基于SIR的高频高压开关电源的设计与实现

【摘要】为了提高静电除尘效率及改变传统的工频变压器体积大成本高等缺点，针对高频电源在静电除尘中得应用问题，设计一款高性能高频高压大功率除尘电源；并介绍了基于印制电路板变压器的设计理念，通过现场测试证明了方案的可行性，为大功率高频高压开关电源的开发提供了新的实践基础。

【关键词】全桥变换；PWM；软开关；零电压关断；零电流开通；UCC3895；开关频率

随着现代工业的发展，大气污染已经严重影响到生态环境和人们的身体健康，因此，烟气的净化越来越受到人们的关注。静电除尘器以其高效、节能、功耗低等特点，广泛应用于冶金、电力、化工等各个领域，它采用高压直流电源控制技术，目前主要有传统SCR工频电源和和高频SIR电源，由于传统的SCR电源采用工频移相交流调压的控制原理，其优点为：控制原理简单；设备经过多年的改进，目前绝大部分采用计算机（单片机）控制，成本低廉；但由于控制原理的局限性，使得SCR电源具有效率低、耗电、因工作在工频50Hz，使得变压器体积大，重量大，吊装施工较复杂、交流移相控制，使得电网测谐波严重。采用两相供电，对电网来说是不均衡负载、由于采用交流移相调压，使得输出高压波形比较单一，对高浓度粉尘，高比电阻粉尘等工况的适应性比较差及除尘效果差等缺点。

上述原因成为SCR电源供电性能进一步提高的瓶颈。另外在变压器的制作过程供由于采用高频信号，传统绕线方式容易产生电抗和绝缘问题，使磁芯发热，容易产生谐波导致整流电路烧毁。本文采用高频开关技术与印制电路板变压器技术相结合的方案，在对高频高压开关电源的稳定性上起到一个明显的效果.系统采用的硬件电路控制芯片UCC3895是一款移相PWM控制器，它可对全桥开关的相位进行移相控制，实现全桥功率级固定频率脉宽调制功能。它允许恒定频率脉冲宽度调制与谐振零电压开关，在高频率下提供较高的工作效率，还包含有电压模式和电流模式下的控制器。采用升压变压器采用的是PCB线圈绕组结构，在U形磁芯上绕铜线绕组，作为变压器的初级线圈，接入由全桥变换电路输出的500伏、50千赫兹的原边电压，将PCB线圈绕组板和有机玻璃板交替叠加，放在磁芯正中，作为升压变压器次级线圈，每块PCB板的线圈输出接全桥整流电路，将升压后的交流电整流为无干扰的直流电，将每块PCB板串联起来，总的输出电压为各块PCB上的电压值之和。

1.高频高压开关电源控制系统设计

1.1 电源控制系统结构图

图一为高频高压开关电源内部结构图。控制板主输入电路5从外部引进380伏三相电压，经三相开关和交流接触器后，通过三相整流器整流成500伏的直流电压，经全桥变换电路升频为50千赫兹的500V高频交流电压后，送至升压变压器的原边，作为升压变压器的输入电压；升压变压器再将500伏50千赫兹的交流电压升压为70千伏的高压电，最后由升压变压器内的全桥整流电路整流为直流电输出，给工业设备供电；开关电源变压模块将220伏交流电压整流为低压的直流点供给电路芯片用电；脉宽调制电路的UCC3895控制芯片输出控制信号，通过栅极全桥驱动电路给全桥变换电路提供驱动信号；UCC3895芯片还可从升压变压器输出电压中通过电压取样电路和电流取样电路采样，通过负反馈来控制全桥变换电路7输出波形的占空比，从而达到控制输出功率的目的。

1.1.1 死区时间设置

如图二所示，占空比是指开关导通时间Ton和关断时间Toff之间的关系，即：δ=Ton/T

确定最大占空比，要根据采用的电路形式，对于桥式逆变电路，为防止桥臂上下两只管子直通，要留有一段固定的死区时间r，这样就确定了最大占空比max，即：

max=（T-t）/T=（Tc-2t）/Tc

1.1.2 PWM脉宽调制技术（如图三、四所示）

1.2 高频变压器的设计

升压变压器（图五）是一种油浸风冷变压器，由U形磁芯、有机玻璃板、次级线圈PCB板线圈绕组和初级线圈铜线绕组组成，两幅U形磁芯为变压器提供感应磁场，初级线圈铜线绕组是初级线圈，输入是经全桥变换电路整流后的500伏50千赫兹的高频交流电压，次级线圈PCB板线圈绕组是次级线圈，输出为升压后的高频高压直流电，次级线圈PCB板线圈绕组在磁芯中的放置采用有机玻璃板隔开，变压器外部结构采用环氧板用不锈钢螺丝固定。

1.3 PCB电路板的设计

PCB板为双面板（图六），正反两面的线圈绕组构成变压器次级线圈，升压后的高压交流电再经全桥整流电路整流为高频高压的直流电输出。取样电路从变压器输出线路中取出电流和电压的样本反馈到电压取样电路和电流取样电路，通过脉宽调制控制电路的UCC3895来调节输出脉宽的占空比，以达到变压器输出功率可调节的目的。

2.现场测试

通过在襄樊第二水泥的现场进行200小时不间断运行，测试结果如下：本体设计分3级电场，使用电源设备3台，一级电场火花频率设定70次，二级电场频率设置40次，三级电场设置10次。测试期间运行状态良好，一级火花率为60次/min，二级火花率30次/min，3级火花率15次/min。除尘效率达到95%，排量30毫克。结论，设备安全可靠效果明显。

3.结束语

高频高压开关电源是未来电除尘设备的主流供电电源，本项目提出的全新的高频信号调制方式与印制电路变压器结合的方式对电源的整体性能有了一个明显的提高，同时也给今后高频电源的发展提供了一个新的标准。

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