本發(fā)明涉及一種應用于分析儀器、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、科研等領域中的頻率、幅值、功率可調節(jié)的高頻高壓交流電源電路。

背景技術：

目前市場上的高頻高壓電源大多數(shù)以高壓直流電源為主，其應用領域也非常廣泛，而高頻高壓交流電源種類較少，實體電源體積較大，調節(jié)范圍窄，性能也比較單一，可靠性不高，不能滿足用戶需求。隨著電子科技的發(fā)展，特別是等離子體等相關應用領域的擴大，市場對高頻高壓交流電源的需求越來越大，對其產(chǎn)品的性能有了更高的要求。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于目前市場存在的不足，本發(fā)明提供了一種輸出電壓高、調節(jié)范圍寬的頻率、幅值、功率可調節(jié)的高頻高壓交流電源電路。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，所采取的技術方案是：一種頻率、幅值、功率可調節(jié)的高頻高壓交流電源電路，包括主控制及驅動電路、調控電壓整流濾波及其功率采樣電路，其特征在于：還包括交流輸出頻率控制及其驅動電路、交流輸出功率設定及過載保護電路、交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路、交流輸出及其電流采樣電路，所述調控電壓整流濾波及其功率采樣電路分別與主控制及驅動電路、交流輸出頻率控制及其驅動電路、交流輸出功率設定及過載保護電路、交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路連接，所述交流輸出及其電流采樣電路分別與交流輸出頻率控制及其驅動電路、交流輸出功率設定及過載保護電路、交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路連接，所述主控制及驅動電路分別與交流輸出功率設定及過載保護電路、交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路連接，供電輸入分別與主控制及驅動電路、交流輸出頻率控制及其驅動電路連接；

具體電路連接為：所述交流輸出頻率控制及其驅動電路中，供電輸入電壓+Vin分別接電阻R41和R42的一端，電阻R41的另一端分別與電容C3的正極、穩(wěn)壓二極管D12的負極相連并作為內(nèi)部供電端Vcc，電容C3的負極與穩(wěn)壓二極管D12的正極相連后接輸入地GND，DC電源轉換模塊M1的供電端1腳分別接電容C30的正極、二極管D11的負極、電阻R42的另一端，DC電源轉換模塊M1的輸入地端2腳與電容C30的負極相連后接輸入地GND，DC電源轉換模塊M1的輸出端6腳分別接二極管D11的正極、電容C31的正極、控制芯片U4的供電端1腳和高側懸浮電源正端8腳，DC電源轉換模塊M1的輸出地端4腳與電容C31的負極相連后接輸入地GND，電阻R4與電位器VR2的兩個固定端1、2腳并聯(lián)，電位器VR2的一固定端1腳與調節(jié)端3腳相連，電阻R4的一端通過電阻R3接控制芯片U4的振動器定時電阻輸入端2腳，電阻R4的另一端分別接控制芯片U4的振動器定時電容輸入端3腳、電位器VR2的另一固定端2腳、電容C27的一端，控制芯片U4的接地端4腳分別與控制芯片U4的高壓懸浮電源負端6腳、電容C27的另一端相連后接輸入地GND，二極管D13與電阻R9并聯(lián)，二極管D14與電阻R10并聯(lián)，控制芯片U4的高側柵極驅動器輸出端7腳接二極管D13的負極，控制芯片U4的低側柵極驅動器輸出端5腳接二極管D14的負極，二極管D13的正極接MOS三極管T5的柵極，二極管D14的正極接MOS三極管T4的柵極，MOS三極管T4與T5的源極相連后接輸入地GND，MOS三極管T5的漏極接變壓器TRF2初級繞組Lp1的同名端1腳，MOS三極管T4的漏極接變壓器TRF2初級繞組Lp2的異名端3腳，變壓器初級繞組Lp1和Lp2的中心端2腳分別接電感L3和電容C17的一端，電容C17的另一端接輸入地GND，電感L3的另一端接調控電壓整流濾波及其功率采樣電路中電容C2的正極；

所述交流輸出功率設定及過載保護電路中，放大器U3B的反相輸入端6腳分別接電容C24和電阻R27的一端，電阻R16與電容C26并聯(lián)，放大器U3B的同相輸入端5腳通過電阻R16接輸入地GND，電位器VR1的一固定端1腳接輸入地GND，電位器VR1的另一固定端2腳接內(nèi)部基準端Vref，電位器VR1的調節(jié)端3腳通過電阻R29分別接電阻R28的一端、電阻R27的另一端，電阻R28的另一端接調控電壓整流濾波及其功率采樣電路中二極管D6的負極，放大器U3B的輸出端7腳分別接電阻R24的一端、電容C24的另一端，電阻R5與電容C25并聯(lián)，電阻R24的另一端分別接電阻R5的一端、三極管T3的基極，三極管T3的發(fā)射極與電阻R5的另一端相連后接輸入地GND，電阻R31的一端接光電耦合器U5輸入二極管的正極1腳，光電耦合器U5的輸出三極管的集電極4腳與三極管T3的集電極相連后接主控制及驅動電路中控制芯片U2的電壓控制端5腳，光電耦合器U5輸入二極管的負極2腳與輸出三極管的發(fā)射極3腳相連后接輸入地GND；

所述交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路中，電阻R18與電容C7并聯(lián)，電阻R18的一端接調控電壓整流濾波及其功率采樣電路中電容C2的正極，電阻R18的另一端分別接電阻R15和R26的一端，電阻R15的另一端接輸入地GND，放大器U3A的反相輸入端2腳分別接電容C22的一端、電阻R26的另一端，電阻R13與二極管D9并聯(lián)，放大器U3A的輸出端1腳分別接電阻R14的一端、二極管D9的負極、電容C22的另一端，二極管D9的正極接主控制及驅動電路中控制芯片U2的電壓控制端5腳，電阻R25與電容C23并聯(lián)，放大器U3A的同相輸入端3腳分別接電阻R25和R35的一端，放大器U3A的供電負端4腳分別與電阻R14和R25的另一端相連后接輸入地GND，放大器U3A的供電正端8腳接內(nèi)部供電端Vcc，放大器U6A的供電正端8腳接內(nèi)部供電端Vcc，放大器U6A的供電負端4腳接輸入地GND，放大器U6A的輸出端1腳分別接電容C10的一端、電阻R35的另一端，放大器U6A的反相輸入端2腳分別接電阻R37的一端、電容C10的另一端，放大器U6A的同相輸入端3腳分別接電容C11的一端、電位器VR3的調節(jié)端3腳，電位器VR3的一固定端1腳接內(nèi)部基準端Vref，電位器VR3的另一固定端2腳與電容C11的另一端相連后接輸入地GND，電容C13與二極管D15并聯(lián)，電阻R38與電容C12并聯(lián)，電阻R33和R34串聯(lián)，電阻R34的一端分別接電阻R39的一端、二極管D15的負極，電阻R39的另一端分別接電阻R36和R38的一端、電阻R37的另一端，二極管D15的正極與電阻R38的另一端相連后接輸入地GND，放電器U6B的反相輸入端6腳與輸出端7腳相連，放大器U6B的同相輸入端5腳分別接電容C14的一端、電阻R36的另一端，電容C14的另一端接輸入地GND，放大器U6B的輸出端7腳通過電阻R40接電容C32的一端，并作為電壓監(jiān)測端Vdis引出，電容C32的另一端接輸入地GND；

所述交流輸出及其電流采樣電路中，變壓器TRF2次級繞組Ls的4腳通過電感L4分別接電容C18的一端、二極管D7的正極，并作為交流輸出L端引出，變壓器TRF2次級繞組Ls的5腳分別接電容C19的一端、電容C18的另一端、整流橋B1的1腳，二極管D7的負極接二極管D8的正極，二極管D8的負極通過電阻R22分別接電容C19的另一端、交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路中電阻R33的一端，整流橋B1的3腳作為交流輸出N端引出，電容C9和電阻R19并聯(lián)，電阻R30與電容C8并聯(lián)，整流橋B1的2腳分別接電阻R19和R30的一端、交流輸出功率設定及過載保護電路中電阻R31的另一端，電阻R30的另一端接電阻R32的一端并作為電流監(jiān)測端Idis引出，整流橋B1的4腳與電阻R19和R32的另一端相連后接輸入地GND。

本發(fā)明的有益效果是：電路原理簡單，控制方便，該電路對應的實體電源體積小，功能較多，長期工作可靠性高。具有交流輸出頻率調節(jié)功能，調頻范圍寬，其頻率調節(jié)范圍為15KHz～25KHz。具有交流輸出幅值調節(jié)功能，調幅范圍大，其幅值調節(jié)范圍為1KV～10KV。具有交流輸出功率調節(jié)功能，適應功率范圍寬，其功率調節(jié)范圍為1W～20W。帶有交流輸出幅值和輸出電流監(jiān)測功能，方便用戶使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電源電路連接框圖；

圖2為本發(fā)明的電源電路原理圖。

具體實施方式

如圖1、圖2所示，一種頻率、幅值、功率可調節(jié)的高頻高壓交流電源電路，包括主控制及驅動電路、調控電壓整流濾波及其功率采樣電路，還包括交流輸出頻率控制及其驅動電路、交流輸出功率設定及過載保護電路、交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路、交流輸出及其電流采樣電路。

調控電壓整流濾波及其功率采樣電路分別與主控制及驅動電路、交流輸出頻率控制及其驅動電路、交流輸出功率設定及過載保護電路、交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路連接，交流輸出及其電流采樣電路分別與交流輸出頻率控制及其驅動電路、交流輸出功率設定及過載保護電路、交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路連接，主控制及驅動電路分別與交流輸出功率設定及過載保護電路、交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路連接，供電輸入分別與主控制及驅動電路、交流輸出頻率控制及其驅動電路連接。

上述交流輸出頻率控制及其驅動電路中，供電輸入電壓+Vin分別接電阻R41和R42的一端，電阻R41的另一端分別與電容C3的正極、穩(wěn)壓二極管D12的負極相連并作為內(nèi)部供電端Vcc，電容C3的負極與穩(wěn)壓二極管D12的正極相連后接輸入地GND，DC電源轉換模塊M1的供電端1腳分別接電容C30的正極、二極管D11的負極、電阻R42的另一端，DC電源轉換模塊M1的輸入地端2腳與電容C30的負極相連后接輸入地GND，DC電源轉換模塊M1的輸出端6腳分別接二極管D11的正極、電容C31的正極、控制芯片U4的供電端1腳和高側懸浮電源正端8腳，DC電源轉換模塊M1的輸出地端4腳與電容C31的負極相連后接輸入地GND，電阻R4與電位器VR2的兩個固定端1、2腳并聯(lián)，電位器VR2的一固定端1腳與調節(jié)端3腳相連，電阻R4的一端通過電阻R3接控制芯片U4的振動器定時電阻輸入端2腳，電阻R4的另一端分別接控制芯片U4的振動器定時電容輸入端3腳、電位器VR2的另一固定端2腳、電容C27的一端，控制芯片U4的接地端4腳分別與控制芯片U4的高壓懸浮電源負端6腳、電容C27的另一端相連后接輸入地GND，二極管D13與電阻R9并聯(lián)，二極管D14與電阻R10并聯(lián)，控制芯片U4的高側柵極驅動器輸出端7腳接二極管D13的負極，控制芯片U4的低側柵極驅動器輸出端5腳接二極管D14的負極，二極管D13的正極接MOS三極管T5的柵極，二極管D14的正極接MOS三極管T4的柵極，MOS三極管T4與T5的源極相連后接輸入地GND，MOS三極管T5的漏極接變壓器TRF2初級繞組Lp1的同名端1腳，MOS三極管T4的漏極接變壓器TRF2初級繞組Lp2的異名端3腳，變壓器初級繞組Lp1和Lp2的中心端2腳分別接電感L3和電容C17的一端，電容C17的另一端接輸入地GND，電感L3的另一端接調控電壓整流濾波及其功率采樣電路中電容C2的正極。

上述交流輸出功率設定及過載保護電路中，放大器U3B的反相輸入端6腳分別接電容C24和電阻R27的一端，電阻R16與電容C26并聯(lián)，放大器U3B的同相輸入端5腳通過電阻R16接輸入地GND，電位器VR1的一固定端1腳接輸入地GND，電位器VR1的另一固定端2腳接內(nèi)部基準端Vref，電位器VR1的調節(jié)端3腳通過電阻R29分別接電阻R28的一端、電阻R27的另一端，電阻R28的另一端接調控電壓整流濾波及其功率采樣電路中二極管D6的負極，放大器U3B的輸出端7腳分別接電阻R24的一端、電容C24的另一端，電阻R5與電容C25并聯(lián)，電阻R24的另一端分別接電阻R5的一端、三極管T3的基極，三極管T3的發(fā)射極與電阻R5的另一端相連后接輸入地GND，電阻R31的一端接光電耦合器U5輸入二極管的正極1腳，光電耦合器U5的輸出三極管的集電極4腳與三極管T3的集電極相連后接主控制及驅動電路中控制芯片U2的電壓控制端5腳，光電耦合器U5輸入二極管的負極2腳與輸出三極管的發(fā)射極3腳相連后接輸入地GND。

上述交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路中，電阻R18與電容C7并聯(lián)，電阻R18的一端接調控電壓整流濾波及其功率采樣電路中電容C2的正極，電阻R18的另一端分別接電阻R15和R26的一端，電阻R15的另一端接輸入地GND，放大器U3A的反相輸入端2腳分別接電容C22的一端、電阻R26的另一端，電阻R13與二極管D9并聯(lián)，放大器U3A的輸出端1腳分別接電阻R14的一端、二極管D9的負極、電容C22的另一端，二極管D9的正極接主控制及驅動電路中控制芯片U2的電壓控制端5腳，電阻R25與電容C23并聯(lián)，放大器U3A的同相輸入端3腳分別接電阻R25和R35的一端，放大器U3A的供電負端4腳分別與電阻R14和R25的另一端相連后接輸入地GND，放大器U3A的供電正端8腳接內(nèi)部供電端Vcc，放大器U6A的供電正端8腳接內(nèi)部供電端Vcc，放大器U6A的供電負端4腳接輸入地GND，放大器U6A的輸出端1腳分別接電容C10的一端、電阻R35的另一端，放大器U6A的反相輸入端2腳分別接電阻R37的一端、電容C10的另一端，放大器U6A的同相輸入端3腳分別接電容C11的一端、電位器VR3的調節(jié)端3腳，電位器VR3的一固定端1腳接內(nèi)部基準端Vref，電位器VR3的另一固定端2腳與電容C11的另一端相連后接輸入地GND，電容C13與二極管D15并聯(lián)，電阻R38與電容C12并聯(lián)，電阻R33和R34串聯(lián)，電阻R34的一端分別接電阻R39的一端、二極管D15的負極，電阻R39的另一端分別接電阻R36和R38的一端、電阻R37的另一端，二極管D15的正極與電阻R38的另一端相連后接輸入地GND，放電器U6B的反相輸入端6腳與輸出端7腳相連，放大器U6B的同相輸入端5腳分別接電容C14的一端、電阻R36的另一端，電容C14的另一端接輸入地GND，放大器U6B的輸出端7腳通過電阻R40接電容C32的一端，并作為電壓監(jiān)測端Vdis引出，電容C32的另一端接輸入地GND。

上述交流輸出及其電流采樣電路中，變壓器TRF2次級繞組Ls的4腳通過電感L4分別接電容C18的一端、二極管D7的正極，并作為交流輸出L端引出，變壓器TRF2次級繞組Ls的5腳分別接電容C19的一端、電容C18的另一端、整流橋B1的1腳，二極管D7的負極接二極管D8的正極，二極管D8的負極通過電阻R22分別接電容C19的另一端、交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路中電阻R33的一端，整流橋B1的3腳作為交流輸出N端引出，電容C9和電阻R19并聯(lián)，電阻R30與電容C8并聯(lián)，整流橋B1的2腳分別接電阻R19和R30的一端、交流輸出功率設定及過載保護電路中電阻R31的另一端，電阻R30的另一端接電阻R32的一端并作為電流監(jiān)測端Idis引出，整流橋B1的4腳與電阻R19和R32的另一端相連后接輸入地GND。

控制芯片U4的型號為：IR21531。

光電耦合器U5型號為：P281。

控制芯片U2的型號為：7555。

放大器U3和U6型號為：LF442。

基準芯片U1型號為：LM4040。

以本設計的高頻高壓交流電源電路為例，制作了實體產(chǎn)品，經(jīng)過實際檢測，電源的各項性能指標均達到了設計要求。

為確保電源長期工作的可靠性，選擇元器件時，根據(jù)實際產(chǎn)品的要求，充分考慮了其各參數(shù)的冗余。

根據(jù)實際輸出功率及電壓，選擇變壓器TRF1和變壓器TRF2。制作變壓器TRF2時充分考慮了絕緣耐壓問題；當輸出功率較大時，功率MOS管T1、T4和T5需考慮散熱問題。

工作原理

在主控制及驅動電路中，主控制芯片U2采用7555，它與電阻R1、R23、電容C20等組成多諧振蕩電路，在U2的輸出端3腳輸出高頻方波脈沖，驅動MOS開關管T1及高頻變壓器TRF1。各種反饋信號，通過電壓控制端5腳，控制輸出方波脈沖的頻率及占空比，以達到控制相關反饋變量的目的。在啟停R/S端，通過TTL電平，控制電源的啟動和停止。

在調控電壓整流濾波及其功率采樣電路中，從高頻變壓器TRF1次級繞組上得到的高頻脈沖電壓，經(jīng)二極管D2~D5整流，電感L2及電容C2、C15等濾波，得到穩(wěn)定的幾十伏直流電壓，為高頻變壓器TRF2的初級繞組提供勵磁電壓。

在交流輸出頻率控制及其驅動電路中，輸入供電+Vin通過DC/DC電源轉換模塊M1，得到穩(wěn)定的直流電壓，作為控制芯片U4的供電。芯片U4采用IR32531，為自振式半橋驅動器，其輸出驅動控制由原半橋結構改接為推挽輸出結構，經(jīng)開關管T4、T5，驅動高頻變壓器TRF2。同時，通過電位器VR2，在一定范圍內(nèi)，調節(jié)其輸出頻率，進而調節(jié)高頻高壓交流輸出電壓的頻率。

在交流輸出功率設定及過載保護電路中，在交流輸出電壓及調控電壓基本不變的條件下，通過電位器VR1設定調節(jié)，在電阻R21上采集的調控輸出電流，經(jīng)放大器U3B電流反饋，控制調控電壓的最大輸出電流，從而控制、調節(jié)交流輸出的最大輸出功率。

在交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路中，交流輸出電壓的幅值，經(jīng)電阻R33、R34、R38等反饋采樣，送至放大器U6A的反相輸入端2腳，來自電位器VR3的交流輸出電壓幅度設定值送至同相輸入端3腳，它們的差分電壓經(jīng)放大器U6A放大輸出，送至放大器U3A的同相輸入端3腳，調控電壓通過電阻R20、R15及電容C7等電壓反饋采樣，送至放大器U3A的反相輸入端2腳，它們通過放大器U3A的放大輸出，控制芯片U2的電壓控制端5腳，進而控制交流輸出電壓幅值。

在交流輸出及其電流采樣電路中，由高頻變壓器TRF2的次級直接從L端和N端輸出高頻交流電壓，該電壓經(jīng)二極管D7、D8和電容C19的整流濾波后，送至交流輸出電壓幅值設定及其反饋電路。高頻高壓交流輸出經(jīng)整流橋B1，在電阻R19上獲得交流輸出電流的采樣信號，其一送至交流輸出功率設定及過載保護電路，其二經(jīng)電阻R30、R32分壓后作為輸出電流監(jiān)測端Idis引出。