ESP高频电源的设计

刘牮，雷龙，张辉，郭占磊

（1.上海理工大学电气工程系，上海200093；2.珠海格力电器股份有限公司，广东珠海519070）

ESP高频电源的设计

刘牮1，雷龙2，张辉2，郭占磊1

（1.上海理工大学电气工程系，上海200093；2.珠海格力电器股份有限公司，广东珠海519070）

针对静电除尘用工频电源存在的缺陷，设计了一种静电除尘用高频开关电源，采用一种新型的驱动电路和过流保护电路，选用LCC谐振变换器，介绍了谐振电路参数选取过程并用saber仿真进行了验证，调频范围在18～38 kHz，输出电压90 kV。通过样机实验验证了该设计。

ESP；高频电源；驱动电路；LCC

静电除尘（electrostatic precipitator，ESP）是利用静电吸附粉尘的原理进行除尘，以除尘效率高、处理粉尘的颗粒范围广、运行稳定、可靠性高、投产后维护管理方便等一系列优点，成为工业生产中广泛应用的一种先进的除尘方法。在安全可靠运行的前提下提高除尘效率，是静电除尘器的研究热点。

1 系统拓扑结构

如图1所示，系统主电路为输入三相380V、50 Hz的交流电源，经三相整流滤波后得到550V直流电压，再经IGBT模块组成的H桥逆变、高频变压器升压整流得到90 kV直流电压送给负载。采样直流母线电压电流、谐振网络电流、输出电压电流等信号反馈送至DSP控制系统。DSP控制系统与温度检测电路一起执行过温保护、与驱动电路实现过压、过流、短路保护。

图1 系统拓扑结构

2 电源控制系统

本系统是以DSP作为主控制芯片并采用过流、过压、温度等作为反馈信号来实现自动调压，整个系统全数字化控制，通过该芯片的PWM输出功能发出驱动信号，经驱动放大电路后供给IGBT，进而调节LCC谐振变换器达到调整电路输出的目的。整个系统控制结构如图2所示。

图2 系统控制结构

2.1 驱动电路

电源所用IGBT驱动电路的驱动信号由UCC3895发出，通过DSP调节与RT管角相连的数字电位器，即可调节UCC3895发出的驱动信号频率，利用4个小脉冲变压器进行隔离，最后给IGBT模块进行驱动。得到的驱动波形如图3所示，调频范围在18～38 kHz。

图3 IGBT驱动波形

本设计选用IGBT模块Infineon(FF300R12KS4)。

IGBT所需驱动功率为：

为了保证IGBT的正常导通与关断，超前桥臂和滞后桥臂的死区时间设置为2.5 μs，充足的死区时间可有效防止上下桥臂直接导通。驱动波形的上升时间和下降时间均为50 ns左右，完全符合IGBT的驱动要求。

2.2 过流保护电路

利用霍尔电流互感器LT308-S6作为反馈信号，将采集到的电流信号经高速光耦HCNR200线性隔离，再经并联电阻变为电压信号，输入比较器393与预设值进行比较。当反馈信号高于预设值时，393输出信号给555延时器进行延时，同时555延时器输出给UCC3895的12管角关断UCC3895，以保护电路。在实验中，模拟了一个过流信号，发现输出的过流信号和驱动电路板的关断时间相差为400 ns，完全可以保护住IGBT。过流保护电路如图4所示。

图4 过流保护电路

2.3 控制流程

以上介绍了控制电路各部分的硬件结构，软件部分的控制流程如图5所示。

图5 控制流程图

3 LCC谐振参数的选取

高频高压电源的谐振变换器有多种选择，但串并联谐振变换器是电除尘器电源的最佳选择[1]，故本设计选择串并联谐振变换器。作为高频电源的关键部分，LCC谐振参数的选取对电路具有重要意义。高频变压器本身有漏感和分布电容，LCC谐振变换器可以利用这个特点，仅仅利用变压器的漏感作为串联电感，不仅可以减少元件的数量，减小变换器的体积，更重要的是除掉了外加电感这个很大的发热源。由文献[2]可知：

图6=20 kHz

从仿真结果中可以看出，谐振网络在仿真条件下呈感性，开关管实现了ZVS，验证了文献[2]所述方法是可行的，虽然变压器漏感不能预定其准确值，但由于变化范围不大，仍然为LCC谐振参数的选取提供了重要指导。

4 实验验证

图7=30 kHz

图8 2路为输出电压

5 结论

本文提出了一种新型的ESP高频开关电源的设计方法。详述了电源的控制系统，选取并验证了串并联谐振参数，利用高频变压器的漏感和分布电容，减小了变换器体积并除掉外加电感这个相当大的热源。由于静电除尘器的闪络电压是由供电电压的峰值决定的，高频开关电源频率很高，输出电压近似直流，闪络电压阀值是工频的1.3～1.5倍，要保证除尘效率在不超出极板耐压范围的前提下，尽可能提高电源的输出电压，本设计可使输出电压达90 kV，有较高的应用价值。

[1]张谷勋.串并联谐振变换器是电除尘器电源的最佳选择[J].通信电源技术，2009(1)：26-27.

[2]林震宇，郭亮.静电除尘用高频高压电源谐振参数的选择[J].电工技术，2011(10)：17-19.

Design of ESPhigh-frequency power supply

LIU Jian1,LEI Long2,ZHANG Hui2,GUO Zhan-lei1

Aiming at the defects for electrostatic precipitator power supply,a kind ofhigh frequency switching power supply for electrostatic precipitator was designed.A new drive circuit and over-current protection circuit was used. Selecting LCC resonant converter,the resonant circuit parameters selection process and saber simulation were recounted.The range of the switching frequency was from 18 to 38 kHz,output voltage was 90 kV.The designmethod was verified by the final prototype.

ESP；high-frequency power supply；drive circuit；LCC

TM 13

A

1002-087 X(2014)10-1930-03

2014-03-16

刘牮(1961—)，男，上海市人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为电子技术及计算机控制。