一種用于uv燈管的直流uv開關(guān)電源的制作方法
【專利摘要】本產(chǎn)品發(fā)明為一種用于UV燈管的直流UV開關(guān)電源，屬于UV燈專用開關(guān)電源領(lǐng)域，包括一個降壓斬波電路和升壓斬波電路，兩個電路共用一個電感，通過空氣接觸器來進行電路的轉(zhuǎn)換，具體的電路原理圖見摘要附圖。其工作原理和工作過程是：啟機時，Q1工作，Q2，Q3不工作，K1斷開，高頻高壓電路產(chǎn)生的高壓點燃UV燈管后不再工作，整個電路等效于一個降壓斬波電路；當UV燈管管壓上升到接近三相電(或兩相電)整流后的電壓時，閉合K1，然后再關(guān)閉Q1，讓Q2，Q3在PWM脈沖的控制下工作，整個電路等效于一個升壓斬波電路，Q2，Q3工作在全軟開關(guān)狀態(tài)；該開關(guān)電源具有功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)熱量小，成本低廉的特點。
【專利說明】—種用于UV燈管的直流UV開關(guān)電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本產(chǎn)品發(fā)明屬于UV燈專用開關(guān)電源領(lǐng)域，與該直流UV開關(guān)電源配套的UV燈管是指用于涂裝或UV印刷等行業(yè)的高壓汞燈或鹵素?zé)簦摕裟馨l(fā)出用戶需要的超強紫外線。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，UV燈管廣泛用于涂裝或UV印刷等行業(yè)，與UV燈管配套的電源主要是變壓器和高頻開關(guān)電源，但變壓器體積大，笨重，功率因數(shù)相當?shù)?，無法對紫外線強度進行精細調(diào)節(jié)，高頻開關(guān)電源克服了變壓器的上述缺陷。目前，市面上常見的高頻開關(guān)電源主要分為方波UV電源和直流UV電源；uv燈管作為開關(guān)電源的負載，具有與一般負載很不一樣的特殊性:在點燈時需要在UV燈管兩極施加高頻高壓以擊穿管內(nèi)氬氣，在點燃燈管后，UV燈管兩極的電壓接近于OV ( 一般在30V到60V之間)，隨著持續(xù)的加熱和升溫，UV燈管內(nèi)的液態(tài)汞或鹵素離子逐漸蒸發(fā)并參與導(dǎo)電，UV燈管的管壓上升到正常使用時的高壓(一般在600V到900V之間)；市面上常見的方波UV電源采用了先斬波后逆變的策略(見圖1)，利用斬波來調(diào)功，向UV燈管輸出大約18KHZ的方波電壓和電流，該電路的優(yōu)點是功率因數(shù)大于0.9，可以精細調(diào)節(jié)輸出功率大小；但缺點是電路復(fù)雜，成本高(至少需要3個IGBT模塊，如果做成軟開關(guān)，則至少需要4個IGBT模塊)，發(fā)熱量大，在輸出功率大于IOKW時，必須使用水冷；市面上常見的直流UV電源則普遍使用先倍壓，后斬波的方式(見圖2)，也就是把380V的交流電倍壓整流成約1080V的高壓，再通過斬波將輸出電壓轉(zhuǎn)換成UV燈管的管壓(一般在600V到900V之間)，但其缺點是IGBT串聯(lián)使用，并且工作在硬開關(guān)工作狀態(tài)，容易壞，同時IGBT發(fā)熱量較大。
[0003]本發(fā)明在充分考慮到UV燈管的電學(xué)屬性后，采用了先降壓斬波(Buck)，后升壓斬波(Boost)，中間利用一個空氣接觸器過渡的控制策略，成功研制出了功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)熱量極小，成本低廉的全軟開關(guān)直流UV開關(guān)電源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主電路圖見說明書附圖3，圖3中的Q1，Q2，Q3是IGBT，K1是空氣接觸器(也可以使用耐高壓繼電器)。本發(fā)明的核心在于整個電路能從Buck向Boost進行平穩(wěn)的切換，而Kl則是完成這一切換的核心器件。本發(fā)明的直流UV開關(guān)電源工作過程分為三個階段，其相關(guān)原理介紹如下:
[0005]第一階段:降壓斬波(Buck)階段
[0006]啟機時，Ql工作，Q2，Q3不工作，Kl斷開，高頻高壓電路產(chǎn)生的高壓點燃UV燈管后不再工作，整個電路等效于一個降壓斬波電路；由于UV燈管在點著后的前若干秒內(nèi)，管內(nèi)的液態(tài)汞或鹵素元素尚未蒸發(fā)，UV燈管在電路中等效于一個阻值幾歐姆的電阻，其兩端的電壓恒定在60V左右。開關(guān)電源的輸出功率必須嚴格控制在700W以下，否則很容易因過流而損壞IGBT。因此，在控制電路中控制Ql僅在啟機的前幾十秒工作，而Q2和Q3則在這個階段不工作，處于被關(guān)閉狀態(tài)；隨著持續(xù)的加熱和升溫，UV燈管內(nèi)的液態(tài)汞或鹵素離子逐漸蒸發(fā)并參與導(dǎo)電，UV燈管的管壓上升，在輸出電流恒定條件下，輸出功率逐漸上升。
[0007]在完成啟機工作后(也就是UV燈管的管壓從點著時的約60V上升到接近三相電(或兩相電)整流后的電壓時)，本電路進入第二階段。
[0008]第二階段:從Buck向Boost進行的切換階段
[0009]控制電路檢測到輸出電壓上升到接近三相電(或兩相電)整流后的電壓時，先閉合Kl，然后關(guān)閉Ql。這時Q1，Q2，Q3都被關(guān)閉。電路等效于外接電源通過電感直接向UV燈管供電。在閉合Kl的瞬間，會出現(xiàn)一個大約10安培的峰值電流。
[0010]第三階段:升壓斬波(Boost)階段
[0011]控制電路檢測到輸出電流小于7安培后，開啟Q2，Q3。整個電路等效于一個升壓斬波(Boost)電路。
[0012]其中，Q2是Boost電路中的主開關(guān)，Q3是確保Q2，DR工作在軟開關(guān)狀態(tài)的輔助開關(guān)。Q2，Q3，DR都工作在全軟開關(guān)工作狀態(tài):Q3在Q2導(dǎo)通前導(dǎo)通，Q3上串聯(lián)有電感Lr，是零電流開通；隨著流過Q3電流的增加，流過主電感L的電流逐漸從DR上轉(zhuǎn)移到Q3，因此DR是軟關(guān)斷；這時與Ql并聯(lián)的電容Cr通過電感Lr諧振放電，在Cr兩端的電壓等于零時，開通Q2，因此Q2是零電壓導(dǎo)通；然后關(guān)斷Q3，由于Cr2的存在，Q3是零電壓關(guān)斷；關(guān)斷Q2時，由于Cr和Cr2的存在，Q2是零電壓關(guān)斷。
[0013]另外，由于目前市面的UV燈管大多數(shù)是雙極性的普通UV燈，具有正負極性的直流UV燈管比較少見，將普通UV燈直接接在直流UV電源上長期使用，會導(dǎo)致與直流UV電源正極相連的燈管的管極因長期遭受電子轟擊而先于負極老化，從而降低UV燈管壽命，為延長UV燈管壽命，在輸出端安裝了一組切換開關(guān)，上電后，在啟動UV燈管之前，先在單片機內(nèi)進行一番運算，把以前點燈時UV燈管的每個電極分別與開關(guān)電源的正極聯(lián)結(jié)的導(dǎo)通時間的總時間做比較，時間少的電極則與開關(guān)電源的正極相連。另外一種簡單的控制策略是:把上次與開關(guān)電源正極聯(lián)結(jié)的UV燈電極與開關(guān)電源負極聯(lián)結(jié)。
[0014]通過對比目前市面上常見的UV燈開關(guān)電源和本發(fā)明可以看出，無論是方波UV電源還是斬波的直流UV電源，凡是流過負載的電流，都必須流過IGBT，并且至少要流過兩個IGBT，而在本發(fā)明的電路中，除去啟機的前大約兩分鐘以Buck電路工作，在正常工作中，以Boost電路工作，在一個PWM周期，僅有不到四分之一的時間IGBT導(dǎo)通，在一個周期的大部分時間，三相電在整流后通過電感直接向負載供電，因此，本電路的IGBT直通損耗只有前面兩套電路的約十分之一；開關(guān)損耗則更?。灰虼?，與目前市面上常見的UV燈開關(guān)電源相t匕，本發(fā)明的開關(guān)電源功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)熱量極?。焕?，同樣是對外輸出8KW的輸出功率，方波UV電源至少需要三個50A的IGBT模塊，如果要以全軟開關(guān)方式工作，則至少需要四個50A的IGBT模塊，斬波的直流UV電源則至少需要兩個50A的IGBT模塊，且只能工作在硬開關(guān)狀態(tài)；而使用本發(fā)明的電源，則僅需要三個40A的IGBT單管即可，造價非常低廉。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是方波UV開關(guān)電源主電路圖，Ql, Q2，Q3，Q4，Q5都是耐壓為1200V的IGBT，其容量由輸出功率決定；D1是續(xù)流二極管，LI是電感，Cl是高頻電容，C2，C3是耐壓為450V的大電解電容；[0016]圖2是斬波的直流UV開關(guān)電源主電路圖，Ql，Q2都是耐壓為1200V的IGBT ；D1,D2，D3，D4是功率二極管，Cl，C2，C3，C4是耐壓為450V的大電解電容。
[0017]圖3是本發(fā)明的直流UV開關(guān)電源主電路圖；Q1，Q2，Q3是IGBT ;D1，D2，D3，DR是功率二極管；Lr，Ll是電感；K1，K3，K4是控制電路中由不同的繼電器控制的空氣接觸器；K1的功能是電源完成啟機(也就是UV燈管壓從約60V上升到接近三相電(或兩相電)整流后的電壓時)后閉合，使電路從Buck向Boost進行切換；K3，K4由控制電路中的一個單刀雙擲繼電器控制，每次開機后，在UV燈管點燈前動作，用來確保UV燈的每個電極與電源輸出的正極相連接時通電工作的總時間大致相等。
圖4是本發(fā)明的直流UV開關(guān)電源主電路及相關(guān)參數(shù)。
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明的直流UV開關(guān)電源在電路上分為兩大部分:控制電路和主電路。控制電路的核心器件是一個具有A/D，D/A轉(zhuǎn)換功能的單片機和兩個分別用來控制Buck IGBT Ql和Boost IGBT Q2的SG3525 (也可以選用一個DSP器件來取代這個單片機和兩個SG3525芯片)，Boost電路中的輔助IGBT Q3由與Q2相關(guān)聯(lián)的SG3525的輸出脈沖經(jīng)過CD4098轉(zhuǎn)換后發(fā)出恒頻的固定脈寬的脈沖來驅(qū)動，并且該脈沖在相位上要提前Q2的驅(qū)動脈沖若于微秒，用以保證Q2在導(dǎo)通時與Q2并聯(lián)的諧振電容Cr上的電荷放電完畢，從而使得Q2可以零電壓開通；三個IGBT分別由三個專業(yè)驅(qū)動厚膜M57959L驅(qū)動；
[0019]控制電路中的工作過程完全由單片機控制，其控制方式敘述如下:
[0020]在上電后，確保在缺省情況下兩個SG3525都沒有驅(qū)動脈沖輸出，從而保證上電安全；單片機內(nèi)部程序經(jīng)過運算，以確定UV燈管兩個電極分別與開關(guān)電源的正極還是負極聯(lián)結(jié)，也就是決定是K3還是K4閉合。
[0021]在單片機收到開機指令后，通過D/A電路和具有負反饋功能的運算放大器向控制Buck IGBT的3525的2腳輸出啟機電平，同時啟動高頻高壓電路工作，使之在UV燈管兩個電極間產(chǎn)生高頻高壓，以擊穿管內(nèi)氬氣，點燃燈管；單片機通過電流傳感器檢測到電路中有電流后，馬上停止高頻高壓電路工作；隨著持續(xù)的加熱和升溫，UV燈管內(nèi)的液態(tài)汞或鹵素離子逐漸蒸發(fā)并參與導(dǎo)電，UV燈管的管壓上升，要維持輸出電流的恒定，單片機必須通過D/A電路向控制Buck IGBT的3525的2腳輸出逐漸上升的電平，直到檢測到輸出電壓接近三相電整流后的電壓時止(本例中取480V);這個過程大概持續(xù)兩分鐘左右，電路等效于一個Buck電路，詳細的主電路圖見圖4，由于Buck電路工作時間短，為了降低成本，降壓斬波用的IGBT可以工作在帶緩沖的硬開關(guān)狀態(tài)；圖4中的Rl，D0，C4以及小電感LI就是Ql的復(fù)合緩沖電路；在檢測到輸出電壓大于480V后，單片機發(fā)出指令，閉合K1，然后關(guān)閉Ql ;這時會出現(xiàn)一個大約10安培的峰值電流，在檢測到流過電感L2的電流小于7安培后，單片機發(fā)出指令，開啟Q2，Q3 ;這時，整個電路等效于一個Boost電路；由于在關(guān)機前的長時間里，整個電路一直以Boost電路工作，為了降低IGBT開關(guān)損耗，主開關(guān)Ql必須工作在全軟開關(guān)狀態(tài)，因此，在基本的Boost電路中增加了電感L3和IGBT Q3，目的是使Q2能夠做到零電壓開通；圖4中的功率二極管D2，D3和諧振電容Cr2的加入，目的是使輔助IGBT Q3能夠零電壓關(guān)斷；圖4中的直流UV開關(guān)電源最大可以輸出8KW的輸出功率；輸出電壓由UV燈管的管壓決定，一般在650V和900V之間；其中，三相整流橋選用75A/1600V整流橋；Q1選用 25A/1200V 的 FGA25N120ANTDIGBT 單管，Q2，Q3 選用 40A/1200V 的 K40T120IGBT 單管；功率二極管 DR 選用 60A/1200V 的 DSEI60-12A，Dl, D2, D3 選用 30A/1200V 的 DSEI30-12A ;電感LI選用飽和小電感，電感量約20uH ;為了能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出功率，主電感L2的電感量取值至少為2.0mH，制作時選用開氣隙的EE65鐵氧體，氣隙厚1.5mm，共繞線75圈，并且要求通過最大電流18安培時電感不飽和；由于一個電感達不到要求，實用時，將兩個EE65電感串聯(lián)起來，就可以達到要求；電感L3則選用開氣隙的EE55鐵氧體，要求通過最大電流18安培時電感不飽和，電感量設(shè)定為300uH ;在測試中發(fā)現(xiàn)流過Q3的電流有較大的震蕩；實際安裝時是把一個電感量是300uH的電感與一個飽和電感串聯(lián)起來作為L3使用，能夠較好地抑制流過輔助IGBT Q3的電流的震蕩；其它參數(shù)的設(shè)定按照圖4中器件參數(shù)的標定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于UV燈管的直流UV開關(guān)電源，其特征在于: 在控制電路的控制下，在啟機階段(UV燈管已經(jīng)點著，且UV燈管的管壓小于三相電(或兩相電)整流后的電壓)，直流UV開關(guān)電源的主電路等效于一個降壓斬波電路；在UV燈管的管壓上升到接近三相電(或兩相電)整流后的電壓時，通過閉合開關(guān)K(K可以是繼電器，或者是空氣接觸器)以及改變相關(guān)功率器件的工作狀態(tài)，主電路從降壓斬波電路轉(zhuǎn)換為升壓斬波電路。在UV燈管的管壓大于三相電(或兩相電)整流后的電壓時，直流UV開關(guān)電源的主電路等效于一個升壓斬波電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的直流UV開關(guān)電源，其特征在于:主電路中包含的降壓斬波電路和升壓斬波電路共用同一個電感。
3.一種用于UV燈管的直流UV開關(guān)電源，其特征在于: 具有極性轉(zhuǎn)換功能，利用控制電路中單片機或DSP的記憶功能和運算功能，在上電后通過一番運算，閉合相應(yīng)的開關(guān)，以達到改變UV燈管兩個電極極性的目的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的直流UV開關(guān)電源，其特征在于:改變UV燈管兩個電極極性而閉合相應(yīng)的開關(guān)，總是發(fā)生在上電之后，點燈之前。
【文檔編號】H05B41/36GK103458596SQ201310271788
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月25日
【發(fā)明者】易智勇 申請人:易智勇