容性負載的中小功率高頻高壓電源的研究與設計

容性負載的中小功率高頻高壓電源的研究與設計

0 引言
??? 由于臭氧發(fā)生片負載性質(zhì)呈電容性，雙高變壓器的高壓線圈呈電感性，連接在一起構成諧振回路，諧振回路都有自己固有的諧振頻率，只有在固有的諧振頻率下臭氧發(fā)生片才能獲得最大的能量。另高壓線圈存在分布電容，該電容一方面與負載的固有電容并聯(lián)，增大諧振回路的電容量，同時又要消耗電路一部分能量。并且該回路交變電流產(chǎn)生的電磁場又要耦合到雙高變壓器的初級，影響功率開關管的工作狀況。為能達到臭氧發(fā)生片的技術要求，可以借鑒開關電源的部分資料和電路基本原理來進行高頻高壓電源的設計。運用優(yōu)異的脈寬調(diào)制器采用結構均流技術，并配以各種完善的保護功能，使得高頻開關電源可靠性問題得到了圓滿解決。滿足低紋波要求，且體積小，重量輕，節(jié)能環(huán)保。

1 臭氧發(fā)生片的技術指標
??? 沿面陶瓷放電臭氧片的技術指標如下：型號FCY－3500，電容量120土20pF，耐壓>7kV，產(chǎn)03率3500mg／h，工作頻率20～30kHz，電源功率45 W。
??? 根據(jù)負載要求，擬定高頻高壓電源的技術指標如下：輸出功率(3500mg／h)≥60W，輸出高壓Up-p≥7．5kV，工作頻率≥20kHz，供電電壓DC24V±2V。

2 高頻高壓電源的工作原理
? 為使電源能夠帶動功率45W沿面陶瓷放電臭氧片，所以開發(fā)的雙高電源定義在中小功率的范圍內(nèi)，選用單管他激式電路，該電路較簡單，調(diào)試方便。但開關功率管要承受比其它電路更高的反向擊穿電壓(BVce0)。其原理框圖如圖1所示。

??? 其工作原理如下：開關功率電路采用他激式單管脈沖功率放大電路，可為臭氧發(fā)生片提供足夠大的高頻、高壓脈沖電流，使臭氧發(fā)生片產(chǎn)生足夠的電暈。開關功率器件選用VMOS管。雙高變壓器視它為一個設在能源與負載問的一個適配器；它不但要傳送功率電路的能量到負載，而且它的性能(如分布電容、漏感等)又要制約功率電路的工作情況。為解決這一電路制作的難點。驅(qū)動電路使用CMOS與門集成電路，利用與門的特性，我們可以方便地控制VMOS管的工作狀態(tài)。關于控制接口電路，當控制電平為低電平，驅(qū)動電路的輸出電平也為零，功率電路工作在截止狀態(tài)，為了防止誤觸發(fā)，在控制電路接口中還應設置防誤觸發(fā)電路，以保護電路準確工作，避免大功率器件因瞬間高頻干擾而損壞。并且在電路中采用了過流自保護電阻，來保證電路的安全工作。

3 高頻高壓變壓器的設計和制作工藝
??? 1)高頻高壓變壓器的設計
??? 為使雙高變壓器滿足擬定的技術指標，通過對變壓器初級繞組、磁芯截面積、繞組導線截面積的計算得出雙高變壓器的制作參數(shù)
??? 變壓器初級匝數(shù)：
??? 磁芯截面積：
??? 式中Se：磁芯窗口面積，Po：臭氧發(fā)生片功率×1．3，Sc：磁芯截面面積(cm2)，U：直流供電電源電壓(V)，Bm：是磁性材料的飽和磁通密度，其值一般800～2 000，f:振蕩電路輸出頻率(Hz)
??? 繞組線徑：
??? 式中：Id：流過變壓器線圈電流有效值，j：為電流密度(2～3A／mm2)
??? 關于繞組線徑，這里只是概算，由于高頻電流的趨膚效應，使高頻電流只在導線的表面流動，因此，在公式中計算出的線徑，適當加大一點，以線圈骨架能裝下為止。通過理論計算和實驗確定雙高變壓器參數(shù)如下：規(guī)格為DC24V3500，鐵氧體磁芯采用E128，初級匝數(shù)20圈，次級匝數(shù)1300圈，骨架結構6 槽。
??? 2)高頻高壓變壓器制作
??? 變壓器骨架為了減少分布電容，變壓器骨架線圈繞組加工6槽，變壓器高壓線圈也采用分槽繞線。槽繞線圈約200圈。
??? 為解決雙高變壓器層間絕緣，中小型高壓變壓器一般都采用真空浸漆、環(huán)氧樹脂封裝，但此種工藝小批量不好加工，且價格昂貴。因此采用了較為成熟的高壓變壓器浸泡在絕緣油中的方法，來解決變壓器的絕緣處理。絕緣的設計關鍵在于容器，要求容器能夠在不斷的運動、巔簸中，油不漏不溢，能耐180℃的溫度、散熱性能良好，變壓器有近萬伏的高壓輸出，因此要求容器耐高壓電。為了滿足變壓器制作要求，變壓器容器的外殼采用0．2厚不銹鋼鐵皮，外殼的上蓋是一塊印制板，并在此印制扳上制作了緩沖電路、變壓器引出頭等，四周預留敷銅框，該銅框與外殼