频率、幅值、功率可调节的高频高压交流电源电路的制作方法

本实用新型涉及一种应用于分析仪器、生物医学、环境监测、科研等领域中的频率、幅值、功率可调节的高频高压交流电源电路。

背景技术：

目前市场上的高频高压电源大多数以高压直流电源为主，其应用领域也非常广泛，而高频高压交流电源种类较少，实体电源体积较大，调节范围窄，性能也比较单一，可靠性不高，不能满足用户需求。随着电子科技的发展，特别是等离子体等相关应用领域的扩大，市场对高频高压交流电源的需求越来越大，对其产品的性能有了更高的要求。

技术实现要素：

鉴于目前市场存在的不足，本实用新型提供了一种输出电压高、调节范围宽的频率、幅值、功率可调节的高频高压交流电源电路。

本实用新型为实现上述目的，所采取的技术方案是：一种频率、幅值、功率可调节的高频高压交流电源电路，包括主控制及驱动电路、调控电压整流滤波及其功率采样电路，其特征在于：还包括交流输出频率控制及其驱动电路、交流输出功率设定及过载保护电路、交流输出电压幅值设定及其反馈电路、交流输出及其电流采样电路，所述调控电压整流滤波及其功率采样电路分别与主控制及驱动电路、交流输出频率控制及其驱动电路、交流输出功率设定及过载保护电路、交流输出电压幅值设定及其反馈电路连接，所述交流输出及其电流采样电路分别与交流输出频率控制及其驱动电路、交流输出功率设定及过载保护电路、交流输出电压幅值设定及其反馈电路连接，所述主控制及驱动电路分别与交流输出功率设定及过载保护电路、交流输出电压幅值设定及其反馈电路连接，供电输入分别与主控制及驱动电路、交流输出频率控制及其驱动电路连接；

具体电路连接为：所述交流输出频率控制及其驱动电路中，供电输入电压+Vin分别接电阻R41和R42的一端，电阻R41的另一端分别与电容C3的正极、稳压二极管D12的负极相连并作为内部供电端Vcc，电容C3的负极与稳压二极管D12的正极相连后接输入地GND，DC电源转换模块M1的供电端1脚分别接电容C30的正极、二极管D11的负极、电阻R42的另一端，DC电源转换模块M1的输入地端2脚与电容C30的负极相连后接输入地GND，DC电源转换模块M1的输出端6脚分别接二极管D11的正极、电容C31的正极、控制芯片U4的供电端1脚和高侧悬浮电源正端8脚，DC电源转换模块M1的输出地端4脚与电容C31的负极相连后接输入地GND，电阻R4与电位器VR2的两个固定端1、2脚并联，电位器VR2的一固定端1脚与调节端3脚相连，电阻R4的一端通过电阻R3接控制芯片U4的振动器定时电阻输入端2脚，电阻R4的另一端分别接控制芯片U4的振动器定时电容输入端3脚、电位器VR2的另一固定端2脚、电容C27的一端，控制芯片U4的接地端4脚分别与控制芯片U4的高压悬浮电源负端6脚、电容C27的另一端相连后接输入地GND，二极管D13与电阻R9并联，二极管D14与电阻R10并联，控制芯片U4的高侧栅极驱动器输出端7脚接二极管D13的负极，控制芯片U4的低侧栅极驱动器输出端5脚接二极管D14的负极，二极管D13的正极接MOS三极管T5的栅极，二极管D14的正极接MOS三极管T4的栅极，MOS三极管T4与T5的源极相连后接输入地GND，MOS三极管T5的漏极接变压器TRF2初级绕组Lp1的同名端1脚，MOS三极管T4的漏极接变压器TRF2初级绕组Lp2的异名端3脚，变压器初级绕组Lp1和Lp2的中心端2脚分别接电感L3和电容C17的一端，电容C17的另一端接输入地GND，电感L3的另一端接调控电压整流滤波及其功率采样电路中电容C2的正极；

所述交流输出功率设定及过载保护电路中，放大器U3B的反相输入端6脚分别接电容C24和电阻R27的一端，电阻R16与电容C26并联，放大器U3B的同相输入端5脚通过电阻R16接输入地GND，电位器VR1的一固定端1脚接输入地GND，电位器VR1的另一固定端2脚接内部基准端Vref，电位器VR1的调节端3脚通过电阻R29分别接电阻R28的一端、电阻R27的另一端，电阻R28的另一端接调控电压整流滤波及其功率采样电路中二极管D6的负极，放大器U3B的输出端7脚分别接电阻R24的一端、电容C24的另一端，电阻R5与电容C25并联，电阻R24的另一端分别接电阻R5的一端、三极管T3的基极，三极管T3的发射极与电阻R5的另一端相连后接输入地GND，电阻R31的一端接光电耦合器U5输入二极管的正极1脚，光电耦合器U5的输出三极管的集电极4脚与三极管T3的集电极相连后接主控制及驱动电路中控制芯片U2的电压控制端5脚，光电耦合器U5输入二极管的负极2脚与输出三极管的发射极3脚相连后接输入地GND；

所述交流输出电压幅值设定及其反馈电路中，电阻R18与电容C7并联，电阻R18的一端接调控电压整流滤波及其功率采样电路中电容C2的正极，电阻R18的另一端分别接电阻R15和R26的一端，电阻R15的另一端接输入地GND，放大器U3A的反相输入端2脚分别接电容C22的一端、电阻R26的另一端，电阻R13与二极管D9并联，放大器U3A的输出端1脚分别接电阻R14的一端、二极管D9的负极、电容C22的另一端，二极管D9的正极接主控制及驱动电路中控制芯片U2的电压控制端5脚，电阻R25与电容C23并联，放大器U3A的同相输入端3脚分别接电阻R25和R35的一端，放大器U3A的供电负端4脚分别与电阻R14和R25的另一端相连后接输入地GND，放大器U3A的供电正端8脚接内部供电端Vcc，放大器U6A的供电正端8脚接内部供电端Vcc，放大器U6A的供电负端4脚接输入地GND，放大器U6A的输出端1脚分别接电容C10的一端、电阻R35的另一端，放大器U6A的反相输入端2脚分别接电阻R37的一端、电容C10的另一端，放大器U6A的同相输入端3脚分别接电容C11的一端、电位器VR3的调节端3脚，电位器VR3的一固定端1脚接内部基准端Vref，电位器VR3的另一固定端2脚与电容C11的另一端相连后接输入地GND，电容C13与二极管D15并联，电阻R38与电容C12并联，电阻R33和R34串联，电阻R34的一端分别接电阻R39的一端、二极管D15的负极，电阻R39的另一端分别接电阻R36和R38的一端、电阻R37的另一端，二极管D15的正极与电阻R38的另一端相连后接输入地GND，放电器U6B的反相输入端6脚与输出端7脚相连，放大器U6B的同相输入端5脚分别接电容C14的一端、电阻R36的另一端，电容C14的另一端接输入地GND，放大器U6B的输出端7脚通过电阻R40接电容C32的一端，并作为电压监测端Vdis引出，电容C32的另一端接输入地GND；

所述交流输出及其电流采样电路中，变压器TRF2次级绕组Ls的4脚通过电感L4分别接电容C18的一端、二极管D7的正极，并作为交流输出L端引出，变压器TRF2次级绕组Ls的5脚分别接电容C19的一端、电容C18的另一端、整流桥B1的1脚，二极管D7的负极接二极管D8的正极，二极管D8的负极通过电阻R22分别接电容C19的另一端、交流输出电压幅值设定及其反馈电路中电阻R33的一端，整流桥B1的3脚作为交流输出N端引出，电容C9和电阻R19并联，电阻R30与电容C8并联，整流桥B1的2脚分别接电阻R19和R30的一端、交流输出功率设定及过载保护电路中电阻R31的另一端，电阻R30的另一端接电阻R32的一端并作为电流监测端Idis引出，整流桥B1的4脚与电阻R19和R32的另一端相连后接输入地GND。

本实用新型的有益效果是：电路原理简单，控制方便，该电路对应的实体电源体积小，功能较多，长期工作可靠性高。具有交流输出频率调节功能，调频范围宽，其频率调节范围为15KHz～25KHz。具有交流输出幅值调节功能，调幅范围大，其幅值调节范围为1KV～10KV。具有交流输出功率调节功能，适应功率范围宽，其功率调节范围为1W～20W。带有交流输出幅值和输出电流监测功能，方便用户使用。

附图说明

图1为本实用新型的电源电路连接框图；

图2为本实用新型的电源电路原理图。

具体实施方式

如图1、图2所示，频率、幅值、功率可调节的高频高压交流电源电路，包括主控制及驱动电路、调控电压整流滤波及其功率采样电路，还包括交流输出频率控制及其驱动电路、交流输出功率设定及过载保护电路、交流输出电压幅值设定及其反馈电路、交流输出及其电流采样电路。

调控电压整流滤波及其功率采样电路分别与主控制及驱动电路、交流输出频率控制及其驱动电路、交流输出功率设定及过载保护电路、交流输出电压幅值设定及其反馈电路连接，交流输出及其电流采样电路分别与交流输出频率控制及其驱动电路、交流输出功率设定及过载保护电路、交流输出电压幅值设定及其反馈电路连接，主控制及驱动电路分别与交流输出功率设定及过载保护电路、交流输出电压幅值设定及其反馈电路连接，供电输入分别与主控制及驱动电路、交流输出频率控制及其驱动电路连接。

上述交流输出频率控制及其驱动电路中，供电输入电压+Vin分别接电阻R41和R42的一端，电阻R41的另一端分别与电容C3的正极、稳压二极管D12的负极相连并作为内部供电端Vcc，电容C3的负极与稳压二极管D12的正极相连后接输入地GND，DC电源转换模块M1的供电端1脚分别接电容C30的正极、二极管D11的负极、电阻R42的另一端，DC电源转换模块M1的输入地端2脚与电容C30的负极相连后接输入地GND，DC电源转换模块M1的输出端6脚分别接二极管D11的正极、电容C31的正极、控制芯片U4的供电端1脚和高侧悬浮电源正端8脚，DC电源转换模块M1的输出地端4脚与电容C31的负极相连后接输入地GND，电阻R4与电位器VR2的两个固定端1、2脚并联，电位器VR2的一固定端1脚与调节端3脚相连，电阻R4的一端通过电阻R3接控制芯片U4的振动器定时电阻输入端2脚，电阻R4的另一端分别接控制芯片U4的振动器定时电容输入端3脚、电位器VR2的另一固定端2脚、电容C27的一端，控制芯片U4的接地端4脚分别与控制芯片U4的高压悬浮电源负端6脚、电容C27的另一端相连后接输入地GND，二极管D13与电阻R9并联，二极管D14与电阻R10并联，控制芯片U4的高侧栅极驱动器输出端7脚接二极管D13的负极，控制芯片U4的低侧栅极驱动器输出端5脚接二极管D14的负极，二极管D13的正极接MOS三极管T5的栅极，二极管D14的正极接MOS三极管T4的栅极，MOS三极管T4与T5的源极相连后接输入地GND，MOS三极管T5的漏极接变压器TRF2初级绕组Lp1的同名端1脚，MOS三极管T4的漏极接变压器TRF2初级绕组Lp2的异名端3脚，变压器初级绕组Lp1和Lp2的中心端2脚分别接电感L3和电容C17的一端，电容C17的另一端接输入地GND，电感L3的另一端接调控电压整流滤波及其功率采样电路中电容C2的正极。

上述交流输出功率设定及过载保护电路中，放大器U3B的反相输入端6脚分别接电容C24和电阻R27的一端，电阻R16与电容C26并联，放大器U3B的同相输入端5脚通过电阻R16接输入地GND，电位器VR1的一固定端1脚接输入地GND，电位器VR1的另一固定端2脚接内部基准端Vref，电位器VR1的调节端3脚通过电阻R29分别接电阻R28的一端、电阻R27的另一端，电阻R28的另一端接调控电压整流滤波及其功率采样电路中二极管D6的负极，放大器U3B的输出端7脚分别接电阻R24的一端、电容C24的另一端，电阻R5与电容C25并联，电阻R24的另一端分别接电阻R5的一端、三极管T3的基极，三极管T3的发射极与电阻R5的另一端相连后接输入地GND，电阻R31的一端接光电耦合器U5输入二极管的正极1脚，光电耦合器U5的输出三极管的集电极4脚与三极管T3的集电极相连后接主控制及驱动电路中控制芯片U2的电压控制端5脚，光电耦合器U5输入二极管的负极2脚与输出三极管的发射极3脚相连后接输入地GND。

上述交流输出电压幅值设定及其反馈电路中，电阻R18与电容C7并联，电阻R18的一端接调控电压整流滤波及其功率采样电路中电容C2的正极，电阻R18的另一端分别接电阻R15和R26的一端，电阻R15的另一端接输入地GND，放大器U3A的反相输入端2脚分别接电容C22的一端、电阻R26的另一端，电阻R13与二极管D9并联，放大器U3A的输出端1脚分别接电阻R14的一端、二极管D9的负极、电容C22的另一端，二极管D9的正极接主控制及驱动电路中控制芯片U2的电压控制端5脚，电阻R25与电容C23并联，放大器U3A的同相输入端3脚分别接电阻R25和R35的一端，放大器U3A的供电负端4脚分别与电阻R14和R25的另一端相连后接输入地GND，放大器U3A的供电正端8脚接内部供电端Vcc，放大器U6A的供电正端8脚接内部供电端Vcc，放大器U6A的供电负端4脚接输入地GND，放大器U6A的输出端1脚分别接电容C10的一端、电阻R35的另一端，放大器U6A的反相输入端2脚分别接电阻R37的一端、电容C10的另一端，放大器U6A的同相输入端3脚分别接电容C11的一端、电位器VR3的调节端3脚，电位器VR3的一固定端1脚接内部基准端Vref，电位器VR3的另一固定端2脚与电容C11的另一端相连后接输入地GND，电容C13与二极管D15并联，电阻R38与电容C12并联，电阻R33和R34串联，电阻R34的一端分别接电阻R39的一端、二极管D15的负极，电阻R39的另一端分别接电阻R36和R38的一端、电阻R37的另一端，二极管D15的正极与电阻R38的另一端相连后接输入地GND，放电器U6B的反相输入端6脚与输出端7脚相连，放大器U6B的同相输入端5脚分别接电容C14的一端、电阻R36的另一端，电容C14的另一端接输入地GND，放大器U6B的输出端7脚通过电阻R40接电容C32的一端，并作为电压监测端Vdis引出，电容C32的另一端接输入地GND。

上述交流输出及其电流采样电路中，变压器TRF2次级绕组Ls的4脚通过电感L4分别接电容C18的一端、二极管D7的正极，并作为交流输出L端引出，变压器TRF2次级绕组Ls的5脚分别接电容C19的一端、电容C18的另一端、整流桥B1的1脚，二极管D7的负极接二极管D8的正极，二极管D8的负极通过电阻R22分别接电容C19的另一端、交流输出电压幅值设定及其反馈电路中电阻R33的一端，整流桥B1的3脚作为交流输出N端引出，电容C9和电阻R19并联，电阻R30与电容C8并联，整流桥B1的2脚分别接电阻R19和R30的一端、交流输出功率设定及过载保护电路中电阻R31的另一端，电阻R30的另一端接电阻R32的一端并作为电流监测端Idis引出，整流桥B1的4脚与电阻R19和R32的另一端相连后接输入地GND。

控制芯片U4的型号为：IR21531。

光电耦合器U5型号为：P281。

控制芯片U2的型号为：7555。

放大器U3和U6型号为：LF442。

基准芯片U1型号为：LM4040。

以本设计的高频高压交流电源电路为例，制作了实体产品，经过实际检测，电源的各项性能指标均达到了设计要求。

为确保电源长期工作的可靠性，选择元器件时，根据实际产品的要求，充分考虑了其各参数的冗余。

根据实际输出功率及电压，选择变压器TRF1和变压器TRF2。制作变压器TRF2时充分考虑了绝缘耐压问题；当输出功率较大时，功率MOS管T1、T4和T5需考虑散热问题。

工作原理

在主控制及驱动电路中，主控制芯片U2采用7555，它与电阻R1、R23、电容C20等组成多谐振荡电路，在U2的输出端3脚输出高频方波脉冲，驱动MOS开关管T1及高频变压器TRF1。各种反馈信号，通过电压控制端5脚，控制输出方波脉冲的频率及占空比，以达到控制相关反馈变量的目的。在启停R/S端，通过TTL电平，控制电源的启动和停止。

在调控电压整流滤波及其功率采样电路中，从高频变压器TRF1次级绕组上得到的高频脉冲电压，经二极管D2~D5整流，电感L2及电容C2、C15等滤波，得到稳定的几十伏直流电压，为高频变压器TRF2的初级绕组提供励磁电压。

在交流输出频率控制及其驱动电路中，输入供电+Vin通过DC/DC电源转换模块M1，得到稳定的直流电压，作为控制芯片U4的供电。芯片U4采用IR32531，为自振式半桥驱动器，其输出驱动控制由原半桥结构改接为推挽输出结构，经开关管T4、T5，驱动高频变压器TRF2。同时，通过电位器VR2，在一定范围内，调节其输出频率，进而调节高频高压交流输出电压的频率。

在交流输出功率设定及过载保护电路中，在交流输出电压及调控电压基本不变的条件下，通过电位器VR1设定调节，在电阻R21上采集的调控输出电流，经放大器U3B电流反馈，控制调控电压的最大输出电流，从而控制、调节交流输出的最大输出功率。

在交流输出电压幅值设定及其反馈电路中，交流输出电压的幅值，经电阻R33、R34、R38等反馈采样，送至放大器U6A的反相输入端2脚，来自电位器VR3的交流输出电压幅度设定值送至同相输入端3脚，它们的差分电压经放大器U6A放大输出，送至放大器U3A的同相输入端3脚，调控电压通过电阻R20、R15及电容C7等电压反馈采样，送至放大器U3A的反相输入端2脚，它们通过放大器U3A的放大输出，控制芯片U2的电压控制端5脚，进而控制交流输出电压幅值。

在交流输出及其电流采样电路中，由高频变压器TRF2的次级直接从L端和N端输出高频交流电压，该电压经二极管D7、D8和电容C19的整流滤波后，送至交流输出电压幅值设定及其反馈电路。高频高压交流输出经整流桥B1，在电阻R19上获得交流输出电流的采样信号，其一送至交流输出功率设定及过载保护电路，其二经电阻R30、R32分压后作为输出电流监测端Idis引出。