等离子体荷电喷雾逆变电源的研究
2008-07-22
作者：李胜强, 焦俊生
摘 要： 依据等离子体荷电喷雾的特点，以IGBT为核心器件，设计了脉宽调制型（PWM）15kHz高压逆变电源" title="逆变电源">逆变电源，介绍了逆变电源主回路、PWM控制电路及过流保护回路。试验结果表明：在喷雾中使用等离子体技术，不仅喷雾的特性达到了改善，而且还增加了雾滴的荷电数量。
关键词： 物理 等离子体 逆变电源 IGBT 喷雾
环境保护和可持续发展是21世纪农业发展优先考虑的问题。目前对农作物的病虫害进行化学防治是植物保护的主要手段。但是随着农药使用量的增加，使病虫害的抗药性不断增长，迫使农药用量愈来愈大，由此而造成的环境污染也愈来愈严重。鉴于农药危害的存在，世界各国都在进行旨在减少农药使用量的研究。我国目前在生产第一线使用的施药器械主要还都是二三十年前设计的产品，其中以背负手动喷雾器为主，喷雾技术" title="喷雾技术">喷雾技术落后制约着农药效力的发挥，精密喷雾是目前国际上施药技术上的发展趋势。利用物理学原理开发的等离子体喷雾技术是新近发展起来的高效低污染施药新技术。本文在传统静电喷洒技术的基础上，将利用功率开关器件IGBT研制的高频高压逆变电源应用于喷雾技术，与静电施药方法相比，能够提高雾滴的沉积量，增加雾滴的荷电性能，喷洒施药可减少药用量四分之一。
1 等离子体荷电原理
图1所示为等离子体荷电原理图，当在电极上施加一定的脉冲高压时，窄脉冲电晕放电中产生的高能电子能使气体电离成正、负离子，同时在空间电场中，由于高压脉冲上升沿陡峭，电子可瞬间加速，而离子几乎不加速。在这种放电等离子体中，电子温度特别高，可形成大量的激发态分子，各种极富反应的自由基将会引发气体分子电离。在电极附近,极性与电极极性相异的离子被电极吸附，与电极极性相同的离子受电排斥并在周围形成离子区[1]。当药液在泵或其他外力的作用下由喷头雾化后形成雾滴并通过电离区与离子碰撞时，就把电荷传给雾滴，使雾滴荷电。而雾滴又对离子产生排斥力，使充电速度下降，直至充电停止而达到饱和。
饱和带电量:
式中，ε0、εr为空气介电常数和液体相对介电常数，E为电场强度，d为雾滴直径。
雾滴在高压电场的作用下定向飞向植株并在植株上沉积，可提高农药在植株上的沉积量。
与普通静电喷雾相比，在脉冲放电情况下产生的电流主要由电子漂移形成，而离子漂移速度远小于电子漂移速度，在窄脉冲期间离子电流可忽略，所以这种放电能量利用率很高。另外，在高频高压脉冲电源电路中，升压变压器工作于高频脉冲状态，升压变压器的体积极大地缩小，因而使脉冲电源体积得以减小，方便了在实际中的使用。
2 等离子体荷电喷雾电源的设计
2.1脉冲放电主电路" title="主电路">主电路设计
脉冲电源整个电路由主电路和控制电路组成。考虑到荷电喷雾基本上都用在室外，主电路的输入设计为可用蓄电池供电的12V直流电压，将它加在由电容C4、C5、IGBT大功率管U1、U2和高频变压器组成的半桥式逆变电路。控制电路采用PWM方式。控制电路输出二路彼此绝缘、相位差180°并有一定死区的脉冲。这两路脉冲分别控制U1、U2的导通和关断" title="关断">关断，使得直流电转换为高频脉冲。高频脉冲经脉冲变压器升压后输出高压高频脉冲[2-3]。电路如图2所示。
研制的高压窄脉冲电源改善了高压荷电系统的性能且稳定性好。实际运行表明，电源输出电压" title="输出电压">输出电压峰值为0～30kV，频率为15kHz，脉宽为500ns～800ns。脉冲供电与直流供电相比，其起晕电压低50%以上。此种电源功率变压器的输入频率大幅度提高，同时变压器和平波电抗器体积重量大为减小，且电源输出纹波小、响应速度快。变压器高压侧波形如图3所示。
2.2 PWM控制电路的设计[4-5]
在以IGBT设计的逆变电源中，PWM控制电路是极其重要的组成部分，SG3525脉宽调制型控制器作为SG3524的改进型，更适合于开关器件的双端DC-DC变换器，它的外围电路原理图如图4所示，输出波形如图5所示。
SG3525主要功能如下：
(1)内部设置欠压锁定电路。当电压从8V降至7.5V时，欠压锁定电路开始工作，仅用0.5V的固定滞后电压便可消除箝位电路在阈值处的振荡，能有效地使输出保持关断状态。
(2)设置软启动保护，由内部50μA电流源和8脚外接电容构成软启动，引脚16参考电压经可调电阻RV与8脚相连，可连续调节占空比，RV调节范围为0～1kΩ。
(3)设置关断保护电路，由内部元件与外部电路相结合，实现对输出脉冲的快速关断，当引脚10电压超过0.7V时，芯片将进行限流操作;当引脚10电压超过1.4V时，将关断PWM锁存器输出，直到下一个时钟周期才恢复。
(4)芯片振荡频率由Ct、Rd、Rt决定，频率调节范围从50Hz～400kHz，芯片振荡频率估算公式为f=1/Ct(0.7Rt+3Rd)。
应用时设计频率调节范围为250Hz～30kHz,由此可定Ct=0.01μF，Rd=150Ω，Rt=0～50kΩ。
2.3 过流保护电路
过电流保护电路的主要任务是检测输出电流的变化，并将其反馈到SG3525的控制端，在电流较大时可可靠关断系统，以避免器件的损坏。其电路原理如图6所示。图中，电阻R1、R2对主电路的输出进行采样，当输出电路中电流增大到设定值时，采样电压U1随之增大，该信号经CA239反馈到SG3525的+V端，封锁PWM脉冲。
采样电压U1与输出电压UF的关系如下：
当输入电压U1为正时，输出电压UF为：
当输入电压U1为负时，输出电压UF为：
适当选择各电阻值，过电流时，就可以可靠地关断控制电路[6]。
3 实验结论
3.1 植株模拟测试
将模拟植株分别放在距喷头20cm、40cm、60cm、80cm处进行测量，放电电流选用较稳定的－4μA，流速为5.259ml/s，测量时间为6分钟，其实验结果如表1所示。
3.2 荷质比测试
荷质比是衡量雾滴荷电性能的重要指标,荷质比越大，雾滴的荷电性能及充电效果越好，通过实验手段可对雾滴荷电情况进行测量。不同荷电情况下荷质比测试数据如表2所示。
由表1可以看出，由于使用了等离子体荷电喷雾技术，农药落在植株上的药量有了明显的增加，达到了设计要求。由表2可见，等离子体荷电与普通静电喷雾相比，能在较小的放电电压下得到较高的荷质比。从而降低了农药的使用量，也减轻了对环境的污染。
参考文献
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