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一种用于气体放电的引弧电源

范文

史栋毅李宏万英英

摘要：引弧作为气体放电的关键，必须满足引弧难度小和结构简单的特性。在分析了几种常用的引弧电源后，提出了一种改进型的引弧电源，并对功率转换电路、驱动控制电路及保护电路的原理和设计作了详尽的阐述。在满足引弧对电源的基本特性要求后，相较于传统引弧电源，其具有体积小、可靠性高、成本低的特点。最后，通过实验进行了验证。

关键词：气体放电；引弧；电源

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）08-0215-03

1引言

电弧，一般是指在较高电场强度作用下，在两电极之间形成电流通道的一种空气导电现象，而把产生这种导电现象的过程称为引弧。目前，常用的引弧方式主要分为接触式引弧和非接触式引弧。接触式引弧是利用两个电极的瞬间短路完成引弧过程；非接触式引弧是通过在两个电极之间施加较高等级的电场强度，以击穿空气形成带电粒子完成引弧。由于接触式引弧在短路接触时受接触点不平整、电极材料等因素的影响，引弧的性能和成功率较低。目前大多引弧装置都采用非接触引弧方式。

文献3介绍的引弧电源，采用传统的工频升压与串联LC振荡电路的方式，通过工频变压器将电压等级升高至数千伏击穿放电管并在电感L上获得高压。但采用工频升压变压器使得电源体积较大。文献4采用倍压整流电路和逆变电路结合的方式，电路中选择50A/1200V的晶闸管作为开关管，增加

增加了电源的体积和成本。文献5中介绍的引弧方式，尽管引弧性能好，但电路结构和控制方式复杂。根据上述分析，本文设计了一种体积小、引弧成功率高、价格便宜的非接触式引弧电源，并取得较好的应用效果。

2电路结构与分析

2.1引弧主电路

变压器磁芯体积的大小与电源开关频率成反比，即电源频率越高，磁芯体积就越小的特点[6]。因而在设计过程中采用开关电源中的高频化设计方法，使得电源整体的体积较小；采用倍压整流及LC谐振电路获得较高等级的击穿电压，使得引弧难度大大降低，并提高了引弧的成功率。引弧电源的结构如图1所示。

2.2半桥逆变电路

3引弧控制电路分析

为了完成对引弧主电路中半桥逆变部分的控制和引弧电源的正常运行，在该控制电路中使用了美国硅通用电气公司生产的脉宽调制型控制芯片SG3525。该芯片采用双级型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路，其性能优异，且所需外围器件较少。此外，其输出级采用推挽输出，可产生两路互补且带有死区时间的PWM驱动脉冲，每路驱动脉冲的占空比0～50%可调，可以直接驱动功率MOSFET，工作频率可以达到400kHz，具有过压启动和软启动等功能。对于该芯片的引脚功能的说明，此处不做详尽赘述，对于涉及的管脚及功能将在下文中说明。

引弧控制电路如图4所示。SG3525的11脚（OutputA）、14脚（Output B）可输出两路独立互补的驱动脉冲，此处将11脚及14脚分别连接到高频脉冲变压器T2一次侧的两端，变压器T2二次侧即可产生两路独立互补的驱动脉冲，对半桥式逆变电路同一桥臂上下两个开关管的通断进行控制。变压器T2的使用，使得控制单元与主电路之间有了较好的电气隔离，进而减少了主电路对控制电路的影响。控制芯片的2脚（Noninv.input）为误差放大器的同相输入端，在开环或闭环控制系统中，该端通常接给定信号G。

图4中，通过电阻R11和电位器P1构成分压电路，并将P1的分压值接到控制芯片的2脚，可对占空比进行调节，使其满足输出要求。控制芯片的5脚（CT）、6脚（RT）分别为定时电容和定时电阻的输入端。该电路的定时电阻采用电位器P2，芯片可输出任意频率（0.1kHz～400kHz）的驱动脉冲，方便调试。控制芯片的7脚（Discharge）为振荡器放电端，该端通常与5脚（CT）之间外接一只放电电阻，构成放电回路，实现对死区时间调节的功能。

4保护电路分析

由于SG3525内部集成了保护电路，从而增强了电路的可靠运行。控制芯片的10脚（Shutdown）为外部关断信号输入引脚，当该端输入电平为高电平时，芯片的输出将被禁止，当该端输入电平低电平时，芯片将正常输出驱动波形。因此，该引脚通常外接保护信号，实现对电路的过压、过流保护。本文所使用的保护电路如图4所示。

在该保护电路中，OC为电流传感器输出的电压检测信号，取自引弧主电路。为了在保护电路与主电路之间有良好的电气隔离，同时检测电路不消耗功率。此处主要分析保护电路工作原理：当检测信号OC为高电平时，就是电压比较器LM339的同相输入端为高电平时，LM339的引脚2输出高电平，该高电平信号送至SG3525的引脚10（Shutdown），从而使得SG3525自身启动过压保护，封锁脉冲，以保护电路。反之，SG3525将不产生保护动作。此外，为防止SG3525自身保护不能有效开启，增加外部关断电路。当LM339输出高电平时，三极管VT将导通，同时用于过电压指示的发光二极管VD17将被点亮。此外，继电器KA常开触点闭合，产生过电压信号给外部控制单元，封锁脉冲。

5实验分析与结论

图6（a）是占空比为0.55时，由SG3525及脉冲变压器产生的驱动脉冲，由图可知，该脉冲具有较好的脉冲上升沿及脉冲下降沿，保证了逆變电路中同一桥臂上下两个开关管的可靠开通与关断。需要说明的是，为得到火花放电器FL两电极之间的电压波形，在保证测量安全的前提下，通过较大阻值电阻的分压得到图6（b）。图中的1V在FL两电极之间的实际电压约为2.55kV，对应实际尖峰电压约为4.63kV，足以击穿2～3mm的空气气隙完成引弧。

本文所设计的非接触式引弧电源，具有结构简单、体积小、成本低廉等优点。并在清华大学放电电源中得以应用，通过反复多次的引弧测试，该引弧电源均表现出较好的引弧特性，即引弧成功率高，速度快，并能够在引弧成功后实现与大功率放电电源的无触点分离。

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