基于PDM控制的電暈處理電源的研究

    摘要：研究了基于脈沖密度調(diào)制（PulseDensityModulation）控制策略的串聯(lián)諧振逆變電暈處理電源。PDM的基本思想是在一定的調(diào)功周期內(nèi)使交流輸出端產(chǎn)生方波電壓或者是零電平電壓，這樣即使電暈放電負(fù)載具有很強(qiáng)的非線性也可以寬范圍內(nèi)控制功率輸出。對(duì)于該電暈處理電源進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果驗(yàn)證了理論分析。

    關(guān)鍵詞：電暈處理電源；功率控制；脈沖密度調(diào)制

1 概述

塑料與傳統(tǒng)的包裝材料(如紙、玻璃、金屬)相比[1]，具有質(zhì)輕、防潮、防腐、價(jià)廉、易成型等優(yōu)點(diǎn)，塑料薄膜表面電暈處理原理是通過(guò)在電極上施加高頻高壓電源（對(duì)于塑料薄膜表面處理來(lái)說(shuō)，電壓一般在10kV～13kV之間，頻率在10kHz～30kHz左右），使電極放電，氣體電離后產(chǎn)生的各種能量粒子(如正負(fù)離子、電子、光子等)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，加速?zèng)_擊處在電極之間的高聚物表面，使表層分子連接的化學(xué)鍵斷裂而絳解，增加表面的粗糙度。 電暈放電負(fù)載的物理結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1所示。當(dāng)電暈負(fù)載兩端的外加電壓低于氣體放電起始電壓Vs時(shí)，放電通道不發(fā)生放電現(xiàn)象，此時(shí)電暈負(fù)載可以等效為放電通道的間隙電容Cg和絕緣介質(zhì)電容Cd串聯(lián)。

    當(dāng)外加電壓高于Vs時(shí)，放電通道開(kāi)始放電，絕緣介質(zhì)電容Cd基本保持不變，但負(fù)載總的等效電容CZ具有隨外加電壓的升高而逐漸變大的特點(diǎn)，其等效電路如圖1（b）所示。電阻R等效為放電時(shí)能量的消耗[2]。 電暈放電處理的目的是增加塑料表面的粘結(jié)程度?？傮w來(lái)說(shuō)，電暈放電處理過(guò)程需要特殊設(shè)計(jì)的電源，能夠提供10～20kV，20～50kHz的電壓，并在大氣壓的情況下保持穩(wěn)定的放電[3]。在工業(yè)應(yīng)用中還需要該電源能夠?qū)Σ煌牧?，不同厚度的材料進(jìn)行相應(yīng)的處理。這就要求該電源能夠具有寬范圍調(diào)功的能力。脈沖密度調(diào)制（PDM）控制策略能夠滿足以上要求。

2 PDM控制基本原理

為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，升壓變壓器和電暈放電負(fù)載用簡(jiǎn)單的LCR諧振電路來(lái)表示，如圖2所示。圖3為電壓型串聯(lián)諧振逆變PDM的開(kāi)關(guān)工作模式。傳統(tǒng)的電壓型逆變器在模式1和模式2之間交替工作，從而產(chǎn)生方波交流狀態(tài)。而PDM逆變器的工作模式除了模式1和模式2外，還有模式3，即將門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給S3和S4，使得一個(gè)IGBT和另一個(gè)IGBT的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，給輸出電流提供雙向流動(dòng)的通路，使輸出端產(chǎn)生零電壓狀態(tài)。這樣，PDM便以一定的控制序列調(diào)制輸出電壓，并且與諧振負(fù)載的諧振電流同步。

3 PDM控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖4所示是PDM逆變器的控制框圖?？刂齐娐贩譃閮蓚€(gè)部分：一個(gè)是PDM中的鎖相控制電路，另一個(gè)是PDM反饋控制電路。PDM控制中的鎖相電路包括相位探測(cè)器（PD），低頻濾波（LPF1），壓控振蕩器（VCO），模擬開(kāi)關(guān)（AS）和峰值探測(cè)器（PCD）。因?yàn)闊o(wú)法精確地探測(cè)到數(shù)值很小的電流，傳統(tǒng)的PLL電路不能在輕度表面處理時(shí)正常工作，AS和PCD的組合能夠解決該問(wèn)題。從PCD檢測(cè)的輸出信號(hào)在LPF1的輸入端開(kāi)通或著關(guān)閉AS。在輸出電流的峰值比預(yù)設(shè)的電平大的時(shí)候，AS保持關(guān)斷，從而是傳統(tǒng)的鎖相電路。在峰值電流比預(yù)設(shè)的電流小的時(shí)候，AS開(kāi)通。在這種情況下，LPF1中的電容使得VCO以AS開(kāi)通前相同的頻率工作。

    PDM反饋電路包括比較電路，同步電路和低通濾波電路（LPF2）?？刂菩盘?hào)波形如圖5所示。平均輸出電壓的參考電壓V＊控制零電平的寬度。實(shí)際平均電壓Vo是實(shí)際的交流電壓狀態(tài)M通過(guò)LPF2得到的。V＊和Vo的比較產(chǎn)生一個(gè)交流電壓狀態(tài)參考，將選擇PDM逆變器工作于何種模式，要么是方波交流狀態(tài),要么是子諧振序列中的零電壓狀態(tài)。包含有D類(lèi)型觸發(fā)器的同步電路將防止在諧振周期內(nèi)電流狀態(tài)發(fā)生變化，VCO的輸出信號(hào)和交流狀態(tài)參考M＊分別做為時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)輸入D型觸發(fā)器中。同步電路在時(shí)鐘信號(hào)即VCO的輸出的每一個(gè)上升沿讀取M＊并在下一個(gè)子諧振周期內(nèi)保持邏輯信號(hào)M。邏輯電路在交流方波狀態(tài)M=1產(chǎn)生交替的模式1和模式2，在M=0時(shí)產(chǎn)生第三個(gè)模式。經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算得到的信號(hào)A、信號(hào)B及它們反相后的信號(hào)將輸入給死區(qū)電路，從而產(chǎn)生2μs的死區(qū)以避免直流輸入的短路現(xiàn)象。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在對(duì)PDM電暈處理電源進(jìn)行了PSPICE仿真之后，設(shè)計(jì)并完成了一個(gè)20kHz/5kW的電暈放電電源裝置，在此裝置的基礎(chǔ)之上，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖6及圖7分別是仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。兩圖分別給出串聯(lián)諧振逆變器的輸出電壓波形和負(fù)載上的輸出電流波形。實(shí)驗(yàn)中用電流互感器來(lái)檢測(cè)電流信號(hào)。從結(jié)果中可以看出，在調(diào)功周期的前半部分，負(fù)載電流已經(jīng)基本上達(dá)到穩(wěn)態(tài)，電壓與電流基本上同相，之后電源開(kāi)關(guān)進(jìn)入第三個(gè)工作模式，此時(shí)輸出為零電平，輸出電流為衰減式阻尼振蕩，在下一個(gè)調(diào)功周期的輸出電源的激勵(lì)下，電流繼續(xù)增大，這樣周而復(fù)始。

圖6、7

5 結(jié)語(yǔ)

PDM逆變電源很好地工作在三個(gè)開(kāi)關(guān)模式，并且起到了鎖相、開(kāi)關(guān)軟化和功率調(diào)節(jié)的作用。研制成功的PDM電暈處理電源，工作穩(wěn)定可靠，成功地滿足了對(duì)不同薄膜進(jìn)行較強(qiáng)或較弱處理的要求。