一種高壓靜電脈沖電源的制作方法
【專利摘要】本實用新型特別涉及一種靜電除塵裝置中的電源部分，解決了現有技術中控制模塊驅動能力受限、能耗較大、成本偏高等問題，其技術方案是設計一種高壓靜電脈沖電源，包括穩壓電路、控制驅動電路、脈沖升壓電路和倍壓整流電路；穩壓電路為整個電路提供供電電壓；控制驅動電路包括振蕩電路、PWM產生電路和驅動電路三個集成電路，脈沖升壓電路將驅動電路所輸出的脈沖調制電壓進行升壓；倍壓整流電路采用并聯結構倍壓電路，將脈沖升壓電路所升壓的電壓進一步升壓并進行整流，最終輸出高壓脈沖。本實用新型體積小，運行穩定可靠，提高了模塊的驅動能力，大大降低了成本。
【專利說明】—種高壓靜電脈沖電源
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種高壓靜電產生裝置，特別涉及一種靜電除塵裝置中的電源部分，具體地是一種通過PWM脈沖調節方式，將低壓脈沖通過脈沖變壓器和倍壓電路升壓整流產生高壓脈沖，可以產生頻率1Hz、脈沖寬度100ms、脈沖幅值-18kV高壓脈沖。
【背景技術】
[0002]靜電除塵裝置廣泛應用于工業生產中，其原理是通過產生幾十千伏直流高壓在靜電極板上建立強電場，對一定粒徑的粉塵顆粒進行靜電吸附，達到除塵效果。靜電除塵裝置由控制電路、升壓電路和電極板組成，控制電路按照一定頻率產生一定幅值的輸出電壓，升壓電路將低壓信號轉化為高壓輸出，電極板用來形成均勻或者不均勻電場。靜電除塵裝置要求高壓靜電脈沖源工作可靠，電路簡單，成本低廉，散熱良好。
[0003]目前，國內對高壓靜電除塵裝置研究雖然較多，但是在技術應用的不同領域仍有下列問題需要說明:
[0004]高壓靜電電源效率和能耗問題。目前高壓靜電產生方式有直流與脈沖兩種，實驗結果表明，脈沖電源比直流電源更有優勢，脈沖電源可以提高高比電阻粉塵收集；形成的低溫等離子體利于煙氣脫硫脫硝；提高臭氧轉化效率；在細胞分選、提純、融合和分裂具有優勢。此外，脈沖電源比直流電源節電50 %左右。
[0005]電源總成本偏高。目前廣泛應用單片機、PLC作為控制單元，外加輔助電路復雜，所需電子器件和集成電路過多，導致其硬件成本居高不下，價格優勢不明顯。
[0006]控制模塊驅動能力受限。在不采用橋式電路情況下，單片機的輸出電流只有十幾毫安，將會大大降低升壓電路的效率，導致升壓電路體積增大，成本增加，而升壓電路的體積和器件成本本身就高，應從提高驅動能力考慮，盡量避免此種情況出現。
【發明內容】
[0007]本實用新型的目的是針對目前廣泛應用的靜電除塵裝置，采用合理的集成電路，設計出低成本的脈沖電源，解決輸出功率受限的問題，并保證脈沖電源輸出波形穩定、體積小、重量輕、安全可靠，能夠滿足輸出電壓要求指標。
[0008]本實用新型解決的技術問題是:設計一種高壓靜電脈沖電源，采用集成電路代替單片機和PLC，在保證輸出性能前提下，不僅節約成本，還可以提高輸出性能，同時提高了控制模塊的驅動能力。
[0009]本實用新型的技術方案是:構建一種高壓靜電脈沖電源，包括穩壓電路、控制驅動電路、脈沖升壓電路和倍壓整流電路；穩壓電路為整個電路提供供電電壓；控制驅動電路包括振蕩電路、PWM產生電路和驅動電路三個集成電路，其中振蕩電路產生使能信號，PWM脈沖產生電路產生PWM脈沖電壓，振蕩電路所產生的使能信號控制PWM脈沖產生電路的使能端，對PWM脈沖電壓進行調制，驅動電路對調制后的PWM脈沖電壓進行升壓，提高調制后PWM脈沖電壓的驅動能力；脈沖升壓電路將驅動電路所輸出的脈沖調制電壓進行升壓；倍壓整流電路采用并聯結構倍壓電路，將脈沖升壓電路所升壓的電壓進一步升壓并進行整流，最終輸出高壓脈沖。
[0010]本實用新型的進一步技術方案是:在穩壓電路、控制驅動電路、脈沖升壓電路和倍壓整流電路中，各個元器件的連接關系如下:輸入電壓Vcc給整個電路供電，輸入電壓VCC、電容C6、電阻R1、電阻R2依次串聯；振蕩器Ul與電阻R1、電阻R2、電容Cl、電容C2、電容C6組成振蕩電路，振蕩器Ul的VCC端接供電電壓VCC，振蕩器Ul的GND端接地，振蕩器Ul的DIS端經電阻R1、電阻R2、電容Cl接地，振蕩器Ul的TRIG端經電容Cl接地，振蕩器Ul的TRIG端與THR端短接后經電容Cl接地，振蕩器Ul的CON端經電容C2接地，振蕩器Ul的OUT端輸出使能信號，接入到PWM控制器U2的SHUT端；PWM控制器U2與電阻R3、電阻R4、電容C3、電容C4組成PWM脈沖發生電路，PWM控制器U2的VIN端和PWM控制器U2的VC端接供電電壓Vcc，PWM控制器U2的GND端和PWM控制器U2的INPUT-端接地，PWM控制器U2的INPUT+端接PWM控制器U2的VERF端即基準電壓，PWM控制器U2的CT端經電容C3接地，PWM控制器U2的RT端經電阻R3接地，PWM控制器U2的DIS端接放電電阻R4，經電容C3接地，PWM控制器U2的SS端經電容C4接地，PWM控制器U2的OUTA端和OUTB端輸出PWM脈沖電壓，接入到晶體管驅動器U3的INB端和INA端；晶體管驅動器U3與電容C5組成驅動電路，晶體管驅動器U3的VCC端分出兩路，一路接供電電壓Vcc，一路經電容C5接地，晶體管驅動器U3的GND端接地，晶體管驅動器U3的OUTA端和OUTB端輸出調制升壓后的PWM脈沖電壓，接入到脈沖變壓器Tl的初級；脈沖變壓器Tl的次級接倍壓整流電路；倍壓整流電路為并聯的兩路四倍壓電路，包括D1-D8八個二極管和C7-C15八個電容，其中二極管D8正極接地，二極管D4的負極和二極管D5的正極作為輸入端，接收經脈沖變壓器Tl再次升壓的脈沖電壓，二極管Dl的正極作為負高壓的輸出端，最終輸出高壓脈沖。
[0011]本實用新型的進一步技術方案是:U1為NE555。
[0012]本實用新型的進一步技術方案是:U2為SG3525。
[0013]本實用新型的進一步技術方案是:U3為TC4424。
[0014]本實用新型的進一步技術方案是:脈沖變壓器Tl采用內環型鐵氧體鐵芯，根據實際需要確定要求變比以及變壓器的初級匝數和次級匝數。
[0015]發明效果
[0016]本實用新型的技術效果在于:設計一種高壓靜電脈沖電源，用集成電路代替單片機和PLC，采用NE555輸出信號控制SG3525輸出PWM脈沖序列。利用NE555輸出占空比為90%脈沖控制SG3525的shutdown使能端，將SG3525正負輸入端分別接高電平和地，即可得到占空比10%的PWM脈沖序列。控制電路結構簡單，采用的集成電路數量少，價格低，降低了電源成本。采用晶體管驅動芯片代替MOSFET開關。TC4424輸出電流可達3A，可以替代普遍采用半橋逆變電路，在保證散熱要求條件下，保證脈沖變壓器高壓輸出端電壓穩定；采用雙路并聯倍壓電路降低輸出損耗。倍壓電路串聯結構在倍壓級數超過4級后損耗較高，倍壓能力降低，采用并聯結構可以降低損耗，提高輸出電壓。本實用新型采用雙路4倍壓并聯結構，串聯輸出8倍壓電壓，降低了倍壓電路損耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為脈沖電源組成框圖
[0018]圖2為本實施例中脈沖電源電路原理圖
[0019]圖3為SG3525輸出PWM波形示意圖
[0020]圖4為NE555輸出控制波形示意圖
[0021]圖5為脈沖電源輸出高壓脈沖波形圖
[0022]附圖標記說明
[0023]Ul-NE555, U2 — SG3525，U3 — TC4424。
【具體實施方式】
[0024]下面結合具體實施實例，對本實用新型技術方案進一步說明。
[0025]1.參見圖1，本實用新型包括穩壓電路、控制驅動電路、脈沖升壓電路和倍壓整流電路；穩壓電路為整個電路提供供電電壓；控制驅動電路包括振蕩電路、PWM產生電路和驅動電路三個集成電路，其中振蕩電路產生使能信號，PWM脈沖產生電路產生PWM脈沖電壓，振蕩電路所產生的使能信號控制PWM脈沖產生電路的使能端，對PWM脈沖電壓進行調制，驅動電路對調制后的PWM脈沖電壓進行升壓，提高調制后PWM脈沖電壓的驅動能力；脈沖升壓電路將驅動電路所輸出的脈沖調制電壓進行升壓；倍壓整流電路采用并聯結構倍壓電路，將脈沖升壓電路所升壓的電壓進一步升壓并進行整流，最終輸出高壓脈沖。穩壓電路采用開關電源模塊AC220V/DC15V組成，輸出電壓15±0.5V，作為整個電路的供電電源，不需進行電壓裝換，便可實現輸出脈沖電壓可調。
[0026]2.參見圖2，采用集成電路代替單片機和PLC，在保證輸出性能前提下，不僅節約成本，還可以提高輸出性能。其中振蕩器NE555產生一定占空比的控制脈沖信號，PWM控制器采用SG3525產生PWM脈沖信號，用振蕩器NE555輸出信號控制SG3525使能端，對SG3525信號輸出進行調節后經脈沖變壓器升壓，通過倍壓電路倍壓后輸出高壓脈沖。
[0027]在振蕩器NE555中，GND為地端，TRIG為觸發端，OUT為輸出端，RESET為復位端，VCC為電源端，DIS為放電端，THR為門限(閾值)端，CON為控制端；在PWM控制器SG3525中，INPUT-為反向輸入端，INPUT+為同相輸入端，CT為定時電容接入端，RT為定時電阻接入端，DIS為放電端，SS為軟啟動端，VERF為基準電壓端，VIN為電源端，OUTB-B為輸出端，VC為偏置電壓端，GND為地端，OUTA為A輸出端，SHUT為關斷輸入端；在晶體管驅動器U3中，INA-A為輸入端，GND為地端，INB-B為輸入端，OUTA-A為輸出端，VCC為電源端，OUTB-B為輸出端。
[0028]運用外接電阻電容，在U2的OUTA端、OUTB端輸出端產生PWM脈沖，脈沖頻率50kHz，脈沖幅值10V，死區時間3μ S。為了得到IHz的高壓脈沖，采用振蕩器ΝΕ555作為控制信號對PWM脈沖序列進行調制。選擇合適的附加電阻電容可以得到頻率1Hz，占空比90%的輸出電壓。根據SG3525的控制特性，選擇其低電平有效的SHUT端作為使能端，因為使能端是低電平有效，使SG3525脈沖輸出時間由NE555的輸出信號控制，可輸出總寬度100ms、頻率1Hz、占空比為10%的PWM脈沖序列。這種設計完全省略了 SG3525的外加反饋控制模塊，可節約電源成本。該脈沖序列將作為脈沖變壓器的初級電壓。
[0029]由于SG3525電路直流輸出電流為幾十毫安，直接連接脈沖變壓器初級會導致變壓器驅動能力不夠，使得變壓器耦合系數降低，變壓器次級輸出電壓達不到設定值，進而引起倍壓電路輸出電壓將比預期值低。采取的解決辦法是用驅動電路TC4424作為脈沖變壓器的初級驅動電路。TC4424電源電壓高達22V，輸出最大瞬時電流為3A，而該電路需要的最大瞬時電流為0.5A，故TC4424滿足脈沖變壓器的驅動要求，保證變壓器正常工作。
[0030]脈沖變壓器采用內環型鐵氧體鐵芯，尺寸為26mmX5.2mmX23.5mm，要求變比為150:1。設計變壓器初級匝數3匝，次級匝數500匝，匝數比為500:3。考慮變壓器次級輸出電壓在2?3kV左右，又要考慮脈沖變壓器的體積，初級采用0.4mm漆包線繞制，初級與次級之間墊三層0.05mm聚四氟乙烯薄膜。次級采用0.21mm漆包線分層繞制，每層之間墊兩層0.05mm聚四氟乙烯薄膜，以保證變壓器次級之間的高壓絕緣問題。
[0031]為了得到-1SkV高壓脈沖，采用倍壓電路對變壓器次級輸出電壓進行升壓整流。考慮到倍壓電路在倍壓級數超過4倍時輸出損耗較大，為了減少倍壓級數，節約成本，采用并聯結構倍壓電路，每一路4倍壓，串聯輸出之和為8倍壓。倍壓電路每級電容采用470pF、6kV高壓瓷片電容，二極管采用高壓快恢復二極管2CL70，反向恢復時間〈100ns，反向擊穿電壓6kV。
[0032]3.參見圖2-圖5，采用開關電源AC220V/DC15V模塊為總電路供電，輸出電流為0.8A，功率為12W。當輸入接通AC220市電供電后，輸出脈沖-18kV，上升時間為50ms，脈沖寬度> 100ms，脈沖頻率IHz本電路采用了三個集成電路芯片Ul (振蕩器NE555)、U2 (脈沖調制器SG3525)、U3(晶體管驅動器TC4424)，若干阻容元件，結構簡單，器件量少，價格優勢明顯。利用Ul (振蕩器NE555)的輸出脈沖序列長度及序列頻率，經過脈沖變壓器升壓，利用雙路并聯倍壓電路進行倍壓和整流，最終輸出高壓脈沖。其中，圖3所示為SG3525輸出PWM脈沖波形，脈沖幅值為10V，周期為20 μ S，死區時間為3 μ S，周期和死區時間由圖2的阻容元件R4、R3、C3調整控制。為了得到頻率1Hz、脈寬10ms的高壓脈沖，采用NE555輸出控制SG3523輸出，NE555輸出脈沖波形如圖3所示。由圖可知，脈沖頻率為1Hz，有效電平低電平寬度為100ms。利用低電平有效控制SG3525輸出，可以得到10ms的脈沖序列。經過U3(TC4424)放大，保持脈沖頻率不變，幅值增加。將上述脈沖序列經過脈沖變壓器升壓，得到幅值為2.5kV的高壓正負脈沖序列，波形周期、占空比與初級波形一致。將此高壓脈沖序列經過倍壓電路充電可以得到脈沖寬度100ms，頻率IHz的高壓脈沖，輸出波形如圖4所示，脈沖頂部較平坦，幅值穩定，脈沖前沿50ms，后沿100ms。
[0033]本實用新型采用SG3525產生PWM脈沖，利用NE555控制脈沖輸出，經過脈沖變壓器和倍壓電路升壓整流可得到幅值_18kV、頻率1Hz、脈沖寬度10ms的高壓脈沖，體積小，運行穩定可靠，提高了模塊的驅動能力，大大降低了成本。
【權利要求】
1.一種高壓靜電脈沖電源，其特征在于，包括穩壓電路、控制驅動電路、脈沖升壓電路和倍壓整流電路；穩壓電路為整個電路提供供電電壓；控制驅動電路包括振蕩電路、PWM產生電路和驅動電路三個集成電路，其中振蕩電路產生使能信號，PWM脈沖產生電路產生PWM脈沖電壓，振蕩電路所產生的使能信號控制PWM脈沖產生電路的使能端，對PWM脈沖電壓進行調制，驅動電路對調制后的PWM脈沖電壓進行升壓，提高調制后PWM脈沖電壓的驅動能力；脈沖升壓電路將驅動電路所輸出的脈沖調制電壓進行升壓；倍壓整流電路采用并聯結構倍壓電路，將脈沖升壓電路所升壓的電壓進一步升壓并進行整流，最終輸出高壓脈沖。
2.如權利要求1所述的一種高壓靜電脈沖電源，其特征在于，在穩壓電路、控制驅動電路、脈沖升壓電路和倍壓整流電路中，各個元器件的連接關系如下:輸入電壓Vcc給整個電路供電，輸入電壓VCC、電容C6、電阻R1、電阻R2依次串聯；振蕩器U1與電阻R1、電阻R2、電容C1、電容C2、電容C6組成振蕩電路，振蕩器U1的VCC端接供電電壓VCC，振蕩器U1的GND端接地，振蕩器U1的DIS端經電阻R1、電阻R2、電容C1接地，振蕩器U1的TRIG端經電容C1接地，振蕩器U1的TRIG端與THR端短接后經電容C1接地，振蕩器U1的CON端經電容C2接地，振蕩器U1的OUT端輸出使能信號，接入到PWM控制器U2的SHUT端；PWM控制器U2與電阻R3、電阻R4、電容C3、電容C4組成PWM脈沖發生電路，PWM控制器U2的VIN端和PWM控制器U2的VC端接供電電壓Vcc，PWM控制器U2的GND端和PWM控制器U2的INPUT-端接地，PWM控制器U2的INPUT+端接PWM控制器U2的VERF端，PWM控制器U2的CT端經電容C3接地，PWM控制器U2的RT端經電阻R3接地，PWM控制器U2的DIS端接放電電阻R4，經電容C3接地，PWM控制器U2的SS端經電容C4接地，PWM控制器U2的0UTA端和0UTB端輸出PWM脈沖電壓，接入到晶體管驅動器U3的INB端和INA端；晶體管驅動器U3與電容C5組成驅動電路，晶體管驅動器U3的VCC端分出兩路，一路接供電電壓Vcc，一路經電容C5接地，晶體管驅動器U3的GND端接地，晶體管驅動器U3的0UTA端和0UTB端輸出調制升壓后的PWM脈沖電壓，接入到脈沖變壓器T1的初級；脈沖變壓器T1的次級接倍壓整流電路；倍壓整流電路為并聯的兩路四倍壓電路，包括D1-D8八個二極管和C7-C15八個電容，其中二極管D8正極接地，二極管D4的負極和二極管D5的正極作為輸入端，接收經脈沖變壓器T1再次升壓的脈沖電壓，二極管D1的正極作為負高壓的輸出端，最終輸出高壓脈沖。
3.如權利要求1所述的一種高壓靜電脈沖電源，其特征在于，U1為NE555。
4.如權利要求1所述的一種高壓靜電脈沖電源，其特征在于，U2為SG3525。
5.如權利要求1所述的一種高壓靜電脈沖電源，其特征在于，U3為TC4424。
6.如權利要求1所述的一種高壓靜電脈沖電源，其特征在于，脈沖變壓器T1采用內環型鐵氧體鐵芯，根據實際需要確定要求變比以及變壓器的初級匝數和次級匝數。
【文檔編號】H02M9/06GK204145330SQ201420575607
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】王亞杰, 何鵬軍, 閆自讓, 金兆鑫, 荊曉鵬, 王彥, 謝軍, 張帆, 趙程光, 解江遠, 田川, 蔣丹, 李奇威 申請人:西安電子工程研究所