陈礼俊，兰志勇

　　（湘潭大学 信息工程学院，湖南 湘潭 411105）

摘要：针对高压电源在不同场合对输电等级与输电功率的不同需求，设计了一种输电可调且功率等级不定的新型高压直流电源。在电源前级引入Zeta斩波电路，用于调节前级直流电压。电源以SG3525为控制核心，通过过流、过压反馈回路，保证电源工作稳定。电源后级由半桥逆变、高频升压、倍压整流3部分组成，并在其中引入高频，有效地减小设计电源的体积。该设计可实现输出直流电压8～12 kV可调。实验结果证明，该设计电源输电稳定、纹波电压小、负载能力强，满足高压除尘电源的要求。

关键词：高压电源;SG3525; Zeta斩波

0引言

　　静电除尘是一种清除大气粉尘的有力手段之一，目前已经广泛应用于家用空气净化、工业油烟净化、医用无尘环境、工厂车间除尘等场合［1-2］。近年来随着人们节能环保意识的增强，以及国家对粉尘排放新标准的施行，客观上对静电除尘提出了更高的要求。作为静电除尘装置中关键部分的高压直流电源，更是向着如何更加节能高效的方向发展，以提升静电除尘的性能。

　　静电除尘电源是静电除尘系统中的关键部分，其性能直接影响除尘器的除尘效果。本文设计了一种新型高压除尘电源，通过调节电源前级斩波电路的占空比，可实现对输出级电压的调节，实现高压隔离调节。同时在处理电压、电流过大，或者欠压等实际问题上，电源中设计多级电压、电流反馈保护回路。

1高压电源整体结构

　　电源电路可分为主电路和保护控制回路。

电源工作原理：220 V/50 Hz市电先经全桥整流电路变为310 V左右直流电，再通过Zeta斩波电路得到240～360 V可调的直流电压。然后直流电压经半桥逆变变为高频交流电，最后通过高频变压器以及倍压整流电路得出所需要的直流高压。同时电源通过电流、电压反馈电路智能调节输电，使电源工作稳定。

2高压电源设计

　　主电路主要由整流滤波电路、Zeta斩波电路、半桥逆变电路、高频升压电路以及倍压整流电路组成。在设计倍压电路时，鉴于多级倍压电路存在纹波大、输电不稳等缺点，因此决定采用二倍压电路。

2.1Zeta斩波电路原理

　　Zeta电路的应用是电源能实现输出电压可调的重要部分，图2为Zeta斩波电路。图中实线箭头表示S开通时的回路，虚线表示的是S关断时的回路。

　　电路中取电感L1和L2的值相等，而且电感工作在电流连续状态［14］。当S开通，ESL1、ESC1L2负载（C2和R）构成回路；当S关断，L1VDC1、L2负载（C2和R）VD构成回路。当电容C1足够大，UC1的脉动很小，可以认为UC1≈UC1，即得到电路工作时，Zeta电路主要工作波形图，如图3所示。Zeta斩波电路基本工作原理：在S处于通态时，电源向电感L1储能。此时E与C1共同经L2向负载供电。待S关断后，L1向C1充电，并储存到C1，同时L2电流经VD续流。由电感器件的伏秒平衡原理，电路工作在电感电流连续时，电感电压在一周期内平均值为零，即：

　　式中α为开关导通占

　　由式(3)可得，改变开关导通占空比则可以改变输入半桥逆变的直流电压。将占空比α控制在0.4～0.6之间，即可保证Zeta斩波电路输出电压在240～360 V之间。

2.2控制电路

　　控制电路主要有两部分，即Zeta斩波控制电路与半桥逆变控制电路。Zeta斩波电路由UC3842芯片控制，通过调节芯片的输出PWM占空比，即可调节斩波输出电压。逆变电路由SG3524芯片控制，经过IR2110驱动半桥开关管［67］。

　　UC3842芯片控制Zeta斩波电路工作，芯片输出PWM的频率由外部定时器件决定，频率公式为：

　　f=1.8/(RT×CT)kHz(4)

　　式中，RT与CT为定时电阻与电容。为保证斩波电路输出可控，设计反馈控制回路。反馈回路通过电阻采样，将采集的电压信号送入由PC817与TL431所构成的过压反馈电路，当电压输出超过所设定范围值时，电路开始工作，UC3842内部驱动三极管电压降低，从而输出PWM占空比减小，斩波电路电压降低，最后电压趋于稳定。图4为UC3842控制电路。同时为防止电压异常，将芯片3脚及电流检测输入端接入反馈电路，如斩波电路持续异常升高，将封锁驱动脉冲，UC3842芯片停止工作。

　　SG3525为半桥逆变电路的控制芯片，通过产生的PWM控制着电路的逆变频率［7-8］。控制脉冲信号PWM的频率可由下式得到：

　　式中CT为接在5脚的定时电容；RT为接在6脚的定时电阻；RD为接在5脚与7脚之间的放电电阻。取CT=2.2 nF，RT=25 kΩ，RD=300 Ω，代入上式得：振荡输出频率为30 kHz，则PWM输出频率为15 kHz。软启动电容端接入4.7 μF的电容，当电容充电使其8脚处于高电平时，SG3525才正常工作。2脚电压固定在5.1 V。芯片1、2、9脚及外围电路构成PI调节器，其输出与5引脚锯齿波和软启动电容一起控制PWM产生器产生方波。引脚11、14输出两路互补的PWM，但输出的PWM无法直接驱动半桥开关，因而必须利用驱动芯片IR2110来控制半桥逆变。图5为SG3525控制电路。

　　过压保护电路通过可调精密电阻采样，将其采样到的信号输送到线性光耦TLP5211中。当采样电压过高时，此时由TL431与TLP5211构成的反馈电路工作，进而使光耦输送给SG3525芯片10脚一个高电平，芯片立即停止工作，11脚和14脚输出的PWM立即消失，逆变电路停止工作，变压器无输出，达到过压保护的目的。

3实验结果分析

　　实验采用UC3842芯片来控制Zeta电路的电压输出，采用SG3525为逆变控制器，用于直流变换高频交流。二者在电源中相互独立，但功能上互补，共同保证输电稳定。

　　图6是电源斩波电路输出电压波形，由图可知Zeta电路输出电压为直线，表明电路工作稳定。

　　图7是电源电路逆变输出电压波形，逆变方波电压幅值相同，表明各电容电压在逆变中电压稳定。

　　图8为电源运行最终输出电压波形，电源输出电压高，输电纹波小，符合高压除尘电压供电要求。

4结论

　　本文提出利用Zeta斩波电路对前级输入电压进行升降压调节，从而实现不同等级高压输出的目的。分析了电路的工作原理，给出了相关控制方法。通过实验得出以下结论：

　　（1）前级采用Zeta电路，电源能稳定输出8～12 kV DC。即对低压斩波电路的控制可实现对高压输电等级的有效控制；

　　（2）电源电路对输入过压、欠压具有一定的自保护功能；

　　（3）电源中引入高频变压器，有效地减小了设计电源体积、重量和成本，在工业生产领域有一定的应用价值。

　参考文献

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