容性負(fù)載的中小功率高頻高壓電源的研究與設(shè)計(jì)

由于臭氧發(fā)生片負(fù)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(gòu)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(fù)載的固有電容并聯(lián)，增大諧振回路的電容量，同時(shí)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(chǎng)又要耦合到雙高變壓器的初級(jí)，影響功率開關(guān)管的工作狀況。為能達(dá)到臭氧發(fā)生片的技術(shù)要求，可以借鑒開關(guān)電源的部分資料和電路基本原理來(lái)進(jìn)行高頻高壓電源的設(shè)計(jì)。運(yùn)用優(yōu)異的脈寬調(diào)制器采用結(jié)構(gòu)均流技術(shù)，并配以各種完善的保護(hù)功能，使得高頻開關(guān)電源可靠性問(wèn)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(shù)指標(biāo)

沿面陶瓷放電臭氧片的技術(shù)指標(biāo)如下：型號(hào)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(fù)載要求，擬定高頻高壓電源的技術(shù)指標(biāo)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(dòng)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(jiǎn)單，調(diào)試方便。但開關(guān)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(guān)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(guān)功率器件選用VMOS管。雙高變壓器視它為一個(gè)設(shè)在能源與負(fù)載問(wèn)的一個(gè)適配器；它不但要傳送功率電路的能量到負(fù)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(diǎn)。驅(qū)動(dòng)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(guān)于控制接口電路，當(dāng)控制電平為低電平，驅(qū)動(dòng)電路的輸出電平也為零，功率電路工作在截止?fàn)顟B(tài)，為了防止誤觸發(fā)，在控制電路接口中還應(yīng)設(shè)置防誤觸發(fā)電路，以保護(hù)電路準(zhǔn)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(guò)流自保護(hù)電阻，來(lái)保證電路的安全工作。

3 高頻高壓變壓器的設(shè)計(jì)和制作工藝

1)高頻高壓變壓器的設(shè)計(jì)

為使雙高變壓器滿足擬定的技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)變壓器初級(jí)繞組、磁芯截面積、繞組導(dǎo)線截面積的計(jì)算得出雙高變壓器的制作參數(shù)

變壓器初級(jí)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(guò)變壓器線圈電流有效值，j：為電流密度(2～3A／mm2)

關(guān)于繞組線徑，這里只是概算，由于高頻電流的趨膚效應(yīng)，使高頻電流只在導(dǎo)線的表面流動(dòng)，因此，在公式中計(jì)算出的線徑，適當(dāng)加大一點(diǎn)，以線圈骨架能裝下為止。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(jí)匝數(shù)20圈，次級(jí)匝數(shù)1300圈，骨架結(jié)構(gòu)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(jià)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(lái)解決變壓器的絕緣處理。絕緣的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于容器，要求容器能夠在不斷的運(yùn)動(dòng)、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(wàn)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(yù)留敷銅框，該銅框與外殼