基于脉冲屏蔽调制的表面处理电源研制

摘要：塑料薄膜表面处理的负载通常由电容器组成，由于电容器具有非线性，使逆变电源的设计非常困难。通过串联谐振逆变器经匹配变压器与电容器负载连接，被认为是一种高效实用的解决方法。结合上述电路拓扑结构，提出一种基于脉冲屏蔽调制(PMM)策略的塑料薄膜表面处理电源。PMM用于调节谐振逆变器的功率输出，同时保证逆变电路中开关器件始终工作在零电压和零电流开关状态，进一步减小开关损耗，提高表面处理电源的工作效率。实验结果表明，与采用传统脉冲移相调制的表面处理电源相比，采用PMM的塑料薄膜表面处理电源结构更加紧凑，设备效率更高，功率调节范围进一步扩大。
关键词：电源；脉冲屏蔽调制；谐振逆变器；软开关

1 引言
塑料薄膜表面处理电源广泛应用于包装工业领域，使薄膜对油墨具有更好的吸附性能。当一个高频电压加在两个电极间时，会产生电晕放电现象，这个高频电压称为放电起始电压。周围环境温度的变化容易造成放电起始电压值的改变，这将造成电晕表面处理过程输出功率突增，产生的火花温度过高，致使薄膜被击穿。为了在正常大气状况下产生稳定的电晕放电过程，需要逆变器提供电源。传统的基于直流侧电压控制的串联谐振逆变器由于体积大、成本高和系统响应速度慢等缺点，已逐渐被脉冲频率调制、脉冲移相调制和脉冲宽度调制等控制方法取代。但是，上述控制方法中功率开关器件不能总是保持零电流和零电压开关状态，这样容易导致开关损耗增加，使得电源效率降低。
这里提出一种基于PMM的塑料薄膜表面处理电源。PMM策略能保证逆变器工作在恒压恒频条件下，同时功率开关器件始终工作在零电流和零电压开关状态，开关损耗减小。而PMM除在全功率输出状态下开关频率等于谐振频率外，在其余输出功率值时开关频率都低于谐振频率，这进一步降低了开关损耗，提高了设备效率。

2 塑料薄膜表面处理系统
塑料薄膜表面处理系统如图1所示。它由高压放电电极和表面带有绝缘介质的接地电极组成，欲处理的塑料薄膜通过两个电极的间隙进行加T处理。为提高导电性能，高压放电电极通常做成刀型，进一步增加放电面积。而接地电极是一长度为1．6 m的圆筒，上面带有的绝缘介质厚度为3 mm，目的是为了避免电晕放电过程中发生突变，产生电弧，从而对设备和人员造成伤害。

图2示出塑料薄膜表面处理电源的主电路拓扑结构。直流侧电源由一个三相二极管不可控整流电路构成，逆变侧为一单相全桥串联谐振逆变器，开关器件由两个双单元IGBT模块组成，缓冲电容Cs并联在IGBT的集电极和发射极两端，实现功率器件软开关。逆变器通过一个升压型匹配变压器与负载输出端相连，产生电晕放电过程所需的高频电压。

3 脉冲屏蔽调制
3．1 原理分析
PMM基本原理为：在1个PMM周期T内，包含n个小的功率调节单位，即T=nTo(To为逆变电路负载的谐振周期)，其中，只有1个小的功率调
节单位逆变电路处于自由衰减振荡状态，其余(n-1)个功率调节单位逆变电路处于输出功率状态，图3示出PMM电压源串联谐振逆变电路的开
关运行模式，为了便于描述，将整流侧简化为1个直流电源。

1个传统的电压源串联谐振逆变电路工作在模式1和2，对应图3a，b，向谐振负载输出方波电压；当逆变电路工作在自由衰减振荡状态时，逆变电路输出电压为零，对应图3c，d，在模式3，4期间，产生的门极开通信号驱动两个桥臂的下开关管功率器件V2和V4，此时下桥臂的V2和V4与其对桥臂的电容构成导通回路，轮流导通，为负载电流提供1个双向流动的自由衰减振荡回路。