本發(fā)明涉及一種特種應(yīng)用的電源系統(tǒng)，具體涉及一種基于自適應(yīng)功率控制的等離子諧振電源系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)。根據(jù)發(fā)生原理、等離子體性質(zhì)的不同，可分為不同類型，應(yīng)用于不同領(lǐng)域,其中大氣壓常溫等離子體廣泛應(yīng)用于殺菌、表面處理、凈化和節(jié)能空氣冷光源等場(chǎng)合,正受到越來(lái)越多的關(guān)注。在互不相同的應(yīng)用領(lǐng)域和各種場(chǎng)合下，等離子體負(fù)載電壓和功率可能變得高度不同，解決該問(wèn)題的通常方法是開(kāi)發(fā)一種特殊的交流或直流輸出的電源系統(tǒng)。然而應(yīng)該指出，當(dāng)輸出直流，電荷經(jīng)常積聚在電介質(zhì)表面上，阻礙電路放電的進(jìn)行，更糟糕的是，一旦電荷累積到一定程度，它變得容易起弧，甚至發(fā)生短路現(xiàn)象，給等離子體性能控制帶來(lái)困難。相反，選擇交流源輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)電離以促進(jìn)輝光放電，頻率越高，電壓越高，越容易促進(jìn)等離子體的生成。

高頻輸出狀態(tài)下，逆變電路的功率器件的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗不能忽略，隨著頻率的增加，功率器件的損耗越大，效率越低。采用諧振技術(shù)可減小損耗，提升效率，提高電源頻率，諧振逆變器是通過(guò)軟開(kāi)關(guān)使等離子體電源損耗最小化的良好設(shè)計(jì)方案。然而隨著輸入條件的變化或負(fù)載的變化，可能會(huì)影響逆變器工作的軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

基于特殊的等離子負(fù)載特性，同時(shí)避免任何外部擾動(dòng)，降低等離子體工藝的穩(wěn)定性，通常采用功率控制調(diào)節(jié)電源輸出，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，以便保證系統(tǒng)的恒功率輸出。傳統(tǒng)的逆變器負(fù)載功率的控制方式有變頻調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制(pwm)兩種，變頻調(diào)制調(diào)節(jié)功率輸出，調(diào)節(jié)范圍越寬，會(huì)帶來(lái)噪聲譜寬，濾波電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，磁性元件利用率差等問(wèn)題，pwm調(diào)制，輸出功率較小時(shí)，受到死區(qū)時(shí)間和控制器分辨率的影響，占空比不能太小，功率調(diào)節(jié)范圍有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于自適應(yīng)功率控制的等離子諧振電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了以下3個(gè)問(wèn)題：(1)高頻輸出的條件下，功率器件的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗大，電磁干擾問(wèn)題嚴(yán)重，(2)傳統(tǒng)的諧振變換器采用單一調(diào)頻控制方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出，噪聲譜寬，濾波電路設(shè)計(jì)更復(fù)雜，控制原理困難，磁性元件利用率差，(3)輸入條件的變化或負(fù)載的變化，可能會(huì)導(dǎo)致功率器件失去軟開(kāi)關(guān)條件。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于自適應(yīng)功率控制的等離子諧振電源系統(tǒng)，包括全橋逆變電路、串并聯(lián)諧振電路、濾波電路、變壓器、等離子負(fù)載、電流采樣模塊、電壓采樣模塊、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路。全橋逆變電路將電源端直流電壓轉(zhuǎn)化為交流方波電壓，經(jīng)串并聯(lián)諧振電路和濾波電路處理后輸入到變壓器一次側(cè)，變壓器匹配等離子負(fù)載所需電壓等級(jí)。電流采樣模塊和電壓采樣模塊采集電流電壓信號(hào)送入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)輸出脈沖信號(hào)并送入驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生用于控制功率管開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。

所述的串并聯(lián)諧振電路由串聯(lián)諧振電感l(wèi)s電容cs的一端和并聯(lián)諧振電感l(wèi)p電容cp的一端相連，混合組成串并諧振電路，該串并聯(lián)諧振電路將逆變器的輸出電壓轉(zhuǎn)為諧振串聯(lián)電流和并聯(lián)電壓，電容cs阻止直流分量進(jìn)入變壓器。濾波電路由電感l(wèi)2電容c2串聯(lián)組成，串聯(lián)組成的濾波電路并聯(lián)于串并聯(lián)諧振電路和變壓器一次側(cè)之間，濾除高次諧波，減小后級(jí)變壓器磁芯損耗。根據(jù)等離子負(fù)載所需電壓等級(jí)，設(shè)定變壓器一二次側(cè)線圈的匝數(shù)比。

本發(fā)明的等離子諧振電源的控制系統(tǒng)所述的控制系統(tǒng)，包括功率計(jì)算模塊、給定功率、pi調(diào)節(jié)器、模式選擇器、mode0模式和mode1模式。

功率計(jì)算模塊根據(jù)測(cè)量的電流和電壓計(jì)算實(shí)際功率，功率計(jì)算模塊與功率給定模塊的輸出誤差送入pi調(diào)節(jié)器，pi調(diào)節(jié)器的輸出送入模式選擇器。所述的模式選擇器，其特征在于根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出確定工作模式，包括mode1模式和mode0模式。所述的mode1模式，其特征在于脈沖頻率恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。所述的mode0模式，其特征在于脈沖寬度恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。兩種控制模式可根據(jù)負(fù)載狀態(tài)自由切換。

mode1模式，全橋逆變電路輸出的電壓波形是非對(duì)稱的，全橋逆變電路中四個(gè)功率管s1、s2、s3和s4的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)頻率均固定，s1和s2功率管的脈沖寬度固定為180度，且s1和s2功率管的脈沖信號(hào)互補(bǔ)，s3和s4功率管的驅(qū)動(dòng)脈沖寬度經(jīng)調(diào)節(jié)器作用在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)且互補(bǔ)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。

mode0模式，全橋逆變電路輸出的電壓波形是非對(duì)稱的，全橋逆變電路的s1和s2功率管的驅(qū)動(dòng)脈沖寬度固定為180度且兩功率管驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)互補(bǔ)，s3功率管的驅(qū)動(dòng)脈沖寬度固定于最小脈沖寬度，典型的脈沖寬度為60度，s4功率管驅(qū)動(dòng)脈沖與s3功率管的驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)，根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出，控制全橋逆變電路四個(gè)功率管s1、s2、s3和s4的脈沖信號(hào)頻率，實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。

有益效果：

本發(fā)明提出的串并聯(lián)諧振電路，將逆變器的輸出電壓轉(zhuǎn)為諧振串聯(lián)電流和并聯(lián)電壓，有效減小功率管的開(kāi)關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的效率，并阻止直流分量進(jìn)入變壓器。提出自適應(yīng)功率控制方式，克服單一采用變頻調(diào)節(jié)和固定頻率調(diào)占空比的各自缺點(diǎn)，有效融合各自優(yōu)點(diǎn)，兩種控制模式可自由切換，并最終取決于負(fù)載狀態(tài)。采用非對(duì)稱電壓控制策略，可以有效的減小逆變輸出方波的基波相位角并增大輸出諧振電壓和電流的相位差，從而實(shí)現(xiàn)全變化范圍內(nèi)的軟開(kāi)關(guān)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本控制系統(tǒng)的控制流程示意圖；

圖3為本發(fā)明mode1模式下生成脈沖波信號(hào)示意圖；

圖4為本發(fā)明mode0模式下生成脈沖波信號(hào)示意圖；

圖5為本發(fā)明門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出電壓波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，一種基于自適應(yīng)功率控制的等離子諧振電源系統(tǒng)，包括全橋逆變電路1、串并聯(lián)諧振電路2、濾波電路3、變壓器4、等離子負(fù)載5、電流采樣模塊7、電壓采樣模塊8、控制系統(tǒng)9和驅(qū)動(dòng)電路10。所述的全橋逆變電路1將電源端直流電壓轉(zhuǎn)化為交流方波電壓，經(jīng)串并聯(lián)諧振電路2和濾波電路3處理后輸入到變壓器4一次側(cè)，變壓器4匹配等離子負(fù)載5所需電壓等級(jí)。由電流采樣模塊7和電壓采樣模塊8采集的電流電壓信號(hào)送入控制系統(tǒng)9，控制系統(tǒng)輸出脈沖信號(hào)并送入驅(qū)動(dòng)電路10，驅(qū)動(dòng)電路10產(chǎn)生用于控制功率管6開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。

所述的控制系統(tǒng)9包括功率計(jì)算模塊9.1、功率給定9.2、pi調(diào)節(jié)器9.3、模式選擇器9.4、mode0模式9.5和mode1模式9.6。

所述的功率計(jì)算模塊9.1根據(jù)測(cè)量的電流和電壓計(jì)算實(shí)際功率，功率計(jì)算模塊9.1與功率給定模塊2的輸出誤差送入pi調(diào)節(jié)器9.3，pi調(diào)節(jié)器9.3的輸出送入模式選擇器9.4。所述的模式選擇器9.4根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出確定工作模式，包括mode1模式9.6和mode0模式9.5。所述的mode1模式9.6脈沖頻率恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。所述的mode0模式9.5脈沖寬度恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。兩種控制模式可自由切換，并最終取決于負(fù)載狀態(tài)。

所述的mode1模式9.6，全橋逆變電路1輸出的電壓波形是非對(duì)稱的，全橋逆變電路1中四個(gè)功率管s1、s2、s3和s4的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)頻率均固定，s1和s2功率管的脈沖寬度固定為180度，且s1和s2功率管的脈沖信號(hào)互補(bǔ)，s3和s4功率管的驅(qū)動(dòng)脈沖寬度經(jīng)調(diào)節(jié)器作用在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)且互補(bǔ)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。

所述的mode0模式9.5，全橋逆變電路1輸出的電壓波形是非對(duì)稱的，全橋逆變電路1的s1和s2功率管的驅(qū)動(dòng)脈沖寬度固定為180度且兩功率管驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)互補(bǔ)，s3功率管的驅(qū)動(dòng)脈沖寬度固定于最小脈沖寬度，典型的脈沖寬度為60度，s4功率管驅(qū)動(dòng)脈沖與s3功率管的驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)，根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出，控制全橋逆變電路1四個(gè)功率管s1、s2、s3和s4的脈沖信號(hào)頻率，實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。

所述串并聯(lián)諧振電路2由串聯(lián)諧振電感l(wèi)s電容cs的一端和并聯(lián)諧振電感l(wèi)p電容cp的一端相連，混合組成串并諧振電路。所述的濾波電路3由電感l(wèi)2電容c2串聯(lián)組成，串聯(lián)組成的濾波電路3并聯(lián)于串并聯(lián)諧振電路2和變壓器4一次側(cè)之間。所述變壓器4根據(jù)等離子負(fù)載所需電壓等級(jí)，設(shè)定變壓器4一二次側(cè)線圈的匝數(shù)比。

如圖2所示，根據(jù)測(cè)量的電流和電壓并由公式p＝uicosθ計(jì)算實(shí)際功率，實(shí)際功率與功率給定模塊的輸出誤差送入pi調(diào)節(jié)器后，計(jì)算出對(duì)應(yīng)輸出功率的脈寬計(jì)算出的脈寬作為模式選擇的器輸入量，當(dāng)(典型的脈沖寬度為度)時(shí)，進(jìn)入mode1模式，當(dāng)時(shí)，進(jìn)入mode0模式。所述的mode1模式，其特征在于脈沖頻率恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功率的目的。所述的mode0模式，其特征在于脈沖寬度恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功率的目的，并且模式能自由切換，模式轉(zhuǎn)換取決于負(fù)載狀態(tài)。mode1模式，控制系統(tǒng)輸出恒定頻率可調(diào)脈寬的脈沖信號(hào)s1、s2、s3和s4并送入驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生用于控制功率管開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)；mode0模式，控制系統(tǒng)輸出可變頻率恒定脈寬的脈沖信號(hào)s1、s2、s3和s4并送入驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生用于控制功率管開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。

本發(fā)明的全橋逆變電路輸出的電壓波形是非對(duì)稱的。mode1模式下生成脈沖波信號(hào)，如圖3所示，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期2π/ω內(nèi)，脈沖信號(hào)s1由幅值為1周期固定的三角波與固定值c＝0.5通過(guò)比較器得到，脈沖信號(hào)s1與s2互補(bǔ)，脈沖信號(hào)s3由幅值為1周期固定的三角波與可變量通過(guò)比較器得到，脈沖信號(hào)s3與s4互補(bǔ)。

mode0模式下生成脈沖波信號(hào)，如圖4所示，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期2π/ω內(nèi)，脈沖波s1由幅值為1周期可調(diào)的三角波與固定值c＝0.5通過(guò)比較器得到，脈沖信號(hào)s1與s2互補(bǔ)，脈沖波s3由幅值為1周期可調(diào)的三角波與恒定值c＝0.167(典型的脈沖寬度為度對(duì)應(yīng)的值)通過(guò)比較器得到，脈沖信號(hào)s3與s4互補(bǔ)。

如圖5所示mode1模式下的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出電壓波形，一對(duì)脈沖波s1、s2在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)2π/ω互補(bǔ)，脈沖信號(hào)s3與s4互補(bǔ)，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)s3脈寬實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)方波電壓的基波幅值和等離子負(fù)載功率的目的。圖中分別給出了脈寬和下，逆變器輸出電壓波形和等離子負(fù)載的端電壓波形。

應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。