一種用于氣體放電的引弧電源

史棟毅 李宏 萬英英

摘要：引弧作為氣體放電的關(guān)鍵，必須滿足引弧難度小和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特性。在分析了幾種常用的引弧電源后，提出了一種改進(jìn)型的引弧電源，并對(duì)功率轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)控制電路及保護(hù)電路的原理和設(shè)計(jì)作了詳盡的闡述。在滿足引弧對(duì)電源的基本特性要求后，相較于傳統(tǒng)引弧電源，其具有體積小、可靠性高、成本低的特點(diǎn)。最后，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：氣體放電；引??；電源

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）08-0215-03

1引言

電弧，一般是指在較高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，在兩電極之間形成電流通道的一種空氣導(dǎo)電現(xiàn)象，而把產(chǎn)生這種導(dǎo)電現(xiàn)象的過程稱為引弧。目前，常用的引弧方式主要分為接觸式引弧和非接觸式引弧。接觸式引弧是利用兩個(gè)電極的瞬間短路完成引弧過程；非接觸式引弧是通過在兩個(gè)電極之間施加較高等級(jí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，以擊穿空氣形成帶電粒子完成引弧。由于接觸式引弧在短路接觸時(shí)受接觸點(diǎn)不平整、電極材料等因素的影響，引弧的性能和成功率較低。目前大多引弧裝置都采用非接觸引弧方式。

文獻(xiàn)3介紹的引弧電源，采用傳統(tǒng)的工頻升壓與串聯(lián)LC振蕩電路的方式，通過工頻變壓器將電壓等級(jí)升高至數(shù)千伏擊穿放電管并在電感L上獲得高壓。但采用工頻升壓變壓器使得電源體積較大。文獻(xiàn)4采用倍壓整流電路和逆變電路結(jié)合的方式，電路中選擇50A/1200V的晶閘管作為開關(guān)管，增加

增加了電源的體積和成本。文獻(xiàn)5中介紹的引弧方式，盡管引弧性能好，但電路結(jié)構(gòu)和控制方式復(fù)雜。根據(jù)上述分析，本文設(shè)計(jì)了一種體積小、引弧成功率高、價(jià)格便宜的非接觸式引弧電源，并取得較好的應(yīng)用效果。

2電路結(jié)構(gòu)與分析

2.1引弧主電路

變壓器磁芯體積的大小與電源開關(guān)頻率成反比，即電源頻率越高，磁芯體積就越小的特點(diǎn)[6]。因而在設(shè)計(jì)過程中采用開關(guān)電源中的高頻化設(shè)計(jì)方法，使得電源整體的體積較??；采用倍壓整流及LC諧振電路獲得較高等級(jí)的擊穿電壓，使得引弧難度大大降低，并提高了引弧的成功率。引弧電源的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2半橋逆變電路

3引弧控制電路分析

為了完成對(duì)引弧主電路中半橋逆變部分的控制和引弧電源的正常運(yùn)行，在該控制電路中使用了美國(guó)硅通用電氣公司生產(chǎn)的脈寬調(diào)制型控制芯片SG3525。該芯片采用雙級(jí)型工藝制作的新型模擬數(shù)字混合集成電路，其性能優(yōu)異，且所需外圍器件較少。此外，其輸出級(jí)采用推挽輸出，可產(chǎn)生兩路互補(bǔ)且?guī)в兴绤^(qū)時(shí)間的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，每路驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比0～50%可調(diào)，可以直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，工作頻率可以達(dá)到400kHz，具有過壓?jiǎn)?dòng)和軟啟動(dòng)等功能。對(duì)于該芯片的引腳功能的說明，此處不做詳盡贅述，對(duì)于涉及的管腳及功能將在下文中說明。

引弧控制電路如圖4所示。SG3525的11腳（OutputA）、14腳（Output B）可輸出兩路獨(dú)立互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)脈沖，此處將11腳及14腳分別連接到高頻脈沖變壓器T₂一次側(cè)的兩端，變壓器T₂二次側(cè)即可產(chǎn)生兩路獨(dú)立互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)脈沖，對(duì)半橋式逆變電路同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)管的通斷進(jìn)行控制。變壓器T₂的使用，使得控制單元與主電路之間有了較好的電氣隔離，進(jìn)而減少了主電路對(duì)控制電路的影響?？刂菩酒?腳（Noninv.input）為誤差放大器的同相輸入端，在開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)中，該端通常接給定信號(hào)G。

圖4中，通過電阻R₁₁和電位器P₁構(gòu)成分壓電路，并將P₁的分壓值接到控制芯片的2腳，可對(duì)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其滿足輸出要求?？刂菩酒?腳（C_T）、6腳（R_T）分別為定時(shí)電容和定時(shí)電阻的輸入端。該電路的定時(shí)電阻采用電位器P2，芯片可輸出任意頻率（0.1kHz～400kHz）的驅(qū)動(dòng)脈沖，方便調(diào)試?？刂菩酒?腳（Discharge）為振蕩器放電端，該端通常與5腳（C_T）之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)的功能。

4保護(hù)電路分析

由于SG3525內(nèi)部集成了保護(hù)電路，從而增強(qiáng)了電路的可靠運(yùn)行?？刂菩酒?0腳（Shutdown）為外部關(guān)斷信號(hào)輸入引腳，當(dāng)該端輸入電平為高電平時(shí)，芯片的輸出將被禁止，當(dāng)該端輸入電平低電平時(shí)，芯片將正常輸出驅(qū)動(dòng)波形。因此，該引腳通常外接保護(hù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的過壓、過流保護(hù)。本文所使用的保護(hù)電路如圖4所示。

在該保護(hù)電路中，OC為電流傳感器輸出的電壓檢測(cè)信號(hào)，取自引弧主電路。為了在保護(hù)電路與主電路之間有良好的電氣隔離，同時(shí)檢測(cè)電路不消耗功率。此處主要分析保護(hù)電路工作原理：當(dāng)檢測(cè)信號(hào)OC為高電平時(shí)，就是電壓比較器LM339的同相輸入端為高電平時(shí)，LM339的引腳2輸出高電平，該高電平信號(hào)送至SG3525的引腳10（Shutdown），從而使得SG3525自身啟動(dòng)過壓保護(hù)，封鎖脈沖，以保護(hù)電路。反之，SG3525將不產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作。此外，為防止SG3525自身保護(hù)不能有效開啟，增加外部關(guān)斷電路。當(dāng)LM339輸出高電平時(shí)，三極管VT將導(dǎo)通，同時(shí)用于過電壓指示的發(fā)光二極管VD17將被點(diǎn)亮。此外，繼電器KA常開觸點(diǎn)閉合，產(chǎn)生過電壓信號(hào)給外部控制單元，封鎖脈沖。

5實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

圖6（a）是占空比為0.55時(shí)，由SG3525及脈沖變壓器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖，由圖可知，該脈沖具有較好的脈沖上升沿及脈沖下降沿，保證了逆變電路中同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)管的可靠開通與關(guān)斷。需要說明的是，為得到火花放電器FL兩電極之間的電壓波形，在保證測(cè)量安全的前提下，通過較大阻值電阻的分壓得到圖6（b）。圖中的1V在FL兩電極之間的實(shí)際電壓約為2.55kV，對(duì)應(yīng)實(shí)際尖峰電壓約為4.63kV，足以擊穿2～3mm的空氣氣隙完成引弧。

本文所設(shè)計(jì)的非接觸式引弧電源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。并在清華大學(xué)放電電源中得以應(yīng)用，通過反復(fù)多次的引弧測(cè)試，該引弧電源均表現(xiàn)出較好的引弧特性，即引弧成功率高，速度快，并能夠在引弧成功后實(shí)現(xiàn)與大功率放電電源的無觸點(diǎn)分離。