新型调频高压电源的研制

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【摘要】介绍了一种采用智能功率模块的调压调频高压电源，详述了其工作原理和工作过程。

【关键词】智能功率模块;脉宽调制;调压调频;单片机

引言

IPM智能功率模块集成了门极驱动和短路、过流、欠压以及过热等保护功能，可使逆变电路在较高频率下工作，具有结构紧凑、性能稳定、驱动简单效率高等优点。采用IPM智能功率模块和PWM脉宽调制技术研制了一台单相的调压调频中频高压电源。电源可为一电容极小的电极间提供幅值为0～10kV、频率为8～10kHz的电压。

1.系统结构

系统结构见图1，其主回路为交流―直流―交流的电压型变频电路，由调压模块、低频整流滤波模块、IPM逆变模块、中频滤波模块、变压器升压模块以及高压整流模块等组成。

图1 系统结构示意图

控制系统采用89C52单片机和PWM专用控制芯片SG3524。单片机系统对系统电路中出现的过压、过流及短路等故障进行检测和控制，若系统出现故障，单片机立即发出故障信号封锁PWM芯片SG3524的输出，并显示故障标志。PWM芯片SG3524输出一对互补的脉宽调制信号，经过光耦隔离后形成两对互补的脉宽调制信号去触发IPM。

2.脉宽调制电路

脉宽调制电路如图2所示，采用Silion General公司生产的PWM芯片SG3524。此芯片内部具有5V、50mA的基准电压及短路保护电压稳压器，为内部电路提供电源及外部基准。它还提供了一个稳定的振荡器，其频率由外接电阻R和外接电容C设置，f=1.1/RC。将SG3524芯片内部误差放大器接成射极跟随器的形式，即将1脚和9脚相连，则补偿端9（即误差放大器和限流放大器的输出端）的电压与输入端2的电压相同。

从基准电压端16脚通过调节Rp获一理想的电平信号，将此信号加到SG3524的2脚上，与SG3524内部产生的锯齿波调制信号比较后，得到一对反相的脉宽调制信号，再经光耦隔离得出所要的四路脉宽调制信号。

图2 脉宽调制电路

3.控制电路与智能功率模块IPM的连接

IPM智能功率模块选用三菱公司生产的PM10CSJ060。PWM脉宽调制信号与PM10CSJ060的连接如图3所示。

PM10CSJ060内部有6个IGBT单元，因制作单相电源，只需4个单元即可。选用了U、V两相的控制输入与输出端。图中2脚（UFO）、6脚（VFO）和18脚（FO）为故障输出信号（即过流、短路、欠压和过热等），将这些信号送入89C52单片机中。当故障发生时，89C52单片机将显示故障标志并立即封锁PWM芯片SG3524的输出，起到快速保护的作用。

图3 脉宽调制信号与PM10CSJ060的连接图

4.故障报警电路

故障报警电路如图4所示，由ATMEL公司的89C52单片机作为控制核心。输入的故障信号有两类：一类是主回路过压过流信号，另一类是智能功率模块的故障信号（短路、过流、欠压、过热等）。当单片机检测到有故障信号时，将立即封锁SG3524的触发输出，同时输出声光报警，为了保证系统的可靠性，应将主回路的输入电压切断，查出故障并排除后，再接通主回路。

图4 单片机组成的故障报警电路

5.输出回路

IPM输出电压经过L和C滤波后送到中频变压器TP升压，再经全波整流后送往负载。为了使输出波形达到要求，在输出端并联一个电阻R0，其阻值应选择合适。若R0很大，将导致放电时间常数R0C0（C0为输出端分布电容）很大，使得输出电压不能降到零。若R0太小，会导致R0上消耗的功率过大。

6.仪器性能及结论

由上述原理和方法，制作了一台单相调压调频高压电源，其主要技术指标如下：

输入电压：50 Hz，AC200～240V。

输出电压、频率：单相正弦半波电压峰值0～10 kV可调;频率8～10kHz可调。

过载能力：120%，10min。

负载性质：很小的电容或很大的电阻。

使用环境：温度为-10～+35℃，相对湿度<85%。

此电源具有性能稳定、控制简单、操作方便和成本低等优点，使用效果良好。

参考文献

[1]万福君，潘松峰.单片微机原理系统设计与应用，中国科技大学出版社 2004.

[2]沙占友，蔡宣三.开关电源的原理与设计，电子工业出版社，1998.5.

[3]刘胜利，高频开关电源实用新技术，机械工业出版社，2005.

[4]上海嘉尚电子科技公司 IPM智能功率模块应用手册.

[5]MITSUBISHI SEMICONDUCTORS USING INTELLIGENT MODULES.