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      基于CA1524的高壓放電技術(shù)研究

      2013-10-19 05:01:16楊小光
      科技視界 2013年11期
      關(guān)鍵詞:管腳脈沖變壓器

      楊小光

      (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所,安徽 蚌埠 233006)

      0 引言[1]

      在一般情況下,空氣是不導(dǎo)電的,但是如果創(chuàng)造條件,比如在曲率半徑很小的電極兩端加上高電壓時(shí)兩極間加上強(qiáng)的電場(chǎng),電極表面附近的電場(chǎng)(局部電場(chǎng))很強(qiáng),則電極附近的氣體介質(zhì)會(huì)被局部擊穿而產(chǎn)生高壓放電現(xiàn)象,當(dāng)放電的功率達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí),將會(huì)產(chǎn)生人眼所見(jiàn)的電弧現(xiàn)象,如下圖所示。高壓放電廣泛用于建筑、工業(yè)和醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。

      圖1 高壓放電電弧圖

      1 高壓放電產(chǎn)生原理[2]

      由于空氣中的氣體粒子(包括分子和原子)接受一定能量后,中性的分子或原子周?chē)\(yùn)動(dòng)者電子活動(dòng)能力增加,當(dāng)達(dá)到一定能量時(shí),電子可能脫離原來(lái)的軌道,從低的能級(jí)躍升到高的能級(jí),這一現(xiàn)象成為激勵(lì)。假如外界給原子的能力更大,使電子完全脫離原子核的引力范圍而跑掉,這時(shí)由于原子失去外層的一個(gè)(或幾個(gè))電子而變成正離子,使其帶有正電性,而脫離原子的電子,具有負(fù)電性。這種把中性粒子解離成帶正電性粒子和負(fù)電性粒子的過(guò)程稱(chēng)為電離。中性粒子被電離后形成的正粒子和電子,在電場(chǎng)作用下,分別向陰極和陽(yáng)極移動(dòng),帶電粒子的定向移動(dòng),在宏觀上形成了電流,高壓放電產(chǎn)生。

      圖2 CA1524 及主要外圍電路圖

      2 電路設(shè)計(jì)方案

      2.1 脈沖產(chǎn)生電路

      該電路原理是利用脈寬調(diào)制器CA1524[3]及其外圍電路產(chǎn)生一定頻率和占空比的脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路,通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換成高壓,再加上多級(jí)倍壓電路,使得加在放電電極兩端的電壓達(dá)4800V,從而將空氣擊穿放電。

      圖中,脈沖產(chǎn)生電路由芯片CA1524 及其外圍電路組成,其可輸出占空比和頻率均可調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào)。該電路的作用是將在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)頻率固定、占空比跟隨輸入信號(hào)連續(xù)變化的PWM 信號(hào)。

      芯片CA1524 內(nèi)部電路主要由高頻振蕩器、PWM 比較器、基準(zhǔn)電壓源、誤差電壓放大器、驅(qū)動(dòng)電路和封鎖電路等組成??刂菩酒瑑?nèi)部有2 個(gè)電壓比較器,管腳1、2 和15、16 是電壓比較器正負(fù)輸入端子,管腳3 是電壓比較器統(tǒng)一輸出端。同時(shí)誤差放大器的輸出也可開(kāi)放給用戶(hù),用戶(hù)可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成PI 控制器。管腳5、6 可接振蕩電容和電阻,振蕩器的振動(dòng)頻率由外接電阻和電容決定,根據(jù)電路頻率而調(diào)節(jié)容值和阻值。管腳8 為觸發(fā)脈沖輸出口,采用電流圖騰輸出,使得芯片可以直接驅(qū)動(dòng)功率不大的開(kāi)關(guān)管。T 觸發(fā)器的作用是將輸出進(jìn)行分頻,得到占空比為50%的頻率為振蕩器頻率的1/2 的方波,將T 觸發(fā)器輸出的這樣兩路互補(bǔ)的方波同比較器輸出PWM 信號(hào)進(jìn)行“或非”運(yùn)算,就可以得到兩路互補(bǔ)的占空比為0~50%的PWM 信號(hào),考慮死區(qū)時(shí)間的存在,最大占空比通常為45%~47.5%。管腳13 為封鎖控制,管腳14 為參考電壓,管腳12 為工作電壓,管腳4 為死區(qū)控制端,一旦高電平輸入,芯片輸出脈沖被封鎖,直流電壓輸出為零。PWM 控制器的反饋通道由電壓誤差放大器EA、PWM比較器和鎖存器及驅(qū)動(dòng)電路組成。管腳1 作為直流輸出電壓的反饋信號(hào),管腳2與芯片輸出的參考電壓相連,作為誤差放大器的參考輸入,管腳3 輸入主電路的電壓反饋。受時(shí)鐘脈沖觸發(fā),功率管開(kāi)通,電感(功率管)電流上升到由EA 輸出決定的門(mén)限值時(shí),PWM 比較器翻轉(zhuǎn),鎖存器復(fù)位,驅(qū)動(dòng)脈沖關(guān)斷功率管,電感電流下降,直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái),鎖存器置位,開(kāi)關(guān)管重新開(kāi)通。輸入電壓變化時(shí),電感電流的上升斜率變化,輸出占空比改變以抑制輸入電壓的變化,這是一個(gè)前饋調(diào)節(jié)過(guò)程,響應(yīng)極快;負(fù)載擾動(dòng)則是通過(guò)EA 改變電流門(mén)限值進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

      其振蕩器頻率由C14 和R29 共同決定。公式如下:

      式中,RT 為R29,CT 即為C14 的容值,電路輸入頻率可以根據(jù)需要通過(guò)調(diào)節(jié)R29 和C14 的參數(shù)得到理想頻率。本設(shè)計(jì)中該芯片的輸入頻率一般設(shè)為250-300K。其波形圖如下所示。

      圖3 CA1524 內(nèi)部振蕩器波形圖

      上文提到,經(jīng)過(guò)電路內(nèi)部分頻,可得到兩路互補(bǔ)的占空比為0~50%的脈沖信號(hào)。因?yàn)楦邏悍烹姇r(shí),電路通過(guò)電流較大,如果作為后面場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖信號(hào)不好,上升或下降沿時(shí)間較長(zhǎng),就會(huì)在功率管上消耗大量的能量,導(dǎo)致整機(jī)功耗增大。下面是該脈沖電路產(chǎn)生的波形圖。

      圖4 PWM 電路輸出脈沖波形

      驅(qū)動(dòng)電路是控制電路與主電路的接口,同開(kāi)關(guān)電源的可靠性、效率等性能密切相關(guān)。驅(qū)動(dòng)電路需要有很高的快速性,能提供一定的驅(qū)動(dòng)功率,并具有較高的抗干擾和隔離噪聲能力。驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加在開(kāi)關(guān)器件的柵極一源極(MOSFET)間,在全橋電路中,不同開(kāi)關(guān)器件的源極間的電位差很大,而且在高速變化。

      2.2 倍壓整流電路

      由于產(chǎn)生高壓放電現(xiàn)象需要較高電壓,部分設(shè)計(jì)采用了增加變壓器的匝數(shù)來(lái)提高副邊電壓,但是該設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致變壓器的體積太大以及寄生電容增大。故本方案采用一定匝比的變壓器加多級(jí)倍壓電路的方法來(lái)提高輸出電壓。本設(shè)計(jì)電路采用了4 級(jí)倍壓整流電路。如下圖所示。

      運(yùn)用濾波電容的存儲(chǔ)作用,由多個(gè)電容和二極管可以獲得幾倍于變壓器副邊電壓的輸出電壓,稱(chēng)為倍壓整流電路。我們通常稱(chēng)2 倍為一階,用N 表示,我們所用的就是2 階倍壓整流電路。當(dāng)變壓器次極輸出為上正下負(fù)時(shí),變壓器向上臂兩個(gè)電容充電儲(chǔ)能;當(dāng)變壓器次極輸出為上負(fù)下正時(shí),上臂電容通過(guò)變壓器向下臂兩個(gè)電容充電儲(chǔ)能。C9 兩端的電壓為次極電壓,C10,C11,C12 兩端的電壓均為變壓器次極電壓的2 倍。經(jīng)過(guò)倍壓整流之后,電極兩端的電壓為4800V 左右。事實(shí)上,由于高階倍壓整流電路帶負(fù)載能力差,輸出很小的功率就會(huì)導(dǎo)致出電壓的大幅度跌落。跌落電壓公式如下。

      經(jīng)過(guò)計(jì)算,本設(shè)計(jì)中高壓放電倍壓電路最終跌落電壓為2000V左右。

      由上式可以看到,高壓放電之后電壓跌落2000V 左右,仍足以維持放電,而在起弧之前如果電壓低于4800V時(shí)卻無(wú)法將空氣擊穿。由此說(shuō)明在開(kāi)始放電瞬間需要很高的電壓電極之間的空氣電離放電,產(chǎn)生放電之后,要維持放電的電壓并不需要很高。

      2.3 取樣反饋電路

      一般的高壓放電電路為一個(gè)開(kāi)路,沒(méi)有反饋及補(bǔ)償功能。這樣導(dǎo)致放電電流極不穩(wěn)定,隨供電電壓和環(huán)境等因素變化較大。

      為了解決這個(gè)問(wèn)題,本設(shè)計(jì)電路在放電終端加上反饋電路,使整個(gè)放電電路形成一個(gè)閉環(huán),這樣放電電流具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。當(dāng)放電電流變化導(dǎo)致取樣電壓變化時(shí),經(jīng)過(guò)反饋電路處理,通過(guò)改變輸出脈沖的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電流,使放電電流達(dá)到初始設(shè)定值。

      3 結(jié)束語(yǔ)

      本文較詳細(xì)分析了高壓放電的基本原理。采用芯片CA1524 產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào),并采用升壓變壓器加多級(jí)倍壓電路的方法來(lái)提高輸出電壓擊穿空氣放出電弧,并增加了反饋電路。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,本設(shè)計(jì)電路輸出的高壓放電電流穩(wěn)定,可用于對(duì)電弧溫度穩(wěn)定性要求較高的各種場(chǎng)合。

      [1]黃石生.新型弧焊電源及其智能控制[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

      [2]周澤存.高電壓技術(shù)[M].水利電力出版社.

      [3]http://www.intersil.com CA1524.pdf[OL].

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