【正文】 壓高頻電源的系統(tǒng)組成，進(jìn)行系統(tǒng)論證、主要電路模塊的功能論證。（要求學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)電力電子技術(shù)）2） 、設(shè)計(jì)要點(diǎn)： a) 本設(shè)計(jì)是基于 SPWM 脈寬調(diào)制技術(shù)的全橋高頻逆變電路的一整套高壓高頻電源。SPWM 控制電路可以自行設(shè)計(jì)或選用國(guó)外的專用芯片（例如 LM4651）進(jìn)行設(shè)計(jì)；e) 高頻升壓變壓器，獲得高頻高壓的正弦電壓。學(xué)生答辯時(shí)對(duì)自述部分應(yīng)寫出書(shū)面提綱，內(nèi)容包括課題的任務(wù)、目的和意義，所采用的原始資料或參考文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和主要方法、成果結(jié)論和評(píng)價(jià)。 圖紙要求：按工程制圖標(biāo)準(zhǔn)制圖，圖面整潔，布局合理，線條粗細(xì)均勻，圓弧連接光滑，尺寸標(biāo)注規(guī)范，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫。前 言將等離子體技術(shù)用于消毒滅菌技術(shù)上具有極高的潛在應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的高壓電源因體積和重量都大，且性能不好，滿足不了實(shí)際應(yīng)用的需要。等離子體消毒滅菌技術(shù)是新一代的高科技滅菌技術(shù)，它能克服現(xiàn)有滅菌方法的一些局限性和不足之處，提高消毒滅菌效果。針對(duì)等離子體高壓電源的特殊要求，本文將 SPWM 技術(shù)用于該電源控制中，它具有原理簡(jiǎn)單、控制和調(diào)節(jié)性能好，具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓等諸多特點(diǎn)，研制了一臺(tái)單相輸出電壓可調(diào)、頻率連續(xù)可調(diào)的等離子體高壓電源。實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載頻率的可靠跟蹤和對(duì)逆變狀態(tài)的可靠控制。利用物理、化學(xué)等方法殺死病原微生物以防止傳染病傳播的措施。用于消毒的化學(xué)藥劑稱消毒劑。消毒在日常生活中應(yīng)用于傳染病的預(yù)防，如對(duì)飲水、食品、餐具等通過(guò)煮沸進(jìn)行消毒。這充分顯示了消毒在臨床應(yīng)用上的重要作用和意義。滅菌是獲得純培養(yǎng)的必要條件，也是食品工業(yè)和醫(yī)藥領(lǐng)域中必需的技術(shù)。不能用火焰滅菌的物品則利用熱空氣滅菌,將物品放在烘箱中加熱到 160～170℃,持續(xù) 90分鐘，此法適用于玻璃、金屬和木質(zhì)的器皿。但對(duì)某些易被高壓破壞的物質(zhì)，如某些糖或有機(jī)含氮化合物，宜在 千克/厘米 2 壓力下(110℃)滅菌 15～30 分鐘。滅菌溫度不超過(guò) 100℃,不致造成糖類等物質(zhì)的破壞，而可將間歇培養(yǎng)期間萌發(fā)的孢子殺死，從而達(dá)到徹底滅菌的目的。輻射滅菌法僅限于某一定材料，因所需設(shè)備復(fù)雜，難于廣泛使用。常用 5％石炭酸 70％乙醇和乙二醇等。H202 等離子體能夠在常溫條件下實(shí)現(xiàn)快速，干燥滅菌的目的，是多種滅菌條件綜合作用的結(jié)果。重點(diǎn)使用的科室：供應(yīng)室，手術(shù)室，急救中心其所適用的器械也較為廣泛：電子器械類，硅橡膠類，金屬類，非金屬類，聚乙烯類。b)、 大幅度的減少對(duì)醫(yī)療器械傷害，有效的延長(zhǎng)了器械的使用壽命。本文分析了等離子體高壓電源中需解決的關(guān)鍵問(wèn)題；提出了有效的解決方法。其中，主電路由工頻整流濾波電路、直流斬波電路、SPWM 控制的 DC/AC 高頻逆變電路、LC 濾波電路及高頻升壓電路組成。由整流二極管構(gòu)成的整流器，由于其輸出電壓不可控的，稱之為不可控整流；由晶閘管構(gòu)成的整流器，其輸出電壓是可控的，故稱為可控整流。下面給出了電路的類別： 不控整流按組成器件 半控整流 可控整流 全控整流單相 按電源相數(shù) 三相 六相 ……零式按電路結(jié)構(gòu)橋式半波按變壓器繞組電流全波可控整流電路的主元件采用晶閘管時(shí)，其控制方式都采用相位控制，故這類整流電路又稱為相控整流。其中單相橋式可控整流電路又可分為單相橋式半控整流電路和單相橋式全控整流電路。當(dāng) u2為負(fù)半周時(shí)，D 2和 D4管導(dǎo)通，D 1和 D3管截止，電流由 B 點(diǎn)流出，方向如圖所示。圖 23 單相橋式不可控整流波形圖2）、輸出電壓平均值 UO(AV)和輸出電流平均值 IO(AV)根據(jù)波形圖可知， 輸出電壓平均值解得結(jié)論：在輸入電壓相同的情況下，全波整流輸出電壓平均值為半波整流電路的兩倍。 2. 單相橋式可控整流電路可控整流電路的作用是把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)節(jié)的直流電。當(dāng)功率比較大時(shí)，常常采用三相交流電源組成三相半波或三相橋式可控整流電路。當(dāng) ωt=α 時(shí)，控制極加上觸發(fā)脈沖 Gu，V 1導(dǎo)通，電流流經(jīng) V LR、V 4。在 u的負(fù)半周，V V 3承受正向電壓，當(dāng) ωt =π+α 時(shí)， G觸發(fā) V2而導(dǎo)通，電流流經(jīng) V L、V 3，負(fù)載上的電壓仍然為 2ou?。 u2uGOO?t?t?i tuOi??RLiu12TrV3412G( )b( )a圖 24 單相橋式可控整流電路圖中 α 稱為控制角，θ=πα 稱為導(dǎo)電角，顯而易見(jiàn)，當(dāng) α 愈小時(shí)，即 θ 愈大時(shí)，輸出電壓平均值 O(AV)U愈大。電感性負(fù)載可用串聯(lián)的電感元件 L 和電阻元件 R 表示，電路如圖 26 所示。晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，由于電感元件產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電路中的電流不能躍變，將由零逐漸上升。如果電路中沒(méi)有接入二極管 V5，那么由于電感 L 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用，V 1仍將維持導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載電流 oi經(jīng) V1和 V3繼續(xù)流通（續(xù)流），形成一個(gè)不經(jīng)過(guò)變壓器二次繞組的自然續(xù)流回路，此時(shí)電感釋放能量，如果是大電感負(fù)載，儲(chǔ)能很多，晶閘管 V1將維持導(dǎo)通到 2u進(jìn)入下一個(gè)周期的正半周，V 4承受正向電壓而導(dǎo)通，V 3承受反向電壓而截止。如忽略 V5的壓降，在續(xù)流期間負(fù)載上的整流輸出電壓 0o?u，這一續(xù)流過(guò)程一直持續(xù)到 2負(fù)半周期間觸發(fā) V2導(dǎo)通時(shí)為止。當(dāng)ωt=α 時(shí)，又觸發(fā) V1導(dǎo)通，如此不斷循環(huán)下去。此時(shí)，電流 id從電源 a 端經(jīng) VT負(fù)載 Rd 及 VT4 回電源 b 端，負(fù)載上得到的電壓 ud 為電源電壓 u2（忽略了 VT1 和 VT4 的導(dǎo)通壓降），方向?yàn)樯险仑?fù)，VT2 和 VT3 則因?yàn)?VT1 和 VT4 的導(dǎo)通而承受反向的電源電壓 u2 不會(huì)導(dǎo)通。電流 id 從電源 b 端經(jīng) VT負(fù)載 Rd 及VT3 回電源 a 端，負(fù)載上得到的電壓 ud 仍為電源電壓 u2，方向也還為上正下負(fù)，與正半周一致，此時(shí)，VT1 和 VT4 因?yàn)?VT2 和 VT3 的導(dǎo)通承受反向的電源電壓 u2 而處于截止?fàn)顟B(tài)。由晶閘管所承受的電壓 ut 可以看出，其導(dǎo)通角為 ，除在晶閘管導(dǎo)通期間不受電壓外，當(dāng)一組管子導(dǎo)通時(shí)，電源電壓 u2 將全部加在未導(dǎo)通的晶閘管上，而在四只管子都不導(dǎo)通時(shí)，設(shè)其漏電阻都相同的話，則每只管子將承受電源電壓的一半。此時(shí)，晶閘管 VT2 和 VT3 雖然已承受正向電壓，但還沒(méi)有觸發(fā)脈沖，所以不會(huì)導(dǎo)通。 鑒于消毒滅菌設(shè)備應(yīng)用廣泛，既可以用于工業(yè)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、餐飲業(yè)等地的消毒滅菌，也可用與普通家庭。 單相半控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。經(jīng)過(guò)濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。此時(shí)C 相當(dāng)于并聯(lián)在 v2上，所以輸出波形同 v2 ，是正弦波。在剛過(guò) ?t=?/2 時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。電容濾波過(guò)程見(jiàn)圖 210。反之，當(dāng) Ｒ L很大，即 IL很小時(shí)，盡管 C 較小, RLC 仍很大,電容濾波的效果也很好，見(jiàn)濾波曲線中的 3。 3）、外特性 整流濾波電路中，輸出直流電壓 VO隨負(fù)載電流 IO的變化關(guān)系曲線如圖 212 所示。濾波電路工作原理 當(dāng)流過(guò)電感的電流變化時(shí)，電感線圈中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)將阻止電流的變化。只有在RLωL 時(shí)才能獲得較好的濾波效果。但其缺點(diǎn)是采用它時(shí)，整流二極管中將流過(guò)較大的沖擊電流。本設(shè)計(jì)中電源是要產(chǎn)生高頻高壓電源，因而易使用電容濾波。逆變器輸出接到交流電網(wǎng)的逆變稱為有源逆變；逆變器的輸出直接接到交流負(fù)載的逆變稱為無(wú)源逆變。2) 輸出電壓為矩形波，電流波形與負(fù)載有關(guān)。直流側(cè)電流基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。因?yàn)榉答仧o(wú)功能量時(shí)直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)二極管。輸出電壓合電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。1D4 0udUθ≤ωt≤π 期間， 為正值， 和 才導(dǎo)通。PWM 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過(guò)控制電壓脈沖寬度和周期以達(dá)到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)，SPWM 控制技術(shù)又有許多種，并且還在不斷發(fā)展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬 PWM 法，正弦波 PWM 法（SPWM 法），磁鏈追蹤型 PWM 法和電流跟蹤型PWM 法，其中利用 SPWM 控制技術(shù)做成的 SPWM 逆變器具有以下主要特點(diǎn)：（1）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響。這就是 PWM控制的重要理論依據(jù)。下面分別介紹單相 PWM 型變頻器電路的控制方法與工作原理。圖 218 PWM 控制的基本原理示意圖(a) (b)圖 219 單相橋式 PWM 變頻電路1) 單極性 PWM 控制方式工作原理按照 PWM 控制的基本原理，如果給定了正弦波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，PWM 波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)。在 uruc區(qū)間，控制 V4 為斷態(tài)，輸出負(fù)載電壓 u0=0，此時(shí)負(fù)載電流可以經(jīng)過(guò) VD3 與 V1 續(xù)流。在 uruc各區(qū)間，控制 V3 為斷態(tài)，輸出負(fù)載電壓 u0=0，此時(shí)負(fù)載電流可以經(jīng)過(guò) VD4 與 V2 續(xù)流。根據(jù)載波和調(diào)制信號(hào)波是否同步，PWM 逆變電路有異步和同步調(diào)制兩種控制方式，現(xiàn)在分別介紹如下：（1） 異步調(diào)制控制方式當(dāng)載波比 N 不是 3 的整數(shù)倍時(shí)，載波與調(diào)制信號(hào)波就存在不同步的調(diào)制，就是異步調(diào)制三相 PWM，如 fc=10fr，載波比 N=10，不是 3 的整倍數(shù)。③載波比 N 愈大，半周期內(nèi)調(diào)制的 PWM 波形脈沖數(shù)就愈多，正負(fù)半周不對(duì)稱和半周內(nèi)前后 1/4 周期脈沖不對(duì)稱的影響就愈大，輸出波形愈接近正弦波。②在調(diào)制信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)，輸出脈沖的個(gè)數(shù)是固定不變的，脈沖相位也是固定的。② 在輸出頻率為低頻率段時(shí)，取較大的載波比，這樣載波頻率不致過(guò)低，諧波頻率也較高且幅值也小，也易濾波，從而減小了對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的不利影響。SPWM 波形的生成SPWM 的控制就是根據(jù)三角波載波和正弦調(diào)制波用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制。感興趣的讀者可參閱有關(guān)資料及專著。可關(guān)斷晶閘管與普通晶閘管一樣，也是 PNPN 四層三端器件，圖 221 所示為可關(guān)斷晶閘管的外形圖。大功率晶體管 GTR 的結(jié)構(gòu)和工作原理通常把集電極最大允許耗散功率在 1W 以上，或最大集電極電流在 1A 以上的晶體管稱為大功率晶體管，其結(jié)構(gòu)和工作原理都和小功率晶體管非常相似。圖 222 GTR 外形圖在電力電子中，GTR 主要工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。它的三個(gè)極分別是：柵極 G、源極 S、漏極 D。耗盡型就是當(dāng)柵極件電壓 UGS ＝ 0 時(shí)存在導(dǎo)電溝道，漏極電流 ID ≠ 0；增強(qiáng)型就是當(dāng)UGS ＝ 0 時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道，ID ＝ 0,只有當(dāng) UGS 0（N 溝道）或 UGS 0（P 溝道）才開(kāi)始有ID。功率場(chǎng)效應(yīng)管與小功率晶體管原理基本相同，但是為了提高電流容量和耐壓能力，在芯片結(jié)構(gòu)上卻又很大的不同：電力場(chǎng)效晶體管采用小單元集成結(jié)構(gòu)來(lái)提高電流容量和耐壓能力，并且采用垂直導(dǎo)電排列來(lái)提高耐壓能力。絕緣門極晶體管 IGBTIGBT 也是三端器件，它的三個(gè)極為漏極、柵極和源極。IGBT 的驅(qū)動(dòng)原理與功率 MOSFET 基本相同，它是一種呀控型器件。門極可關(guān)斷晶閘管 GTO，解決了普通晶閘管的這些缺點(diǎn)。因此在大功率的斬波應(yīng)用中暴露出很多問(wèn)題。所以目前只適用于小功率電力電子變流裝置。IGBT 有著主導(dǎo)地位。 LC 濾波電路濾波器輸出設(shè)計(jì),如圖 225 所示設(shè)：F 為逆變器輸出頻率(10KHz).Fk 最低次諧波電壓頻率（30 KHz）。當(dāng)一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中之一組線圈時(shí)，于另一組線圈中將應(yīng)出具有相同頻率之交流電壓，而感應(yīng)的電壓大小取決于兩線圈耦合及磁交鏈之程度。大部份的變壓器均有固定的鐵心，其上繞有一次與二次的線圈。由于此項(xiàng)升壓與降壓的功能，使得變壓器已成為現(xiàn)代化電力系統(tǒng)之一重要附屑物，提升輸電電壓使得長(zhǎng)途輸送電力更為經(jīng)濟(jì)，至于降壓變壓器，它使得電力運(yùn)用方面更加多元化，吾人可以如是說(shuō)，倘無(wú)變壓器，則現(xiàn)代工業(yè)實(shí)無(wú)法達(dá)到目前發(fā)展的現(xiàn)況。當(dāng)次級(jí)負(fù)載電流加大時(shí) I1 增加，ф1 也增加，并且 ф1 增加部分正好補(bǔ)充了被 ф2 所抵消的那部分磁通，以保持鐵心里總磁通量不變。對(duì)晶閘管觸發(fā)電路來(lái)說(shuō)，首先觸發(fā)信號(hào)應(yīng)該具有足夠的觸發(fā)功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流），以保證晶閘管可靠導(dǎo)通；其次觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿要陡峭；最后觸發(fā)脈沖必須與主電路晶閘管的陽(yáng)極電壓同步并能根據(jù)電路要求在一定的移相范圍內(nèi)移相。在圖 31 中，主電路和觸發(fā)電路通過(guò)變壓器都取自同一個(gè)交流電源，這樣就保證了兩者電壓的頻率相同，而且同相。當(dāng) uc 低于谷點(diǎn)電壓 Uv 時(shí)，單結(jié)晶體管回復(fù)截止。顯然每組脈沖的第一個(gè)脈沖發(fā)出的時(shí)間都相同，即α1=α2=α3=…。（1） 穩(wěn)壓管的削波作用：穩(wěn)壓管將整流所得的全波電壓 u 削去頂上一塊，得到近似的梯形波 uz。在 uz 過(guò)零值時(shí)，單結(jié)晶體管兩基極間的電壓 UBB 也為零。所以，改變 Rp 可以移相，調(diào)整輸出電壓。該腳上的輸入音頻信號(hào)與反饋信號(hào)相加11 ERRVo 誤差放大器輸出腳12 TSD 熱關(guān)閉輸入腳,連接 LM4652 的熱關(guān)閉