《電子技術應用》
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交直流疊加電源的研制
2017年電子技術應用第3期
王勝利,吳云峰,唐 輝,胡波洋,苗 玲
電子科技大學 能源科學與工程學院,四川 成都611731
摘要: 為了運用電化學腐蝕法制備金屬氧化物納米顆粒,設計了一種有良好動態(tài)響應的可調頻率的交直流疊加電源。該電源能夠輸出的最大峰值電壓為30 V,允許流經的最大電流為10 A,方波頻率為35~101 Hz。電源電路主要包括驅動電路、方波產生電路和直流疊加電路。此電源給出了主電路拓撲結構,分析了電路原理,并對其調頻控制方法進行了闡述,給出了調頻調壓的結果。此電源應用于電化學腐蝕試驗中,取得了很好的效果,得到了尺寸為30 nm的四氧化三鐵顆粒。在用電化學腐蝕法制備金屬氧化物納米顆粒實驗中表明了該電源具有較快的動態(tài)響應、頻率可調節(jié)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。
中圖分類號: TN86
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.035
中文引用格式: 王勝利,吳云峰,唐輝,等. 交直流疊加電源的研制[J].電子技術應用,2017,43(3):141-144.
英文引用格式: Wang Shengli,Wu Yunfeng,Tang Hui,et al. Design of AC and DC superposition power supply[J].Application of Electronic Technique,2017,43(3):141-144.
Design of AC and DC superposition power supply
Wang Shengli,Wu Yunfeng,Tang Hui,Hu Boyang,Miao Ling
School of Energy Science and Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China
Abstract: It is proposed to design a good dynamic response and adjustable frequency AC and DC superposition power supply, in order to prepare metal oxide nanoparticles with electrochemical corrosion method. The maximum peak voltage output of the power supply is 30 V, the maximum current allowed to flow through is 10 A, and square wave frequency is 35-101 Hz. The circuit of power supply includes an auxiliary power supply circuit, a square wave generating circuit and the DC superposition circuit. In this paper, the author designs the main circuit topology, analyzes the circuit principle, elaborates its frequency control method and produces the results of voltage and frequency modulation. This power supply is applied to electrodeposition and electrochemical corrosion test which achieved effective results and obtained the size of 30 nm of Fe3O4 particles. It is proved that the power supply is possessed of the merits of fast dynamic response, adjustable frequency and high stability in electrochemical corrosion experiment of metal oxide nanoparticles preparation.
Key words : AC and DC superposition power supply;metal oxide;nanoparticles;symmetrical square wave;electrochemical corrosion test

0 引言

    納米材料由于其特殊的光、電、聲、磁、熱和化學性能而被稱為“21世紀最有前途的材料”。金屬氧化物納米材料因其廣泛的應用前景倍受青睞。合成高純度、粒徑和形貌可控的納米氧化物是制備高性能納米材料的第一步。迄今為止,已經開拓了多種多樣制備氧化物的方法,如磁控濺射法、溶膠-凝膠法、氣相法、噴霧熱解法以及水熱制備技術。與上述方法相比,采用交直流疊加電源通過電化學腐蝕法制備金屬氧化物納米材料的方法,具有許多優(yōu)點,例如操作簡單,反應前驅物價格低廉,反應產率高,對產物形貌容易控制等。

    交直流疊加電源[1]在油紙絕緣系統測試試驗[2-4]中運用頻繁,使用的電壓等級[5]高。清華大學在對油紙絕緣沿面閃絡的影響試驗時使用了交直流疊加電源[6]。非對稱波形電源[7]利用高通濾波器去除了高頻方波中的直流分量, 使正方波變成正負面積相等的非對稱方波。直流疊加電路通過電阻和電感串聯將低壓直流信號疊加到高頻高壓的非對稱方波上, 同時有效阻隔了高頻高壓非對稱方波對低壓直流電源可能造成的損害。此疊加電源有所不同,運用接入變壓器的思想,一是實現了隔離的作用,二是提高電流的輸出能力,三是效率較高,因為省去了隔交電阻。

1 電路結構與工作原理

    交直流疊加電源電路主要由半橋電路、驅動電路、信號發(fā)生電路、直流疊加電路四部分組成,其基本原理框圖如圖1所示。

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1.1 電路主拓撲

    直流電壓經過半橋[8,9]逆變成交流方波,經疊加電路,串聯直流電源,形成最后的交直流疊加電壓。由于開關電源中的兩個開關管輪流交替工作,其輸出電壓波形對稱,并且開關電源在整個工作周期之內都向負載提供功率輸出,因此,其輸出電流瞬間響應速度高、電壓輸出特性良好。如圖2所示。

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1.2 驅動隔離電路

1.2.1 控制脈沖信號產生電路

    控制脈沖信號產生電路如圖3所示。芯片SG3525形成控制脈沖信號,脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation,PWM)頻率F由下式決定:

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    式中:Ct為連接在5腳上的定時電容;Rt為連接在6腳上的定時電阻;Rd為連接在5腳和7腳之間的放電電阻。SG3525的外圍電路中Ct和Rd的大小決定了方波電源輸出頻率的范圍,通過改變6號腳的電流大小,實際上就等效于改變了Rd的大小。由公式可知,這樣也就調節(jié)了SG3525輸出的控制信號的頻率。設計由SG3525產生兩路控制信號來控制金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metal-oxide-semiconductor Field-effect Transistor,MOSFET)的導通與關閉。

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1.2.2 隔離和驅動電路

    如圖4所示,每個驅動電路都采用獨立的輔助電源供電, 以保證各驅動電路間的相互隔離。在控制信號電路與驅動電路之間使用6N137光耦隔離, 從而保證它們之間互不影響。驅動電路的控制信號由SG3525產生。MOSFET驅動采用由三極管級聯的方式,增強了驅動能力。設計電路時,在兩路驅動之間接入了一個二極管,為防止兩個開關管同時導通和關斷。

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1.3 方波產生電路

    方波產生電路結構為半橋結構[10,11],如圖2所示。其中,A為直流電源,MOSFET管Q1和Q2分別與A串聯,組成半橋結構的上下橋臂。當MOSFET管Q1導通,Q2關斷時,輸出端的電壓大小為U;當MOSFET管Q1關斷,Q2導通時,輸出端的電壓大小為-U。因此,當MOSFET管Q1和Q2以一定頻率交替導通及關斷時,在輸出端就可以得到-U到U的方波。

1.4 直流疊加電路

1.4.1 疊加電路

    為達到對稱方波電源和直流電壓電源的電壓大小分別獨立可調、互不影響,因此采用了一個單獨控制的直流源來輸出直流電壓,該直流源可以輸出的電壓最高為32 V,并通過相應的隔離疊加電路,使直流電壓與對稱方波疊加在一起,共同作用于負載。為了直流電源A輸出的電流和直流電源B輸出的電流能夠匹配,也因為輸出電流最高可達到10 A,因此使用了降壓變壓器T1,變壓器也實現了隔離的效果,也使電源的效率比較高。

1.4.2 變壓器的選擇

    變壓器的選擇是根據工作頻率和輸出功率來確定的,因為此電源輸出的頻率為30~101 Hz,頻率已經確定為低頻,變壓器的選擇主要依據輸出功率來確定。電源的輸出電流最大為10 A,根據實驗要求的方波最大值為6 V,最終確定變壓器為降壓變壓器,變比為220:36,此變壓器的最大電流輸出為12 A。

2 電源輸出結果與分析

2.1 空載時參數的變化對輸出電壓的影響

    空載實驗波形如圖5所示,圖5中的(a)和(b)分別是35 Hz和96 Hz的輸出波形。通過調節(jié)SG3525芯片的6端的Rd,改變了控制信號的頻率,從而改變了半橋的導通時間,進而改變了方波的頻率。頻率的調節(jié)范圍為35~101 Hz。

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    圖5中的(c)和(d)分別是在頻率和直流電源A的大小相同的情況下,直流電源B為25 V和30 V的輸出波形。通過調節(jié)串入的直流電源B的大小,可以改變交直流疊加后的輸出電壓大小。直流電源B的調節(jié)范圍是0~32 V。

    圖5中的(e)和(f)分別是在頻率和直流電源B的大小相同的情況下,方波為4 V和6 V的輸出波形。通過調節(jié)MOSFET兩端的直流電壓,可以改變方波的輸出電壓大小。方波電壓可以調節(jié)范圍為0~6 V。

2.2 電化學腐蝕實驗時電源輸出電壓波形

    空載和電化學腐蝕實驗波形如圖6所示。

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    圖7中的(a)和(b)是圖6中的(b)圖的上升沿和下降沿的波形放大圖。觀察圖7(a)和(b)兩圖,形成了緩慢上升和下降的波形,原因是變壓器導致的。所用變壓器并不是理想變壓器,它是有漏感[12]的。經仿真實驗驗證,漏感是引起這個問題的主要原因??蛰d時,沒有形成回路,電流為零,漏感并沒有影響空載波形,因此圖6中(a)圖電壓波形比(b)圖優(yōu)良。從圖7可觀察到:上升沿和下降沿的變化響應很快,均在30 μs左右,有著良好的動態(tài)響應。

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3 應用與實驗結果分析

    利用該電源進行電化學腐蝕法制備金屬氧化物納米顆粒實驗,得到的實驗結果如圖8所示。圖8的(a)和(b)是采用直流電源為5 V,方波為2 V,頻率為56 Hz,占空比為0.5的交變方波反應20 min后得到的金屬氧化物的XRD以及SEM圖形。SEM圖片顯示得到的納米顆粒相對均勻,大小約為30 nm。XRD圖與標準圖譜比較,證實得到的金屬氧化物是四氧化三鐵。

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4 結 論

    基于MOSFET作為開關管的交直流疊加電源,在電化學腐蝕實驗中取得了很好的效果。采用調頻控制逆變橋電路,從而使電源始終工作在最佳頻率。與其他電鍍電源不同,其頻率、交直流電壓均可調,動態(tài)響應快,功率大,電流最大可達10 A。

參考文獻

[1] CHEN Q,YUAN G,CHI M,et al.Flow electrification characteristics of oil-paper insulation under AC superimposed DC electric field[J].Proceedings of the CSEE,2014,34(15):2502-2512.

[2] Chen Yilong,Qi Bo,Xi Chaochao,et al.Effect of surface charge on flashover for oil-pressboard insulation under AC-DC combined electric field[J].能源與動力工程:英文版,2013(9):1803-1808.

[3] 楊麗君,齊超亮,郝建,等.變壓器油紙絕緣水分含量的頻域介電特征參量及評估方法研究[J].電工技術學報,2013,28(10):59-66.

[4] 鄭君亮,江修波,蔡金錠,等.去極化電流解譜分析油紙絕緣等效電路參數研究[J].電力系統保護與控制,2014(21):54-58.

[5] 孫振權,趙學風,李繼勝,等.直流電壓下油紙絕緣結構氣隙模型的局部放電特性[J].電工技術學報,2010(9):20-27.

[6] 沙彥超,周遠翔,孫清華,等.直流電壓分量對交直流疊加電壓下油紙絕緣沿面閃絡的影響[J].高電壓技術,2013,39(6):1337-1343.

[7] 林鎮(zhèn)翔,唐飛,王曉浩.用于FAIMS的高場非對稱波形電源的研制[J].高電壓技術,2009(6):1415-1419.

[8] OU S Y,TANG C Y,CHEN Z J.Design and implementation of a ZCS-PWM half-bridge boost rectifier with output voltage balance control[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(12):4646-4656.

[9] TANG Y,BLAABJERG F,LOH P C.Decoupling of fluctuating power in single-phase systems through a symmetrical half-bridge circuit[J].Power Electronics IEEE Transactions on,2015,30(4):1855-1865.

[10] 蔣瑋,胡仁杰,黃慧春.移相控制對稱半橋變換器軟開關條件[J].電工技術學報,2011(11):8-13.

[11] SHI L,LIU F,HE H,et al.Design of adaptive dead-time control circuit for resonant half-bridge driver[J].International Journal of Electronics,2013,100(10):1317-1331.

[12] ZHANG X,HAO Z,CHEN G Z,et al.Leakage inductance variation based monitoring of transformer winding deformation[C]//Environment and Electrical Engineering(EEEIC),2015 IEEE 15th International Conference on,2015.



作者信息:

王勝利,吳云峰,唐  輝,胡波洋,苗  玲

(電子科技大學 能源科學與工程學院,四川 成都611731)

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