一种宽输入范围的高压等离子电源的制作方法

1.本发明属于高压等离子技术领域，具体涉及一种宽输入范围的高压等离子电源。


背景技术：

2.在高压等离子领域，等离子电源均是固定220v输入，在一些无法提供 220v供电的使用场景，往往使用工频变压器进行升压或者降压变换，工频变压器体积大、发热量高且价格高昂，使得设备投入增加且降低了设备的通用性。随着全球市场的进一步交汇融合，越来越需要在设备输入端直接兼容全球所有电压范围，基于此，提出一种宽输入范围的高压等离子电源，其输入端电压范围满足85~286vac，满足全球所有地区的单相电压范围，大幅提升产品通用性。


技术实现要素：

3.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：包括全桥整流电路、稳压电路、高压升压电路、输入端反馈电路、中端反馈电路、mos管驱动电路、稳压电压电流检测电路、高压电压电流检测电路及mcu处理器。本发明通过对全桥整流电路的输出电能进行感知，感知数据经由输入端反馈电路送往mcu处理器，经由mcu处理器计算并控制mos管驱动电路对稳压电路进行电力变换，并通过稳压电压电流检测电路和中端反馈电路对电力变换结果进行闭环控制，通过对高压输出进行电压电流检测，通过电压电流检测电路将相关信号送往mcu处理器，mcu处理器对数据进行计算并输出控制信号对mos管驱动电路进行控制，进而控制高压升压电路工作，实现高压的闭环输出。通过mcu对稳压电路和高压升压电路的联合控制，建立输入电压与稳压电路控制脉冲的闭环关系，建立高压输出与高压升压电路控制脉冲的闭环关系，实现满足在宽输入电压范围（85~286vac）内均能够满功率的进行高压输出，从而驱动高压等离子设备进行正常工作。
4.进一步地，所述全桥整流电路由二极管和电容滤波电路组成，用于将外接的交流电源转换为直流电源，所述二极管以对称形式出现，二极管d1，d3阳极相连，并连接至地（0v参考点），并连接至滤波电容的负极，二极管d2，d4阴极相连，并连接至输出电压正端，并连接至滤波电容的正极，在滤波电容的两端得到平稳的直流电源。
5.进一步地，所述稳压电路由llc子电路和同步整流子电路组成，用于将直流电源转换为固定输出电压的直流电源，其中llc子电路由mos管（通常是2只）、匹配电容和变压器组成，同步整流子电路由mos管（通常是2只）、滤波电容和滤波电感组成，mos管q2，q5和谐振电容c1，c9以对称形式出现，形成斩波桥臂，其中谐振电感l1与mos管构成的桥臂中点相连，并连接至隔离变压器t1，隔离变压器t1次级两个绕组首尾相连，形成直流电压正端，并分别在两个绕组另一端连接一个同步整流mos管，两只同步整流mos管的源极均与功率地相连，形成稳压直流电压的参考零点，并与经过l2滤波电感的稳压直流电压正端形成稳定的直流电压输出。
6.进一步地，所述高压升压电路由mos管（通常是4只）和变压器组成，用于将固定输
出电压的直流电源转换为等离子设备需要的高压电源，斩波mos管q3，q4，q6，q7以h桥的形式建立连接关系，并在h桥的桥臂中点引出连线，其中一路桥臂连接至升压变压器初级同名端，另一路桥臂连接至谐振电容一端，谐振电容另一端连接至升压变压器的初级异名端。
7.进一步地，所述输入端反馈电路由压敏电阻、安规电容和电流传感器组成，用于输入端反馈电路用于将输入电压对应的线性转换为可采样信号送往mcu处理器，感知数据经由输入端反馈电路送往mcu处理器，电流传感器置于市电接入点的保险管后，并以隔离的形式对电流进行无干扰采样。
8.进一步地，所述中端反馈电路用于将稳压电路输出的直流电压线性转换为可采样信号送往mcu处理器，由电阻、采样电容、闭环反馈集成芯片组成（通常是运算放大器）及辅助电阻电容器件组成，采样电阻使用多个大阻值、大功率的电阻串联而成。
9.进一步地，所述稳压电压电流检测电路用于将稳压电路的中间电压和电流参数按线性比例转换为可采样信号送往mcu处理器，由稳压电压检测子电路和稳压电流检测子电路组成，其中稳压电压检测子电路由自取电电阻、稳压二极管、分压电阻、隔离芯片（通常是隔离型vf转换芯片）、运算放大器芯片组成，稳压电流检测子电路由差分电阻、运算放大器芯片、滤波电阻和滤波电容组成，优选的，自取电电阻使用多个电阻串并联组合，并使用大容量的电容对自取电电源进行稳压和滤波，采样电阻使用多个大阻值、大功率的电阻串联而成。
10.进一步地，所述高压电压电流检测电流用于将高压电路的中间电压和电流参数按线性比例转换为可采样信号送往mcu处理器，由高压电压检测子电路和高压电流检测子电路组成，其中高压电压检测子电路由高压整流二极管、滤波电容、放电电阻、分压电阻和运算放大器芯片组成，高压电流检测子电路由低压整流二极管、匹配电阻、滤波电阻、滤波电容和运算放大器芯片组成，优选的，高压整流二极管耐压在1kv以上，低压二极管压降在0.15v以下，放电电阻和匹配电阻功率为0.25w。
11.进一步地，所述mos管驱动电路由滤波电容、整流二极管、隔离光耦、隔离型模块电源和驱动电阻组成，用于接收mcu处理器的驱动信号，并将驱动信号进行放大之后传递给稳压电路和高压升压电路，控制稳压电路和高压升压电路内的mos管进行导通和关断交替工作。
12.进一步地，所述mcu处理器由mcu处理器最小系统组成，包括晶振、匹配电容、mcu处理器芯片、滤波电感和滤波电容，用于接收反馈电路和电压电流检测电路的相关采样参数，并通过计算对采样参数进行比例还原，以反馈当前系统工作的真实参数，然后对计算结果与设定参数进行闭环控制计算，将闭环控制计算结果通过mos管驱动电路实时反馈至稳压电路和高压升压电路的主功率变换拓扑中去，最终实现在宽输入电压范围内，满足等离子设备额定功率输出的需求。
13.相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明通过mcu处理器计算并控制mos管驱动电路对稳压电路进行电力变换，并通过稳压电压电流检测电路和中端反馈电路对电力变换结果进行闭环控制；通过对高压输出进行电压电流检测，通过电压电流检测电路将相关信号送往mcu处理器，mcu处理器对数据进行计算并输出控制信号对mos管驱动电路进行控制，进而控制高压升压电路工作，实现高压的闭环输出；
通过mcu处理器对稳压电路和高压升压电路的联合控制，建立输入电压与稳压电路控制脉冲的闭环关系，建立高压输出与高压升压电路控制脉冲的闭环关系，实现满足在宽输入电压范围内均能够满功率的进行高压输出，从而驱动高压等离子设备进行正常工作。
附图说明
14.图1为本发明中高压等离子电源连接示意图。
15.图2为全桥整流电路、稳压电路、高压升压电路及输入端反馈连接示意图。
16.图3为中端反馈电路结构图。
17.图4为稳压电压电流检测电路结构图。
18.图5为高压电压电流检测电路结构图。
19.图6为mos管驱动电路结构图。
20.图7为mcu处理器电路结构图。
21.图8为输入端反馈电路结构图。
22.图9为全桥整流电路结构图。
23.图10为稳压电路结构图。
24.图11为高压升压电路结构图。
25.附图标识列表：1-全桥整流电路、2-稳压电路、3-高压升压电路、4-反馈电路、5-电压电流检测电路、6-mos管驱动电路、7-mcu处理器、51-稳压电压电流检测电路、52-高压电压电流检测电路、41-输入端反馈电路、42-中端反馈电路。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
27.实施例：如图1所示，本实施例提供了一种宽输入范围的高压等离子电源，包括全桥整流电路1、稳压电路2、高压升压电路3、反馈电路4、电压电流检测电路5、mos管驱动电路6以及mcu处理器7，电压电流检测电路5包括稳压电压电流检测电路51和高压电压电流检测电路52，反馈电路4包括输入端反馈电路41和中端反馈电路42。通过对全桥整流电路的输出电能进行感知，感知数据经由输入端反馈电路送往mcu处理器，经由mcu处理器计算并控制mos管驱动电路对稳压电路进行电力变换，并通过稳压电压电流检测电路和中端反馈电路对电力变换结果进行闭环控制，通过对高压输出进行电压电流检测，通过电压电流检测电路将相关信号送往mcu处理器，mcu处理器对数据进行计算并输出控制信号对mos管驱动电路进行控制，进而控制高压升压电路工作，实现高压的闭环输出。通过mcu对稳压电路和高压升压电路的联合控制，建立输入电压与稳压电路控制脉冲的闭环关系，建立高压输出与高压升压电路控制脉冲的闭环关系，实现满足在宽输入电压范围（85~286vac）内均能够满功率的进行高压输出，从而驱动高压等离子设备进行正常工作。
28.如图2所示，所述全桥整流电路由二极管d1，d2，d3，d4和滤波电容c2，c3组成，用于将外接的交流电源转换为直流电源，所述二极管以对称形式出现，二极管d1，d3阳极相连，并连接至地（0v参考点），并连接至滤波电容的负极，二极管d2，d4阴极相连，并连接至输出
电压正端，并连接至滤波电容的正极，在滤波电容的两端得到平稳的直流电源。
29.所述稳压电路由llc子电路和同步整流子电路组成，用于将直流电源转换为固定输出电压的直流电源，其中llc子电路由mos管q2，q5、匹配电容c1，c9和变压器t1组成，同步整流子电路由mos管q1，q8、滤波电容c4，c5，c6，c7，c8，c10，c11，c12和滤波电感l2组成，mos管q2，q5和谐振电容c1，c9以对称形式出现，形成斩波桥臂，其中谐振电感l1与mos管构成的桥臂中点相连，并连接至隔离变压器t1，隔离变压器t1次级两个绕组首尾相连，形成直流电压正端，并分别在两个绕组另一端连接一个同步整流mos管，两只同步整流mos管的源极均与功率地相连，形成稳压直流电压的参考零点，并与经过l2滤波电感的稳压直流电压正端形成稳定的直流电压输出。
30.所述高压升压电路由mos管q3，q4，q6，q7和变压器t2组成，用于将固定输出电压的直流电源转换为等离子设备需要的高压电源，斩波mos管q3，q4，q6，q7以h桥的形式建立连接关系，并在h桥的桥臂中点引出连线，其中一路桥臂连接至升压变压器初级同名端，另一路桥臂连接至谐振电容一端，谐振电容另一端连接至升压变压器的初级异名端。
31.所述输入端反馈电路由压敏电阻vdr1、安规电容cy1，cy2和电流传感器p1组成，用于输入端反馈电路用于将输入电压对应的线性转换为可采样信号送往mcu处理器，感知数据经由输入端反馈电路送往mcu处理器，电流传感器置于市电接入点的保险管后，并以隔离的形式对电流进行无干扰采样。
32.如图3所示，所述中端反馈电路用于将稳压电路输出的直流电压线性转换为可采样信号送往mcu处理器，由三极管q9、运算放大器u2及辅助电阻电容器件组成，采样电阻使用多个大阻值、大功率的电阻串联而成。
33.如图4所示，所述稳压电压电流检测电路用于将稳压电路的中间电压和电流参数按线性比例转换为可采样信号送往mcu处理器，由稳压电压检测子电路和稳压电流检测子电路组成，其中稳压电压检测子电路由自取电电容c32，c30、稳压二极管d11、隔离芯片u3、运算放大器芯片u4a及辅助电阻电容器件组成，稳压电流检测子电路由差分电阻、运算放大器芯片、滤波电阻和滤波电容组成，优选的，自取电电阻使用多个电阻串并联组合，并使用大容量的电容对自取电电源进行稳压和滤波，采样电阻使用多个大阻值、大功率的电阻串联而成。
34.如图5所示，所述高压电压电流检测电流用于将高压电路的中间电压和电流参数按线性比例转换为可采样信号送往mcu处理器，由高压电压检测子电路和高压电流检测子电路组成，其中高压电压检测子电路由高压整流二极管d9，d10，d12，d13、滤波电容c36、放电电阻r46、运算放大器芯片u4b及辅助电阻电容器件组成，高压电流检测子电路由低压整流二极管d5，d6，d7，d8、匹配电阻r12、滤波电容c21，c22和运算放大器芯片u1b及辅助电阻电容器件组成，优选的，高压整流二极管耐压在1kv以上，低压二极管压降在0.15v以下，放电电阻和匹配电阻功率为0.25w。
35.如图6所示，所述mos管驱动电路由滤波电容c109，c110，c111、整流二极管d22，d26、隔离光耦u14、隔离型模块电源u18、驱动电阻r54及辅助电容组成，用于接收mcu处理器的驱动信号，并将驱动信号进行放大之后传递给稳压电路和高压升压电路，控制稳压电路和高压升压电路内的mos管进行导通和关断交替工作。
36.如图7所示，所述mcu处理器由mcu处理器最小系统组成，包括晶振y1，y2、匹配电容
c83，c84，c93，c94、mcu处理器芯片u9a，u9b、滤波电感l3和滤波电容c50，c51，c52，c53，c54，c140，c141，用于接收反馈电路和电压电流检测电路的相关采样参数，并通过计算对采样参数进行比例还原，以反馈当前系统工作的真实参数，然后对计算结果与设定参数进行闭环控制计算，将闭环控制计算结果通过mos管驱动电路实时反馈至稳压电路和高压升压电路的主功率变换拓扑中去，最终实现在宽输入电压范围内，满足等离子设备额定功率输出的需求。
37.工作原理：工作时，全桥整流电路1对外接入市电，该市电交流电压在85~286v均可，将输入的市电按照全桥整流滤波之后，得到最大范围为120~405v的直流电压。输入端反馈电路41将输入端的交流电压范围通过线性转换后（通常将线性转换后的电压最大幅值限制在3.3v以下）传递给mcu处理器7，mcu处理器7对输入电压进行采样并实时计算，得到当前实时的输入电压值。mcu处理器7对当前系统设定的稳压电压（比如300v）与当前输入端的电压进行实时比对并计算差值，通过实时调节稳压电路2中llc子电路的工作频率，进行动态输出，并由中端反馈电路42对稳压电路2中同步整流子电路的输出电压进行采集，通过线性转换后（通常将线性转换后的电压最大幅值限制在3.3v以下）反馈至mcu处理器7，mcu处理器7对稳压电压进行实时采集、换算之后，对设定的稳压值进行实时pid闭环计算，实现精准的稳压输出，从而实现了在85~286v交流市电电压范围内，输出可设定、恒定输出的电压值。对后续的高压升压电路提供了支撑。
38.直流电压经由稳压电路2的滤波电感和滤波电容后到达高压升压电路3，直流电压经过升压电路的mos管进行变频斩波，变成高频的方波电压（比如
±
300v，频率25khz），经过谐振电容和谐振电感后，方波电压变为正弦波电压，再由升压变压器将正弦波电压转换为高压正弦波电压（比如15000v），由于高压升压电路3升压比例固定，故通常要求输入的直流电压维持相当的稳定度（比如
±
0.5%），以确保最终输出的高压电是持续、稳定的。
39.最终输出的高压电源里的电压和电流需要实时进行上下限阈值检测，以避免电源不正常工作的时候对使用者造成电伤害或者损坏电源本体。通过高压电压电流检测电路52对高压输出的电压和电流进行实时监测，并将线性转换后的参数传递给mcu处理器7，mcu处理器7将对高压输出电压进行实时换算，并与系统固定的电压上下限（比如上限18000v，下限14000v）、电流上下限（比如上限1000ma，下限400ma）进行实时比对，一旦超过上限或者下限，立即触发报警系统，关闭各个环节的输出控制，以保证设备的使用安全。
40.稳压电路2和高压升压电路3电路中均使用了mos管进行电力变换工作，mos管的驱动也是组成整个电源系统的一部分， mos管驱动电路6（通常驱动电路的数量与使用mos管的数量保持一致）接受来自mcu处理器7的控制信号（如pwm信号），对该控制信号进行功率隔离（如tlp352）放大，确保mos管端的强电与mcu处理器7的弱电实现电气隔离，并且每个驱动电路均设置led指示灯（如红色），对驱动信号的输入输出状态进行有效指示，可以直观进行相应判定。
41.需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。