低温等离子体电源逆变电路的设计与实现

杨扬 燕杰 张坚锋

【摘要】本文设计出了应用低温等离子体电源的逆变硬件电路，该逆变电路以C8051F系列单片机为载体，实现两路PWM波移相控制，产生幅值可调的高频交流电压，并且作为低温等离子体主电路电源使用。

1.引言

低温等离子体放电根据放电特性、放电区域介质状态及放电强弱的不同，分为以下四种：辉光放电、电晕放电、火花放电、流光放电，其中在大容量放电发生器上可以获得很好的流光放电效果。与交流电源供电相比而言，要实现高效率的低温等离子体放电，需要用高频交流电压与直流电压叠加供电。本文的电源为高频高压的交流电与高压直流电相加获得。考虑到低温等离子体电源的逆变电路是单相H桥逆变电路，产生高频的交流电压。

本文设计了低温等离子体电源的逆变电路，其采用C8051F系列单片机，可以实现两路PWM波移相控制单相H桥逆变和产生幅值可调的高频交流电压。

2.单相H桥逆变电路及其PWM控制方式

单相电压型H桥逆变电路共有四个桥臂，可以看成由2个半桥电路单元并联组合而成，负载跨接在两半桥的输出端之间。对于单相H桥逆变电路通常有3种比较典型的控制方式[1]。

1）移相控制方式：改变移相角来调节输出交流电压有效值的大小，输出电压也是通过移相的方式来调节，其本质为调节输出电压脉冲的宽度。

2）固定180°移相方波控制方式：对于单相电压型H桥逆变电路，2个半桥均采用180°方波控制，输出给负载的电压波形为正、负对称的180°宽的方波电压脉冲。改变输出电压是通过改变直流电压来实现。

3）单相H桥逆变电路的PWM控制：分為单极性PWM控制方式和双极性PWM控制方式。两者输出波形不同。

3.逆变电路的设计

本文采用C8051F系列单片机来实现两路移相控制，编程实现两路方波0到180度相移，按键操作实现相位的连续可调和增减及数码管的显示。频率设置为20KHz，占空比为50%。

3.1 编程实现移相PWM波

本文采用16MHz系统时钟，时钟控制字设置如下：OSCICN高四位为0，低四位时钟选择位CLKSL=0，内部振荡器频率控制位IFCN1-0=11，内部振荡器使能位IOSCEN=1，则控制字OSCICN=0x07。时钟周期T=1/16，要求生成PWM波频率为20KHz-，则周期为T=50，占空比为50%，定时器1的计数初值M1=65536-25×16，选用方式1。定时器T0的方式也为方式1。在程序设计的过程中，我们设定两路PWM的移相角为120o，而一个周期波形的度数为360o，则移相1°对应的系统晶振次数为0.139×16，约2次，M0=65536-120×2。为了实现一个周期内120o的相移，T1开始计数时刻就需检测到P03的上升沿，并将T0计数初值装入相应的控制字，在系统晶振次数计数完120o后，变P03低电平为高电平，P04也从低电平为高电平，T1重装初值，计数开始。此刻P03、P04两路输出均为高电平，并持续半个周期。在T1计数完后，P03、P04输出电平翻转，则产生两路PWM波，移相角度为120o。

3.2 按键控制角度的增减

在程序设计时，实现任意角度相移的两路PWM波，需要在120o的位置转换变量，称为start time。把start time设为要实现的偏移角度全局变量，并放入while（1）语句循环当中，判断按键状态。如果增加健按下，start time自动加1，如果按下减小键，start time自动减1。这些将影响定时器T0初值来改变输出的PWM波形。与此同时，硬件电路的抖动问题，可以通过判断按键函数中加函数delay来消除。如一直按delay，start time则会一直加1（一直减1），在if语句中判断start time的范围为0-180，如果超过这个范围，其产生的波形不再变化。

3.3 数码管显示

将数码管显示数0-9表示为数组形式，把每一位start time取整取零后赋值到P3相应的口，并把显示函数整合到while循环语句中，作为循环程序中最后一句，实时显示相移角度，在显示函数中判断start time的范围。

3.4 实验结果及波形分析

4.低温等离子主电路设计

经过三相全桥可控整流和高频单相桥逆变，低温等离子体电源主电路交流侧与直流侧输入电压均为高频交流电压。这时主电路需要直流侧与交流侧的谐振升压和升压后的高压直流电压与高频高压交流电压的叠加。根据第三节逆变电路的设计可以知道，主电路两侧输入的高频交流电压是由工频三相交流电压经过高频单相桥式逆变和三相全桥可控整流所得。幅值为，频率为20kHz。

根据工业要求和实际运行需要，直流侧电感为LDCR=1，电容CA=60，电压器TDC的变比为1：2。在叠加电路上，隔直耦合电容CCP取40nF，隔交滤波电感LAP=100mH，抗短路电感LS=1mH，放电发生器等效电容CL=20nF。

参考文献

[1]张加胜，张磊.电力电子技术[M].石油大学出版社，2004.