（电工理论与新技术专业论文）新型负离子空气净化器的研制.pdf

新型负离子空气净化器的研制 d e s i g no fan e wn e g a t i v ei o na i rc l e a n e r a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to f m e 砌u 她也ep o l l u t i o no f a i ri st a k e ni n t oa c c o 眦tb ym o r e 锄dm o r ep e o p l e s o ，a i rc l e a n e r sc o m ei l l _ t of a m m e s ，缸dn l ea i rc l e 锄e r 疗暾n gt op e o p l e s r e q u e s t n d t ob er e s e 盯c h e d n ee l e c t r i cp 0 1 eo f 雠a i rc l e a i l e r 砌c ht l l i sp 印盱r e 砌e di ss u p p l i e d b yn e 科i v e h i g hv 0 1 t a g ed cp o w e r j i h ec o r o m 、v i r ei sh ea _ f e di no r d e rt 0r e d u c eo z o l l e 1 1 1 i sp a p e r c h i e f l y 咖d i e d 也en e g a t i v ck g hv o l 协g ed cp o w e rs u p p l y ，也ep o w e rs u p p l yo fh e 蚰g c o r o i l aw i r ea 1 1 dc o 曲f o ls y s t e m t h i sp a p e rd i s c l l s s e dt l l ed e s i 弘o fam 9 1 l - 肌q u e n c y 1 1 i 曲- v o l 诅g ep o w e r _ s u p p l yu s 协gs 、v i 暇l i l l gp o w e r - s u p p l yt e c h n o l o g y ，a i l a l y d a d d e s i g n e db u c kc i r c u i t ，t l et o p o l o g yo fi n v e r s i o n ，l l i g l l 缸q u e n c y 仃a f o m e r 趾dv o l t a g e d o d b l i n gr e c t i f m gc i r c 血，a n dd e s i g nah i g h 矗e q u e n c y 缸l dv o l t a g ep o w e rs u p p l yw l l i c hh a v e s m a l lb u c k ，l o ww e i g h t ，h i 曲e 箭c i e n c y 蛆d1 1 i 9 1 ls 诅b i l 埘ho r d e rt oc o r l 仃0 1c o n v e n i e n t l y ， t l l es 础c h j n gp o w e rs u 尹p l yt e c l l l l o l o g yi sl l s e dt ot i l eh e 蚰gp o w e rs u p p l y t l l i sp a p e r s t l l d i e dc o n t r o ls y s t e m w i 血t h ec 眦e r o f s p c e 0 6 1 a m c u ，妇1 u d 地t 1 1 ed r i v e 跹ds o f t - 删 c i r c l l i to f t w op o w 盯s u p p l y ，也el ym l dd i s t a i l c ec o n t m lo f t h cd e a n e r o 也e r 啊s e ，w i 恤m er e s u l to fr e s e a r c hb e f o r e ，也i s 他s e a r c hd e s i g n e dt 1 1 ea i rc l e a n e r i n t e g r “l y ，妇l u d i l l g 也ec o n 壬i 删i o n0 fe l e c t r i cp o l e ，m e 虹1 c l io f a i rc l e a 功m e 珥e 枷r eo f h i g l lv o l t a g ei n s u l a t i o ni i ln 圮c l e 纽e ra n ds oo n 觚e ri m t a l l i n gm em o d e lm a c b 幻eo fa i r c l e 她e r ，t l l ec o 璐i s t e n c yo f m g a t i v ei o l l ，也ec o 璐i s t e n c yo f o z o n e 锄dm es t a | b i l n yo f 、0 r k 盯e t e s t e d t h ec o n s i s t e n c yo fn e g a t i v ei o n1 ma w a y 丘啪血ec l e a n e ri s1 0 6i o n s c m ja 1 1 dt h e c o m i s t e n c yo fo z o n e1 ma w a y 丘o m 也ec l e 孤e ri sn o td 酏e c t e d i 耶1 em e 酃u r e m e n to f 舡岖- i n t e r f b r e n c ee n s u r et h em o d e lm a c ec a nw o r ks t a _ b l y k e yw o r d s ：n e g a 伽ei o na i r - c l e a n e r ；t 盹h 肿l o 盯o f 洲i t c h i n gp o w e r - s u p p l y ； m c uc o n t r o l ：r e s e a r c ho f t h em o d e im a c h i e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者躲鳌丝 一。碴水导师签名：i ! ! i 丛年月堑日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 室内空气净化器的现状及发展趋势 随着我国工业化的发展，人口不断增加，空气污染日益加重。人们大部分时间都生 活、工作在室内，因此室内空气质量的好坏直接影响到人们的身体健康。相关研究表明， 室内的空气中含有大量的污染物，其来源基本上是化学性污染物，主要有甲醛、苯、甲 苯、二甲苯、氨气、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、总挥发性有机物t v o c 、 可吸入颗粒物、臭氧等n ”。 这些污染物主要是由人们在室内的日常活动中所使用的物质中挥发出来的。例如： 燃烧烟草的烟雾、溶剂、油漆、染色剂、图文传真机、电脑终端机和打印机、粘合剂、 墙纸、地毯、合成纤维、清洁剂和室内吸烟等。举个例子，一般新装修的房子其甲醛 的含量可超标6 倍以上，个别则有可能超标达4 0 倍以上。 在我国很多地区，建造住宅楼、写字楼、宾馆、饭店等的建筑施工中添加的外加齐j ， 含有大量氨类物质，随着湿度、温度等环境因素的变化而还原成氨气从墙体中缓慢释放 出来m ，造成室内空气中氨浓度的大量增加。 我国农村多数农民以烧煤饼、煤球及蜂窝煤为主，由于炉灶结构的不合理，煤不能 完全燃烧，排放出大量的污染物，其中以二氧化硫为主0 3 。 可吸入颗粒物指悬浮在空气中，空气动力学当量直径小于l o 微米的颗粒物。空气 中的颗粒物来源广泛，扬尘、细菌、毛发、头屑、壁虱、尘埃、烟雾及空气中的有害物 质与可吸入颗粒物结合，构成危害极大的过敏源o 】。 以上这些污染物对人体健康的影响主要表现在嗅觉异常、刺激、过敏、内脏功能异 常、免疫功能异常、血液细胞损坏等方面。1 。比如当室内空气中甲醛含量为0 1 m g m 3 时 就有异味和不适感；o 5 m g m 3 时可刺激眼睛引起流泪；0 6 m g m 3 时引起咽喉不适或疼痛； 浓度再高可引起恶心、呕吐、咳嗽、胸闷、气喘甚至肺气肿。长期低浓度接触甲醛气体， 可出现头痛、头晕、乏力、两侧不对称感觉障碍和排汗过剩以及视力障碍，且能抑常n 汗 腺分泌，导致皮肤干燥皲裂；浓度较高时，对粘膜、上呼吸道、眼睛和皮肤具有强烈刺 激性，对神经系统、免疫系统、肝脏等产生毒害。 可吸入颗粒物对人类健康和生态环境有很大影响。对其中直径小于2 5 微米的细微 颗粒物的研究表明，它们将会增加人类重病及慢性病患者的死亡率、促使呼吸系统及心 脏系统疾病恶化、改变肺功能及结构、改变免疫结构等。 新型负离子空气净化器的研制 同时，随着日用家电增多，室内绿化不足，对人体健康有益的负离子含量也越来越 少。因此，能否有效、彻底地解决室内空气质量问题已逐渐被人们所关注。室内空气污 染的危害引起了人们的广泛关注，也推动了室内空气净化器技术的进程。 目前空气净化器产品有以下几种： ( 1 ) 机械过滤式净化器 这是一种小型空气过滤器，空气经风机加压。通过过滤材料，从而净化颗粒污染物， 只能除去一定大小的颗粒污染物，总体净化效果不佳。 ( 2 ) 机械过滤吸附式净化器 分别采用不同的净化机理取出颗粒污染物和气态污染物，这种净化器将普通空气过 滤技术与活性炭吸附技术结合起来，总体上改善了净化性能，但活性炭存在吸附饱和状 态，比较麻烦，因而没有得到广泛应用。 ( 3 ) 静电式净化器 静电式净化器实际上是一种静电式空气过滤器，对较大的颗粒污染物效果较好，但 是会产生臭氧等二次污染物，正被逐步淘汰。 ( 4 ) 负离子净化器 负离子净化器是目前被广泛使用的一种净化器，通过强电场产生负离子与颗粒污染 物结合形成“重离子”，沉降或吸附在物体表面，并能杀灭细菌，净化效果良好，但是， 这种空气净化器同样能产生臭氧，造成二次污染“3 。 臭氧的强氧化性对人体健康有危害作用。一般认为臭氧吸入体内后，能迅速转化为 活性很强的自由基一超氧基，主要使不饱和脂肪酸氧化，从而造成细胞损伤。由于臭氧 能引起上呼吸道炎症、损伤终末细支气管上皮纤毛，从而削弱了上呼吸道的防御功能， 因此长期接触一定浓度的臭氧还易于引发上呼吸道感染嘲。臭氧浓度在2 p p m 时，短时间 接触即可出现呼吸道刺激症状、咳嗽、头疼。 空气中负离子的含量是空气质量好坏的关键。负离子不仅可高效杀灭家居空气中因 长期密闭而日趋增多的烟雾、灰尘、细菌，更可中和空气中的正离子，活化空气，改善 肺功能，改善心肌功能，改善睡眠，促进新陈代谢，增强人体抗病能力，是家居生活不 可缺少的健康卫士“1 ”。 负离子空气净化器在7 0 年代末美国等西方国家就已开始使用，国内在8 0 年代也开 始了这方面的研制和销售。现在主要有3 种类型：电离极板型、带电介质非电离型和带 电介质电离型，且均采用正电晕放电，因为正电晕放电比负电晕放电产生的臭氧浓度低， 但在相同电压情况下，正电晕放电电晕电流低，净化效率低，致使分布在空气中的正离 子浓度提高。为了进一步减小臭氧浓度，降低净化器的工作电压，目前采用两级负离子 大连理工大学硕士学位论文 发生器。前级为常规发生器，后级为臭氧消除器，但这样却使成本和运行费用提高。总 的来说，因为臭氧的问题，使得上述负离子发生器的使用及推广受到很大程度的限制0 1 。 本课题用电晕线加热9 “的方法可抑制负电晕放电过程中臭氧产生和降低负离子发生 器的臭氧浓度，设计出臭氧浓度低于环保要求高负离子浓度和高净化效率的负离子发生 器1 ”。 1 2 论文的选题和主要工作 本课题的选题思路主要是根据电晕线加热式室内负离子净化器的性能要求、设备的 实用性角度出发的，研制出负高压直流电源、加热交流电源、以及整个净化器的控制部 分和整体结构。 电源有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就是使其调整管 工作在线性放大区，这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有3 5 6 0 9 6 。开关 稳压电源的调整管工作在开关状态。开关频率可以大幅度地提高，主要的优越性就是变 换效率高，可达7 0 9 5 “3 “1 。综合前面的分析，我们知道传统的大中功率电源大多是 线性稳压电源，采用工频变压器直接升压，虽然电路比较简单，但是频率低，体积、重量 大，且纹波、稳定性均难以令人满意。随着现代电力电子技术和和新型电力电子器件如 m o s f e t 、i g b t 的迅速发展，使高压电源高频化得以顺利实现，从而大大降低了电源的体 积和重量。本文根据设计的要求，电源的开关频率达到2 0 k h z ，电源效率达到8 0 以上。 现有的电源广泛采用t l 4 9 4 、u c 3 8 7 5 等专用电源芯片来驱动开关管，特定的电源芯 片本身不可编程，可控性较差，难以扩展，不易升级和维修，同时电源芯片为模拟型芯 片，具有模拟电路难以克服的由温漂和老化所引起的误差，无法保证系统始终具有的高 精度和可靠性。 本文采用凌阳公司的s p c e 0 6 1 a 单片机设计了一种新的智能型高频高压和加热开关 电源，对电源主电路实现了全数字控制，输出电压设置定点可调，提高了输出电压的精 度和稳定度。控制算法通过软件编程实现使得系统升级方便。使用单片机为核心对整个 电源系统进行控制，使得电源具有较好的可控性，并且易升级，易维修； 负离子空气净化器作为一种室内电器，具有简单、方便的操作性能，这就需要设计 者设计出良好的控制系统和人机交互界面，因此，控制系统对整个负离子空气净化器非 常重要，本课题以s p c e 0 6 l a 单片机为控制核心，即控制了两个电源的运行，也完成了 整个控制系统的其他功能，例如，遥控，按键等。 任何电器，要想实现其功能，整体设计尤为重要。整体设计包括外壳设计、内部结 构、电极结构设计设计。 新型负离子空气净化器的研制 综上所述，根据负离子空气净化器的性能要求，其负高压直流电源和加热交流电源 需体积小，控制部分则需控制简单，有良好的人机交互界面，整体结构合理。 本论文选题来源于大连市城乡建设委员会资助项目“c 1 】h 型室内负离子空气净化器 产品化方法研究”。 主要工作如下： 在上述论述的基础上本文设计出一台高压开关电源，电源具体指标为：输出电压 7 k v 、8 k v 、9 k v 定点可调，电源功率为1 0 0 w ，开关频率为8 0 i d l z ，纹波系数不大于0 5 ， 整个电源效率在8 0 以上。 论文的主要研究工作包括： ( 1 ) 以单个单片机为控制核心，实现高压直流电源和加热交流电源的输出电压选 择和调节等功能； ( 2 ) 高频技术和p m 技术在高压直流电源中的应用； ( 3 ) 高频变压器和倍压整流的设计； ( 4 ) 负离子空气净化器控制系统的设计； ( 5 ) 负离子空气净化器整体的设计。 4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 负直流高压及加热交流电源的主电路设计 2 1 前言 到目前为止，用于电晕线加热技术的负离子发生器一直使用的是工频高压电源，实 验装置供电线路如图2 1 所示“”。采用次级输出2 0k v 的变压器。经高压二级管半波整 流，电容滤波，产生负高压加到放电电极上，通过自耦调压器来调节负高压值。电晕线 加热电源采用1 ：1 ，2 0 k v 隔离变压器，加热电压由初级自耦调压器控制；此类高压电 源和加热电源主要是依靠工频电源来直接调压，但频率低，体积、重量大，且纹波、稳定 性不能令人满意，使设备变得笨重、不易运输和控制。 高压电辞高匿啦薛 ! 上 一 ；言叮一li j j 1 1 l ；燃愀 i 阿懒 i 图2 1 工频电源电路筒图 f i g 2 1t h ed r c u i td l a g 憾mo f m a i n 打e q n e n c yp w 盯s u p p l y 在国外，从7 0 年代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市电整流后 逆变为3 k h z 左右的中频，然后升压，美国g e 公司生产的a 似一2 移动式x 线机把蓄电池 供给的直流电逆变成5 0 0 h z 的中频方波送入高压发生器，从而减小体积和重量。进入 8 0 年代，高压开关电源技术迅速发展，德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件， 将电源的开关频率提高到2 0 k h z 以上。并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电 源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小“”。近十年来，随着电力 电子技术的进步和开关器件的发展，高压开关电源技术不断发展。突出的表现是频率在 不断提高：如德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达4 0 k h z 。9 8 年以后通用电气公司和 瓦里安公司都研制成功1 0 0 k h zx 射线机发生器。另外，高压开关电源的功率也在不断 珀娈 新型负离子空气净化器的研制 地提高，1 0 3 0 k w 的大功率高压开关电源在产品上已很成熟。电力电予器件和控制技 术的发展使得更高频成为可能，出现了各种软开关电源。微电子集成技术的发展为电力 电子控制技术提供了新的思路，由最初的分立元件发展到集成电路、大规模集成电路再 到后来的微处理器的出现，都为高频电源的控制技术带来了极大的便利。 我国自8 0 年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究，分别列入了 “七五”、“八五”、“九五”国家重点攻关项目。国家“八五”攻关项目( 8 5 8 0 5 一0 1 ) ， 2 0 0 k v 高压直流开关电源的研制，输出功率达2 0 k w o ”；国家自然基金资助项目( 6 9 8 7 1 0 0 2 ) 产生高浓度臭氧用2 0 k h z 高压逆变电源的研制，电源的转换效率 8 0 ，输出功率最高达 2 0 k w ，电源体积降至原体积1 5 ，臭氧发生器体积降为原来1 6 ，还减少了原材料消耗“。 本文采用s p c e 0 6 l a 单片机和t l 4 9 4 电压型脉宽调制器相结合，产生两路p w m 信号， 设计负离子空气净化器用负高压直流电源，达到的指标： ( 1 ) 达到7 k v 、8 k v 、9 k v 定点可调； ( 2 ) 效率达到8 0 以上： ( 3 ) 电源能够连续稳定工作。 加热电压根据负载情况，达到的指标： ( 1 ) 输出功率依次为1 0 w 、1 5 w 、2 0 w ； ( 2 ) 输出电压为5 v 、5 5 v 、6 v ； ( 3 ) 电源能够稳定运行。 2 2 高频开关电源基础 高频开关电源采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断工作，控制开关 元件的导通时间占空比来调整输出电压“”。开关电源的基本结构如图4 一l 所示，其中 d c d c 变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动电路、过流与过 压保护电路、噪声滤波器等部分组成。反馈回路检测输出电压变化，与基准电压u r 比 较，其误差电压通过放大器放大及脉宽调制( p w m ) 电路，再经过驱动器控制开关器件 的通断时间比，从而调整输出电压的大小。 对于串联线性稳压电源，输出对输入的瞬态响应特性主要有调整管的频率特性决 定。但对于开关型稳压电源，输入的瞬态变化比较多的表现在输出端。提高开关频率的 同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应闯题也能得到改善。 负载变化的瞬态响应主要有输出端滤波器特性决定，所以可利用提高开关频率、降低滤 波l c 乘积的方法来改善瞬态响应特性。 高频开关电源的电路结构有多种： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 按驱动方式分，有自励式和他励式。 ( 2 ) 按d c d c 变化器的工作方式分：单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、 全桥式。 ( 3 ) 按电路组成分，有谐振式和非谐振式。 ( 4 ) 按控制方式分：脉冲宽度调制( p 1 i | m ) 式、脉冲频率调制( p f h i ) 式、p w m 与p f m 混合式。 ( 5 ) 按隔离和耦合方式分，有隔离式和非隔离式，有交压器耦合及光耦合式等。 2 3 负高压直流电源主电路设计 2 3 1 主电路拓扑结构 图2 2 高频高压直流电源设计框图 f i g 2 2t h eo l dc i r c u i tb 1 眦km a g 聃mo f h i g hf r e q u e n c y h i g hv o l t a g ed cp o w e rs u p p i y 图2 2 示为一般常规的净化器开关式高压直流电源设计框图：脉宽调制电路、驱动 电路、逆变电路和变压器耦合，产生两路电路：一路低压供给电晕线加热用；另一路高 压供给倍压电路，产生直流高压，供电电晕线放电用。通过调节脉宽调制电路输出方波 的占空比，改变直流高压的电压。 但是，这对高压电源的调压带来一定问题：高变比升压变压器的副边接的是倍压整 流电路，因而等效到变压器原边是一高容性负载，即逆变器所接的是一等效高容性负载， 而且负载电流很小( 轻载) ，这就使得利用改变逆变器的占空比来全程调节输出电压比 较困难。因而在逆变器的前级加一b u c k ( d c d c ) 电路，来实现电压调节，而不在逆变 器环节中调节。这同时有利于减小e m i 咖1 ，同时降低了逆变器的控制复杂性。即采用固 定频率、固定占空比，调节逆变器输入端电源电压的办法来调整输出电压，如图2 3 新型负离子空气净化器的研制 图2 3 改进后的负直流高压电源设计简图 f i g 2 3 强ei m p r o v e db l o c kd i a g r 衄o fn e g a t i v ed ch i g hv o l t a g e 电源输入为2 2 0 v 工频电源，经过降噪滤波滤掉高频谐波，再经整流滤波后变成3 0 0 v 左右的直流电压。然后利用b u c k 电路来调节直流电压值。b u c k 电路后接逆变器，然后 通过高频高压变压器升压，再通过倍压整流电路升为直流负高压，控制电路产生两路p w m 信号，一路供给b u c k 电路，一路供给逆变器，反馈电压信号，经放大、a d 转换交为数 字信号，采用适当的算法调节b u c k 电路p 嗍信号的占空比，形成闭环调节电路。 2 3 2b u c k 电路 b u c k 电路如图2 4 所示，当开关q 开通时，流过q 的电流蠡= i ，流过电感线圈l ， 电流线性增加，在负载r 上流过电流厶，两端输出电压，极性上正下负。当p 五时 电容在充电状态，这时二极管d 承受反响电压；经时间乃后( d i - 解，乙为q 开通时 ， 间，乃是周期) ，当开关q 断开时，由于线圈l 中的磁场将改变线圈l 两端的电压极性， 以保持，不变。负载r 两端电压仍是上正下负。在k 厶时，电容处于放电状态，有利于 维持五跖不变。这时二极管d 承受正向偏压为电流，构成通路，故称d 为续流二极管。 由于变换器输出电压小于电源弘，故称它为降压变换器。工作中输入电流厶。在开关 闭合时，p o ；开关打开时，五= 0 ，故磊是脉动的，但输出电流厶，在l 、d 、c 作用下 趋势连续的，平稳的o ”。 大连理工大学硕士学位论文 l 珀铲。 1 悱 甲l ltt n n 几 一 u i 圈2 4 瑚j c k 电路 f i g 2 4 班，c kc i r c i t 当电路工作频率较高，若电感和电容量足够大并为理想元件，电路进入稳态后，可 以认为输出电压为常数。当晶体管导通时，电感中电流星线性上升，因此 u l u 。：三垒型二叠鲍：篮 t o ，t 。 ( 2 1 ) 式中为晶体管导通时间。 当晶体管截止时，电感中电流不能突变，电感上感应电动势使二极管导通，这时 u 。乩譬“等 式中0 为晶体管截止时间a 在稳态时，f = 0 = 0 。 因为电感滤波保持了直流分量，消除了谐波分量。输出电流平均值为 k = 牛= 等 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 新型负离子空气净化器的研制 双极型晶体管g t r 、场控器件v d m o s 管及复合型绝缘栅双极型晶体管i g b t 均可作为 功率开关使用，其中i g b t 综合了v d m o s 管和g t r 两者的优点，但目前价格较贵，主要 作为高电压、大电流开关使用，开关频率也不很高。与g t r 相比，v d m o s 管为电压控制 器件，驱动容易，无二次击穿现象，热稳定性好，安全工作区( s o a ) 大，开关速度快， 开关损耗小，就目前v d m 0 s 管的制造水平，在高频中小功率范围，尤其在高电压小电流 或低电压大电流应用场合，1 删o s 管具有很高的性能价格比，值得优先选用。本设计 ，产3 0 0 v ，五产1 a ，功率开关属于高电压小电流工作，实际选用的功率场效应管型号是 i r f 8 4 0 ，其主要参数如下： 最大反压： 5 0 0 v 连续工作电流厶： 8 a 峰值电流厶：3 2 a 导通电阻忍： ( 0 8 5 q 开通时间： 1 0 n s 关断时间t ：9 n s 续流二极管的正向额定电流必须大于最大负载电流，耐压必须大于输入电压，且留 有余量，此外，另一个很重要的考虑是为减少因漏感和引线电感产生的尖峰电压，续流 二极管宣采用反向恢复时间短，具有软恢复特性的肖特基二极管，实际采用的型号是 f r 3 0 7 ，其反向电压为7 0 0 v ，正向额定电流为3 a 。 2 3 3 逆变器拓扑 开关电源中，通常逆变器有以下几种：单端正激、单端反激、推挽、半桥、全桥 等。其中，单端反激型逆交器具有极好的自限流特性。”，如图2 5 所示，能有效防止过 载或短路对功率器件的电流冲击，即使负载瞬间短路，功率器件最大电流在任何瞬间不 会超过额定电流或电流给定值。一般认为单端反激式变换器仅适用于小功率直流电源而 且不能空载或轻载运行。单端反激式变换器由b ( 变压器) 、k ( 电子开关) 、d ( 二极 管) 和c ( 滤波电容器) 组成。电子开关是可关断功率电子器件，可以采用o s 、i g b t 、 g t r 等在控制电路的作用下，电子开关周期性的闭合与断开。当k 闭合时，输入以( 直 流电压) 全部加在b 的初级绕组n 上，此时，变压器同名端为正极性，d 承受反向电压 而截止。b 在k 闭合期间相当于一个厶( 纯电感) 。在外加的作用下，厶储存能量， 正( 电流) 线性增加。当k 断开时，厶的电流回路断开，变压器储存的能量耦合到副边， 转变为厶( 电感) 储存的能量，并在厶的作用下向副边释放能量。此时，变压器同名端 为负极性，d 承受正向电压开通厶的厶( 电流) 通过d 向电容器充电，五逐渐下降。由 大连理工大学硕士学位论文 于这种变换器在k 闭合期间只能储存能量，在截止期间才向负载释放能量，变换器在工 作过程中具有双重性，它既是变压器又相当于一个储能电感，因此，这种变换器又被称 为电感储能式变换器1 。 图2 5 单端反激式变换器原理图 f i g 2 5t h ec i r c u i td i a g n mo f s i n g l e e n d e df e e d - b 矗e kc o n v e r t o r 为降低对功率电子器件的耐压要求，防止电压尖峰损坏功率电子器件，必须采取措 旌限制功率电子器件两端电压。在小功率电源中，应用阻容吸收电路和带有能量回归绕 组的二极管箝位电路，能吸收和减小电压尖峰，但输出功率较大时，阻容吸收电路和带 有能量回归绕组的二极管箝位电路不能很好的保护功率电子器件。另外，单端反激式交 换器开环时不允许负载开路，否则功率电子器件会因过电压损坏。基于上述原因，在高 压直流电源的实际电路中可以采用带箝位二极管的双管单端反激式变换器( 如图2 6 ) 。 图2 6 带箝位= 极管的双管单端反激式变换器原理图 f i g 2 6 t h ec i r c u i t d i a g n mo f s i n g l e - e n d e d 触d - h a c k c o n v e r t o r w n hc b m p d i o d e 带筘位二极管的双开关单端反激式变换器提供了能量释放回路，使变换器具有极好 的自限压特性。允许变换器空载或轻载运行并且可以提高输出功率。这是中小功率高 压直流电源较为理想的一种方案。 新型负离子空气净化器的研制 带箝位二极管的单端反激式变换器的高压直流电源具有如下一些特点： ( 1 ) 交换器特有的变压器电感双重特征，使输出电流在负载突然短路时， 电流不会跃变。事实上，不论负载怎样变化( 开路或短路) ，变压的磁通是连续变化的。 因此，单端反激式变换器有很好的限流特性。这种特性使单端反激式变换器特别适用于 负载经常处于短路状态的仪器设备。 ( 2 ) 电路简单、元器件数目少，成本相对较低，无“直通”现象，可靠性高。 ( 3 ) 主开关管上的电压幅值略高于研，因此，对主开关管耐区要求较低。 ( 4 ) 由于箝位二极管的限幅作用，在负载开路时，高压直流电源输出不会产 生过电压，即具有自限压特性，允许负载开路工作。 ( 5 ) 在主开关管关断瞬间，由于d 。和d 。为变压器漏感提供了释放能量的电流 回路，对变压器原副边绕组耦合程度和变压器漏感没有严格要求。 2 3 4 高频高压变压器的特点及设计 高压电源高频化的优点是装置小型化，系统的动态反应快，电源装置效率高，有效 抑制环境噪声污染。但高压电源高频化发展的阻碍主要体现在高频高压变压器上，其主 要问题是： ( 1 ) 高频变压器体积减小，但绝缘问题突出。 ( 2 ) 电压输出高则变压器的变比较高，而大变比必然使变压器的非线性严重，使其 漏感和分布电容大大增加嘲1 。 圈2 7 高频高压变压器等效电路 f i g 2 7t h ee q u i v a l e n tc i r c u nd i 且g n mo fr 髓o n 童n e eh i g hf r e q u e n c y - h i g hv o l t a g et r a n s f o 瑚e r 图2 7 为高频高压变压器等效电路简化模型，它由漏感l d 、副边分布电容c 。和理想 变压器组成。漏感同样时工作于高频6 下的感抗较工频下增加，5 0 倍，严重限制了功 率输出；分布电容相同时高频下的容抗较工频下减小至5 0 矗导致空载电流大，功率因 大连理工大学硕士学位论文 数低，空载发热问题突出。对上述问题的处理方法是变压器真空浸油处理，并采用大磁 芯保证足够的绝缘距离，以减小分布电容及其影响。 磁芯选用软磁铁氧体，工作频率为8 0 k h z 。磁芯( u 1 6 ) 工作磁感应强度选在 o 1 6 t ( b s = 0 2 t ) ；初级匝数陆1 ： 坼= 簧 ( 2 4 ) 取庐3 0 0 v ，庐o ，1 6 t ，乙= 2 5 p s ，疋= 1 8 c 砰，则p 7 4 。实际选以为8 0 ，次级匝数 a 净1 1 0 0 ，使得变压器的次级电压圪= 3 7 8 9 。 2 3 5 高频倍压整流电路 在本电源设计中，采用升压变压器和倍压整流电路的两级升压的理由： ( 1 ) 变压器的工艺有限，做不到高变比非常大的变压器； ( 2 ) 即使采用高变比的的高频变压器，则其分布参数等将变得更加复杂，使得前 级的逆变电路的设计变得困难。 图2 8 两级倍压整流电路 f i g 2 8t h ee r 姐i td i 鱼g n mo f v d l t a g ed o u b l i u gn c t i f m g 倍压整流电路如图2 8 所示，变压器绕组的一端是接地的，倍压直流电压的一端也 是接地的。磁电路产生的倍压的过程大致如下：当变压器的高压绕组的端点3 相对于0 点电压为负时，d l 正向导通，使电容c 。充电，充电稳定后，点1 相对于点3 建立起配 的电压，以为变压器高压绕组的电压最大值。当点1 相对于点。为正时，d 。开始截止； 在点l 相对于点2 为正时，d 。导通。充电稳定时，由于点3 相对于点o 的最高电压可达 新型负离子空气净化器的研制 + 如且点l 相对于点3 已充有+ 以的电压，所以点l 的对地电压最高可达2 此时 d ：导通，最终可使c ：冲上2 以的电压。 当电路的输出端接地且有负载时，有压降及电压脉冲的问题。在有负载时，g 每周 期向0 充电时要输出电荷0 ，故点1 的电位不可能达到2 以，而要降低批i 所以g 充 电所能达到的最高电位为 埘2 砜一嘶= 去 一般选口= 凹= c ，所以 u = 2 硼= 若 厶为负载的平均电流，为频率。 若欲得到更高的电压，可采用串接整流回路图2 9 所示 c lc 3 图2 g 串接倍压整流电路 f i g 2 9v o i t a 伊d o u b l i n gr e c 6 f m gms e r i e s ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 大连理工大学硕士学位论文 串接整流回路实际为倍压电路的积木式的叠加。它在高电压工程中应用较广泛，但 此种电路的瑟，( 电压降) 随级数刀的平方倍关系上升，u 则随门的立方倍关系上升。 它们与级数刀、平均负载电流l 、供电电压频率，电容量之间的关系可表达如下： j u ：堕鱼! 丛g1 4 姆 u ：隧翌：也1 1 筘 因此，当级数疗超过一定值时，再增加力也无助于输出电压的增加， 整个结构的高度却会随力而正比上升。 由2 2 4 的次级电压( 倍压整流电路的输入电压) 卢8 0 k h z ，傍1 0 0 0 p f ，在1 0 t f l a ，选n 为4 ，则根据式2 9 ，得 y = 玎巧一旦掣9 2 8 ， ( 2 8 ) ( 2 9 ) 而元件数量和 睁3 7 8 9 v ，取 ( 2 1 0 ) n 为4 时，满足要求 2 3 6 输入电压保护 一般情况下，交流电网上的电压为2 2 0 v 左右，但有时也会有高压的尖峰出现。比 如电网附近有电感性开关，暴风雨时的雷电现象，都是产生高尖峰的因素。受严重的雷 电影响，电网上的高压尖峰有时可达5 k v 。”。 另一方面，电感性开关产生的电压尖峰的能量满足下面的公式： ：三z 2 公式中，l 时电感器的漏感；i 时通过线圈的电流。 ( 2 1 1 ) 新型负离子空气净化器的研制 由此可见，虽然电压尖峰持续的时间很短，但是它却有足够的能量使开关电源的输 入滤波器、开关管等造成致命的损坏。所以必须要采取措施加以避免。 用在这种情况中最常用的抑制干扰器件是金属氧化物压敏电阻瞬态电压抑制器。通 常把压敏电阻r v 连在交流电压的输入端。压敏电阻起到一个可变阻抗的作用。也就是 说，当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时，它的阻抗急剧减小到一个低值，消除了尖 峰电压使输入电压达到安全值。瞬间的能量消耗在压敏电阻上，在选择压敏电阻时应按 下述步骤进行： ( 1 ) 选择压敏电阻的额定值，应该比最大的电路电压稳定值大l o 2 0 ； ( 2 ) 计算或估计出电路所要承受的最大瞬间能量的焦耳数； ( 3 ) 查明器件所需要承受的最大尖峰电流。 这里，选择额定电压值为3 0 0 v 的压敏电阻。 2 4 加热电源设计 负离子空气净化器中采用了电晕线加熟技术，电源系统需设计一加热电源，且此加 热电源输出随负直流高压的输出而变化，因此，加热电源必须是独立受控制核心的控制。 到目前为止，用于电晕线加热技术加热电源采用1 ；l ，2 0 k v 隔离变压器。加热电 压由初级自耦调压器控制，这种电路结构简单，易于实现，但是，与一般的工频电源一 样，体积大，效率低。 本论文要设计的加热电源是用于空气净化器这样一种室内电器。作为一种电器的电 源部分，必须与相应的控制系统结合，有较小的体积，良好的可控性，因此，与负直流 高压电源一样，本文采用了开关电源技术，设计了电晕线加热电源，该电源实现输出5 v 、 5 5 v 、6 v ，功率为1 0 w 、1 5 w 、2 0 。 2 4 1 加热电源主电路拓扑结构 加热电源需要的是交流输出，电路结构如图2 1 0 所示。 市电降噪滤波后，经滤波整流变为3 0 0 v 左右的直流，然后通过逆变器，再经高频 变压器降压后，直接接到负载上。逆变器的控制p w m 信号，由s p c e 0 6 1 a 单片机产生， 调节其占空比，即可调节加热电源输出。除此之外，还设计了过流检测功能。 在实验中发现，加热电源在开环运转时，仍然比较稳定，达到了要求，所以本加热 电源没有设计闭环稳压系统，这样，即节省了成本，又降低了系统软件部分的复杂程度。 大连理工大学硕士学位论文 与负直流高压电源一样，逆变器采用了双管单端反激电路( 见2 2 3 ) ，各元件参 数都相同。 图2 1 0 加热电源框图 f i g 2 1 0t h ed i a g r a mo fh e a n n g _ s u p p i y 2 4 2 降压变压器设计 加热电源的降压变压器的输出直接接到电晕线上，而电晕线最高电压可达到一9 k v ， 这样，加热电源变压器属于高电位变压器。高电位变压器有以下特点：绕组本身电压不 高，而绕组所处的电位很高。由于绕组的匝间、层间、始末头间的电压都不高，所以整 个绕组可以像低电压变压器那样分层密绕，不必分段。高电位绕组和初级绕组间以及和 铁心间的绝缘要特别加强，以承受该绕组的直流电位。 高电位变压器的绝缘方式有以下几种：用气体绝缘，如用空气、s f 。等；用液体绝 缘，如变压器油，硅有机液体，氟有机液体等：用固体绝缘，如环氧混合物，氧化硅粉、 云母粉等。从绝缘方式来看，固体绝缘主要分两大类：一是灌注，即把整个变压器或高 压线圈灌封起来。常用的灌注材料是环氧混合物，也可用甲丙树脂等塑料。 目前高电位变压器中应用最广泛的是灌注环氧树脂混合物的绝缘方式。 本论文中，高电位变压器采用了空气绝缘方式，即初级绕组和高电位的次级绕组隔 开一定的距离，达到绝缘的目的，这样，虽然逆变器为双管单端反激式，但是，不能采 用常用的e e 、e i 型铁氧体磁芯，而是采用与负直流高压电源的高频高压变压器一样的 u 1 6 型磁芯，u 16 磁芯饱和磁感应强度为0 2 t ，有效面积为1 8 c m 2 。 频率为8 0 k h z ，占空比为0 4 ，则脉冲宽度l 为5 u s 则初级绕组匝数 新型负离子空气净化器的研制 n ：旦l ：! 竺坠! 8 3 3 “9 艮4 0 2 x o 5 1 8 0 。 ( 2 1 2 ) 这里选择 乒8 4 式中坼初级匝数； 冶初级所加直流电压( v ) ； l 导通时间( u s ) ； 4 既交变工作磁密( m t ) ： 儿磁芯有效面积( 姗2 ) 。 对于次级匝数，实验过程中发现，公式计算出的数值，并不合适，经过反复的试验， 最终初级次数选择1 7 0 ，次级匝数选择为4 。 2 4 3 降压变压器绕制方法 开关电源变压器的物理绕制方法是很重要的，它会使电源性能差别很大。好的绕制 方法可以使电源性能变得非常好，反之也可以使电源的噪声很大，性能变差。 开关电源变压器工频变压器相比，要求更为苛刻，其绕制主要由三个方面的安全考 虑m 。 ( 1 ) 电源是否必须符合安全规范。 ( 2 ) 绕组之间耦合要好。 ( 3 ) 所有绕组的满感应尽可能小。 这些因素是相互影响的，所以需要采用折中方法。 开关电源变压器低漏感绕制方法： 减小绕组漏感有很多种方案和绕制技巧可以选择。漏感是指没有耦合到磁心或其他 绕组的可测量的电感，它的影响就像一个独立的电感串连在绕组的引线上一样，是导致 功率开关漏极或集电极和输出二极管阴极上的尖峰的原因。影响漏感的主要因素：绕组 越宽，漏感就越小。把绕组的匝数控制在最少程度，对减小漏感是有很大帮助的。初级 次级耦合的好坏对一次漏感也有很大的影响。另外变压器分布电容对电源性能也有很大 影响，如果线圈一层接着一层来回绕，分布电容存出的能量就很大，线圈间的电压差很 大，甚至有可能接近绝缘击穿电压，结果很糟，减小分布电容绕制通常采用以下两种方 法： ( 1 ) “z ”形绕法：在第一层绕好后，把导线拉回到第一层刚开始绕线的地方，并 大连理工大学硕士学位论文 在第一层上绕线，它的效果比一层紧接一层的绕法要好很多。 ( 2 ) “累进式”绕法：先绕第一层的一部分，再在第一层上绕回去，形成第二层 的一部分，这样交替绕制第一层与第二层线圈。线圈的最大电压就是累进的圈数的倍数。 这种绕制方法，比“z ”形绕法还要好，是目前最好的减少高频变压器分布电容的线圈 绕制方法。 本文加热电源的变压器，采用了“z ”形绕制方法，即绕完第一层以后，漆包线拉 回到第一层刚开始绕的地方，再绕第二层，每两层之间，缠两层绝缘胶带。在初级的输 入端和次级的输出端，套有绝缘套管，防止发生事故，最后输出波形如图2 1 0 所示。 图2 1 l 加热电源输出波形 f i g 2 1 1t h ew a v e f o r m so f t h eo u t p u to fh e a t i n gp o w e r 新型负离子空气净化器的研制 3 控制电路及其他辅助电路设计 3 1 前言 现有的开关电源广泛采用t l 4 9 4 、u c 3 8 7 5 等专用电源芯片来驱动开关管，特定的 电源芯片本身不可编程，可控性较