CN103475242A - 等离子体高频高压电源 - Google Patents

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沙亮
曹佳平
张彦
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Abstract

本发明公开一种闪络数低、电源效率高的等离子体高频高压电源，包括依次串联的EMC管理单元、整流滤波/慢启动单元、BUCK变换单元、全桥高频变换单元、高频高压变压器和高压整流滤波单元，还包括辅助电源、DSP控制及参数显示单元、电流/电压传感单元和IGBT驱动单元，来自三相交流电网的380V交流电源经EMC管理单元滤除来自电网的高频干扰信号和本电源工作时所产生的高次谐波，又经整流滤波/慢启动单元形成脉动直流电源，再经BUCK变换单元实现同步续流，再经全桥高频变换单元实现定频谐振式零压零流全桥变换器，再经高频高压变压器升压，最后经高压整流滤波单元整流滤波后产生高压输出。本发明的等离子体高频高压电源可适用于等离子体发生器。

Description

等离子体高频高压电源
技术领域
本发明属于电源技术领域，特别是一种高效率的等离子体高频高压电源。
背景技术
等离子体高压电源是等离子体发生器的重要组成部分，等离子体高压电源的性能在很大程度上影响着等离子体发生器的性能。
现有等离子体高压电源为采用可控硅控制的工频高压电源，其输出性能不好，在实际应用中主要体现在高压电源闪络数高，电源效率低下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子体高频高压电源，其闪络数低，电源效率高。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种等离子体高频高压电源，其包括EMC管理单元、整流滤波/慢启动单元、BUCK变换单元、全桥高频变换单元、高频高压变压器和高压整流滤波单元，所述EMC管理单元的输入端作为所述等离子体高频高压电源的三相交流电源输入端，EMC管理单元的第一输出端与整流滤波/慢启动单元的第一输入端相连，BUCK变换单元的第一输入端与整流滤波/慢启动单元的输出端相连，BUCK变换单元的输出端与全桥高频变换单元的第一输入端相连，高频高压变压器的输入端接全桥高频变换单元的输出端，高频高压变压器的输出端接高压整流滤波单元的输入端，所述高压整流滤波单元的第一输出端作为所述等离子体高频高压电源的高压输出端；
还包括辅助电源、DSP控制及参数显示单元、电流/电压传感单元和IGBT驱动单元，所述辅助电源的输入端接EMC管理单元的第二输出端，所述辅助电源的输出端接DSP控制及参数显示单元的第一输入端，所述DSP控制及参数显示单元的第二输入端接电流/电压传感单元的输出端，所述电流/电压传感单元的输入端与所述高压整流滤波单元的第二输出端相连；所述DSP控制及参数显示单元的第一输出端与整流滤波/慢启动单元的第二输入端相连，所述DSP控制及参数显示单元的第二输出端与IGBT驱动单元的输入端相连，所述IGBT驱动单元的第一输出端接BUCK变换单元的第二输入端，所述IGBT驱动单元的第二输出端接高频变换单元的第二输入端；
来自三相交流电网的380V交流电源经EMC管理单元，滤除来自电网的高频干扰信号和本电源工作时所产生的高次谐波，又经整流滤波/慢启动单元形成脉动直流电源，再经BUCK变换单元实现同步续流，再经全桥高频变换单元实现定频谐振式零压零流全桥变换器，再经高频高压变压器升压，最后经高压整流滤波单元整流滤波后输出；
DSP控制及参数显示单元由辅助电源供电，根据电流/电压传感单元的信号，通过IGBT驱动单元对BUCK变换单元和全桥高频变换单元进行时序控制，DSP控制及参数显示单元还对整流滤波单元进行启动控制。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
1、电源效率高：由于采用定频谐振式零压零流全桥变换器和同步整流技术，减少了开关损耗，闪络数低，有效提高了变换器效率；
2、电源可靠性好：引入DSP作为核心控制芯片，简化电源管理，提高了高压电源可靠性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明等离子体高频高压电源的结构框图。
图2为图1中EMC管理单元的电路图。
图3为图1中整流滤波/慢启动单元的电路图。
图4为图1中BUCK变换单元和全桥高频变换单元的电路图；
图5为图1中高频高压变压器、整流滤波单元和电压/电流传感单元的电路图。
图中：1EMC管理单元，2整流滤波/慢启动单元，3BUCK变换单元，4全桥高频变换单元，5高频高压变压器，6高压整流滤波单元，7电流/电压传感单元，8DSP控制及参数显示单元，9IGBT驱动单元，10辅助电源。
具体实施方式
如图1所示，本发明等离子体高频高压电源，包括依次串联的EMC管理单元1、整流滤波/慢启动单元2、BUCK变换单元3、全桥高频变换单元4、高频高压变压器5和高压整流滤波单元6，所述EMC管理单元1的输入端作为所述等离子体高频高压电源的三相交流电源输入端，所述高压整流滤波单元6的输出端作为所述等离子体高频高压电源的高压输出端；
EMC管理单元1的第一输出端与整流滤波/慢启动单元2的第一输入端相连，BUCK变换单元3的第一输入端与整流滤波/慢启动单元2的输出端相连，BUCK变换单元3的输出端与全桥高频变换单元4的第一输入端相连，高频高压变压器5的输入端接全桥高频变换单元4的输出端，高频高压变压器5的输出端接高压整流滤波单元6的输入端；
本发明等离子体高频高压电源还包括辅助电源10、DSP控制及参数显示单元8、电流/电压传感单元7和IGBT驱动单元9，所述辅助电源10的输入端接EMC管理单元1的第二输出端，所述辅助电源10的输出端接DSP控制及参数显示单元8的第一输入端，所述DSP控制及参数显示单元8的第二输入端接电流/电压传感单元7的输出端，所述电流/电压传感单元7的输入端与所述高压整流滤波单元6的第二输出端相连；
所述DSP控制及参数显示单元的8第一输出端与整流滤波/慢启动单元2的第二输入端相连，所述DSP控制及参数显示单元8的第二输出端J4与IGBT驱动单元9的输入端J1相连，所述IGBT驱动单元9的第一输出端J2接BUCK变换单元3的第二输入端，所述IGBT驱动单元9的第二输出端J3接高频变换单元4的第二输入端；
来自三相交流电网的380V交流电源经EMC管理单元1，滤除来自电网的高频干扰信号和本电源工作时所产生的高次谐波，又经整流滤波/慢启动单元2形成脉动直流电源，再经BUCK变换单元3实现同步续流，再经全桥高频变换单元4实现定频谐振式零压零流全桥变换器，再经高频高压变压器5升压，最后经高压整流滤波单元6整流滤波后输出；
DSP控制及参数显示单元8由辅助电源10供电，根据电流/电压传感单元7的电压和电流反馈信号，通过IGBT驱动单元9对BUCK变换单元3和全桥高频变换单元4进行时序控制，DSP控制及参数显示单元8还对整流滤波单元2进行慢启动控制。
由于本发明采用定频谐振式零压零流全桥变换器和同步整流技术，减少了开关损耗，降低了闪络数，从而有效提高了变换器效率，使电源效率提高。
如图2所示，所述EMC管理单元1包括与电源三相输入串联的第一电感L1、与电源三相输出串联的第二电感L2、与三相线两两连接的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，以及串接在各相线与地极之间的第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6；
由电感L1、L2、电容C1至C6组成LCL滤波器，一方面对来自电网的高频干扰信号进行滤波处理，以消除电网扰动对电源的不良影响，同时对本电源工作时所产生的高次谐波进行滤波处理，以消除电源工作时对电网可能产生的污染。
如图3所示，所述整流滤波/慢启动单元2包括三相整流模块VC1、慢启动电阻R4、可控硅V1、电感L3、电容C7，所述慢启动电阻R4与可控硅V1并联后，一端接所述三相整流模块VC1的正极输出端，另一端接电感L3输入端，三相整流模块VC1的负极输出端与电感L3的输出端之间并联电容C7；
所述三相整流模块VC1对交流电源进行整流形成脉动直流电源，通过延时后利用可控硅V1将电阻R4短路，电感L3、电容C7构成Γ型滤波器，利用电感L3的储能和续流完成三相无源功率因素校正以提高电源功率。
为提高本电源的功率因素，采用L3、C7构成的Γ型滤波器，而不是常用的C型滤波器，通过简单的Γ型滤波处理，电源功率因素可提高到95%以上。
所述电容C7为两个以上的多个400V、1000μF的电解电容器通过串并联形成的电容器组。
由于C7容量较大，电路中采用简单的电阻限流方式，避免开机时对电网的冲击。通过延时后利用可控硅V1将限流电阻短路。
如图4所示，所述BUCK变换单元3由两只具有相同电气参数的大功率半桥IGBT模块V2、V3和续流电感L4、L5构成，V2、V3采用脉冲分时工作方式，利用大功率半桥IGBT模块的下桥臂实现同步续流。
在图4中，所述全桥（FULL-BRIDGE）高频变换单元4由两只具有相同电气参数的大功率半桥IGBT模块V4、V5和辅助谐振电感L6、辅助谐振电容C13、C14构成定频谐振式零压零流全桥变换器。
V2、V3、V4、V5的控制由DSP控制器实现，来自DSP控制单元的IGBT模块栅极驱动信号，经过IGBT驱动单元放大后分别驱动相应的IGBT模块。
大功率IGBT模块V2、V3、V4、V5安装在一块水冷散热板上，模块工作时所产生的热耗迅速传导至水冷散热板，并通过循环水流将热量带走。
如图5所示，所述高频高压变压器5、高压整流滤波单元6和电流电压传感7集成于一个油箱内，高压通过一根可插拔的高压电缆引出。
所述高频高压变压器5次级采用多绕组平面型结构。
来自全桥高频变换单元4的高频脉冲通过高频高压变压器5升压。次级各绕组按图5所示电气连接方式分别连接至相应的整流二极管，电容器选择多个高频电容串联，以满足50kV工作电压。串联后的电容容量一般在1500PF-2000PF之间。电阻R1为高压大功率限流电阻，本电源R1取值为1kΩ，将高压回路的最大电流限制为50A。在正常工作条件下，即负载电流为0.6A时，R1的常态功耗为360W。但R1的瞬态承受功率应能承受负载直接短路时，电源输出电压全部施加于该电阻时的所最大功率和电压。
电源的输出电压经电阻R2、R3、R4、R5构成的5000:1的电阻分压器，在R5上形成高压取样电压，反馈至DSP控制及参数显示单元8。在-50kV电压时取样电压为-10V。负载电流通过阻值为5Ω的取样电阻R6取样，在负载电流1A时，R6两端电压约为5V。电流取样信号反馈至DSP控制板。由于等离子体发生器可能发生飞弧甚至出现电晕丝断开而导致瞬间短路，因而电阻R6采用多电阻并联，在电阻两端并联18V压敏电阻和旁路电容，从而防止在高压电源出现闪络现象和负载短路时，电流取样电阻两端可能出现的过电压。
所述电流/电压传感单元7为在高压整流滤波单元6的高压电源输出的低端串联一电流互感器TA1，在高压电源发生打火时，向DSP控制及参数显示单元8提供快速的电流脉冲信号，快速切断BUCK变换和全桥高频变换电路中IGBT的栅极驱动PWM信号。
DSP控制及参数显示单元8，采用TI公司的TMS320F系列DSP芯片中的TMS320LF2407作为核心控制芯片，依据高压反馈信号、直流电流取样信号，通过软件方式，实时调节BUCK变换单元中IGBT模块V2、V3的栅极驱动PWM信号，实现高压输出的稳压控制。依据脉冲电流信号，实时微调等离子体高频高压电源的高压输出幅度，实现等离子体发生器的闪络数控制。当然根据芯片技术的发展，也可用其他型号的DSP芯片例如TMS320F2812、TMS320F28335等。
上述仅为本发明的一种较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子体高频高压电源，其特征在于：
包括EMC管理单元（1）、整流滤波/慢启动单元（2）、BUCK变换单元（3）、全桥高频变换单元（4）、高频高压变压器（5）和高压整流滤波单元（6），所述EMC管理单元（1）的输入端作为所述等离子体高频高压电源的三相交流电源输入端，EMC管理单元（1）的第一输出端与整流滤波/慢启动单元（2）的第一输入端相连，BUCK变换单元（3）的第一输入端与整流滤波/慢启动单元（2）的输出端相连，BUCK变换单元（3）的输出端与全桥高频变换单元（4）的第一输入端相连，高频高压变压器（5）的输入端接全桥高频变换单元（4）的输出端，高频高压变压器（5）的输出端接高压整流滤波单元（6）的输入端，所述高压整流滤波单元（6）的第一输出端作为所述等离子体高频高压电源的高压输出端；
还包括辅助电源（10）、DSP控制及参数显示单元（8）、电流/电压传感单元（7）和IGBT驱动单元（9），所述辅助电源（10）的输入端接EMC管理单元（1）的第二输出端，所述辅助电源（10）的输出端接DSP控制及参数显示单元（8）的第一输入端，所述DSP控制及参数显示单元（8）的第二输入端接电流/电压传感单元（7）的输出端，所述电流/电压传感单元（7）的输入端与所述高压整流滤波单元（6）的第二输出端相连；
所述DSP控制及参数显示单元（8）的第一输出端与整流滤波/慢启动单元（2）的第二输入端相连，所述DSP控制及参数显示单元（8）的第二输出端与IGBT驱动单元（9）的输入端相连，所述IGBT驱动单元（9）的第一输出端接BUCK变换单元（3）的第二输入端，所述IGBT驱动单元（9）的第二输出端接高频变换单元（4）的第二输入端；
来自三相交流电网的380V交流电源经EMC管理单元（1），滤除来自电网的高频干扰信号和本电源工作时所产生的高次谐波，又经整流滤波/慢启动单元（2）形成脉动直流电源，再经BUCK变换单元（3）实现同步续流，再经全桥高频变换单元（4）实现定频谐振式零压零流全桥变换器，再经高频高压变压器（5）升压，最后经高压整流滤波单元（6）整流滤波后输出；
DSP控制及参数显示单元（8）由辅助电源（10）供电，根据电流/电压传感单元（7）的信号，通过IGBT驱动单元（9）对BUCK变换单元（3）和全桥高频变换单元（4）进行时序控制，DSP控制及参数显示单元（8）还对整流滤波单元（2）进行启动控制。
2.根据权利要求1所述的等离子体高频高压电源，其特征在于：所述EMC管理单元（1）包括与电源三相输入串联的第一电感L1、与电源三相输出串联的第二电感L2、与三相线两两连接的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，以及串接在各相线与地极之间的第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6；
由电感L1、L2、电容C1至C6组成LCL滤波器，一方面对来自电网的高频干扰信号进行滤波处理，以消除电网扰动对电源的不良影响，同时对本电源工作时所产生的高次谐波进行滤波处理，以消除电源工作时对电网可能产生的污染。
3.根据权利要求1所述的等离子体高频高压电源，其特征在于：所述整流滤波/慢启动单元（2）包括三相整流模块VC1、慢启动电阻R4、可控硅V1、电感L3、电容C7，所述慢启动电阻R4与可控硅V1并联后，一端接所述三相整流模块VC1的正极输出端，另一端接电感L3输入端，三相整流模块VC1的负极输出端与电感L3的输出端之间并联电容C7；
所述三相整流模块VC1对交流电源进行整流形成脉动直流电源，通过延时后利用可控硅V1将电阻R4短路，电感L3、电容C7构成Γ型滤波器，利用电感L3的储能和续流完成三相无源功率因素校正以提高电源功率。
4.根据权利要求3所述的等离子体高频高压电源，其特征在于：所述电容C7为两个以上400V、1000μF的电解电容器通过串并联形成的电容器组。
5.根据权利要求1所述的等离子体高频高压电源，其特征在于：所述BUCK变换单元（3）由两只具有相同电气参数的大功率半桥IGBT模块V2、V3和续流电感L4、L5构成，V2、V3采用分时工作方式，利用模块的下桥臂实现同步续流。
6.根据权利要求1所述的等离子体高频高压电源，其特征在于：所述全桥高频变换单元（4）由两只具有相同电气参数的大功率半桥IGBT模块V4、V5和辅助谐振电感L6、辅助谐振电容C13、C14构成定频谐振式零压零流全桥变换器。
7.根据权利要求1所述的等离子体高频高压电源，其特征在于：所述高频高压变压器（5）、高压整流滤波单元（6）和电流电压传感（7）集成于一个油箱内，高压通过一根可插拔的高压电缆引出。
8.根据权利要求1所述的等离子体高频高压电源，其特征在于：所述高频高压变压器（5）次级采用多绕组平面型结构。
9.根据权利要求1所述的等离子体高频高压电源，其特征在于：所述电流/电压传感单元（7）为在高压整流滤波单元（6）的高压电源输出的低端串联一电流互感器TA1，在高压电源发生打火时，向DSP控制及参数显示单元（8）提供快速的电流脉冲信号，快速切断BUCK变换和全桥高频变换电路中IGBT的栅极驱动PWM信号。
10.根据权利要求1所述的等离子体高频高压电源，其特征在于：所述DSP控制及参数显示单元（8）的控制芯片为TMS320LF2407。
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