紫外线脉冲氙灯驱动电源的原理分析

    脉冲氙灯是以脉冲放电形式进行工作的，它和其它光源不相同，不像日光灯进行连续放电。由于它的内部是惰性气体氙气，它能在很短的时间内发出很强的光能。脉冲氙灯有两个明显的特点：一个是它可以产生非常大的瞬时功率，从而获得很强的瞬时光输出，一个是它工作于脉冲放电模式，虽然瞬时功率非常大，但是平均功率并不是很高。脉冲氙灯的输出光谱非常广泛，放电电流可以改变输出光谱的特性。

    从系统的基本结构图 1-1 可以看到，本系统在硬件设计上又分为四个单独的电路，分别是主电路、启辉电路、控制电路和检测电路，其中检测电路又有电压检测电路和电流检测电路。在实际的电路中由于要用到单片机和其它各种芯片，因此还需要各种辅助电源。本系统在软件设计上也分为四个部分，分别是 PWM 波输出设计、通信模块设计、模数转换设计和系统的各种保护设计。在整个软件设计过程中需要相应的编程软件和调试平台。 

                         图 1-1 系统基本结构图 

   现有紫外线氙灯驱动电源一般使用单片机和脉宽调制芯片进行控制，单片机完成系统的时序功能，脉宽调制芯片完成系统的电压、电流闭环控制功能。为了简化设计和调试方便，本课题所设计的系统主电路只使用单片机一个芯片控制。这样需要选择一个合适的单片机既能输出 PWM 波形去驱动全桥变换器，又能实现本课题所设计的指标。经过查阅资料，本系统使用 dsPIC30F2020单片机，它一共有 8 路 PWM 波形输出，同时内部还集成了很多模块，只要正确设置这些模块，该单片机能很好的达到系统设计的指标，而且性能稳定。基于所选择的单片机并结合以前脉冲氙灯驱动电源设计所使用的电路，本系统所设计的电源系统结构如图 1-2 所示。

                                 图 1-2  电源系统结构图

    设计紫外线氙灯驱动电源可实现电能变换、氙灯启辉、过流保护、电压检测等功能。其中整流滤波由二极管全桥整流电路实现，全桥变换器使用 IGBT 模块工作。由于高频变压器输出高压，输出整流使用高压硅堆进行整流，电容充放电由单片机进行控制，电容通过可控硅对氙灯进行放电。由于全桥变换器工作在高频开关状态，需要对其电流检测，以便确定单片机是否要进行保护动作。启辉电路实现氙灯启辉和恒流控制。电压检测电路实现对电压的准确控制和确定氙灯是否放电，电流检测是为了实现对氙灯的恒流控制。单片机需要检测氙灯的电流，若氙灯没有电流，则单片机不再给主电容充电且不能把主电容上的电压通过氙灯释放。

    由于本文所设计的紫外线氙灯驱动电源功率大能达到 5kW。放电电压高可以达到 3kV，若直接采用隔离整流变换电路，则需要采用工频变压器进行隔离变压，其体积庞大，这对于所要设计的系统不合适。如果用现代电力电子高频逆变电路结构，就能把占用很大空间的工频变压器去掉，而采用体积较小且重量较轻的高频变压器。这样就能缩小整个系统占用的空间，同时紫外线氙灯驱动电源的重量也会减轻很多。主电路中的全桥变换器的驱动由单片机进行控制，也就是由单片机发出 PWM 波来控制全桥逆变器是否工作。

    由现有文献资料可以知道，紫外线氙灯驱动电源启辉和维持预电离状态分别需要电源，如果都单独设计，会极大的增加紫外线氙灯驱动电源的复杂性，对整个系统的稳定工作会造成不利影响。因此，系统在设计时将采取启辉和维持氙灯预电离状态共用一个电源，这样就大大降低了驱动电源的复杂性，有利于系统的稳定。因为脉冲氙灯只要启辉和预电离成功以后，在正常工作情况下氙灯是不会熄灭的，这样就不需要经常对氙灯进行启辉，只有在氙灯熄灭的情况下才对它进行启辉操作。这样启辉和维持氙灯预电离状态就可以使用一个电路，降低了系统设计的难度。启辉电路原理如图 2-1 所示。

                                      图 2-1  启辉电路原理图

    对比分析各种单片机的特性，本课题决定采用 dsPIC30F2020 单片机做为主控芯片，它的工作速度高可以达到 30MIPS，一共可以输出八路 PWM 波形，并且这些波形可以进行移相和改变频率等操作，使用起来非常方便，具有响应速度极快的模拟比较器，支持 RS-232、RS-485 和 LIN1.2 通信模块，模数转换模块具有非常高的分辨率，其高可以达到 10 位，具有三个 16 位定时器/计数器并且可以选择将 16 位定时器配对组成 32 位定时器模块，以便于扩大定时时间或者计数个数，具有非常多的中断源，多可以达到 32 个，还有一些其它的模块。

    单片机 dsPIC30F2020 是一款功能非常强大，性能良好的芯片，它能出色的完成系统所设计的功能。图 2-3 是控制系统框图，dsPIC30F2020 单片机统筹整个驱动电源的工作，从图 2-2 可见它控制高压充放电电路、启辉电路和对控制面板的通信，是整个系统的核心部件。

                               图 2-2 控制系统框图 

    系统在正常工作期间，为了对氙灯进行恒流控制，需要检测氙灯的电流；根据本课题的要求，设计的系统能对电压进行设定，并且要使电容上的电压达到设定值以后就不再上升或者下降，故需要对电容的电压进行检测；本系统在工作期间主电路开关管的电流很大，同时由于电网电压波动等因素的影响，很有可能造成主电路开关管过流。为了保护主电路上的开关管，还需要检测主电路上开关管的电流，以便单片机做出相应的保护动作。 高压充电电路中的逆变环节所需要的 PWM 波是由单片机产生的。在本系统中，逆变环节决定采用全桥移相方式，且要有软启动，因此，对产生的 PWM波要求较高。在本系统中通信决定采用 RS-232 串行通信模式。由于要对电容上的电压进行闭环控制，因此需要将采样来的电压转换成数字量，经过比较，从而控制 PWM 的输出来恒定电容电压。通过各个管脚的状态以及相互之间的关系来确定是否进行保护动作。 

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