基于脈沖屏蔽調制的表面處理電源研制

摘要：塑料薄膜表面處理的負載通常由電容器組成，由于電容器具有非線(xiàn)性，使逆變電源的設計非常困難。通過(guò)串聯(lián)諧振逆變器經(jīng)匹配變壓器與電容器負載連接，被認為是一種高效實(shí)用的解決方法。結合上述電路拓撲結構，提出一種基于脈沖屏蔽調制(PMM)策略的塑料薄膜表面處理電源。PMM用于調節諧振逆變器的功率輸出，同時(shí)保證逆變電路中開(kāi)關(guān)器件始終工作在零電壓和零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)一步減小開(kāi)關(guān)損耗，提高表面處理電源的工作效率。實(shí)驗結果表明，與采用傳統脈沖移相調制的表面處理電源相比，采用PMM的塑料薄膜表面處理電源結構更加緊湊，設備效率更高，功率調節范圍進(jìn)一步擴大。
關(guān)鍵詞：電源；脈沖屏蔽調制；諧振逆變器；軟開(kāi)關(guān)

1 引言
塑料薄膜表面處理電源廣泛應用于包裝工業(yè)領(lǐng)域，使薄膜對油墨具有更好的吸附性能。當一個(gè)高頻電壓加在兩個(gè)電極間時(shí)，會(huì )產(chǎn)生電暈放電現象，這個(gè)高頻電壓稱(chēng)為放電起始電壓。周?chē)h(huán)境溫度的變化容易造成放電起始電壓值的改變，這將造成電暈表面處理過(guò)程輸出功率突增，產(chǎn)生的火花溫度過(guò)高，致使薄膜被擊穿。為了在正常大氣狀況下產(chǎn)生穩定的電暈放電過(guò)程，需要逆變器提供電源。傳統的基于直流側電壓控制的串聯(lián)諧振逆變器由于體積大、成本高和系統響應速度慢等缺點(diǎn)，已逐漸被脈沖頻率調制、脈沖移相調制和脈沖寬度調制等控制方法取代。但是，上述控制方法中功率開(kāi)關(guān)器件不能總是保持零電流和零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這樣容易導致開(kāi)關(guān)損耗增加，使得電源效率降低。
這里提出一種基于PMM的塑料薄膜表面處理電源。PMM策略能保證逆變器工作在恒壓恒頻條件下，同時(shí)功率開(kāi)關(guān)器件始終工作在零電流和零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗減小。而PMM除在全功率輸出狀態(tài)下開(kāi)關(guān)頻率等于諧振頻率外，在其余輸出功率值時(shí)開(kāi)關(guān)頻率都低于諧振頻率，這進(jìn)一步降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了設備效率。

2 塑料薄膜表面處理系統
塑料薄膜表面處理系統如圖1所示。它由高壓放電電極和表面帶有絕緣介質(zhì)的接地電極組成，欲處理的塑料薄膜通過(guò)兩個(gè)電極的間隙進(jìn)行加T處理。為提高導電性能，高壓放電電極通常做成刀型，進(jìn)一步增加放電面積。而接地電極是一長(cháng)度為1．6 m的圓筒，上面帶有的絕緣介質(zhì)厚度為3 mm，目的是為了避免電暈放電過(guò)程中發(fā)生突變，產(chǎn)生電弧，從而對設備和人員造成傷害。

圖2示出塑料薄膜表面處理電源的主電路拓撲結構。直流側電源由一個(gè)三相二極管不可控整流電路構成，逆變側為一單相全橋串聯(lián)諧振逆變器，開(kāi)關(guān)器件由兩個(gè)雙單元IGBT模塊組成，緩沖電容Cs并聯(lián)在IGBT的集電極和發(fā)射極兩端，實(shí)現功率器件軟開(kāi)關(guān)。逆變器通過(guò)一個(gè)升壓型匹配變壓器與負載輸出端相連，產(chǎn)生電暈放電過(guò)程所需的高頻電壓。

3 脈沖屏蔽調制
3．1 原理分析
PMM基本原理為：在1個(gè)PMM周期T內，包含n個(gè)小的功率調節單位，即T=nTo(To為逆變電路負載的諧振周期)，其中，只有1個(gè)小的功率調
節單位逆變電路處于自由衰減振蕩狀態(tài)，其余(n-1)個(gè)功率調節單位逆變電路處于輸出功率狀態(tài)，圖3示出PMM電壓源串聯(lián)諧振逆變電路的開(kāi)
關(guān)運行模式，為了便于描述，將整流側簡(jiǎn)化為1個(gè)直流電源。

1個(gè)傳統的電壓源串聯(lián)諧振逆變電路工作在模式1和2，對應圖3a，b，向諧振負載輸出方波電壓；當逆變電路工作在自由衰減振蕩狀態(tài)時(shí)，逆變電路輸出電壓為零，對應圖3c，d，在模式3，4期間，產(chǎn)生的門(mén)極開(kāi)通信號驅動(dòng)兩個(gè)橋臂的下開(kāi)關(guān)管功率器件V2和V4，此時(shí)下橋臂的V2和V4與其對橋臂的電容構成導通回路，輪流導通，為負載電流提供1個(gè)雙向流動(dòng)的自由衰減振蕩回路。