基于CA1524的高压放电技术研究

杨小光

（中国电子科技集团公司 第四十一研究所，安徽 蚌埠 233006）

0 引言[1]

在一般情况下，空气是不导电的，但是如果创造条件，比如在曲率半径很小的电极两端加上高电压时两极间加上强的电场，电极表面附近的电场（局部电场）很强，则电极附近的气体介质会被局部击穿而产生高压放电现象，当放电的功率达到一定强度时，将会产生人眼所见的电弧现象，如下图所示。高压放电广泛用于建筑、工业和医学等各个领域。

图1 高压放电电弧图

1 高压放电产生原理[2]

由于空气中的气体粒子（包括分子和原子）接受一定能量后，中性的分子或原子周围运动者电子活动能力增加，当达到一定能量时，电子可能脱离原来的轨道，从低的能级跃升到高的能级，这一现象成为激励。假如外界给原子的能力更大，使电子完全脱离原子核的引力范围而跑掉，这时由于原子失去外层的一个（或几个）电子而变成正离子，使其带有正电性，而脱离原子的电子，具有负电性。这种把中性粒子解离成带正电性粒子和负电性粒子的过程称为电离。中性粒子被电离后形成的正粒子和电子，在电场作用下，分别向阴极和阳极移动，带电粒子的定向移动，在宏观上形成了电流，高压放电产生。

图2 CA1524 及主要外围电路图

2 电路设计方案

2.1 脉冲产生电路

该电路原理是利用脉宽调制器CA1524[3]及其外围电路产生一定频率和占空比的脉冲信号，经过驱动电路，通过变压器转换成高压，再加上多级倍压电路，使得加在放电电极两端的电压达4800V，从而将空气击穿放电。

图中，脉冲产生电路由芯片CA1524 及其外围电路组成，其可输出占空比和频率均可调节的脉冲信号。该电路的作用是将在一定范围内连续变化的模拟量信号转换为开关频率固定、占空比跟随输入信号连续变化的PWM 信号。

芯片CA1524 内部电路主要由高频振荡器、PWM 比较器、基准电压源、误差电压放大器、驱动电路和封锁电路等组成。控制芯片内部有2 个电压比较器，管脚1、2 和15、16 是电压比较器正负输入端子，管脚3 是电压比较器统一输出端。同时误差放大器的输出也可开放给用户，用户可以根据需要设计成PI 控制器。管脚5、6 可接振荡电容和电阻，振荡器的振动频率由外接电阻和电容决定，根据电路频率而调节容值和阻值。管脚8 为触发脉冲输出口，采用电流图腾输出，使得芯片可以直接驱动功率不大的开关管。T 触发器的作用是将输出进行分频，得到占空比为50%的频率为振荡器频率的1/2 的方波，将T 触发器输出的这样两路互补的方波同比较器输出PWM 信号进行“或非”运算，就可以得到两路互补的占空比为0～50%的PWM 信号，考虑死区时间的存在，最大占空比通常为45%～47.5%。管脚13 为封锁控制，管脚14 为参考电压，管脚12 为工作电压，管脚4 为死区控制端，一旦高电平输入，芯片输出脉冲被封锁，直流电压输出为零。PWM 控制器的反馈通道由电压误差放大器EA、PWM比较器和锁存器及驱动电路组成。管脚1 作为直流输出电压的反馈信号，管脚2与芯片输出的参考电压相连，作为误差放大器的参考输入，管脚3 输入主电路的电压反馈。受时钟脉冲触发，功率管开通，电感(功率管)电流上升到由EA 输出决定的门限值时，PWM 比较器翻转，锁存器复位，驱动脉冲关断功率管，电感电流下降，直到下一个时钟脉冲到来，锁存器置位，开关管重新开通。输入电压变化时，电感电流的上升斜率变化，输出占空比改变以抑制输入电压的变化，这是一个前馈调节过程，响应极快；负载扰动则是通过EA 改变电流门限值进行调节的。

其振荡器频率由C14 和R29 共同决定。公式如下：

式中，RT 为R29，CT 即为C14 的容值，电路输入频率可以根据需要通过调节R29 和C14 的参数得到理想频率。本设计中该芯片的输入频率一般设为250-300K。其波形图如下所示。

图3 CA1524 内部振荡器波形图

上文提到，经过电路内部分频，可得到两路互补的占空比为0～50%的脉冲信号。因为高压放电时，电路通过电流较大，如果作为后面场效应管驱动信号的脉冲信号不好，上升或下降沿时间较长，就会在功率管上消耗大量的能量，导致整机功耗增大。下面是该脉冲电路产生的波形图。

图4 PWM 电路输出脉冲波形

驱动电路是控制电路与主电路的接口，同开关电源的可靠性、效率等性能密切相关。驱动电路需要有很高的快速性，能提供一定的驱动功率，并具有较高的抗干扰和隔离噪声能力。驱动信号施加在开关器件的栅极一源极(MOSFET)间，在全桥电路中，不同开关器件的源极间的电位差很大，而且在高速变化。

2.2 倍压整流电路

由于产生高压放电现象需要较高电压，部分设计采用了增加变压器的匝数来提高副边电压，但是该设计会导致变压器的体积太大以及寄生电容增大。故本方案采用一定匝比的变压器加多级倍压电路的方法来提高输出电压。本设计电路采用了4 级倍压整流电路。如下图所示。

运用滤波电容的存储作用，由多个电容和二极管可以获得几倍于变压器副边电压的输出电压，称为倍压整流电路。我们通常称2 倍为一阶，用N 表示，我们所用的就是2 阶倍压整流电路。当变压器次极输出为上正下负时，变压器向上臂两个电容充电储能；当变压器次极输出为上负下正时，上臂电容通过变压器向下臂两个电容充电储能。C9 两端的电压为次极电压，C10，C11，C12 两端的电压均为变压器次极电压的2 倍。经过倍压整流之后，电极两端的电压为4800V 左右。事实上，由于高阶倍压整流电路带负载能力差，输出很小的功率就会导致出电压的大幅度跌落。跌落电压公式如下。

经过计算，本设计中高压放电倍压电路最终跌落电压为2000V左右。

由上式可以看到，高压放电之后电压跌落2000V 左右，仍足以维持放电，而在起弧之前如果电压低于4800V时却无法将空气击穿。由此说明在开始放电瞬间需要很高的电压电极之间的空气电离放电，产生放电之后，要维持放电的电压并不需要很高。

2.3 取样反馈电路

一般的高压放电电路为一个开路，没有反馈及补偿功能。这样导致放电电流极不稳定，随供电电压和环境等因素变化较大。

为了解决这个问题，本设计电路在放电终端加上反馈电路，使整个放电电路形成一个闭环，这样放电电流具有自动调节功能。当放电电流变化导致取样电压变化时，经过反馈电路处理，通过改变输出脉冲的频率来调节电流，使放电电流达到初始设定值。

3 结束语

本文较详细分析了高压放电的基本原理。采用芯片CA1524 产生可调节的脉冲信号，并采用升压变压器加多级倍压电路的方法来提高输出电压击穿空气放出电弧，并增加了反馈电路。经过试验验证，本设计电路输出的高压放电电流稳定，可用于对电弧温度稳定性要求较高的各种场合。

［1］黄石生.新型弧焊电源及其智能控制[M].机械工业出版社.

［2］周泽存.高电压技术[M].水利电力出版社.

［3］http：//www.intersil.com CA1524.pdf[OL].