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交流高压发生电路
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摘要：分析部分高压电路的原理，指出高压不同电路的优缺点，提出一种交流高压发生电路，应用于电击穿产生臭氧的空气净化器中，提升空气净化器性能，降低成本。
引言
空气污染以及空气中产生大量细菌，流感、SARS病毒、MERS病毒等，严重威胁着人们的身体健康，影响人们的日常生活。臭氧，具备强氧化特性，可破坏微生物细胞膜的结构，一方面会对人体产生影响;一方面可直接作用于细菌内部，从而达到快整杀菌效果。其杀菌效果相比其它方式效果更为之明显，故臭氧在水处理及空气净化方面被大量应用。臭氧的产生一般通过空气电离的方式，使空气中的氧分子分裂，再重新组合形成，空气电离则需要在空气中的氧分子中出现电击穿效应来产生，通常在臭氧陶瓷片两端施加一定的交流高压可使出现电晕的情况，从而在臭氧陶瓷片两面可产生大量的臭氧，高压发生电路是臭氧清新机的核心部件，控制着臭氧清新机的性能。本文通过分析高压产生的原理，提出一种交流高压发生电路，以应用于臭氧机中，提升臭氧的发生量，减少电路热损耗。
1 一般高压发生电路分析
一般而言，在臭氧陶瓷片两面施加几千伏的交流电压可出现电晕情形，从而在臭氧陶瓷片两端的空气形成臭氧，目前市场上的高压发生电路主要有以下两种实现方式。1.1 线性变压器升压方式
通过线性升压变压器直接磁耦合方式产生高压，电路简单、可靠性高，但这个方式由于电源供电电压为50Hz或60Hz，频率较低、磁耦合效果不好，臭氧陶瓷片的电容效应会降低电晕强度，升压变压器本身无功功率较高，随着臭氧需求量增大，输出功率需加大，线性变压器体积增大明显，成本较高。一般应用于需求小剂量臭氧的场合中。
1.2 高频振荡升压方式
随着臭氧需求量的增加，线性变压器升压的方式弊端明显，而通过高频方式，增强升压变压器的磁耦合，升压变压器体积可明显减少，有利于成本控制及产品的小型化设计，且由于臭氧陶瓷片本身的电容效应，在高频的作用下，容性阻抗下降，电晕效果增强，臭氧发生量得到提升。故此种方式一般用于臭氧量需求较大的场合。而高频振荡方式又分为两种：一种为自身电路产生振荡方式产生高压，高频升压变压器充当升压作用;一种利用臭氧陶瓷片电容效应，通过高频升压变压器与臭氧陶瓷片谐振的方式产生高压，高频升压变压器充当升压及谐振电感作用。后一种方式电路简单、成本较低，但通过长期的实验验证，当臭氧陶瓷片容量发生变化，或受潮的情况下，容易出现无法谐振且无法产生足够高压的情况，在实际使用过程中受环境及臭氧陶瓷片一致性影响较大。
通过分析，本文提出一种基于高频振荡方式，并采取自身频率控制的方式来产生交流高压的电路，通过单片机控制频率及占空比，从而实现不同的高压输出，控制臭氧的发生量。
2 交流高压电路原理
借用反激式开关电源原理，使开关MOS管在低电平位置导通降低MOS开通时的冲击电流，减少电路本身功耗，通过导通形成振荡电流，控制导通电平时间，从而达到控制高频升压变压器高压输出的目的。其高压原理图如图1所示，开关频率选择在40KHz—50KHz，电路需采用到快速光耦如IR4427芯片，其开通、关断延迟在200ns以内，MOS管采取PSMN7R0-100PS，VDS=100V，ID=100A，其开通、关断延迟在200ns以内。快速二极管D4、电阻R9、电容C4组成RCD吸收电路，用于吸收MOS开通、关断时产生的干扰信号。高频升压变压器采取ETD34骨架，初级线圈圈数3TS 直径股数0.5mm*4P，次级线圈350TS 直径股数 0.25*1P，漏感控制在3.0mH以下。初级线圈与次级线圈耐压达到5KVAC以上。
正常负载条件下，高频升压变压器初级电压波形及驱动电压脉冲如图2所示，MOS管导通时段MOS管漏极处于低电压状态。以避免冲击电流导致MOS管的损坏。
在正常负载情况下，高压输出的电压波形如图3所示，从波形看，输出接近交流正弦波。
3 负载检测原理
由于控制负载的不同，高频升压变压器能量转化存在差异，根据反激式原理，高频变压器次级在负载较轻时，反馈至高频变压器初级的电压及频率会发生变化，体现在电压幅值加大，频率加大。由于开关频率较大，通过检测幅度变化的值需要快速电路进行检测，对于元器件及单片机处理要求较高，故本文选择通过检测初级端的频率变化来区分次级空载与带载时频率变化差别，将初级频率变化信号通过降压方式反馈给单片机外部中端，单片机对外部脉冲信号进行检测，统计一段时间内的脉冲个数，从而判断频率的变化，其轻载检测原理如图4所示。二极管D201需采取快速恢复二极管，如MUR120，其作用为将信号反馈至单片机电压限定在5V，避免高电压对单片机I/O口的损伤。
在负载断路的情况下，高频升压变压器初级电压波形及驱动脉冲的波形如图5所示，可明显看到升压变压器初级电压频率及幅值已发生变化，幅值加大，同时频率也加大，同时在MOS管导通时段，MOS管漏极电压不处于低电压，在MOS管导通时存在瞬间冲击电流，如长期运行将使MOS发热量加大，最终导致MOS管出现损坏。
在高压变压器次级负载较重时，高频变压器初级的电压减小，频率减小，而由于电路采样点的频率与产生的脉冲同频，在检测时为固定值，无法直接判断频率的变化，通过在高压变压器后端增加电压信号采样的方式，将电压信号反馈给单片机的AD采样口，当负载较轻时，电压较高;当负载较重或者短路时，输出电压较低;通过判断输出电压的变化，可区分负载较重或者短路的情况。
通过对电路轻载及重载两种情况进行判断检测，控制电路的开通时间及关断时间，使开关MOS管工作在低电平导通工作状态，避免MOS开通时的冲击电流，降低MOS管的热损耗，保证电路的可靠运行。
4 软件编程
采取瑞萨8位单片机R8C/2L, R8C/2L采用R8C CPU内核，最高工作频率为20 MHz。单片机具备以下功能：
● 采用8位预定标器(定时器RA和RB)的8位多功能定时器：2通道;
● 输入捕捉/输出比较定时器(定时器RC、RD)：16位 x 3通道;
● UART/时钟同步串行接口：2通道;
● LIN模块：1通道(定时器RA、UART0);
● 10位A/D转换器：9通道;
● 检测定时器;
● 时钟生成电路：XIN时钟生成电路、片上振荡器(高/低速);
● 振荡停止检测功能;
● 电压检测电路;
● 上电复位电路;
● I/O端口：25(包括LED驱动端口);
● 外部中断引脚：7;
● 数据闪存：2 KB。
使用定时器TB作为系统时钟，每距0.1ms中断一次，进入中断服务程序，通过中断服务程序内部设置不同的计数变量以形成不同的时间间距标志，作为系统不同功能程序的运行时间，定时器TA设置为PWM输出模式，作为高压发生电路的PWM驱动信号，单片机中断口INT1设置为下降沿触发，用于高频升压变压器初级频率检测。单片机AD采样口AN7用于高频升压变压器电压值检测。芯片其它I/O口作为产品其它功能的输入输出接口，如风扇转速控制、电源过零信号检测等。
高压输出启动，定时器TA发出启动脉冲，脉冲关断时间固定在 16.5μs逐步加大脉冲的导通时间，当导通时间达到 3.5μs时，每间距10ms计算一次中断口检测到的脉冲个数，当脉冲个数为300-700之间时，相应的频率为40KHz左右，判断为输出负载正常条件，否则视为负载较轻或者负载断路情况，重复判断，累计判断正常负载20次，则进入正常运行，脉冲关断时间固定在16.5μs，导通时间根据输出电压要求逐步加大，在正常运行状态下，实时判断高频升压变压器初级的频率变化，如检测到负载较轻或断路情况，将导通时间降低至3.5μs，重新进入启动判断循环，以保证电路的可靠运行。实时检测输出高压的电压变化，如检测到电压偏离合理范围，进入保护状态，关闭脉冲信号输出。
5 电路性能参数
输入电压：直流12V低电压输入;输出电压：1KV-4KV交流电压可调;频率：关断时间固定在16.5μs，开启时间3.5μs-9μs，频率范围：40KHz-50KHz，输出功率15W。
6 电路验证
通过产品整机性能验证，使用同一规格的臭氧陶瓷片，使用此电路相比线性升压变压器方式，臭氧量提升100%以上，通过长期运行，电路运行稳定，并能智能检测臭氧陶瓷片断路或短路等情形，MOS管温升在20K以下，高频变压器温升控制在30K左右，电路长期运行可靠。
7 注意事项
MOS管除了刚启动时无法避免冲击电流的产生外，后面连续脉冲的开通时段需保证在MOS管漏极电压较低的位置。以控制MOS的冲击电流，减少MOS管的热损耗。根据负载情况调节关断时间可达到此目的。
高压电路启动时，需给MOS管一个小的导通信号，使电路振荡起来后，再慢慢增加导通时间，以避免刚导通时冲击电流持续时间过长对MOS造成损坏。
需根据负载的不同，选择不同的关断时间，并在运行当中实时检测判断负载的变化，以避免MOS管漏极电压超过限值，导致MOS的电压击穿。
由于电路运行频率在40KHz-50KHz左右，为保证电路的稳定性，需注意元器件的选型，特别是开通、关断速度的要求。
根据输出电压的要求不同，需对高频升压变压器的初级与次级的绝缘耐压进行充分的评估，以避免高压串接到初级线圈，导致元器件的损坏。如快速光耦，在电路调试过程中，由于高频升压变压器的选型问题，多次导致光耦的击穿。
8 电路其它应用
本电路主要产生交流高压输出，如需要直流并且更高电压输出，可在电路后端增加倍压电路，如离子风空气净化器一般需要1万伏以上的直流高压输出。为实现更高直流电压的输出，需增加倍压电路，其原理图如图6所示：二极管需采取快速恢复高压二极管，如UHVM8L，电容可根据电容及负载能力选择相应耐压值及容量的规格。
9 总结
通过分析高压发生电路的原理，提出一种交流发生电路，以满足臭氧产生的高压电路要求，并通过实验验证，臭氧发生量比采取线性变压器升压的方式有了较为明显的提升，该电路通过在后端增加倍压电路的方式可达到更高压输出，可应用于离子风空气净化器的高压模块中去，具备良好的应用前景。
参考文献：
[1]童诗白，华成英主编，模拟电子技术基础，-3版，北京：高等教育出版社，2000.7
[2]谭浩强 编著，C语言程序设计，-3版，清华大学出版社，2014.9
[3]肖如泉.高压电工基础[M].水利水电出版社,2013.1:100-125
[4]胡斌，胡松. 电子工程师必备——关键技能速成宝典[M]. 人民邮电出版社,2013.10:1-675
[5] 张毅刚. 单片机原理及接口技术(C51编程)[M]. 人民邮电出版社,2011.8:1-280
引言
空气污染以及空气中产生大量细菌，流感、SARS病毒、MERS病毒等，严重威胁着人们的身体健康，影响人们的日常生活。臭氧，具备强氧化特性，可破坏微生物细胞膜的结构，一方面会对人体产生影响;一方面可直接作用于细菌内部，从而达到快整杀菌效果。其杀菌效果相比其它方式效果更为之明显，故臭氧在水处理及空气净化方面被大量应用。臭氧的产生一般通过空气电离的方式，使空气中的氧分子分裂，再重新组合形成，空气电离则需要在空气中的氧分子中出现电击穿效应来产生，通常在臭氧陶瓷片两端施加一定的交流高压可使出现电晕的情况，从而在臭氧陶瓷片两面可产生大量的臭氧，高压发生电路是臭氧清新机的核心部件，控制着臭氧清新机的性能。本文通过分析高压产生的原理，提出一种交流高压发生电路，以应用于臭氧机中，提升臭氧的发生量，减少电路热损耗。
1 一般高压发生电路分析
一般而言，在臭氧陶瓷片两面施加几千伏的交流电压可出现电晕情形，从而在臭氧陶瓷片两端的空气形成臭氧，目前市场上的高压发生电路主要有以下两种实现方式。1.1 线性变压器升压方式
通过线性升压变压器直接磁耦合方式产生高压，电路简单、可靠性高，但这个方式由于电源供电电压为50Hz或60Hz，频率较低、磁耦合效果不好，臭氧陶瓷片的电容效应会降低电晕强度，升压变压器本身无功功率较高，随着臭氧需求量增大，输出功率需加大，线性变压器体积增大明显，成本较高。一般应用于需求小剂量臭氧的场合中。
1.2 高频振荡升压方式
随着臭氧需求量的增加，线性变压器升压的方式弊端明显，而通过高频方式，增强升压变压器的磁耦合，升压变压器体积可明显减少，有利于成本控制及产品的小型化设计，且由于臭氧陶瓷片本身的电容效应，在高频的作用下，容性阻抗下降，电晕效果增强，臭氧发生量得到提升。故此种方式一般用于臭氧量需求较大的场合。而高频振荡方式又分为两种：一种为自身电路产生振荡方式产生高压，高频升压变压器充当升压作用;一种利用臭氧陶瓷片电容效应，通过高频升压变压器与臭氧陶瓷片谐振的方式产生高压，高频升压变压器充当升压及谐振电感作用。后一种方式电路简单、成本较低，但通过长期的实验验证，当臭氧陶瓷片容量发生变化，或受潮的情况下，容易出现无法谐振且无法产生足够高压的情况，在实际使用过程中受环境及臭氧陶瓷片一致性影响较大。
通过分析，本文提出一种基于高频振荡方式，并采取自身频率控制的方式来产生交流高压的电路，通过单片机控制频率及占空比，从而实现不同的高压输出，控制臭氧的发生量。
2 交流高压电路原理
借用反激式开关电源原理，使开关MOS管在低电平位置导通降低MOS开通时的冲击电流，减少电路本身功耗，通过导通形成振荡电流，控制导通电平时间，从而达到控制高频升压变压器高压输出的目的。其高压原理图如图1所示，开关频率选择在40KHz—50KHz，电路需采用到快速光耦如IR4427芯片，其开通、关断延迟在200ns以内，MOS管采取PSMN7R0-100PS，VDS=100V，ID=100A，其开通、关断延迟在200ns以内。快速二极管D4、电阻R9、电容C4组成RCD吸收电路，用于吸收MOS开通、关断时产生的干扰信号。高频升压变压器采取ETD34骨架，初级线圈圈数3TS 直径股数0.5mm*4P，次级线圈350TS 直径股数 0.25*1P，漏感控制在3.0mH以下。初级线圈与次级线圈耐压达到5KVAC以上。
正常负载条件下，高频升压变压器初级电压波形及驱动电压脉冲如图2所示，MOS管导通时段MOS管漏极处于低电压状态。以避免冲击电流导致MOS管的损坏。
在正常负载情况下，高压输出的电压波形如图3所示，从波形看，输出接近交流正弦波。
3 负载检测原理
由于控制负载的不同，高频升压变压器能量转化存在差异，根据反激式原理，高频变压器次级在负载较轻时，反馈至高频变压器初级的电压及频率会发生变化，体现在电压幅值加大，频率加大。由于开关频率较大，通过检测幅度变化的值需要快速电路进行检测，对于元器件及单片机处理要求较高，故本文选择通过检测初级端的频率变化来区分次级空载与带载时频率变化差别，将初级频率变化信号通过降压方式反馈给单片机外部中端，单片机对外部脉冲信号进行检测，统计一段时间内的脉冲个数，从而判断频率的变化，其轻载检测原理如图4所示。二极管D201需采取快速恢复二极管，如MUR120，其作用为将信号反馈至单片机电压限定在5V，避免高电压对单片机I/O口的损伤。
在负载断路的情况下，高频升压变压器初级电压波形及驱动脉冲的波形如图5所示，可明显看到升压变压器初级电压频率及幅值已发生变化，幅值加大，同时频率也加大，同时在MOS管导通时段，MOS管漏极电压不处于低电压，在MOS管导通时存在瞬间冲击电流，如长期运行将使MOS发热量加大，最终导致MOS管出现损坏。
在高压变压器次级负载较重时，高频变压器初级的电压减小，频率减小，而由于电路采样点的频率与产生的脉冲同频，在检测时为固定值，无法直接判断频率的变化，通过在高压变压器后端增加电压信号采样的方式，将电压信号反馈给单片机的AD采样口，当负载较轻时，电压较高;当负载较重或者短路时，输出电压较低;通过判断输出电压的变化，可区分负载较重或者短路的情况。
通过对电路轻载及重载两种情况进行判断检测，控制电路的开通时间及关断时间，使开关MOS管工作在低电平导通工作状态，避免MOS开通时的冲击电流，降低MOS管的热损耗，保证电路的可靠运行。
4 软件编程
采取瑞萨8位单片机R8C/2L, R8C/2L采用R8C CPU内核，最高工作频率为20 MHz。单片机具备以下功能：
● 采用8位预定标器(定时器RA和RB)的8位多功能定时器：2通道;
● 输入捕捉/输出比较定时器(定时器RC、RD)：16位 x 3通道;
● UART/时钟同步串行接口：2通道;
● LIN模块：1通道(定时器RA、UART0);
● 10位A/D转换器：9通道;
● 检测定时器;
● 时钟生成电路：XIN时钟生成电路、片上振荡器(高/低速);
● 振荡停止检测功能;
● 电压检测电路;
● 上电复位电路;
● I/O端口：25(包括LED驱动端口);
● 外部中断引脚：7;
● 数据闪存：2 KB。
使用定时器TB作为系统时钟，每距0.1ms中断一次，进入中断服务程序，通过中断服务程序内部设置不同的计数变量以形成不同的时间间距标志，作为系统不同功能程序的运行时间，定时器TA设置为PWM输出模式，作为高压发生电路的PWM驱动信号，单片机中断口INT1设置为下降沿触发，用于高频升压变压器初级频率检测。单片机AD采样口AN7用于高频升压变压器电压值检测。芯片其它I/O口作为产品其它功能的输入输出接口，如风扇转速控制、电源过零信号检测等。
高压输出启动，定时器TA发出启动脉冲，脉冲关断时间固定在 16.5μs逐步加大脉冲的导通时间，当导通时间达到 3.5μs时，每间距10ms计算一次中断口检测到的脉冲个数，当脉冲个数为300-700之间时，相应的频率为40KHz左右，判断为输出负载正常条件，否则视为负载较轻或者负载断路情况，重复判断，累计判断正常负载20次，则进入正常运行，脉冲关断时间固定在16.5μs，导通时间根据输出电压要求逐步加大，在正常运行状态下，实时判断高频升压变压器初级的频率变化，如检测到负载较轻或断路情况，将导通时间降低至3.5μs，重新进入启动判断循环，以保证电路的可靠运行。实时检测输出高压的电压变化，如检测到电压偏离合理范围，进入保护状态，关闭脉冲信号输出。
5 电路性能参数
输入电压：直流12V低电压输入;输出电压：1KV-4KV交流电压可调;频率：关断时间固定在16.5μs，开启时间3.5μs-9μs，频率范围：40KHz-50KHz，输出功率15W。
6 电路验证
通过产品整机性能验证，使用同一规格的臭氧陶瓷片，使用此电路相比线性升压变压器方式，臭氧量提升100%以上，通过长期运行，电路运行稳定，并能智能检测臭氧陶瓷片断路或短路等情形，MOS管温升在20K以下，高频变压器温升控制在30K左右，电路长期运行可靠。
7 注意事项
MOS管除了刚启动时无法避免冲击电流的产生外，后面连续脉冲的开通时段需保证在MOS管漏极电压较低的位置。以控制MOS的冲击电流，减少MOS管的热损耗。根据负载情况调节关断时间可达到此目的。
高压电路启动时，需给MOS管一个小的导通信号，使电路振荡起来后，再慢慢增加导通时间，以避免刚导通时冲击电流持续时间过长对MOS造成损坏。
需根据负载的不同，选择不同的关断时间，并在运行当中实时检测判断负载的变化，以避免MOS管漏极电压超过限值，导致MOS的电压击穿。
由于电路运行频率在40KHz-50KHz左右，为保证电路的稳定性，需注意元器件的选型，特别是开通、关断速度的要求。
根据输出电压的要求不同，需对高频升压变压器的初级与次级的绝缘耐压进行充分的评估，以避免高压串接到初级线圈，导致元器件的损坏。如快速光耦，在电路调试过程中，由于高频升压变压器的选型问题，多次导致光耦的击穿。
8 电路其它应用
本电路主要产生交流高压输出，如需要直流并且更高电压输出，可在电路后端增加倍压电路，如离子风空气净化器一般需要1万伏以上的直流高压输出。为实现更高直流电压的输出，需增加倍压电路，其原理图如图6所示：二极管需采取快速恢复高压二极管，如UHVM8L，电容可根据电容及负载能力选择相应耐压值及容量的规格。
9 总结
通过分析高压发生电路的原理，提出一种交流发生电路，以满足臭氧产生的高压电路要求，并通过实验验证，臭氧发生量比采取线性变压器升压的方式有了较为明显的提升，该电路通过在后端增加倍压电路的方式可达到更高压输出，可应用于离子风空气净化器的高压模块中去，具备良好的应用前景。
参考文献：
[1]童诗白，华成英主编，模拟电子技术基础，-3版，北京：高等教育出版社，2000.7
[2]谭浩强 编著，C语言程序设计，-3版，清华大学出版社，2014.9
[3]肖如泉.高压电工基础[M].水利水电出版社,2013.1:100-125
[4]胡斌，胡松. 电子工程师必备——关键技能速成宝典[M]. 人民邮电出版社,2013.10:1-675
[5] 张毅刚. 单片机原理及接口技术(C51编程)[M]. 人民邮电出版社,2011.8:1-280
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