摘要：研究了基于脈沖密度調制（PulseDensityModulation）控制策略的串聯(lián)諧振逆變電暈處理電源。PDM的基本思想是在一定的調功周期內使交流輸出端產生方波電壓或者是零電平電壓，這樣即使電暈放電負載具有很強的非線性也可以寬范圍內控制功率輸出。對于該電暈處理電源進行了仿真與實驗，所得結果驗證了理論分析。

關鍵詞：電暈處理電源；功率控制；脈沖密度調制

1 概述

塑料與傳統(tǒng)的包裝材料(如紙、玻璃、金屬)相比[1]，具有質輕、防潮、防腐、價廉、易成型等優(yōu)點，塑料薄膜表面電暈處理原理是通過在電極上施加高頻高壓電源（對于塑料薄膜表面處理來說，電壓一般在10kV～13kV之間，頻率在10kHz～30kHz左右），使電極放電，氣體電離后產生的各種能量粒子(如正負離子、電子、光子等)在強電場的作用下，加速沖擊處在電極之間的高聚物表面，使表層分子連接的化學鍵斷裂而絳解，增加表面的粗糙度。 電暈放電負載的物理結構和等效電路如圖1所示。當電暈負載兩端的外加電壓低于氣體放電起始電壓Vs時，放電通道不發(fā)生放電現(xiàn)象，此時電暈負載可以等效為放電通道的間隙電容Cg和絕緣介質電容Cd串聯(lián)。

當外加電壓高于Vs時，放電通道開始放電，絕緣介質電容Cd基本保持不變，但負載總的等效電容CZ具有隨外加電壓的升高而逐漸變大的特點，其等效電路如圖1（b）所示。電阻R等效為放電時能量的消耗[2]。 電暈放電處理的目的是增加塑料表面的粘結程度?？傮w來說，電暈放電處理過程需要特殊設計的電源，能夠提供10～20kV，20～50kHz的電壓，并在大氣壓的情況下保持穩(wěn)定的放電[3]。在工業(yè)應用中還需要該電源能夠對不同材料，不同厚度的材料進行相應的處理。這就要求該電源能夠具有寬范圍調功的能力。脈沖密度調制（PDM）控制策略能夠滿足以上要求。

2 PDM控制基本原理

為了簡化起見，升壓變壓器和電暈放電負載用簡單的LCR諧振電路來表示，如圖2所示。圖3為電壓型串聯(lián)諧振逆變PDM的開關工作模式。傳統(tǒng)的電壓型逆變器在模式1和模式2之間交替工作，從而產生方波交流狀態(tài)。而PDM逆變器的工作模式除了模式1和模式2外，還有模式3，即將門極驅動信號提供給S3和S4，使得一個IGBT和另一個IGBT的反并聯(lián)二極管導通，給輸出電流提供雙向流動的通路，使輸出端產生零電壓狀態(tài)。這樣，PDM便以一定的控制序列調制輸出電壓，并且與諧振負載的諧振電流同步。

3 PDM控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

圖4所示是PDM逆變器的控制框圖。控制電路分為兩個部分：一個是PDM中的鎖相控制電路，另一個是PDM反饋控制電路。PDM控制中的鎖相電路包括相位探測器（PD），低頻濾波（LPF1），壓控振蕩器（VCO），模擬開關（AS）和峰值探測器（PCD）。因為無法精確地探測到數(shù)值很小的電流，傳統(tǒng)的PLL電路不能在輕度表面處理時正常工作，AS和PCD的組合能夠解決該問題。從PCD檢測的輸出信號在LPF1的輸入端開通或著關閉AS。在輸出電流的峰值比預設的電平大的時候，AS保持關斷，從而是傳統(tǒng)的鎖相電路。在峰值電流比預設的電流小的時候，AS開通。在這種情況下，LPF1中的電容使得VCO以AS開通前相同的頻率工作。

PDM反饋電路包括比較電路，同步電路和低通濾波電路（LPF2）?？刂菩盘柌ㄐ稳鐖D5所示。平均輸出電壓的參考電壓V＊控制零電平的寬度。實際平均電壓Vo是實際的交流電壓狀態(tài)M通過LPF2得到的。V＊和Vo的比較產生一個交流電壓狀態(tài)參考，將選擇PDM逆變器工作于何種模式，要么是方波交流狀態(tài),要么是子諧振序列中的零電壓狀態(tài)。包含有D類型觸發(fā)器的同步電路將防止在諧振周期內電流狀態(tài)發(fā)生變化，VCO的輸出信號和交流狀態(tài)參考M＊分別做為時鐘信號和數(shù)據(jù)信號輸入D型觸發(fā)器中。同步電路在時鐘信號即VCO的輸出的每一個上升沿讀取M＊并在下一個子諧振周期內保持邏輯信號M。邏輯電路在交流方波狀態(tài)M=1產生交替的模式1和模式2，在M=0時產生第三個模式。經過邏輯運算得到的信號A、信號B及它們反相后的信號將輸入給死區(qū)電路，從而產生2μs的死區(qū)以避免直流輸入的短路現(xiàn)象。

4 仿真與實驗結果

在對PDM電暈處理電源進行了PSPICE仿真之后，設計并完成了一個20kHz/5kW的電暈放電電源裝置，在此裝置的基礎之上，對該系統(tǒng)進行了實驗研究。圖6及圖7分別是仿真與實驗結果。兩圖分別給出串聯(lián)諧振逆變器的輸出電壓波形和負載上的輸出電流波形。實驗中用電流互感器來檢測電流信號。從結果中可以看出，在調功周期的前半部分，負載電流已經基本上達到穩(wěn)態(tài)，電壓與電流基本上同相，之后電源開關進入第三個工作模式，此時輸出為零電平，輸出電流為衰減式阻尼振蕩，在下一個調功周期的輸出電源的激勵下，電流繼續(xù)增大，這樣周而復始。

圖6、7

5 結語

PDM逆變電源很好地工作在三個開關模式，并且起到了鎖相、開關軟化和功率調節(jié)的作用。研制成功的PDM電暈處理電源，工作穩(wěn)定可靠，成功地滿足了對不同薄膜進行較強或較弱處理的要求。