUTA和OUTB的频率变化与功率调节电位器W4变化以及变压器初级电流变化相关。电位器W4为功率调节手动给定值，变压器初级电流（采样值PC）为反馈值，二者进行差值运算。只要变压器初级电流发生变化，采样值PC紧随变化，经过反馈后，PWM控制器内部振荡器的工作频率发生变化，全桥电路的工作频率随之做相应的变化，实现电流反馈闭环控制。

本实用新型具有完备的故障告警电路，对异常信号设置完善的保护措施，使放电设备安全可靠运行。如过压欠压，过流，过温，散热风机损坏等，均可通过相关告警电路，经过D22,D25,D26,D28,D31送出高电平，触发三极管Q14导通，导致高电平经过Q14发射极，触发Q14导通，继电器J1B得电工作，告警信号（开关量）由H16输出。

同时，Q14导通，导致D18导通，ST输出高电平，经R69,R66，57组成的关断电路，送到PWM控制器U10的FLT端（引脚10），实现保护性停止，保证电路安全工作。

需要说明的是，上述实施例仅仅是本实用新型的较佳实施例，并没有用来限定本实用新型的保护范围，在上述技术方案的基础上作出的等同替换或者替代，均属于本实用新型的保护范围。