基于PDM控制的电晕处理电源的研究

    摘要：研究了基于脉冲密度调制（PulseDensityModulation）控制策略的串联谐振逆变电晕处理电源。PDM的基本思想是在一定的调功周期内使交流输出端产生方波电压或者是零电平电压，这样即使电晕放电负载具有很强的非线性也可以宽范围内控制功率输出。对于该电晕处理电源进行了仿真与实验，所得结果验证了理论分析。

    关键词：电晕处理电源；功率控制；脉冲密度调制

1 概述

塑料与传统的包装材料(如纸、玻璃、金属)相比[1]，具有质轻、防潮、防腐、价廉、易成型等优点，塑料薄膜表面电晕处理原理是通过在电极上施加高频高压电源（对于塑料薄膜表面处理来说，电压一般在10kV～13kV之间，频率在10kHz～30kHz左右），使电极放电，气体电离后产生的各种能量粒子(如正负离子、电子、光子等)在强电场的作用下，加速冲击处在电极之间的高聚物表面，使表层分子连接的化学键断裂而绛解，增加表面的粗糙度。 电晕放电负载的物理结构和等效电路如图1所示。当电晕负载两端的外加电压低于气体放电起始电压Vs时，放电通道不发生放电现象，此时电晕负载可以等效为放电通道的间隙电容Cg和绝缘介质电容Cd串联。

    当外加电压高于Vs时，放电通道开始放电，绝缘介质电容Cd基本保持不变，但负载总的等效电容CZ具有随外加电压的升高而逐渐变大的特点，其等效电路如图1（b）所示。电阻R等效为放电时能量的消耗[2]。 电晕放电处理的目的是增加塑料表面的粘结程度。总体来说，电晕放电处理过程需要特殊设计的电源，能够提供10～20kV，20～50kHz的电压，并在大气压的情况下保持稳定的放电[3]。在工业应用中还需要该电源能够对不同材料，不同厚度的材料进行相应的处理。这就要求该电源能够具有宽范围调功的能力。脉冲密度调制（PDM）控制策略能够满足以上要求。

2 PDM控制基本原理

为了简化起见，升压变压器和电晕放电负载用简单的LCR谐振电路来表示，如图2所示。图3为电压型串联谐振逆变PDM的开关工作模式。传统的电压型逆变器在模式1和模式2之间交替工作，从而产生方波交流状态。而PDM逆变器的工作模式除了模式1和模式2外，还有模式3，即将门极驱动信号提供给S3和S4，使得一个IGBT和另一个IGBT的反并联二极管导通，给输出电流提供双向流动的通路，使输出端产生零电压状态。这样，PDM便以一定的控制序列调制输出电压，并且与谐振负载的谐振电流同步。

3 PDM控制系统的实现

图4所示是PDM逆变器的控制框图。控制电路分为两个部分：一个是PDM中的锁相控制电路，另一个是PDM反馈控制电路。PDM控制中的锁相电路包括相位探测器（PD），低频滤波（LPF1），压控振荡器（VCO），模拟开关（AS）和峰值探测器（PCD）。因为无法精确地探测到数值很小的电流，传统的PLL电路不能在轻度表面处理时正常工作，AS和PCD的组合能够解决该问题。从PCD检测的输出信号在LPF1的输入端开通或着关闭AS。在输出电流的峰值比预设的电平大的时候，AS保持关断，从而是传统的锁相电路。在峰值电流比预设的电流小的时候，AS开通。在这种情况下，LPF1中的电容使得VCO以AS开通前相同的频率工作。

    PDM反馈电路包括比较电路，同步电路和低通滤波电路（LPF2）。控制信号波形如图5所示。平均输出电压的参考电压V＊控制零电平的宽度。实际平均电压Vo是实际的交流电压状态M通过LPF2得到的。V＊和Vo的比较产生一个交流电压状态参考，将选择PDM逆变器工作于何种模式，要么是方波交流状态,要么是子谐振序列中的零电压状态。包含有D类型触发器的同步电路将防止在谐振周期内电流状态发生变化，VCO的输出信号和交流状态参考M＊分别做为时钟信号和数据信号输入D型触发器中。同步电路在时钟信号即VCO的输出的每一个上升沿读取M＊并在下一个子谐振周期内保持逻辑信号M。逻辑电路在交流方波状态M=1产生交替的模式1和模式2，在M=0时产生第三个模式。经过逻辑运算得到的信号A、信号B及它们反相后的信号将输入给死区电路，从而产生2μs的死区以避免直流输入的短路现象。

4 仿真与实验结果

在对PDM电晕处理电源进行了PSPICE仿真之后，设计并完成了一个20kHz/5kW的电晕放电电源装置，在此装置的基础之上，对该系统进行了实验研究。图6及图7分别是仿真与实验结果。两图分别给出串联谐振逆变器的输出电压波形和负载上的输出电流波形。实验中用电流互感器来检测电流信号。从结果中可以看出，在调功周期的前半部分，负载电流已经基本上达到稳态，电压与电流基本上同相，之后电源开关进入第三个工作模式，此时输出为零电平，输出电流为衰减式阻尼振荡，在下一个调功周期的输出电源的激励下，电流继续增大，这样周而复始。

图6、7

5 结语

PDM逆变电源很好地工作在三个开关模式，并且起到了锁相、开关软化和功率调节的作用。研制成功的PDM电晕处理电源，工作稳定可靠，成功地满足了对不同薄膜进行较强或较弱处理的要求。