直流3V升压至交流5KV电路设计分析 本文关键词：升压，至交，电路设计，分析，KV
直流3V升压至交流5KV电路设计分析 本文简介：摘要：基于ＺＶＳ软电压（ＺｅｒｏＶｏｌｔａｇｅＳｗｉｔｃｈ）技术设计了一款小型简单的ＤＣ－ＡＣ升压电路，电路输入为３Ｖ直流电，经过ＺＶＳ组成的高频振荡器转化为高频脉冲，再经后续耦合变压器和滤波电路二次升压、滤波后传至输出端，从而实现直流３Ｖ到交流５ｋＶ的升压。关键词：ＺＶＳ；升压电路；直流；交流随着
直流3V升压至交流5KV电路设计分析 本文内容：
摘要：基于ＺＶＳ软电压（ＺｅｒｏＶｏｌｔａｇｅＳｗｉｔｃｈ）技术设计了一款小型简单的ＤＣ－ＡＣ升压电路，电路输入为３Ｖ直流电，经过ＺＶＳ组成的高频振荡器转化为高频脉冲，再经后续耦合变压器和滤波电路二次升压、滤波后传至输出端，从而实现直流３Ｖ到交流５ｋＶ的升压。
关键词：ＺＶＳ；升压电路；直流；交流
随着物理学的发展，人们对广泛存在于世界上的等离子体有了更深的研究，等离子体是物质存在的一种基本形态，是除固体、液体、气体以外的第四种物质形态。等离子涉及人们生活的方方面面和一些高科技技术［１］，而其中低气压低温等离子体应用最为广泛，涉及物理、材料、化学、电子领域。对于不同的应用领域，激发等离子体的电压电流也有所不同。对激发一些低气压低温等离子体的电压和电流有严格的要求，而这些有特殊要求的电压电流的升压电路装置并不常见。本文基于ＺＶＳ技术设计了一款小型简单的ＤＣ－ＡＣ升压电路。
１、ＺＶＳ技术（零电压开关）简介
过去的电路开关一般都采用ＰＷＭ开关电源。由于开关管是理想器件，在开通时开关管不能立即下降到零，而且电流也不能马上变成负载电流，因此会产生重叠区，产生损耗，我们称之为开通损耗［２］；在开关关闭时，同样会产生一个关断损耗［３］。随着１９７０年谐振开关电源的快速发展，软开关技术应运而生，即所谓零电压开关（ＺＶＳ）／零电流开关（ＺＣＳ）技术。ＺＶＳ技术指在开关管两端并联电容，能延缓开关管关断后电压上升速率，从而降低开关管的关断损耗，整个过程依靠谐振电路来完成［４－６］。目前最新软开关技术已经在国内６ｋＷ的基础通讯电源中得到了完美应用，效率可达９８％［７］。
２、ＤＣ－ＡＣ升压电路设计流程
对于整体的升压电路，首先采用ＺＶＳ电路进行逆变，将两节电池的直流电转换成交流电，然后再通过变压器进行升压，考虑到一次升压线圈匝数比会比较大，因此采用两次升压的方式来减小体积。具体的ＤＣ－ＡＣ升压电路工作流程如图１所示。图１ＤＣ－ＡＣ升压电路工作流程图
３、设计步骤
３．１整体电路
整个ＤＣ－ＡＣ升压电路由两个模块组成：逆变振荡模块和升压滤波模块，如图２所示。
３．２ＺＶＳ振荡模块的组成
如图２所示，ＺＶＳ振荡模块包括扼流线圈Ｌ１、谐振电容Ｃ１组成的ＬＣ谐振回路，ＭＯＳ管Ｍ１、Ｍ２以及相应的辅助稳压管、电阻等。
３．３ＺＶＳ振荡模块的工作过程
ＺＶＳ振荡模块的工作过程可分为５个阶段：（１）上电时刻ｔ０，电源上电的一瞬间，电流经Ｒ１、Ｒ２将开启电压作用于Ｍ１、Ｍ２的栅极，但是由于扼流线圈Ｌ１的感抗，只能有很小的电流经过Ｌ１、Ｔ１到达Ｍ１、Ｍ２的源极，ＭＯＳ管处于半导通状态。（２）ｔ０～ｔ１时刻，Ｌ１线圈饱和，电流经Ｔ１至两ＭＯＳ管源极，因为元件参数的离散性（例如ＭＯＳ管ＧＳ钳位电压的离散性、ＭＯＳ管本身跨导参数的离散性、变压器初级绕组不严格对称、走线长度差异等），导致两管开启时间不同。假设Ｍ１比Ｍ２先开启，因为ＭＯＳ管压降很小，此时Ｃ点电压趋近于０，二极管Ｄ３导通，Ｍ２管栅极电压被拉至０，Ｍ２截止。电路回路由Ｅ流向Ｃ。（３）因Ｔ１上下线圈共用一个磁芯，具有相同的磁回路，Ｍ１导通的同时，电流将在Ｔ１下半部产生互感电流，方向为Ｂ－Ａ－Ｃ－Ｄ（见图２），ＬＣ谐振电路开始为Ｃ１电容充电，电流呈正弦趋势减小，此时电感中感应电动势最大，电容中电流最大。（４）ｔ１时刻，Ｃ１电容饱和，同时Ｔ１线圈感应电动势最小，Ｃ１开始向Ｔ１线圈放电，其中Ｃ为正Ｄ为负，Ｃ点电压升高，二极管Ｄ３截止，Ｍ２栅极钳位在开启电压，Ｄ点电压降低、二极管Ｄ４导通，Ｍ１栅极电压接近为０，Ｍ１截止。完成回路的翻转过程。（５）ｔ１～ｔ２时刻，Ｍ２导通，Ｍ１截止，此时Ｄ点的电压接近于０，电流方向为Ａ－Ｂ－Ｄ，Ｔ１线圈的互感电流方向为Ａ－Ｂ－Ｄ－Ｃ－Ａ，同时为电容Ｃ１充电。（６）ｔ２时刻Ｃ１饱和，开始向线圈放电，电路再次发生翻转（同阶段２）。（７）Ｌ１电感值比Ｔ１大，整个振荡周期中Ｌ１电流基本不变。振荡过程中Ｌ１持续为ＬＣ振荡器补充电能。
３．４ＺＶＳ振荡模块各元件的作用
（１）电阻Ｒ１、Ｒ２用来限制ＭＯＳ管栅极的电流，防止ＭＯＳ管的击穿。（２）电阻Ｒ３、Ｒ４用来保证ＭＯＳ管的可靠关断。（３）稳压二极管Ｄ１、Ｄ２将ＭＯＳ管的栅极电压限制在元件正常的工作范围内，防止电源波动或因谐振电路造成的电压波动损坏ＭＯＳ管。（４）二极管Ｄ３、Ｄ４保证在某一ＭＯＳ管导通时将另一ＭＯＳ管栅极电压拉低，确保其处于截止状态。
３．５电感电流和振荡频率
３．５．１电感电流的计算当知道谐振电容Ｃ１两端的电压后，可以根据电容能量公式和电感能量公式计算出电感的最大峰值电流［８－９］Ｉｍ：同时谐振电容Ｃ１最大电流等于电感最大峰值电流［１０］。３．５．２振荡频率计算由于Ｃ１和Ｔ１组成一个ＬＣ并联振荡器［１１］，因此线圈的振荡频率为：
３．６滤波升压模块
因为只需要实现ＤＣ－ＡＣ的升压过程，不需要整流，所以后续电路较为简单。电流经Ｔ１初次升压后通过电容Ｃ２革除直流分量，再经放大系数较大的Ｔ２二次升压，后接滤波电容，过滤掉不符合输出要求的频段，如图３所示。其中晶闸管Ｑ１和Ｒ５、Ｒ６构成过载保护电路，保护变压器不受电压峰值波动的影响。
４、结论
ＺＶＳ（零电压开关）是目前应用较广泛的逆变电路，它不仅结构简单使用方便，而且损耗率低，与辉光放电这种需求高电压、小电流的实验相结合，对辉光放电一系列实验有很大的帮助。通过升压和尺寸结构分析，在此电路中设计的第一个升压电路的匝数比Ｎ１∶Ｎ２＝３０∶１０００，第二个升压电路的匝数比Ｎ１∶Ｎ２＝１００∶５００。最终可以得到电压为５０００Ｖ的交流电。
参考文献：
［１］邵涛，章程，王瑞雪，等．大气压脉冲气体放电与等离子体应用［Ｊ］．高电压技术，２０１６，４２（３）：６８５－７０５．
［２］朱军．零电流转换移相全桥直流変换器研究［Ｄ］．重庆：重庆大学，２００８：７－１５．
［３］凌飞．高频无极灯谐振逆变器建模与谐振环参数设计［Ｄ］．沈阳：东北大学，２０１１：１１－１８．
［４］王振民，吴健文，范文艳，等．基于ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的谐振软开关等离子体电源［Ｊ］．华南理工大学学报（自然科学版），２０１９，４７（１）：１－６．
［５］胡红林，李春华，邵波．移相全桥零电压ＰＷＭ软开关电路的研究［Ｊ］．电力电子技术，２００９（１）：１２－１４．
［６］王美力．基于ＺＶＳＰＷＭ控制的大功率开关电源的研究［Ｄ］．沈阳：东北大学，２０１０：１１－１７．
［７］肖永涛，朱理．移相全桥ＺＶＳ软开关电源研究［Ｊ］．电源技术，２０１１，３５（５）：５８６－５８９．
［８］陈柬，陆治国．移相全桥软开关变换器拓扑分析［Ｊ］．重庆大学学报（自然科学版），２００５，２８（１２）：２７－３１．
［９］张承畅，龚昱文，余洒，等．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ在模电和数电混合实验案例中的应用［Ｊ］．实验技术与管理，２０１９（６）：５０－６２．
［１０］林志光，石新春．基于ＡＶＲ的移相全桥软开关电源的研究［Ｊ］．电力电子技术，２００９（６）：２６－２７．
［１１］吴帆．移相全桥ＺＶＳ软开关ＤＣ－ＤＣ稳压电源的设计与分析［Ｊ］．通信电源技术，２０１５，３２（４）：７－９．
作者：闫东潇 刘旭 王烁 单位：华北理工大学机械工程学院 河北省安装工程有限公司 华升富士达电梯有限公司
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