《电子技术应用》
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交直流叠加电源的研制
2017年电子技术应用第3期
王胜利,吴云峰,唐 辉,胡波洋,苗 玲
电子科技大学 能源科学与工程学院,四川 成都611731
摘要: 为了运用电化学腐蚀法制备金属氧化物纳米颗粒,设计了一种有良好动态响应的可调频率的交直流叠加电源。该电源能够输出的最大峰值电压为30 V,允许流经的最大电流为10 A,方波频率为35~101 Hz。电源电路主要包括驱动电路、方波产生电路和直流叠加电路。此电源给出了主电路拓扑结构,分析了电路原理,并对其调频控制方法进行了阐述,给出了调频调压的结果。此电源应用于电化学腐蚀试验中,取得了很好的效果,得到了尺寸为30 nm的四氧化三铁颗粒。在用电化学腐蚀法制备金属氧化物纳米颗粒实验中表明了该电源具有较快的动态响应、频率可调节、稳定性高等优点。
中图分类号: TN86
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.035
中文引用格式: 王胜利,吴云峰,唐辉,等. 交直流叠加电源的研制[J].电子技术应用,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

    纳米材料由于其特殊的光、电、声、磁、热和化学性能而被称为“21世纪最有前途的材料”。金属氧化物纳米材料因其广泛的应用前景倍受青睐。合成高纯度、粒径和形貌可控的纳米氧化物是制备高性能纳米材料的第一步。迄今为止,已经开拓了多种多样制备氧化物的方法,如磁控溅射法、溶胶-凝胶法、气相法、喷雾热解法以及水热制备技术。与上述方法相比,采用交直流叠加电源通过电化学腐蚀法制备金属氧化物纳米材料的方法,具有许多优点,例如操作简单,反应前驱物价格低廉,反应产率高,对产物形貌容易控制等。

    交直流叠加电源[1]在油纸绝缘系统测试试验[2-4]中运用频繁,使用的电压等级[5]高。清华大学在对油纸绝缘沿面闪络的影响试验时使用了交直流叠加电源[6]。非对称波形电源[7]利用高通滤波器去除了高频方波中的直流分量, 使正方波变成正负面积相等的非对称方波。直流叠加电路通过电阻和电感串联将低压直流信号叠加到高频高压的非对称方波上, 同时有效阻隔了高频高压非对称方波对低压直流电源可能造成的损害。此叠加电源有所不同,运用接入变压器的思想,一是实现了隔离的作用,二是提高电流的输出能力,三是效率较高,因为省去了隔交电阻。

1 电路结构与工作原理

    交直流叠加电源电路主要由半桥电路、驱动电路、信号发生电路、直流叠加电路四部分组成,其基本原理框图如图1所示。

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1.1 电路主拓扑

    直流电压经过半桥[8,9]逆变成交流方波,经叠加电路,串联直流电源,形成最后的交直流叠加电压。由于开关电源中的两个开关管轮流交替工作,其输出电压波形对称,并且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出,因此,其输出电流瞬间响应速度高、电压输出特性良好。如图2所示。

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1.2 驱动隔离电路

1.2.1 控制脉冲信号产生电路

    控制脉冲信号产生电路如图3所示。芯片SG3525形成控制脉冲信号,脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)频率F由下式决定:

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    式中:Ct为连接在5脚上的定时电容;Rt为连接在6脚上的定时电阻;Rd为连接在5脚和7脚之间的放电电阻。SG3525的外围电路中Ct和Rd的大小决定了方波电源输出频率的范围,通过改变6号脚的电流大小,实际上就等效于改变了Rd的大小。由公式可知,这样也就调节了SG3525输出的控制信号的频率。设计由SG3525产生两路控制信号来控制金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-oxide-semiconductor Field-effect Transistor,MOSFET)的导通与关闭。

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1.2.2 隔离和驱动电路

    如图4所示,每个驱动电路都采用独立的辅助电源供电, 以保证各驱动电路间的相互隔离。在控制信号电路与驱动电路之间使用6N137光耦隔离, 从而保证它们之间互不影响。驱动电路的控制信号由SG3525产生。MOSFET驱动采用由三极管级联的方式,增强了驱动能力。设计电路时,在两路驱动之间接入了一个二极管,为防止两个开关管同时导通和关断。

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1.3 方波产生电路

    方波产生电路结构为半桥结构[10,11],如图2所示。其中,A为直流电源,MOSFET管Q1和Q2分别与A串联,组成半桥结构的上下桥臂。当MOSFET管Q1导通,Q2关断时,输出端的电压大小为U;当MOSFET管Q1关断,Q2导通时,输出端的电压大小为-U。因此,当MOSFET管Q1和Q2以一定频率交替导通及关断时,在输出端就可以得到-U到U的方波。

1.4 直流叠加电路

1.4.1 叠加电路

    为达到对称方波电源和直流电压电源的电压大小分别独立可调、互不影响,因此采用了一个单独控制的直流源来输出直流电压,该直流源可以输出的电压最高为32 V,并通过相应的隔离叠加电路,使直流电压与对称方波叠加在一起,共同作用于负载。为了直流电源A输出的电流和直流电源B输出的电流能够匹配,也因为输出电流最高可达到10 A,因此使用了降压变压器T1,变压器也实现了隔离的效果,也使电源的效率比较高。

1.4.2 变压器的选择

    变压器的选择是根据工作频率和输出功率来确定的,因为此电源输出的频率为30~101 Hz,频率已经确定为低频,变压器的选择主要依据输出功率来确定。电源的输出电流最大为10 A,根据实验要求的方波最大值为6 V,最终确定变压器为降压变压器,变比为220:36,此变压器的最大电流输出为12 A。

2 电源输出结果与分析

2.1 空载时参数的变化对输出电压的影响

    空载实验波形如图5所示,图5中的(a)和(b)分别是35 Hz和96 Hz的输出波形。通过调节SG3525芯片的6端的Rd,改变了控制信号的频率,从而改变了半桥的导通时间,进而改变了方波的频率。频率的调节范围为35~101 Hz。

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    图5中的(c)和(d)分别是在频率和直流电源A的大小相同的情况下,直流电源B为25 V和30 V的输出波形。通过调节串入的直流电源B的大小,可以改变交直流叠加后的输出电压大小。直流电源B的调节范围是0~32 V。

    图5中的(e)和(f)分别是在频率和直流电源B的大小相同的情况下,方波为4 V和6 V的输出波形。通过调节MOSFET两端的直流电压,可以改变方波的输出电压大小。方波电压可以调节范围为0~6 V。

2.2 电化学腐蚀实验时电源输出电压波形

    空载和电化学腐蚀实验波形如图6所示。

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    图7中的(a)和(b)是图6中的(b)图的上升沿和下降沿的波形放大图。观察图7(a)和(b)两图,形成了缓慢上升和下降的波形,原因是变压器导致的。所用变压器并不是理想变压器,它是有漏感[12]的。经仿真实验验证,漏感是引起这个问题的主要原因。空载时,没有形成回路,电流为零,漏感并没有影响空载波形,因此图6中(a)图电压波形比(b)图优良。从图7可观察到:上升沿和下降沿的变化响应很快,均在30 μs左右,有着良好的动态响应。

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3 应用与实验结果分析

    利用该电源进行电化学腐蚀法制备金属氧化物纳米颗粒实验,得到的实验结果如图8所示。图8的(a)和(b)是采用直流电源为5 V,方波为2 V,频率为56 Hz,占空比为0.5的交变方波反应20 min后得到的金属氧化物的XRD以及SEM图形。SEM图片显示得到的纳米颗粒相对均匀,大小约为30 nm。XRD图与标准图谱比较,证实得到的金属氧化物是四氧化三铁。

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4 结 论

    基于MOSFET作为开关管的交直流叠加电源,在电化学腐蚀实验中取得了很好的效果。采用调频控制逆变桥电路,从而使电源始终工作在最佳频率。与其他电镀电源不同,其频率、交直流电压均可调,动态响应快,功率大,电流最大可达10 A。

参考文献

[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].能源与动力工程:英文版,2013(9):1803-1808.

[3] 杨丽君,齐超亮,郝建,等.变压器油纸绝缘水分含量的频域介电特征参量及评估方法研究[J].电工技术学报,2013,28(10):59-66.

[4] 郑君亮,江修波,蔡金锭,等.去极化电流解谱分析油纸绝缘等效电路参数研究[J].电力系统保护与控制,2014(21):54-58.

[5] 孙振权,赵学风,李继胜,等.直流电压下油纸绝缘结构气隙模型的局部放电特性[J].电工技术学报,2010(9):20-27.

[6] 沙彦超,周远翔,孙清华,等.直流电压分量对交直流叠加电压下油纸绝缘沿面闪络的影响[J].高电压技术,2013,39(6):1337-1343.

[7] 林镇翔,唐飞,王晓浩.用于FAIMS的高场非对称波形电源的研制[J].高电压技术,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] 蒋玮,胡仁杰,黄慧春.移相控制对称半桥变换器软开关条件[J].电工技术学报,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:

王胜利,吴云峰,唐  辉,胡波洋,苗  玲

(电子科技大学 能源科学与工程学院,四川 成都611731)