一種激發(fā)等離子體的軟開關(guān)電源的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種激發(fā)等離子體的軟開關(guān)電源，它涉及逆變電源【技術(shù)領(lǐng)域】。它包括第一IGBT單管、第二IGBT單管、第一二極管、第二二極管、第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第一電感、第二電感、第三電感和第四電感，第一IGBT單管的發(fā)射極分別接第一二極管、第二電容至第一IGBT單管的集電極，第二IGBT單管的發(fā)射極分別接第二二極管、第三電容至第二IGBT單管的集電極，第一IGBT單管的發(fā)射極依次接第四電容、第二電感、第三電感、第四電感、電阻至第二IGBT單管的發(fā)射極。本實用新型充份利用電路特性，消除了開關(guān)損耗，提高了電路的效率，成本低、耗能小、且對環(huán)境污染少，應(yīng)有廣泛。
【專利說明】
—種激發(fā)等離子體的軟開關(guān)電源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及逆變電源【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種激發(fā)等離子體的軟開關(guān)電源。

【背景技術(shù)】
[0002]在電力電子技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)代，逆變電源技術(shù)廣泛應(yīng)用于運用于各類行業(yè)，包括電力、通訊、工業(yè)設(shè)備、衛(wèi)星通信設(shè)備、軍用車載、醫(yī)療救護(hù)車、警車、船舶、太陽能及風(fēng)能發(fā)電各個領(lǐng)域，逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)進(jìn)行電能變換的裝置，它從交流輸入獲得穩(wěn)壓恒頻的交流輸出，同時對逆變電源輸出電壓波形質(zhì)量提出了越來越高的要求，逆變電源輸出波形質(zhì)量包括穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好以及負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，這種結(jié)構(gòu)簡單動靜態(tài)性能優(yōu)良和負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)的逆變電源，一直是研究者在逆變電源方面追求的目標(biāo)。
[0003]近年來，軟開關(guān)技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，提出了不少高效率的電路拓?fù)洌渲邪霕蜍涢_關(guān)變換器是普遍研究的一個課題，它省去了過去半橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分壓電容和分壓電阻；利用電路本身分布特性和外加的元件參數(shù)，通過變壓器漏感(槽路電感)和開關(guān)寄生電容(槽路電容)的諧振，實現(xiàn)零電壓開關(guān)；這種電路保持了 PWM開關(guān)模式的低開關(guān)導(dǎo)通損耗，而且消除了開關(guān)的導(dǎo)通損耗，可以得到很高的效率。
[0004]所謂等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)，它由電離的導(dǎo)電氣體組成，其中包括六種典型的粒子，即電子、正離子、負(fù)離子、激發(fā)態(tài)的原子或分子、基態(tài)的原子或分子以及光子。事實上等離子體就是由上述大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成的，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體，也就是高度電離的氣體，無論是部分電離還是完全電離，其中的負(fù)電荷總數(shù)等于正電荷總數(shù)，所以叫等離子體；激發(fā)等離子體我們采用介質(zhì)阻擋放電(DBD)，它是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電又稱介質(zhì)阻擋電暈放電或無聲放電，介質(zhì)阻擋放電能夠在高氣壓和很寬的頻率范圍內(nèi)工作，通常的工作氣壓為104-106，電源頻率可從50Hz至IMHz,電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計形式多種多樣。在兩個放電電極之間充滿某種工作氣體，并將其中一個或兩個電極用絕緣介質(zhì)覆蓋，也可以將介質(zhì)直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質(zhì)填充其中，當(dāng)兩電極間施加足夠高的交流電壓時，電極間的氣體會被擊穿而產(chǎn)生放電，即產(chǎn)生了介質(zhì)阻擋放電。
[0005]現(xiàn)有激發(fā)等離子的技術(shù)普遍技術(shù)復(fù)雜，開關(guān)損耗高，電路效率低，成本高昂且耗能高，對環(huán)境的污染比較嚴(yán)重，難以發(fā)揮其應(yīng)有的作用，基于此，設(shè)計一種激發(fā)等離子體的軟開關(guān)電源還是很有必要的。
實用新型內(nèi)容
[0006]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實用新型提供一種激發(fā)等離子體的軟開關(guān)電源，設(shè)計合理，充份利用電路特性，消除了開關(guān)損耗，提高了電路的效率，成本低、耗能小、且對環(huán)境污染少，應(yīng)有廣泛。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種激發(fā)等離子體的軟開關(guān)電源，包括第一IGBT單管、第二 IGBT單管、第一二極管、第二二極管、第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第一電感、第二電感、第三電感和第四電感，輸入電源的一端接第一電感至第一 IGBT單管的集電極，輸入電源的另一端接第二 IGBT單管的發(fā)射極，第一 IGBT單管的集電極與第二 IGBT單管的發(fā)射極之間接有第一電容，第一 IGBT單管的發(fā)射極接第二 IGBT單管的集電極，第一 IGBT單管的發(fā)射極分別接第一二極管、第二電容至第一 IGBT單管的集電極，第二IGBT單管的發(fā)射極分別接第二二極管、第三電容至第二 IGBT單管的集電極，第一 IGBT單管的發(fā)射極依次接第四電容、第二電感、第三電感、第四電感、電阻至第二 IGBT單管的發(fā)射極。
[0008]作為優(yōu)選，所述的第四電感兩端接變壓器原邊，變壓器副邊接輸出電壓，第四電感為變壓器勵磁電感。
[0009]作為優(yōu)選，所述的第四電容為諧振電容，第二電感為諧振電感，第三電感為變壓器漏感。
[0010]本實用新型的有益效果:給等離子體發(fā)生器兩端提供高頻高壓，讓等離子發(fā)生器在高壓下放電，從而生成處理廢氣的氣體，該技術(shù)成本低、耗能小、環(huán)境污染少，能處理工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)等制造的廢氣。
[0011]以下將結(jié)合附圖對本實用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特征和效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的電路圖；
[0013]圖2為本實用新型的不對稱半橋理想波形圖；
[0014]圖3為本實用新型不對稱半橋開關(guān)第二 IGBT單管的ZVS過程波形圖。

【具體實施方式】
[0015]參照圖1-3，本【具體實施方式】采用以下技術(shù)方案:一種激發(fā)等離子體的軟開關(guān)電源，包括第一 IGBT單管S1、第二 IGBT單管S2、第一二極管Ds1、第二二極管Ds2、第一電容Cl、第二電容Cs1、第三電容Cs2、第四電容Co、第一電感L1、第二電感Lo、第三電感Lk和第四電感Lm,輸入電源的一端接第一電感LI至第一 IGBT單管SI的集電極,輸入電源的另一端接第二 IGBT單管S2的發(fā)射極，第一 IGBT單管SI的集電極與第二 IGBT單管S2的發(fā)射極之間接有第一電容Cl，第一 IGBT單管SI的發(fā)射極接第二 IGBT單管S2的集電極，第一 IGBT單管SI的發(fā)射極分別接第一二極管Ds1、第二電容Csi至第一 IGBT單管SI的集電極，第二IGBT單管S2的發(fā)射極分別接第二二極管Ds2、第三電容Cs2至第二 IGBT單管S2的集電極，第一 IGBT單管SI的發(fā)射極依次接第四電容Co、第二電感Lo、第三電感Lk、第四電感Lm、電阻R至第二 IGBT單管S2的發(fā)射極，第四電感Lm兩端接變壓器原邊，變壓器副邊接輸出電壓。
[0016]值得注意的是，所述的第四電容Co為諧振電容，第二電感Lo為諧振電感，第三電感Lk為變壓器漏感，第四電感Lm為變壓器勵磁電感。
[0017]本【具體實施方式】包括兩個功率IGBT單管，其中第一 IGBT單管SI的占空比為D，第二 IGBT單管S2的占空比為(1-D);第一二極管Dsi和第二二極管Ds2是開關(guān)管內(nèi)二極管，第二電容Csi和第三電容Cs2分別是開關(guān)的結(jié)電容和IGBT單管緩沖吸收電容之和，Np為變壓器原邊匝數(shù)，Ns為變壓器副邊匝數(shù)。
[0018]本【具體實施方式】電路穩(wěn)態(tài)工作原理為:第一 IGBT單管SI和第二 IGBT單管S2交替導(dǎo)通；第一 IGBT單管SI導(dǎo)通時，第二電容Csi放電，第三電容Cs2和第四電容Co充電，第二電感Lo、第三電感Lk儲能，在死區(qū)時間內(nèi)，電感電流因第一 IGBT單管S1、第二 IGBT單管S2截止，其續(xù)流經(jīng)第二 IGBT單管S2的并聯(lián)第二二極管Ds2 ;其后第二 IGBT單管S2導(dǎo)通，第四電容Co、第三電感Lk的儲能經(jīng)第二 IGBT單管S2釋放，電流反向完成一個周期，第二 IGBT單管S2關(guān)斷后，電流經(jīng)第一 IGBT單管SI的并聯(lián)第二二極管Ds2續(xù)流。
[0019]理想和工作波形見圖2，n = Np/Ns,通過對電路的穩(wěn)態(tài)分析可以得到以下的公式:
[0020]諧振電路發(fā)生器諧振時，電感繞組的電壓Ul = Q.Vin,電容器上最大電壓Uc =Q.Vin ;串聯(lián)諧振負(fù)載R為:
UH
[0021]B.=——

IH.1
剛.=^f-)

K JX、丨、€./

I
[0023]ω0 =............................................................\ L ■ C
[0024]ZO = Q.R
Z0
[0025]L =-
2π.|

I
[0026]C =――—-

2 TT ■ / ■ Z0
[0027]下面分了 3個工作模式來分析第二 IGBT單管S2的ZVS過程，理想的工作波形見圖3。
[0028]I)開關(guān)模式I (tft)在此時刻，第一 IGBT單管SI關(guān)斷，第一 IGBT單管SI的寄生電容和并聯(lián)電容，即第二電容Csi被線性充電，第二 IGBT單管S2的寄生電容和并聯(lián)電容，即第三電容Cs2線性放電，此階段在h時刻VA = Vco結(jié)束。
[0029]2)開關(guān)模式2(t「t2)t = &時，變壓器原邊電壓變?yōu)樨?fù)，第二電容Cs1、第三電容Cs2、第四電容Co、第三電感Lk、第二電感Lo發(fā)生串聯(lián)諧振。
[0030]VA = Vco-1pi.In.Sinco^t-tJ
[0031]Ip (t) = Ipi.Cos ω 0 (t-t^
[0032]式中:IP1為&時變壓器原邊電流；

ILk.Lo
[0033]Zn 為特征阻抗，Zn = I1 1:1


,j CSi^CS2.C0
1 i
[0034]ω。為諧振角頻率，Wi =—:.......?—IXI


i,LK^o4Csi4Cs2,Co,



Λ?
[0035]由于負(fù)壓加在第三電感Lk、第二電感Lo上，漏電流Ip開始減小。
[0036]3)開關(guān)模式3(t2_t4)在t = t2時，VA = O時，第二 IGBT單管S2體內(nèi)的第二二極管Ds2開始導(dǎo)通，為第二 IGBT單管S2創(chuàng)造了零電壓開通的條件，這時一個恒定電壓Vcq加在第三電感Lk、第二電感Lo,變壓器原邊電流Ip線性下降,在t = t3時，Ip過零,并反向增大，第二 IGBT單管S2必須在t2-t3之間導(dǎo)通，否則將失去零電壓開通條件，所以要適當(dāng)設(shè)計開關(guān)脈沖之間的死區(qū)時間
[0037]通過對第二 IGBT單管S2的開通瞬態(tài)分析可知，要使開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS開通，必須滿足以下兩個條件:
[0038](I)在第二 IGBT單管S2開通時，第二 IGBT單管S2兩端的電壓(即VA)必須小于零且Ip仍為正向，也就是說，電路要有一定的負(fù)載電流。
V^o
[0039]Ip >
[0040]從而得出特征阻抗要滿足的條件為:

η * ￥ ■ Π
_1] P命
[0042](2)兩個開關(guān)脈沖之間要適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時間，使得第二 IGBT單管S2在其電壓過零時開通,也就是要滿足:
[0043]t2—10〈 ta—10〈 t3—10
Oi 乃In V- ^
[0044]其中:t2— tq =+■ arcsin二D_;


j~: ": 2
[0045]t3 - t0 = Ct2 — t0) + (LK + L0)、; (^H1) — 士
[0046]第一 IGBT單管SI的零電壓開通過程同第二 IGBT單管S2類似，當(dāng)?shù)诙?IGBT單管S2關(guān)斷，第一 IGBT單管SI準(zhǔn)備開通時，Ip給第三電容Cs2充電，而第二電容Csi放電，第三電感Lk、第二電感Lo、第二電容Cs1、第三電容Cs2、第四電容Co組成串聯(lián)諧振電路，當(dāng)?shù)诙娙軨si放到零時，第一 IGBT單管SI體內(nèi)的第一二極管Dsi開通，這時開通第一 IGBT單管SI，就實現(xiàn)了第一 IGBT單管SI的ZVS開通。
[0047]本【具體實施方式】有關(guān)參數(shù)及要求如下:交流輸入電壓:Ui = 120V-264V ;交流高壓輸出:15KV ;輸出功率:Po = 100ff ;APFC輸出電壓:Ub = 400V ;電源效率:η = 0.9。
[0048]主要電路參數(shù)計算方法如下:
[0049](I)開關(guān)頻率的選擇
[0050]開關(guān)頻率的選擇很大程度上取決于磁性元件制作，開關(guān)頻率選擇太高，變壓器漏感引起電壓尖峰，使電源損耗增大；相反，如果開關(guān)頻率選擇過低，磁性元件變大，變壓器繞組變多，繞組間的分布電容增加，帶來一定的問題。綜合考慮，從磁性元件的尺寸、繞組繞制的難易程度、耐壓處理、元件的損耗等折衷考慮，APFC電路的開關(guān)頻率采用100ΚΗΖ。[0051 ] ⑵APFC濾波電感的設(shè)計
[0052]因最大平均輸入電流

Y 2 X Po
[0053]Ii = ~二-= 17.456A

r ■ Uimin
[0054]選取電感紋波電流Λ I為額定平均輸入電流Ii的30%，則
廣廣If ? U';!-.- — C"i"nsx;VI— D in as.j,i c ο,.11
[0055]Lo = —-= -= 4bouli

L.! T0,3 * K * j
[0056]式中，Dmax為BOOST電路最大占空比，取0.4; η為電壓效率，取0.9，由此取Lo=520uH。
[0057](3)高壓變壓器的設(shè)計
[0058]由于高頻高壓變壓器變比大，電壓變比使變壓器的非線性嚴(yán)重，特別是在次級高壓側(cè)，由于繞組匝數(shù)多，漏感和分布電容較大，其諧振過程產(chǎn)生的尖峰脈沖會影響到逆變電路的正常工作，甚至?xí)舸┕β势骷?。為提高電源可靠性，在繞制方法上采用新工藝，將高壓線圈分四層來繞，層與層之間用聚四氟乙烯薄膜隔離，既增強(qiáng)絕緣性能，又減小層間電容，提高了變壓器頻寬，提高了電源整體效率。
[0059]a、磁芯規(guī)格選擇
[0060]選擇工作電流密度為δ = 2.5A/mm2,窗口填充系數(shù)Km取0.2，磁芯填充系數(shù)Kc取1.0，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm取1500G，計算功率容量Ap是:
Po X16.f
[0061]AP =-=

2■ r - Bm ■ f ■.5 - Km ■ Kc
[0062]選用新康達(dá)公司UU80/65/30磁芯，其功率容量Ap為205.8cm4,滿足使用要求。
[0063]b、初級匝數(shù)Np計算

U.X 18
[0064]Md =----=25.7

4 * Bm * f.Ae
[0065]取Np 為 35 匝。
[0066]C、次級匝數(shù)Ns計算
[0067]Ns = ~—— = 2625

Ub
[0068]本【具體實施方式】采用了互補(bǔ)的PWM控制，充份利用電路特性，以諧振的方式達(dá)到開關(guān)ZVS開通，從而消除了開關(guān)損耗，提高了電路的效率，本逆變電源在廢氣治理成套裝置里稱為等離子體逆變電源，其作用是給等離子體發(fā)生器兩端提供高頻高壓，讓等離子發(fā)生器在高壓下放電，從而生成處理廢氣的氣體，具有成本低、耗能小、環(huán)境污染少的特點，能處理工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)等制造的廢氣，因此具有廣泛的市場前景，經(jīng)濟(jì)可行，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義。
[0069]以上詳細(xì)描述了本實用新型的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本實用新型的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù)人員依本實用新型的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種激發(fā)等離子體的軟開關(guān)電源，其特征在于，包括第一 IGBT單管(SI)、第二 IGBT單管(S2)、第一二極管(Dsi)、第二二極管(Ds2)、第一電容(Cl)、第二電容(Csi)、第三電容(Cs2)、第四電容(Co)、第一電感(LI)、第二電感(Lo)、第三電感(Lk)和第四電感(Lm)，輸入電源的一端接第一電感(LI)至第一 IGBT單管(SI)的集電極，輸入電源的另一端接第二IGBT單管(S2)的發(fā)射極，第一 IGBT單管(SI)的集電極與第二 IGBT單管(S2)的發(fā)射極之間接有第一電容(Cl)，第一 IGBT單管(SI)的發(fā)射極接第二 IGBT單管(S2)的集電極，第一IGBT單管(SI)的發(fā)射極分別接第一二極管(Dsi)、第二電容(Csi)至第一 IGBT單管(SI)的集電極，第二 IGBT單管(S2)的發(fā)射極分別接第二二極管(Ds2)、第三電容(Cs2)至第二 IGBT單管(S2)的集電極，第一 IGBT單管(SI)的發(fā)射極依次接第四電容(Co)、第二電感(Lo)、第三電感(Lk)、第四電感(Lm)、電阻(R)至第二 IGBT單管(S2)的發(fā)射極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激發(fā)等離子體的軟開關(guān)電源，其特征在于，所述的第四電感(Lm)兩端接變壓器原邊，變壓器副邊接輸出電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激發(fā)等離子體的軟開關(guān)電源，其特征在于，所述的第四電容(Co)為諧振電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激發(fā)等離子體的軟開關(guān)電源，其特征在于，所述的第二電感(Lo)為諧振電感，第三電感(Lk)為變壓器漏感，第四電感(Lm)為變壓器勵磁電感。
【文檔編號】H05H1/46GK204069467SQ201420506607
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】錢黎明 申請人:錢黎明