基于TMS320F280049 的等离子体电源设计

杨 晨，薛家祥

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州510640）

等离子体技术作为制造业中一种新兴的表面处理技术，广泛应用于电子、通信、汽车、纺织、生物医疗等领域。等离子体的激发方式主要有电场、光、高能射线或高温等方法[1]，工业中常用高压电作为激励，通过电场加速气体中的电子、离子或高能粒子的运动，使其相互碰撞，将气体电离，从而生产等离子体。 现有的等离子体电源多为模拟电源，存在开关损耗高、功率因数低、动态响应慢及无法追踪等离子体负载变化等问题。 本文使用DSP TMS320F280049 设计了一款高频高压数字谐振电源，降低了开关损耗，使用峰值电流控制模式提高了系统的动态响应及调节性能，利用压缩空气作为工作气体产生了等离子体射流。

1 等离子体发生器

工业领域常用压缩气体/氮气通过高频高压电，将气体电离产生等离子体。 根据等离子体发生器枪头的放电通道结构不同，可分为介质阻挡放电和裸露电极放电，本文使用的是裸露电极放电，发生器枪头的结构如图1（a）所示。 电源的高压输出端接枪头棒状金属电极， 另一端与枪头外壳相连并接地；枪头通入工作气体，在高频高压电的作用下，产生等离子体并由工作气体吹出，形成等离子体射流。

发生器结构为两金属电极中填充气体间隙，根据放电特性，发生器负载等效模型为时变气隙电容Cg与电阻R（t）负载，如图1（b）所示。当气体未放电时开关断开，等效为电容，其大小与发生器结构尺寸有关；当气体放电时，气隙介电常数发生改变，等效为Cg并联R（t）[2]。

图1 等离子体发生器Fig.1 Plasma generator

为了解决容性负载导致的系统功率因数低，以及气体放电电压高导致的变压器匝比过大等问题。本电源使用串联谐振拓扑，设计谐振变压器漏感LSLK用于阻抗匹配，提高功率因素，同时谐振升压也满足了气体放电高电压的要求。 根据谐振频率计算公式：

式中：fZ为谐振频率；L 为谐振电感，本文为变压器漏感；C 为负载等效电容。

本文设计的变压器副边漏感LSLK为36 mH，使用的发生器为大气等离子体直喷枪头，利用阻抗分析仪测试其静态电容，根据放电时的电压电流计算动态等效电容，由上式可得谐振频率fZ，测试及计算结果如表1 所示。

表1 直喷枪头参数Tab.1 Parameters of direct injection gun

可见当气体放电时负载电容Cg变大， fZ也会发生变化， 此时如果电源开关频率fS与fZ不匹配，会导致系统无功功率大，因此电源系统有必要采用PFM 控制，才能产生等离子体。 另外，由于系统采用移相全桥软开关拓扑，为了容易实现零电压开关（zero voltage switch，ZVS）往往使系统工作在感性区域，即fS大于fZ。

2 电源设计

2.1 电源总体框架设计

电源总体框架可分为4 个模块，如图3 所示。功率模块负责将市电逆变升压为高频交流方波，输出至等离子体发生器；控制模块负责主电路信号采样，实现峰值电流控制及保护，并输出PWM 驱动移相全桥；辅助电源模块是以UCC28610 为控制芯片的反激电源，为软启动继电器、DSP、驱动及采样调理等电路供电；人机交互模块负责将系统实时运行工况显示，并提供用户设置运行参数以及报警功能。

图2 电源总框架Fig.2 Overall power supply framework

2.2 主电路拓扑

本电源的拓扑结构采用前级桥式整流，后级移相全桥接谐振变压器，副边输出至等离子体发生器枪头，等效为电容Cg。 如图3 所示，其中LPLK为变压器原边漏感，LSLK为变压器副边漏感。

图3 主电路拓扑Fig.3 Main circuit topology

工作原理：220 V 市电经过整流桥及滤波电容后，整流为峰值电压310 V 的直流电，经过移相全桥软开关后，获得20 kHz～60 kHz 可调频率的交流方波，通过变压器升压为高频高压交流电后送等离子体发生器枪头，用于激励气体放电，产生等离子体。

2.3 ZVS 参数设计

由于系统开关频率调整范围广， 且频率较高，开关损耗也很高。 为了降低开关损耗，提高电源效率及对负载的适应性， 本文采用移相全桥实现ZVS，由DSP 输出4 路两两互补的PWM 驱动波形，其最大占空比为48%，且死区时间可调整。 由对角两个开关管Q1，Q4（Q3，Q2）驱动波形的重叠部分即导通角决定输出功率大小，通过峰值电流控制模式调整导通角的大小。

ZVS 的工作原理如图4 所示，当Q1关断时，电路通过电感续流，谐振电容Cr4放电，谐振电容Cr1充电，此时Q4导通为零电压开通。 要顺利实现零电压开关，关键是谐振电感的感量要足够大以满足开关管谐振电容（寄生电容或加外接电容）电压谐振至零的要求；同时谐振电容过小也会使匹配的死区时间 过短，可能导致同一桥臂直通烧毁。

图4 ZVS 原理图Fig.4 Zero voltage switch schematic

所以， 本设计为了满足20 kHz～60 kHz 宽频率调整范围下实现ZVS 的要求。 在开关管上并联了2.2 nF 的谐振电容Cr，设计变压器的原边漏感LPLK=100 μH 为谐振电感，根据前文公式，计算得ZVS 谐振频率fZVS=240 kHZ， 对应的谐振周期T=4.17μs。为了实现ZVS，同一桥臂开关管的死区时间td要匹配谐振周期T，根据经验公式往往取td=T/4，故取td1=1 μs；并且由于滞后桥臂上电流过零换向，此时谐振能量不足，需要适当增加死区时间，取滞后桥臂死区td2=1.2 μs。

2.4 峰值电流控制模式设计

等离子体发生器在激励电压达到气体放电临界电压时，气体被高压击穿，在电极将出现丝状放电，此时电流急剧变化，峰值电流可冲至有效电流的2 倍以上。 因此对电源的动态响应、调节性能、保护的及时性与可靠性提出了很高的要求。

综合考虑，本电源采用峰值电流双闭环控制模式，外环选择输出电压/输出功率PI 调节器；内环为初级峰值电流控制并应用斜坡补偿，使系统具有以下优点：①逐周期控制，动态响应快，调节性能好，当输入或输出变化时，电流随之变化，并立即调整脉冲宽度；②易于实现限流和过流保护；③系统是一阶的，稳定裕量大，稳定性好；④为变压器提供了优秀的磁通平衡，减少了磁通饱和[3]。

本系统选用TI 公司的TMS320F280049 DSP 芯片，集成的片上模拟比较器可用于实现峰值电流控制模式。 具体实现如图5 控制框图所示。

图5 峰值电流控制程序框图Fig.5 Peak current control program block diagram

系统运行时，ADC 采集电路初级电流Ipri， 输出电压Vout及输出电流Iout；根据用户要求，外环可采用恒功率环或恒电压环，将采集到的数据Fdbk 与用户设定的参考值UserSetRef 送数字PI 子程序；外环输出结果Iref经过斜坡补偿驱动程序DACDRV后，通过DACSlopeComp 输出至片上模拟比较器反向输入端，作为峰值电流的基准值Ref；同时，将Ipri送同向输入端进行比较，根据比较结果控制PWM输出，实现峰值电流控制[4]。

开关管驱动波形如图6 所示，在每半个开关周期，当初级电流达到峰值基准时，滞后桥臂中一个开关管（Q2或Q3）的驱动PWM 波形被立即“复位”，同时另一个开关管的驱动PWM 波形在一个死区时间td2后被“置位”[5]。 这种操作使得对角开关管（Q1和Q3或Q2和Q4）的驱动PWM 波形出现相移，实际有效输出脉宽为图6 中灰色色块，即对角开关管驱动波形的重叠部分，也称导通角。 通过控制峰值电流基准值即可控制导通角的大小， 基准电流越高，导通角越大，输出至负载的能量也越高。

图6 峰值电流控制PSPWM 波形Fig.6 Peak current control PSPWM waveform

2.5 TMS320F280049 控制软件设计

程序控制流程如图7（a）所示，主程序主要由系统初始化，中断配置及处理，通讯任务组成。 其中系统初始化包括参数初始化及外设初始化，参数包括用户设定工作功率，输出电压等参数；外设初始化包括GPIO，ADC，SPI，EVA，ECAP 等模块；通讯任务通过SPI 与人机模块通信，实时显示系统运行参数。图7（b）给出了系统输出误差检测中断，设计定时器计数周期为开关频率的2 倍，当中断触发时采集多次输出信号值，经过均值滤波及数值转换后与用户设定值比较，得到误差并传递到数字PI 子程序运算得出Iref，用于更新峰值电流基准变量的大小，实现减小输出误差的闭环控制。 图7（c）给出了变频控制算法流程，当检测到输出电流电压相位差过大时，启动变频控制调整PWM 的频率fS以逼近谐振频率fZ，从而提高有功功率，产生等离子体。

3 实验结果

图7 控制程序流程图Fig.7 Control program flow chart

根据上述设计方案，制作了一台基于TMS320F 280049 的等离子体电源样机，使用大气等离子直喷枪头产生了等离子体射流，射流长度约为26.67 mm，如图8 和图9 所示； 开关管Q2的Uds及Ugs波形如图10 所示，可见系统较好的实现了ZVS，减小了开关损耗提高了系统效率； 系统输出波形如图11 所示，在每个正半开关周期中气体电离放电导致电压突变一次，并且输出电压电流相位差较小，表明功率因数较高。

图8 实验样机Fig.8 Experimental prototype

图9 产生的等离子体射流Fig.9 Generated plasma jet

图10 ZVS 波形Fig.10 Zero voltage switch waveform

图11 输出波形Fig.11 Output waveform

4 结语

本文使用TMS320F280049 DSP 芯片设计等离子体电源，详细介绍了移相全桥软开关及数字式峰值电流的实现方案。 利用软开关减小了开关损耗提高了系统的效率；峰值电流控制提高了系统的动态响应；通过PFM 控制跟踪等离子体负载变化，成功产生等离子体， 并提高了系统功率因素及调节性能。 通过研制的样机验证，得到了较理想的效果，表明本设计具有实际应用价值。