CN106026702B - 一种大功率直流等离子体电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率直流等离子体电源，包括n组串联的PSM模块、平波电感、第一电流测量模块和反馈控制保护系统，电网电压经真空断路器与整流变压器的输入端相连，整流变压器的输出端分别连接至每组PSM模块的输入端，n组串联的PSM模块的输出经平波电感连接至输出电极，所述第一电流测量模块安装在主回路母线上，所述反馈保护系统的输入端与第一电流测量模块相连，其输出端分别与PSM模块的控制端相连。本发明电源输出电压范围大，输出功率可达MW级，具有很好的动态特性、很短的反应时间，能快速响应等离子体负载的剧大扰动，具备很好的电流控制特性，保证了等离子体产品的质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源，具体涉及一种大功率直流等离子体电源。
背景技术
目前，等离子体技术在冶金、喷涂、表面改性、环境治理、通信和探测以及其他工业领域的应用越来越广泛，等离子体化工在生产过程中清洁无污染，而且不需要使用催化剂，工艺过程简单、原料适应性广，在资源紧缺、环境问题日益严峻的今天，如何高效、合理的利用等离子体技术，是关系环保、资源综合利用、节能减排、产业结构优化的重大课题。然而，要实现等离子体技术的多种应用和全面推广，关键在于要有响应速度快、控制性能好、可靠性高的大功率等离子体电源和高性能的等离子体发生器。
根据电弧理论以及等离子体工艺情况，等离子体负载的能量稳定性与电流直接相关，等离子体电源主要采用恒流源。在工艺过程中，由于气体放电特性、气体压力、气体组份以及等离子体温度等多种因素的综合影响，等离子体负载会出现较大扰动，例如打弧现象，会使等离子体负载电阻急剧减小，等离子体电源输出近似短路，所以等离子体负载一般呈现水平或上升的伏安特性。如果等离子体电源输出电压不能快速响应负载阻抗的变化时，就难以稳定输出电流，从而会失去等离子体的工艺条件，不能维持正常的放电过程，进而无法保证工艺效果，影响产品质量。因此，等离子体电源必须具备陡降特性，必须具有很好的动态特性、很短的反应时间以适应负载的急剧变化。
长期以来，国内外传统的大功率等离子体直流电源普遍采用可控硅整流电源，为获得所需的陡降特性和稳定的工作电流，通常需在回路中增加真空调整管，或串入能耗达几十千瓦以上的电阻；由于交流电路的频率和可控硅整流电路的特性等，也决定了可控硅整流电源的响应时间只能达到毫秒量级（如工频下三相桥式整流电路的平均失控时间就达到了1.27ms），而且，可控硅整流电源功率因数不高。所以，这种电源不仅效率低、能耗高，而且体积庞大、笨重，动态响应速度慢，控制性能差，难以适应负载阻抗特性的急剧变化。
近年来，也出现了使用高频全桥逆变技术制作的等离子体电源，相比传统可控硅整流电源，虽然高频逆变电源具有节能、省材、对电网冲击小以及较好的控制性能等优点，但是在大功率等离子体负载工作环境下，大功率逆变式等离子体电源存在着并联均流、温升、电磁干扰、结构复杂、寄生参数等因素造成的强能量高效传递和可靠性等问题。
高性能、高可靠性的大功率直流等离子体电源的研制和开发，是国内外大功率等离子体系统发展的瓶颈，对大功率等离子体系统全面发展和推广应用起着至关重要的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大功率直流等离子体电源，不仅动态性能好，能在数微秒内快速响应等离子体负载输出阻抗的急剧变化，稳定输出电流，保证产品质量，而且该电源还具有较高的功率因数，很高的效率和可靠性。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括n组串联的PSM模块、平波电感、第一电流测量模块和反馈控制保护系统，电网电压经真空断路器与整流变压器的输入端相连，整流变压器的输出端分别连接至每组PSM模块的输入端，n组串联的PSM模块的输出经平波电感连接至输出电极，所述第一电流测量模块安装在主回路母线上，用于测量电源输出电流，并按比例转换成电压输出后连接至反馈控制保护系统，所述反馈保护系统的输入端与第一电流测量模块相连，其输出端分别与PSM模块的控制端相连。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述反馈控制保护系统，包括数字控制器和参数设定运行状态监控单元，所述参数设定运行状态监控单元与数字控制器交互连接，数字控制器的输出端通过光纤与每个PSM模块的控制端相连；
所述反馈控制保护系统，用于通过与参数设定运行状态监控单元进行实时通讯，同时检测主回路上电流测量模块的输出，计算所需投切的PSM模块的个数。
所述的PSM模块包括隔离变压器、真空接触器、软充电电阻、整流电路、续流二极管、压敏电阻、绝缘栅双极型晶体管、IGBT驱动及控制模块、比较器和第二电流测量模块；所述整流电路由六个电力二极管组成，所述整流电路的交流输入端分别依次经交流熔断器、真空接触器与隔离变压器的原边相连，所述软充电电阻并联在真空接触器的两端，所述整流电路的负极输出端与绝缘栅双极型晶体管的集电极相连，绝缘栅双极型晶体管的发射极与续流二极管的阴极相连，绝缘栅双极型晶体管的栅极、集电极和发射极与IGBT驱动及控制模块的输出端相连，续流二极管的阳极与整流电路的正极输出端相连，所述续流二极管的阳极经吸收电容与绝缘栅双极型晶体管的集电极相连，所述压敏电阻、输出电阻及滤波电容分别并联在整流电路的输出端，所述第二电流测量模块安装在绝缘栅双极型晶体管的发射极，所述比较器的正向输入端经低通滤波器与第二电流测量模块相连，其反向输入端经外围电路与电源VCC相连，比较器的输出端与IGBT驱动及控制模块的输入端相连，所述IGBT驱动及控制模块的供电端与隔离变压器的副边相连。
所述所述的PSM模块还包括指示电路，所述指示电路由限流电阻和发光二极管组成，所述发光二极管的阴极与整流电路的正极输出端相连，其阳极经限流电阻与绝缘栅双极型晶体管的发射极相连。
由上述技术方案可知，本发明所述的大功率直流等离子体电源，其电源输出电压范围大，输出功率可达MW级，具有很好的动态特性、很短的反应时间，能快速响应（微秒量级）等离子体负载的剧大扰动，具备很好的电流控制特性，保证了等离子体产品的质量。该大功率直流等离子体电源结构简单，具有故障冗余功能，部分模块故障将不影响电源正常运行，可靠性高；同时，本发明具有很高的功率因数，提高了用电质量，降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明的总体电路图；
图2是本发明中PSM模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本实施例的大功率直流等离子体电源，包括n组串联的PSM模块2、平波电感7、第一电流测量模块8和反馈控制保护系统，电网电压经真空断路器1与整流变压器3的输入端相连，整流变压器3的输出端分别连接至每组PSM模块2的输入端，n组串联的PSM模块2的输出经平波电感7连接至输出电极，第一电流测量模块8安装在主回路母线上，用于测量电源输出电流，并按比例转换成电压输出后连接至反馈控制保护系统，反馈保护系统的输入端与第一电流测量模块8相连，其输出端分别与PSM模块2的控制端相连。
反馈控制保护系统，包括数字控制器9和参数设定运行状态监控单元10，参数设定运行状态监控单元10与数字控制器9交互连接，数字控制器9的输出端通过光纤11与每个PSM模块2的控制端相连；该反馈控制保护系统，用于通过与参数设定运行状态监控单元10进行实时通讯，同时检测主回路上电流测量模块的输出，计算所需投切的PSM模块2的个数。
如图2所示，PSM模块2包括隔离变压器34、指示电路、真空接触器21、软充电电阻22、整流电路24、续流二极管31、压敏电阻25、绝缘栅双极型晶体管28、IGBT驱动及控制模块35、比较器37和第二电流测量模块30；整流电路24由六个电力二极管组成，整流电路24的交流输入端分别依次经交流熔断器23、真空接触器21与隔离变压器34的原边相连，软充电电阻22并联在真空接触器21的两端，整流电路24的负极输出端与绝缘栅双极型晶体管28的集电极相连，绝缘栅双极型晶体管28的发射极与续流二极管31的阴极相连，绝缘栅双极型晶体管28的栅极、集电极和发射极与IGBT驱动及控制模块35的输出端相连，续流二极管31的阳极与整流电路24的正极输出端相连，续流二极管31的阳极经吸收电容29与绝缘栅双极型晶体管28的集电极相连，压敏电阻25、输出电阻26及滤波电容27分别并联在整流电路24的输出端，第二电流测量模块30安装在绝缘栅双极型晶体管28的发射极，比较器37的正向输入端经低通滤波器36与第二电流测量模块30相连，其反向输入端经外围电路与电源VCC相连，比较器37的输出端与IGBT驱动及控制模块35的输入端相连，IGBT驱动及控制模块35的供电端与隔离变压器34的副边相连。该指示电路由限流电阻33和发光二极管32组成，发光二极管32的阴极与整流电路24的正极输出端相连，其阳极经限流电阻33与绝缘栅双极型晶体管28的发射极相连。
该整流变压器3的原边采用三角形接法，可避免3次谐波电流流入电网，整流变压器3副边为星形接法4和三角形接法5交替，这样可在直流侧最终输出12脉波整流电压，能够减小直流侧的纹波，并有效抑制交流侧的波形畸变。经整流变压器3变换成合适的电压后进入PSM模块2的输入端，PSM模块2中整流单元及滤波单元可将交流电压变换成稳定的直流电压，IGBT开关单元的导通与关断决定每组PSM模块是否投入，每组PSM模块2的输出电压为Um，n组完全一致的PSM模块2串联后，最大输出电压值即可达到n*Um, 在任何时刻电源的输出电压值取决于投入PSM模块的个数，其值为Uout=m*Um (其中，m为投入模块数，m ≤n)，电源输出电压在0～n*Um之间可调，当某个PSM模块2关断时，关断模块中的续流二极管31为回路中的电流提供续流通道。n组PSM模块2串联后的输出再通过输出电感7后，连接至等离子体负载的电极两端，该输出电感7可平滑输出电流，减小电流脉动。
本发明的反馈控制保护系统以数字控制器9为核心，通过与参数设定及运行状态监控单元10实时通讯，接收电源每次工作的运行参数，并实时上传电源实际运行状态；主回路上的第一LEM电流测量模块8实时测量电源的输出电流值，并按比例转换成电压输出，通过屏蔽电缆将电压值传递至数字控制器9的模拟量输入口，数字控制器9将其转换成相应的数字量并与运行参数中的电流设定值进行比较、PID运算等，计算所需投切的PSM模块9的个数，由数字控制器9对应的GPIO接口输出，并通过光纤传输11连接至每个PSM模块2的控制及驱动单元35，从而可以快速导通或关断对应PSM模块2中的绝缘栅双极型晶体管28，实现电源输出电压的快速变化，使得输出电流快速跟踪并稳定在电流设定值；光纤传输单元也可实时将每个PSM模块2的工作状态传递至数字控制器9，并上传至运行状态监控系统。
如图2所示 ，发光二极管32和限流电阻器33串联组成的指示电路，用于显示每个PSM模块2的工作状态，第二电流测量模块30，用于监测每个PSM模块2的输出电流。真空接触器21和软充电电阻22构成软充电电路，在准备阶段，当真空断路器1闭合时，整流变压器3带电时，PSM模块2通过软充电电阻22、整流电路24为滤波电容器27充电，当滤波电容27上电压达到其峰值的70%后，再合真空接触器21，这样可有效避免电容电压过充，同时，若在工作工程中，发现滤波电容27两端电压高于保护阈值时，也可直接分断真空接触器21，保护设备和器件的安全。整流电路24由六只电力二极管组成，其中三只二极管为共阳极接法，另外三只为共阴极接法，输出侧并联有滤波电容器27，一起构成三相不可控整流滤波电路，将三相交流电压变换成稳定的直流电压；串接于三相交流输入回路的交流熔断器23，用于保护相间短路过流；并联在整流桥直流输出端两侧的压敏电阻器25，用于保护直流侧输出过压；PSM模块2的输出级由IGBT模块28及快恢复续流二极管31组成的类Buck结构拓扑的开关单元组成，每个PSM模块2的投入与否只需通过导通或关断该绝缘栅双极型晶体管28（即IGBT）即可实现；并联在IGBT集电极和续流二极管31阳极两端的吸收电容29使用无感电容，可抑制IGBT、续流二极管31关断过电压和du/dt，降低关断时的开关损耗和噪声；当IGBT模块28导通时，该PSM模块2投入，并接在该模块输出端的发光二极管32点亮，表示该模块处于工作状态，与发光二极管串联的限流电阻33限制通过发光二极管支路的电流，当IGBT模块28关断时，该PSM模块未投入，主回路中的电流通过续流二极管31续流，同时发光二极管32熄灭，表示该PSM模块2未投入工作。
如图2所示，IGBT驱动及控制模块35的供电均取自该PSM模块2的三相交流输入侧，在三相交流输入侧任取其中两相经隔离变压器34变换成合适的低压后供给IGBT驱动及控制模块，在模块内部再变换成多种电压等级的直流电压为不同器件提供直流工作电源，这样可以保证整个PSM模块2具有良好的绝缘和耐压水平；PSM模块2与主控制回路的信号联络全部通过光纤传输11进行，主控制回路的控制信号通过光纤传输11到IGBT驱动及控制模块35的信号接收端，经模块内的驱动电路快速输出正负驱动电压施加到IGBT的栅极和发射极两端，可控制IGBT进行快速导通或关断，同时PSM模块2的工作状态也可通过光纤传输11至主控制器。所述的安装在每个PSM模块2的IGBT开关侧输出母线上的LEM电流测量模块30，用于测量每个PSM模块的输出电流，按比例转换成电压输出后，经过低通滤波器36滤除高频干扰信号，与预设的过流保护阈值电压一起连接到比较器37的输出端，比较器37的输出连接到IGBT驱动及控制模块35的输入口，若PSM模块输出电流超过保护阈值，则比较器37输出为高电平，IGBT驱动及控制模块35将立刻输出负电压使IGBT开关立即关断，切断PSM模块2的输出，防止过流损坏设备和器件。
本发明所述的电源适用于等离子体负载，在工作过程中，由于等离子体负载的放电特性、气体压力、温度等多种因素的影响，等离子体负载会出现剧烈扰动，这就要求等离子体电源具有很好的动态特性，能快速响应负载阻抗特性的急剧变化。采取这种PSM模块2串联的拓扑结构，使用IGBT开关快速导通和关断PSM模块输出的方式，就可以在数微秒内响应负载电压的急剧变化，稳定电流输出，同时在出现过流、过压等故障时，还可在数微秒内切断电源输出，保障设备安全；不仅如此，当某个或者某k个PSM模块因故障不能工作时，只要所期望的输出电压值小于（n-k）*Um时，电源仍然可以继续工作，因而该新型大功率直流等离子体电源还具有很好的故障冗余功能。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种大功率直流等离子体电源，其特征在于：包括n组串联的PSM模块(2)、平波电感(7)、第一电流测量模块(8)和反馈控制保护系统，电网电压经真空断路器(1)与整流变压器(3)的输入端相连，整流变压器(3)的输出端分别连接至每组PSM模块(2)的输入端，n组串联的PSM模块(2)的输出经平波电感(7)连接至等离子体负载的电极两端，所述第一电流测量模块(8)安装在主回路母线上，用于测量电源输出电流，并按比例转换成电压输出后连接至反馈控制保护系统，所述反馈控制保护系统的输入端与第一电流测量模块(8)相连，其输出端分别与每组PSM模块(2)的控制端相连；
所述反馈控制保护系统，包括数字控制器(9)和参数设定运行状态监控单元(10)，所述参数设定运行状态监控单元(10)与数字控制器(9)交互连接，数字控制器(9)的输出端通过光纤(11)与每组PSM模块(2)的控制端相连；
所述的PSM模块(2)包括隔离变压器(34)、真空接触器(21)、软充电电阻(22)、整流电路(24)、续流二极管(31)、压敏电阻(25)、绝缘栅双极型晶体管(28)、IGBT驱动及控制模块(35)、比较器(37)和第二电流测量模块(30)；所述整流电路(24)由六个电力二极管组成，所述整流电路(24)的交流输入端分别依次经交流熔断器(23)、真空接触器(21)与隔离变压器(34)的原边相连，所述软充电电阻(22)并联在真空接触器(21)的两端，所述整流电路(24)的正极输出端与绝缘栅双极型晶体管(28)的集电极相连，绝缘栅双极型晶体管(28)的发射极与续流二极管(31)的阴极相连，绝缘栅双极型晶体管(28)的栅极、集电极和发射极与IGBT驱动及控制模块(35)的输出端相连，续流二极管(31)的阳极与整流电路(24)的负极输出端相连，所述续流二极管(31)的阳极经吸收电容(29)与绝缘栅双极型晶体管(28)的集电极相连，所述压敏电阻(25)、输出电阻(26)及滤波电容(27)分别并联在整流电路(24)的输出端，所述第二电流测量模块(30)安装在绝缘栅双极型晶体管(28)的发射极，所述比较器(37)的正向输入端经低通滤波器(36)与第二电流测量模块(30)相连，其反向输入端经外围电路与电源VCC相连，比较器(37)的输出端与IGBT驱动及控制模块(35)的输入端相连，所述IGBT驱动及控制模块(35)的供电端与隔离变压器(34)的副边相连；
所述数字控制器(9)，用于通过与参数设定运行状态监控单元(10)进行实时通讯，接收电源每次工作的运行参数，并实时上传电源实际运行状态，同时检测主回路上第一电流测量模块(8)的输出，将第一电流测量模块(8)的输出转化成数字量并与运行参数中的电流设定值进行比较、PID运算，计算所需投切的PSM模块(2)的个数，通过光纤传输连接至每组PSM模块(2)的IGBT驱动及控制模块(35)，快速导通或关断对应PSM模块(2)中的绝缘栅双极型晶体管(28)，实现电源输出电压的快速变化，使得输出电流快速跟踪并稳定在电流设定值。
2.根据权利要求1所述的大功率直流等离子体电源，其特征在于：所述的PSM模块(2)还包括指示电路，所述指示电路由限流电阻(33)和发光二极管(32)组成，所述发光二极管(32)的阴极与整流电路(24)的负极输出端相连，其阳极经限流电阻(33)与绝缘栅双极型晶体管(28)的发射极相连。
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