基于脈沖屏蔽調(diào)制的表面處理電源研制

摘要：塑料薄膜表面處理的負載通常由電容器組成，由于電容器具有非線性，使逆變電源的設(shè)計非常困難。通過串聯(lián)諧振逆變器經(jīng)匹配變壓器與電容器負載連接，被認為是一種高效實用的解決方法。結(jié)合上述電路拓撲結(jié)構(gòu)，提出一種基于脈沖屏蔽調(diào)制(PMM)策略的塑料薄膜表面處理電源。PMM用于調(diào)節(jié)諧振逆變器的功率輸出，同時保證逆變電路中開關(guān)器件始終工作在零電壓和零電流開關(guān)狀態(tài)，進一步減小開關(guān)損耗，提高表面處理電源的工作效率。實驗結(jié)果表明，與采用傳統(tǒng)脈沖移相調(diào)制的表面處理電源相比，采用PMM的塑料薄膜表面處理電源結(jié)構(gòu)更加緊湊，設(shè)備效率更高，功率調(diào)節(jié)范圍進一步擴大。
關(guān)鍵詞：電源；脈沖屏蔽調(diào)制；諧振逆變器；軟開關(guān)

1 引言
塑料薄膜表面處理電源廣泛應(yīng)用于包裝工業(yè)領(lǐng)域，使薄膜對油墨具有更好的吸附性能。當一個高頻電壓加在兩個電極間時，會產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，這個高頻電壓稱為放電起始電壓。周圍環(huán)境溫度的變化容易造成放電起始電壓值的改變，這將造成電暈表面處理過程輸出功率突增，產(chǎn)生的火花溫度過高，致使薄膜被擊穿。為了在正常大氣狀況下產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈放電過程，需要逆變器提供電源。傳統(tǒng)的基于直流側(cè)電壓控制的串聯(lián)諧振逆變器由于體積大、成本高和系統(tǒng)響應(yīng)速度慢等缺點，已逐漸被脈沖頻率調(diào)制、脈沖移相調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制等控制方法取代。但是，上述控制方法中功率開關(guān)器件不能總是保持零電流和零電壓開關(guān)狀態(tài)，這樣容易導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，使得電源效率降低。
這里提出一種基于PMM的塑料薄膜表面處理電源。PMM策略能保證逆變器工作在恒壓恒頻條件下，同時功率開關(guān)器件始終工作在零電流和零電壓開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗減小。而PMM除在全功率輸出狀態(tài)下開關(guān)頻率等于諧振頻率外，在其余輸出功率值時開關(guān)頻率都低于諧振頻率，這進一步降低了開關(guān)損耗，提高了設(shè)備效率。

2 塑料薄膜表面處理系統(tǒng)
塑料薄膜表面處理系統(tǒng)如圖1所示。它由高壓放電電極和表面帶有絕緣介質(zhì)的接地電極組成，欲處理的塑料薄膜通過兩個電極的間隙進行加T處理。為提高導(dǎo)電性能，高壓放電電極通常做成刀型，進一步增加放電面積。而接地電極是一長度為1．6 m的圓筒，上面帶有的絕緣介質(zhì)厚度為3 mm，目的是為了避免電暈放電過程中發(fā)生突變，產(chǎn)生電弧，從而對設(shè)備和人員造成傷害。

圖2示出塑料薄膜表面處理電源的主電路拓撲結(jié)構(gòu)。直流側(cè)電源由一個三相二極管不可控整流電路構(gòu)成，逆變側(cè)為一單相全橋串聯(lián)諧振逆變器，開關(guān)器件由兩個雙單元IGBT模塊組成，緩沖電容Cs并聯(lián)在IGBT的集電極和發(fā)射極兩端，實現(xiàn)功率器件軟開關(guān)。逆變器通過一個升壓型匹配變壓器與負載輸出端相連，產(chǎn)生電暈放電過程所需的高頻電壓。

3 脈沖屏蔽調(diào)制
3．1 原理分析
PMM基本原理為：在1個PMM周期T內(nèi)，包含n個小的功率調(diào)節(jié)單位，即T=nTo(To為逆變電路負載的諧振周期)，其中，只有1個小的功率調(diào)
節(jié)單位逆變電路處于自由衰減振蕩狀態(tài)，其余(n-1)個功率調(diào)節(jié)單位逆變電路處于輸出功率狀態(tài)，圖3示出PMM電壓源串聯(lián)諧振逆變電路的開
關(guān)運行模式，為了便于描述，將整流側(cè)簡化為1個直流電源。

1個傳統(tǒng)的電壓源串聯(lián)諧振逆變電路工作在模式1和2，對應(yīng)圖3a，b，向諧振負載輸出方波電壓；當逆變電路工作在自由衰減振蕩狀態(tài)時，逆變電路輸出電壓為零，對應(yīng)圖3c，d，在模式3，4期間，產(chǎn)生的門極開通信號驅(qū)動兩個橋臂的下開關(guān)管功率器件V2和V4，此時下橋臂的V2和V4與其對橋臂的電容構(gòu)成導(dǎo)通回路，輪流導(dǎo)通，為負載電流提供1個雙向流動的自由衰減振蕩回路。