CN210431255U - 一种双模控制的高压静电纺丝电源 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种双模控制的高压静电纺丝电源，包括：整流滤波模块用于将市电转换成直流电；升压变压器的变压器原边与功率半桥模块的输出端连接，用于将高频方波交流电进行初步升压，并输出至交错全波正负多倍压模块；交错全波正负多倍压模块与升压变压器的变压器副边连接，用于将升压后的交流电再次升压并整流成直流高压电；模拟/数字二选一控制模块与功率半桥模块、交错全波正负多倍压模块连接，用于发送PWM控制信号至功率半桥模块，以控制输出电压。本申请具备2种控制和3种输出方式选择，能防止高压电源模块的噪声干扰上位机正常工作，拥有更高的稳定性、集成度和抗干扰能力。

Description

一种双模控制的高压静电纺丝电源

技术领域

本申请属于静电纺丝技术领域，尤其涉及一种双模控制的高压静电纺丝电源。

背景技术

静电纺丝技术是将聚合物流体在几千至几万伏高压静电场下进行高速喷射拉伸来得到纳米级纤维的纺丝技术，可应用于创伤敷料、药物稀释和生物组织工程等，而高压静电纺丝电源是静电纺丝的重要设备之一，其提供产生纺丝液射流的高压电。早期的高压电源由体积大的工频变压器和整流滤波得到高压直流，存在效率低、稳定性差、输出纹波大、体积大和操作复杂等缺点。

目前的高压静电纺丝电源装置多数采用的主电路拓扑的核心电路为全桥逆变电路，这种电路的前级需要能产生稳定的直流电压的电路(比如BOOST升压电路和PFC功率因数校正电路)，然后全桥逆变电路再将稳定的直流电压逆变为直流方波，而且全桥逆变电路有4个开关管，需要两对相位相反的驱动波形分别控制两组开关管，会造成驱动电路复杂，导致主电路结构复杂，使用的电子元器件多，体积和成本较大。

其次，目前已有实现方案中，变压器使用EE型磁芯和单槽骨架进行绕制，因为副边匝数会很多，这么多匝的细小导线绕制在单槽骨架上，相邻导线间的空隙很小，将会产生较大的层间寄生电容，引起变压器较大损耗，而且单槽绕线过多，线圈上的电压会比较高，容易发生放电。另外，目前已有实现方案中的倍压整流电路采用的电路有信克尔倍压电路、CW倍压电路、平衡式倍压电路。信克尔倍压电路对电容的耐压要求较高，随着倍数的增加，电容的电压应力随之增大，若倍压整流电路所需放大倍数较多，则采用信克尔倍压电路成本较大；CW倍压电路结构简单，但电容输出电压跌落大，纹波大；平衡式倍压电路能防止电压过大跌落，但变压器副边两输出绕组要求完全对称大大限制了电路的纹波改进。最后，辅助电源供电模块采用普通的反激拓扑电路，就需要开关管、吸收电路，具有偏置绕组及多路输出绕组的体积更大的变压器，电压反馈电路等组成，所需元器件多、体积大、成本高。

因此，上述的现有技术都存在着实现方法复杂，所需元器件多，体积庞大，操作困难，成本高，不便于集成到高压静电纺丝设备等的缺点。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供了一种双模控制的高压静电纺丝电源，从220V交流输入经过整流滤波到功率半桥，获得直流高压电，最后由升压变压器接交错全波正负多倍压模块将直流高压电转换为高压电并输出。本申请中的主电路仅由整流滤波模块、功率半桥模块、升压变压器、交错全波正负多倍压模块和模拟/数字二选一控制模块及***电路构成，且升压变压器使用UYF型磁芯和多槽骨架以及分槽绕制线圈方式构成，减少了体积和重量，并减少了损耗，且绝缘性良好。

本申请提供了一种双模控制的高压静电纺丝电源，包括：

整流滤波模块、功率半桥模块、升压变压器、交错全波正负多倍压模块和模拟/数字二选一控制模块；

所述整流滤波模块用于将市电转换成直流电，并输出至所述功率半桥模块；

所述功率半桥模块与所述整流滤波模块连接，用于根据所述模拟/数字二选一控制模块的PWM控制信号将所述直流电转换成高频方波交流电，并输出至所述升压变压器；

所述升压变压器的变压器原边与所述功率半桥模块的输出端连接，用于将所述高频方波交流电进行初步升压，并输出至所述交错全波正负多倍压模块；

所述交错全波正负多倍压模块与所述升压变压器的变压器副边连接，用于将升压后的交流电再次升压并整流成直流高压电；

所述模拟/数字二选一控制模块与所述功率半桥模块、所述交错全波正负多倍压模块连接，用于发送所述PWM控制信号至所述功率半桥模块，以便于控制输出电压。

可选地，所述模拟/数字二选一控制模块包括模拟控制单元，与所述功率半桥模块的输入端和所述交错全波正负多倍压模块的输出端连接，用于控制所述功率半桥模块中的驱动波形的占空比。

可选地，所述模拟控制单元包括PWM控制单元和调压旋钮，所述PWM控制单元包括PWM芯片，用于输出占空比可调的驱动波形；所述调压旋钮的阻值为0-50kΩ，与所述PWM控制单元连接。

可选地，所述模拟控制单元包括PWM控制单元和调压旋钮，所述PWM控制单元包括PWM芯片，用于输出占空比可调的驱动波形；所述调压旋钮的阻值为0-50kΩ，与所述PWM控制单元连接。

可选地，所述模拟/数字二选一控制模块包括数字控制单元，所述数字控制单元包括MCU控制电路和可调电压输出电路，所述MCU控制电路用于根据占空比可调的PWM波输出幅值从0～5V可调的电压信号；

所述MCU控制电路包括MCU芯片，用于实现数字控制；

所述可调电压输出电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容和运算放大器；所述第一电阻的一端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接所述运算放大器的同相输入端；所述第一电容的一端接地，另一端连接所述第一电阻的一端；所述第二电容的一端连接所述运算放大器的同相输入端；所述第三电容的一端连接所述第二电阻的另一端，另一端连接所述运算放大器的反相输入端。

可选的，所述数字控制单元包括数字隔离485通信模块，所述数字隔离485通信模块包括隔离DC-DC电路、信号隔离电路、485收发器以及总线防护电路；

所述隔离DC-DC电路的电源为单电源，通过饱和电感自激控制开关管开通关断的隔离变换器产生隔离输出电压给所述信号隔离电路、所述485收发器和所述总线防护电路供电，用于将***电源和485通信的电源隔离；

所述信号隔离电路，用于将高压电源地线与上位机地线隔离；

所述485收发器，用于与上位机通信；

所述总线防护电路，用于抑制ESD和EMI。

可选地，所述模拟/数字二选一控制模块包括CD4053二选一门电路，与模拟控制单元和数字控制单元连接，用于选择模拟方式或者数字方式控制高压静电纺丝电源工作。

可选地，所述CD4053二选一门电路包括CD4053芯片、正比例运算放大器和比较运算放大器，所述CD4053二选一门电路与模拟控制单元和数字控制单元连接，用于选择模拟方式或者数字方式控制高压静电纺丝电源工作；

所述CD4053芯片的控制端与所述比较运算放大器连接，根据接收比较运算放大器输出的低/高电平，用于选通输入端并将模拟控制或数字控制输出的电压信号通过公共输出端输出至PWM控制电路；

所述正比例运算放大器与所述数字控制单元连接，根据所述数字控制输出的电压信号经过正比例运算放大器处理，分为两路，第一路电压信号输出至输入端，第二路电压信号输出至所述比较运算放大器的同相输入端；

所述比较运算放大器的正向输入端与所述正比例运算放大器的输出连接，所述比较运算放大器的反相输入端与电源和分压电阻连接，用于根据由数字控制输出的电压信号经正比例运算放大器输出至同相输入端，与所述电源经过所述分压电阻输出至所述比较运算放大器的反相输入端比较，并根据输出的低/高电平用于切换模拟或数字控制的选择。

可选地，所述升压变压器包括UYF型磁芯，与多槽骨架相匹配，用于提高变压器耐压强度和绝缘强度。

可选地，还包括辅助电源，所述辅助电源以TNY268芯片为核心，且配合有EE13型磁芯，与所述整流滤波模块连接，用于提供工作电压。

本申请提供了一种双模控制的高压静电纺丝电源，包括：整流滤波模块、功率半桥模块、升压变压器、交错全波正负多倍压模块和模拟/数字二选一控制模块；所述整流滤波模块用于将市电转换成直流电，并输出至所述功率半桥模块；所述功率半桥模块与所述整流滤波模块连接，用于根据所述模拟/数字二选一控制模块的PWM控制信号将所述直流电转换成高频方波交流电，并输出至所述升压变压器；所述升压变压器的变压器原边与所述功率半桥模块的输出端连接，用于将所述高频方波交流电进行初步升压，并输出至所述交错全波正负多倍压模块；所述交错全波正负多倍压模块与所述升压变压器的变压器副边连接，用于将升压后的交流电再次升压并整流成直流高压电；所述模拟/数字二选一控制模块与所述功率半桥模块、所述交错全波正负多倍压模块连接，用于发送所述PWM控制信号至所述功率半桥模块，以便于控制输出电压。

本申请提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源，从220V交流输入经过整流滤波到功率半桥，获得直流高压电，最后由升压变压器接交错全波正负多倍压模块将直流高压电转换为高压电并输出。本申请中的主电路仅由整流滤波模块、功率半桥模块、升压变压器、交错全波正负多倍压模块和模拟/数字二选一控制模块及***电路构成，且升压变压器使用UYF型磁芯和多槽骨架以及分槽绕制线圈方式构成，减少了体积和重量，并减少了损耗，且绝缘性良好。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的电路图；

图3为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的交错全波正负多倍压模块的电路图；

图4为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的升压变压器的组成电路图；

图5为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的可调电压的输出电路的电路图；

图6为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的CD4053二选一门电路的电路图；

图7为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的数字隔离485通信模块的电路图；

附图标记：整流滤波模块 10；功率半桥模块 20；升压变压器 30；交错全波正负多倍压模块 40；模拟/数字二选一控制模块 50；辅助电源 60。

具体实施方式

本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源，从220V交流输入经过整流滤波到功率半桥，获得直流高压电，最后由升压变压器接交错全波正负多倍压模块将直流高压电转换为高压电并输出。本申请中的主电路仅由整流滤波模块、功率半桥模块、升压变压器、交错全波正负多倍压模块和模拟/数字二选一控制模块及***电路构成，且升压变压器使用UYF型磁芯和多槽骨架以及分槽绕制线圈方式构成，减少了体积和重量，并减少了损耗，且绝缘性良好。

下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

参见图1-7，图1为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的示意图；图2为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的电路图；图3为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的交错全波正负多倍压模块的电路图；图4为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的升压变压器的组成电路图；图5为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的可调电压的输出电路的电路图；图6为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的CD4053二选一门电路的电路图；图7为本申请实施例提供的一种双模控制的高压静电纺丝电源的数字隔离485通信模块的电路图。

本申请实施例提供了一种双模控制的高压静电纺丝电源，包括：

整流滤波模块10、功率半桥模块20、升压变压器30、交错全波正负多倍压模块40和模拟/数字二选一控制模块；

整流滤波模块10用于将市电转换成直流电，并输出至功率半桥模块20；

功率半桥模块20与整流滤波模块10连接，用于根据模拟/数字二选一控制模块50的PWM控制信号将直流电转换成高频方波交流电，并输出至升压变压器30；

升压变压器30的变压器原边与功率半桥模块20的输出端连接，用于将高频方波交流电进行初步升压，并输出至交错全波正负多倍压模块40；

交错全波正负多倍压模块40与升压变压器30的变压器副边连接，用于将升压后的交流电再次升压并整流成直流高压电；

模拟/数字二选一控制模块50与功率半桥模块20、交错全波正负多倍压模块40连接，用于发送PWM控制信号至功率半桥模块20，以便于控制输出电压。

需要说明的是，参照图2中的电路图，本申请实施例提供的双模控制的高压静电纺丝电源，包括有整流滤波模块10、功率半桥模块20、升压变压器30、交错全波正负多倍压模块40和模拟/数字二选一控制模块50。其中，整流滤波模块10为图中的整流滤波电路，外接市电220V交流电输入，用于将市电220V交流电转换成稳定的直流电；更具体地，用于将输入的220V交流电压，经整流桥整流，LC滤波，获得输出直流母线电压V_dc。

功率半桥模块20为图中的功率半桥电路，与整流滤波电路的输出端连接，用于将整流滤波电路输出的稳定的直流电转换成高频方波交流电；更具体地，如图2所示，功率半桥模块20即为图示的功率半桥电路，该功率半桥电路从整流滤波电路中得到直流母线电压V_dc，R₁和R₂用于确定中点电位，保证C₂、C₃上电压值是V_dc的一半，Q₁、Q₂是开关管，C₄是隔直电容，用于防止变压器偏磁，D₁、D₂并联在开关管的漏源极，它将开关管承受的漏感尖峰电压钳位于V_dc，半桥电路开关管的电压应力等于直流输入电压。开关管Q₁、Q₂轮流导通半个周期，Q₁导通、Q₂关断时，变压器同名端电压为V_dc/2，Q₂承受的电压为V_dc；同理Q₂导通、Q₁关断时，Q₁承受的电压也为V_dc，此时变压器的同名端的电压为-V_dc/2，重复上述周期，Q₁、Q₂相互交替导通，可实现从功率半桥电路的中点输出高频方波交流电。

升压变压器30的变压器原边与功率半桥电路的输出端连接，变压器副边与交错全波正负多倍压模块40，也就是图2中的交错全波正负多倍压电路的输入端连接，用于将功率半桥电路输出的高频方波交流电按一定的比例进行初步升压；更具体地，图2中T₁是升压变压器30，用于实现电压的变换和隔离，根据原副边的匝比，可以将变压器原边获得的交流方波按比例升高到实际需要的电压。

交错全波正负多倍压模块40与升压变压器30的副边连接，用于将初步升压后的交流电再次升压并整流成直流高压电输出。更具体地，交错全波正负多倍压模块40可以把较低的电压，用耐压较高的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。交错全波正负多倍压模块40为图2中的交错全波正负多倍压电路，交错全波正负多倍压电路一般按输出电压是输入电压的多少倍，可以做出多倍压电路。倍压整流是通过利用二极管的导引和整流作用，把电压分别储存到各自的电容上，然后将它们按极性相加的原理串接起来，输出高于输入电压的高压来，即交流方波电压信号经过升压变压器30初步升压，再由交错全波正负多倍压电路继续升压，最后输出直流高压。

在升压变压器30后接两个并联的正负多倍压电路。如图3所示，交错全波正负多倍压电路具体组成结构图，其工作原理为：

先以上半部分输出正高压的交错全波正多倍压整流电路为例，

1)、当交流电源AC输入交流电压负半周时，即升压变压器30T₁的副边同名端输出为上负下正时，交流电压经D₁₀对C₁₀充电至变压器T₁副边峰值电压+U_pk，同时经D₁₆对C₁₆充电至+U_pk，A、B两点对地电位在0～+2U_pk间振荡；

2)、接着当交流电源AC输入交流电压正半周时，即升压变压器30T₁的副边同名端输出为上正下负时，交流电源AC同C₁₀上的电压叠加经D₁₁，并同C₁₆上的电压叠加经D₁₇对C₁₃充电至副边峰值电压U_pk的两倍，即+2U_pk，C点获得稳定电位+2U_pk；

3)、在负半周时，除了电源经D₁₀对C₁₀充电和经D₁₆对C₁₆充电之外，交流电源还同C₁₃上的电压叠加经D₁₂对C₁₁、C₁₀充电，并经D₁₈对C₁₇、C₁₆充电，C₁₁与C₁₇上的充电电压为C₁₃的两倍，即+2U_pk，D、E两点电位在+2U_pk～+4U_pk间变化；

4)、在正半周时，交流电源AC同C₁₀电压叠加，除了经D₁₁对C₁₃和经D₁₇对C₁₃充电外，还同C₁₀、C₁₁上的电压相加经D₁₃，并同C₁₆、C₁₇上的电压相加经D₁₉对C₁₄和C₁₃充电，C₁₄充电至+4U_pk(相对地电位)，此时，F点相对地电位得到稳定的+4U_pk电位；

5)、以此类推，同理可知输出的直流高压和交错全波倍压电路的阶数相关，图3中交错全波正多倍压整流电路为串接的3阶六倍压整流电路，因此，C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄、C₁₅、C₁₇和C₁₈上的充电电压均为C₁₀或C₁₆充电电压的2倍，即+2U_pk，G、H两点电位在+4U_pk～+6U_pk间变化，I点能获得+6U_pk的输出电压；

6)、同理可得图3下半部分输出负高压的交错全波负多倍压整流电路的工作过程与交错全波正多倍压整流电路的一致，简而言之，其工作过程为：负半周时，交流电压对上臂电容C₂₂、C₂₃、C₂₄和下臂电容C₂₈、C₂₉、C₃₀充电；正半周时，交流电源AC同上下臂电容电压叠加经相应的二极管分别对中臂电容C₂₅、C₂₆、C₂₇充电，因为其二极管方向全部反向，C₂₅、C₂₆、C₂₇上的电压均为－2U_pk，3个电容串接之后为－6U_pk，因此交错全波负多倍压整流电路将输出－6U_pk的负高压。

其中升压变压器30采用中间抽头方式，中间抽头端接地并使中间端连接两个并联的正负多倍压电路中端，并联的交错全波正多倍压电路输出正高压，电压增益为6；另一个并联的交错全波负多倍压电路输出负高压，电压增益为6，这样整个电路相当于两个3阶六倍压整流电路串联，等效为一个6阶十二倍倍压整流电路。这样做的目的主要是为了可以大幅度地减小电源输出的纹波系数并有效地防止电压跌落，提高了高压静电纺丝电源的效率和稳定性，增强了带负载能力，而且每个电容上的电压不会超过变压器副边峰值电压的两倍，因此能够选择耐压较低的电容，并且提供了3种电压输出模式选择，即正电压、负电压和差模电压输出。

交错全波正负多倍压电路最终差模电压若需要输出50kV，考虑到倍压电路带载后输出电压降低，因此需要增加一部分裕量，其电压跌落公式为：

其中，△U表示交错全波正负多倍压电路的输出电压跌落值，n表示交错全波正负多倍压电路倍压的阶数，每2倍为一阶，I_d表示交错全波正负多倍压电路的最大输出电流，f表示升压变压器30输出的交流方波频率，C表示交错全波正负多倍压电路所使用的电容容值。

当需要该高压静电纺丝电源输出电压纹波在0.5％输出电压内，那么可以根据以下公式选择合适的电容：

其中，V_rr表示该高压静电纺丝电源输出电压纹波，n表示交错全波正负多倍压电路倍压的阶数，每2倍为一阶，I_d表示交错全波正负多倍压电路的最大输出电流，f表示升压变压器30输出的交流方波频率，C表示交错全波正负多倍压电路所使用的电容容值。

辅助电源60，与整流滤波模块10和模拟/数字二选一控制模块50连接，用于为模拟/数字二选一控制电路中所使用到的芯片提供工作电压。

模拟/数字二选一控制模块50包括模拟控制单元和数字控制单元；

模拟/数字二选一控制模块50，即为图2中模拟/数字二选一控制电路中的模拟控制电路，与功率半桥电路的输入端和交错全波正负多倍压电路的输出端连接，包括启动开关、PWM控制电路、调压旋钮、电压电流采样与显示电路，用于通过启动开关控制该高压静电纺丝电源的开通与关断、通过PWM控制电路、调压旋钮、电压电流采样与显示电路来控制输出到功率半桥电路中的驱动波形的占空比，从而控制该高压静电纺丝电源的输出电压并显示输出电压和电流值。图2电路中的数字控制电路，包括MCU控制电路、CD4053二选一门电路模块、数字隔离485通信模块等电路模块，用于与上位机进行通信并使用数字调压控制输出电压。

进一步地，模拟/数字二选一控制模块50包括模拟控制单元，与功率半桥模块20的输入端和交错全波正负多倍压模块40的输出端连接，用于控制功率半桥模块20中的驱动波形的占空比。

需要说明的是，当需要改变输出电压时，电源应具有自我调节的功能，这就要求电源的模拟控制电路具有稳定输出的功能。模拟控制单元应能对电路的相应电压进行检测，然后将检测值同设定的参考值相比较得出误差值，利用该误差进行一定计算和处理后去控制主电路，使输出不断地接近设定值，从而达到稳压输出的目的。

例如，以差模电压输出为例，在使用模拟控制方式的情况下，此时输出电压稳定在一个值(0～50kV任意一值)，电压电流采样电路经过电阻分压采样得到的采样值作为一个参考值，当需要增加输出电压时设定增加量，旋转调压旋钮使电阻变大到接近设定增加量引起加到调压旋钮上的电压值增加，模拟控制电路检测到电压增加，检测的电压值同上述的参考值相比较得出误差值将增加，增加的误差值进行一定计算和处理后反馈到CD4053二选一门电路进行处理后输出到PWM控制电路中的PWM芯片中，从而使芯片脉冲输出端输出的驱动波形占空比变大，故功率半桥电路中的开关管占空比变大，导通时间变长，从而最终使输出电压增加到接近设定值，其中调压旋钮的阻值范围为0～50kΩ，相应地，输出电压的调压范围为0～50kV连续可调；

进一步，模拟控制单元包括PWM控制单元和调压旋钮，PWM控制单元包括PWM芯片，用于输出占空比可调的驱动波形；调压旋钮的阻值为0-50kΩ，与PWM控制单元连接。

需要说明的是，PWM控制单元即为PWM控制电路，可以采用PWM控制芯片，与功率半桥电路相连，用于根据PWM控制芯片接收到的模拟/数字二选一控制模块50的输入信号向PWM控制电路发出电压信号或控制指令，将接收到的电压信号或控制指令对功率半桥电路发出驱动上下2个开关管交替开通与关断的占空比调节信号。调压旋钮可以采用BOURNS3590系列精密电位器，阻值范围为0～50kΩ，与PWM控制电路相连，用于通过改变调压旋钮的电阻值间接改变PWM控制电路中PWM输出的PWM占空比来实现输出电压的调节，即用于根据调压旋钮的精密电位器的阻值大小的改变，对功率半桥电路发出PWM占空比调节信号，PWM占空比小时，输出电压小，占空比大时，输出电压大，输出电压的调节范围为0～50kV。

启动开关包括开关按钮和继电器，与PWM控制电路相连，开关按钮与继电器相连，用于通过按钮“开”与“关”的动作控制继电器工作的导通与关断，继电器又与PWM控制电路的控制芯片供电端相连，当继电器正常工作时，控制芯片也正常工作，输出驱动波形；当继电器断开时，控制芯片不工作，不能输出驱动波形。

进一步地，模拟/数字二选一控制模块50包括数字控制单元，数字控制单元包括MCU控制电路和可调电压输出电路，MCU控制电路用于根据占空比可调的PWM波输出幅值从0～5V可调的电压信号；

MCU控制电路包括MCU芯片，用于实现数字控制；

可调电压输出电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容和运算放大器；第一电阻的一端连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端连接运算放大器的同相输入端；第一电容的一端接地，另一端连接第一电阻的一端；第二电容的一端连接运算放大器的同相输入端；第三电容的一端连接第二电阻的另一端，另一端连接运算放大器的反相输入端。

需要说明的是，可调电压输出电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和运算放大器U1；第一电阻R1的一端连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接运算放大器U1的同相输入端；第一电容C1的一端接地，另一端连接第一电阻R1的一端；第二电容C2的一端连接运算放大器U1的同相输入端；第三电容C3的一端连接第二电阻R2的另一端，另一端连接运算放大器U1的反相输入端。可调电压输出电路的工作原理为：通过配置MCU内部的定时器模块输出PWM，由上位机控制其PWM占空比输入到可调电压输出电路，首先经过由R1、C1组成的无源低通滤波器，然后再经过由R2、R3、C2、C3和U1组成的二阶巴特沃斯低通滤波器，就可以得到幅值从0～5V变化的电压信号，从而达到控制PWM控制电路中PWM输出的占空比。

进一步地，数字控制单元包括数字隔离485通信模块，数字隔离485通信模块包括隔离DC-DC电路、信号隔离电路、485收发器以及总线防护电路；

隔离DC-DC电路的电源为单电源，通过饱和电感自激控制开关管开通关断的隔离变换器产生隔离输出电压给信号隔离电路、485收发器和总线防护电路供电，用于将***电源和485通信的电源隔离；

信号隔离电路，用于将高压电源地线与上位机地线隔离；

485收发器，用于与上位机通信；

总线防护电路，用于抑制ESD和EMI。

需要说明的是，在本申请实施例中，数字控制单元即为数字控制电路，包括MCU控制电路、CD4053二选一门电路模块、数字隔离485通信模块等电路模块，用于与上位机进行通信并使用数字调压控制输出电压。

隔离DC-DC电路的电源为单电源，通过饱和电感自激控制开关管开通关断的隔离变换器产生隔离输出电压给信号隔离电路、485收发器和总线防护电路供电，用于将***电源和485通信的电源隔离；信号隔离电路，用于将高压电源地线与上位机地线隔离；485收发器，用于与上位机通信；总线防护电路，用于抑制ESD和EMI，提供***的可靠性和保护电路。

在使用数字控制方式的情况下，此时输出电压稳定在一个值(0～50kV任意一值)，电压电流采样电路经过电阻分压采样得到的采样值作为一个参考值，当需要增加输出电压时设定增加量，上位机发出控制指令，使可调电压输出电路的电压值增加，增加的电压值进行一定计算和处理后反馈到CD4053二选一门电路进行处理后输出到PWM控制电路中的PWM芯片中，从而使芯片脉冲输出端输出的驱动波形占空比变大，故功率半桥电路中的开关管占空比变大，导通时间变长，从而最终使输出电压增加到接近设定值，其中调压旋钮的阻值范围为0～50kΩ，相应地，输出电压的调压范围为0～50kV连续可调。

进一步地，模拟/数字二选一控制模块包括CD4053二选一门电路，与模拟控制单元和数字控制单元连接，用于选择模拟方式或者数字方式控制高压静电纺丝电源工作。

需要说明的是，数字控制单元可以为MCU控制电路，比如以MCU芯片为核心的控制电路，与PWM控制电路连接，用于利用MCU程序控制PWM控制电路中PWM的占空比来控制输出电压的变化。CD4053二选一门电路可以为采用CD4053芯片的控制电路，如图6所示为CD4053二选一门电路的电路图，工作过程为：当数字控制方式工作时，有数字控制输出的电压信号，经过正比例运算放大器进行处理，经过比较运算放大器的同相输入端，此时比较运算放大器的同相输入端电压大于VDD电源通过分压电阻连接到比较运算放大器的反相输入端电压，比较后输出高电平，CD4053的控制端(X)检测到高电平，输入端(1X)获得由数字控制输出的、经过正比例运算放大器进行处理的电压信号，再由公共输出端(X-COM)输出至PWM控制电路；当模拟控制方式工作时，数字控制无输出电压信号，经过正比例运算放大器进行处理，经过比较运算放大器的同相输入端，此时比较运算放大器的同相输入端电压小于VDD电源通过分压电阻连接到比较运算放大器的反相输入端电压，比较后输出低电平，CD4053的控制端(X)检测到低电平，输入端(0X)获得由模拟控制输出的电压信号，再由公共输出端(X-COM)输出至PWM控制电路。通常情况下默认为使用模拟控制方式工作，当从模拟或数字控制单元获得的相应电压信号，将从CD4053公共输出端(X-COM)输出到PWM控制电路，实现模拟或数字控制输出电压的效果。

进一步地，CD4053二选一门电路包括CD4053芯片、正比例运算放大器和比较运算放大器，CD4053二选一门电路与模拟控制单元和数字控制单元连接，用于选择模拟方式或者数字方式控制高压静电纺丝电源工作；

CD4053芯片的控制端与比较运算放大器连接，根据接收比较运算放大器输出的低/高电平，用于选通输入端并将模拟控制或数字控制输出的电压信号通过公共输出端输出至PWM控制电路；

正比例运算放大器与数字控制单元连接，根据数字控制输出的电压信号经过正比例运算放大器处理，分为两路，第一路电压信号输出至输入端，第二路电压信号输出至比较运算放大器的同相输入端；

比较运算放大器的正向输入端与正比例运算放大器的输出连接，比较运算放大器的反相输入端与电源和分压电阻连接，用于根据由数字控制输出的电压信号经正比例运算放大器输出至同相输入端，与电源经过分压电阻输出至比较运算放大器的反相输入端比较，并根据输出的低/高电平用于切换模拟或数字控制的选择。

需要说明的是，由于MCU不能直接输出0～5V可变的电压信号，因此，本申请实施例利用了如图5所示的一种可调电压输出电路，用于获取MCU控制电路输出的占空比可变的PWM波，输出幅值从0～5V可调的电压信号。更具体地，可调电压输出电路的工作原理为：通过配置MCU内部的定时器模块输出PWM，由上位机控制其PWM占空比输入到可调电压输出电路，首先经过由R1、C1组成的无源低通滤波器，然后再经过由R2、R3、C2、C3和U1组成的二阶巴特沃斯低通滤波器，就可以得到幅值从0～5V变化的电压信号，从而达到控制PWM控制电路中PWM输出的占空比。

进一步地，升压变压器30包括UYF型磁芯，与多槽骨架相匹配，用于提高变压器耐压强度和绝缘强度。

需要说明的是，升压变压器30可以为UYF型磁芯，原边选用工型骨架，副边选用多槽骨架进行线圈绕制，UYF型磁芯是锰锌铁氧体磁芯的一种，具有圆形支腿，便于绕制，由于涉及高电压，圆形形状有助于防止电晕效应，使用多槽骨架及分槽绕制方法能够使寄生电容大幅减小。该多槽骨架的绕制方式分槽绕制方式：根据升压比例计算好需要绕制的线圈匝数N和多槽骨架的槽数为G；

将匝数平均到多股槽架的每一个槽，先将第一个槽绕满N/G匝线圈，之后再绕下一个槽，每一个槽绕制N/G匝线圈，直至绕完所需要的匝数到最后一个槽。

进一步地，还包括辅助电源60，辅助电源60以TNY268芯片为核心，且配合有EE13型磁芯，与整流滤波模块10连接，用于提供工作电压。

需要说明的是，辅助电源60可以采用以TNY268芯片为核心的反激辅助供电电路，所使用的TNY268芯片集成了功率MOSFET、振荡器、高压开关电流源、5.8V稳压电源，以及过流、欠压及热关断保护电路等多种电路于单片芯片内，简化了辅助电源60的***电路，配合使用尺寸和体积较小的EE13型磁芯，不需用到偏置绕组就能完成多路输出供电功能。

综上，申请实施例具有以下优点：

1)、本申请实施例由于主电路仅由整流滤波模块10、功率半桥模块20、升压变压器30、交错全波正负多倍压模块40、模拟/数字二选一控制模块50及***电路构成，就能完成从220V交流输入经过整流滤波到功率半桥获得直流高压最后由升压变压器30和交错全波正负多倍压模块40完成高压输出，其中电路中使用特定的UYF型磁芯和多槽骨架以及分槽绕制线圈方式构成的升压变压器30减少了损耗，绝缘性良好，而交错全波正负多倍压模块40不仅能有效防止电压跌落和降低纹波，还增加了输出正电压、负电压，以及差模输出电压三种模式的选择；所以其使用的电路以及开关管等元器件数量少，驱动和控制电路简单，抗不平衡能力强，整个***电路的体积和重量都很小，设计花费也相应减少；

2)、本申请实施例使用TNY268芯片构成的反激辅助电源60，频率允许提高到132kHz，能够显著降低EMI的平均值AV和准峰值QP，同时可以使用更小尺寸和低价格的EE13型磁芯，从而减小了高频变压器的体积，成本比分立元件PWM及其它集成或混合式电源方案低、体积更小、效率及可靠性更高、通用性强、易于集成，尤其适用于要求高效率、低成本的应用场合；

3)、本申请实施例增加了数字化控制方案，采用抗干扰能力更强的数字隔离485通信模块，增加了地线隔离，防止高压电源模块的噪声干扰上位机的正常工作，提供了更稳定和可靠的通信方案，配有良好的人机交互功能，数字电路只采用一些标准的集成电路块单元构成，电路简单，集成度高，体积小，可通过编程的方式实现任意的逻辑功能，利于观察、控制和调节高压静电纺丝电源数值的变化，给使用者提供了模拟和数字控制方式切换的选择，增加了电源的可控性、易操作性和便利性，拥有更高的稳定性、集成度和抗干扰能力，电路的设计、维修和维护灵活方便。

4)、本申请实施例的双模控制的高压静电纺丝电源通过调压旋钮，能精确地定位输出电压，并且输出电压连续可调，能够安装在各种机柜、设备中，便于使用者的使用，具有重量轻、体积小、纹波小、效率高、操作便捷、可靠性高和稳定度高等优点。本申请实施例还能够根据使用者的需求设计，如特定高压静电纺丝电源尺寸、远程控制输出电压、增加输入输出端口等，从而满足使用者实际应用的需要。本申请实施例可应用的领域不限于静电纺丝，还有静电织绒、静电除尘、静电喷涂和科学实验等。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；

尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种双模控制的高压静电纺丝电源，其特征在于，包括：

整流滤波模块、功率半桥模块、升压变压器、交错全波正负多倍压模块和模拟/数字二选一控制模块；

所述整流滤波模块用于将市电转换成直流电，并输出至所述功率半桥模块；

所述功率半桥模块与所述整流滤波模块连接，用于根据所述模拟/数字二选一控制模块的PWM控制信号将所述直流电转换成高频方波交流电，并输出至所述升压变压器；

所述升压变压器的变压器原边与所述功率半桥模块的输出端连接，用于将所述高频方波交流电进行初步升压，并输出至所述交错全波正负多倍压模块；

所述交错全波正负多倍压模块与所述升压变压器的变压器副边连接，用于将升压后的交流电再次升压并整流成直流高压电；

所述模拟/数字二选一控制模块与所述功率半桥模块、所述交错全波正负多倍压模块连接，用于发送所述PWM控制信号至所述功率半桥模块，以便于控制输出电压。

2.根据权利要求1所述的双模控制的高压静电纺丝电源，其特征在于，所述模拟/数字二选一控制模块包括模拟控制单元，与所述功率半桥模块的输入端和所述交错全波正负多倍压模块的输出端连接，用于控制所述功率半桥模块中的驱动波形的占空比。

3.根据权利要求2所述的双模控制的高压静电纺丝电源，其特征在于，所述模拟控制单元包括PWM控制单元和调压旋钮，所述PWM控制单元包括PWM芯片，用于输出占空比可调的驱动波形；所述调压旋钮的阻值为0-50kΩ，与所述PWM控制单元连接。

4.根据权利要求1所述的双模控制的高压静电纺丝电源，其特征在于，所述模拟/数字二选一控制模块包括数字控制单元，所述数字控制单元包括MCU控制电路和可调电压输出电路，所述MCU控制电路用于根据占空比可调的PWM波输出幅值从0～5V可调的电压信号；

所述MCU控制电路包括MCU芯片，用于实现数字控制；

所述可调电压输出电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容和运算放大器；所述第一电阻的一端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接所述运算放大器的同相输入端；所述第一电容的一端接地，另一端连接所述第一电阻的一端；所述第二电容的一端连接所述运算放大器的同相输入端；所述第三电容的一端连接所述第二电阻的另一端，另一端连接所述运算放大器的反相输入端。

5.根据权利要求4所述的双模控制的高压静电纺丝电源，其特征在于，所述数字控制单元包括数字隔离485通信模块，所述数字隔离485通信模块包括隔离DC-DC电路、信号隔离电路、485收发器以及总线防护电路；

所述隔离DC-DC电路的电源为单电源，通过饱和电感自激控制开关管开通关断的隔离变换器产生隔离输出电压给所述信号隔离电路、所述485收发器和所述总线防护电路供电，用于将***电源和485通信的电源隔离；

所述信号隔离电路，用于将高压电源地线与上位机地线隔离；

所述485收发器，用于与上位机通信；

所述总线防护电路，用于抑制ESD和EMI。

6.根据权利要求1所述的双模控制的高压静电纺丝电源，其特征在于，所述模拟/数字二选一控制模块包括CD4053二选一门电路，与模拟控制单元和数字控制单元连接，用于选择模拟方式或者数字方式控制高压静电纺丝电源工作。

7.根据权利要求6所述的双模控制的高压静电纺丝电源，其特征在于，所述CD4053二选一门电路包括CD4053芯片、正比例运算放大器和比较运算放大器，所述CD4053二选一门电路与模拟控制单元和数字控制单元连接，用于选择模拟方式或者数字方式控制高压静电纺丝电源工作；

所述CD4053芯片的控制端与所述比较运算放大器连接，根据接收比较运算放大器输出的低/高电平，用于选通输入端并将模拟控制或数字控制输出的电压信号通过公共输出端输出至PWM控制电路；

所述正比例运算放大器与所述数字控制单元连接，根据所述数字控制输出的电压信号经过正比例运算放大器处理，分为两路，第一路电压信号输出至输入端，第二路电压信号输出至所述比较运算放大器的同相输入端；

所述比较运算放大器的正向输入端与所述正比例运算放大器的输出连接，所述比较运算放大器的反相输入端与电源和分压电阻连接，用于根据由数字控制输出的电压信号经正比例运算放大器输出至同相输入端，与所述电源经过所述分压电阻输出至所述比较运算放大器的反相输入端比较，并根据输出的低/高电平用于切换模拟或数字控制的选择。

8.根据权利要求1所述的双模控制的高压静电纺丝电源，其特征在于，所述升压变压器包括UYF型磁芯，与多槽骨架相匹配，用于提高变压器耐压强度和绝缘强度。

9.根据权利要求1所述的双模控制的高压静电纺丝电源，其特征在于，还包括辅助电源，所述辅助电源以TNY268芯片为核心，且配合有EE13型磁芯，与所述整流滤波模块连接，用于提供工作电压。

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