臭氧发生器多频逆变电源中的PDM控制策略

董 润 ，秦实宏 ，孙 超 ，Atuahene Samuel，周 霖

（1.武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉 430205；2. 虞城县供电公司 河南 商丘 476308）

臭氧作为一种强氧化剂，具有杀菌，消毒，脱色等作用，现在已经广泛应用于饮用水的净化消毒和工业上的污水处理当中，另外，空气的净化以及医疗器械的杀菌消毒等方面，臭氧也发挥着其巨大的作用。臭氧易于分解无法储存，需现场制取现场使用（特殊的情况下可进行短时间的储存），所以凡是能用到臭氧的场所均需使用臭氧发生器。早期的臭氧发生器主要采用工频升压方式供电，由于臭氧发生器的非线性容性负载的特性，这种电路存在着功率因数低，向电网注入大量谐波，工作频率低等缺点。目前臭氧发生器主要采用升压方式供电，其具有能耗低，单机产量高和易于工业现场生产等优点。

在臭氧发生器的逆变电源中，传统的PDM调功控制方式易于实现数字化控制，且开关损耗相对较小，输出频率不变，但由于逆变器输出功率的频率不完全等于负载的自然谐振频率，使得在需要功率闭环的场合中，系统容易失控，导致工作时的稳定性不高，并且其功率调节特性不理想，呈有级调功方式。

本文在分析了PDM调功原理的基础上基于臭氧发生器电源多频准谐振逆变拓扑结构提出PDM与PWM混合控制的策略来调整功率输出，可使PDM有级调功的缺点得到缓解，从而使得电源在闭环系统中的鲁棒性得到了提高[1]。

1 脉冲密度调制的原理

脉冲密度调制(即PDM)是一种开关脉冲的时间比率控制方式，采用能良好的进行频率跟踪的锁相环来跟踪负载电流的频率。传统的PDM原理如图1所示。电路满功率输出所需要的工作周期T由N个功率输出单位构成，其中，一个功率输出单位相当于某个电量一定的持续时间。如图所示，逆变器在H个工作单位里连续向负载输出功率TA，在剩下的(N-H)个功率输出工作单位则停止工作，即图中所示的零功率输出区域。负载能量以自然振荡形式逐渐衰减，则在一个工作周期T内，输出功率的脉冲密度为H/N。要想调节平均输出功率，可以改变单位时间内开关导通脉冲数的比率。

图1 脉冲密度调制原理Fig. 1 Principle of PDM

2 多频逆变电源中的PDM

在放电结束后，半周期结束前，通过多频逆变拓扑电路的电流为零。当选取的控制方式为PDM时，因为逆变桥自身不存在续流电路，所以负载电容上的电压不能以自然振荡的形式进行衰减，相当于电路中没有电流流过，即电流值为零。由于电路无法给锁相环提供负载电流的频率，所以当系统恢复到输出功率状态时，系统失控发生的可能性就大大提高了。锁相环能良好的进行频率跟踪，改善了PDM稳定性差的缺点。若让负载回路在零功率输出期间存在电流，则PDM就可以控制系统。

文中所采用的方法跟以往单独用PDM或PWM不同，用的是脉冲均匀密度调制方法与脉冲宽度调制方法相结合的控制策略，即PDM与PWM两者共同承担功率调节，这样，功率的输出就是由脉冲密度、脉冲宽度和 Q5Q6的导通占空比D来进行控制的。在功率输出期间，由PDM和PWM共同调整脉宽输出功率，实现了两者的结合。在零功率输出期间，PWM的作用是维持电流的持续，这样就保证了不会因单独采用PDM而造成断流[2-5]。如果是相同功率调节量的情况，则脉冲密度与宽度是同时变化的，这样就保证了在一定程度上可以改善PDM的电流断续的现象，使PDM和PWM在不同脉冲密度级之间变化，因此可以缓解PDM的有级调功的缺点，这样就提高了系统的工作效率，使功率调节特性趋于理想化，同时也提高了系统的稳定性。

在臭氧发生器多频逆变电源中，多频逆变拓扑在放电结束后，半周期结束前电路电流为零，由于逆变桥不存在续流电路，这样就使得PDM在对多频逆变电源进行功率调制时，一个工作单位周期内只存在两个工作模态，却没有续流的过程，这样系统就会发生断流的现象，稳定性大大降低。其工作过程如图2～4所示。

图2 多频逆变电源PDM模态拓扑结构图Fig. 2 PDM modal topology structure of multi-frequency inverter power supply

图3 多频逆变电源PDM模态aFig. 3 PDM modal a of multi-frequency inverter power supply

图4 多频逆变电源PDM模态bFig. 4 PDM modal b of multi-frequency inverter power supply

图2～4为多频逆变电源在PDM调制下的工作模态。图2为多频逆变电源的拓扑结构，图3和图4分别为PDM的两个工作模态a和b。

1)模态a分析

如图3所示，D1、D4正向导通，Q1、Q4、Q6零电流导通，电源接通时，由于电容C'Z上存在反向电压-U'cz，这样就使得D6处于反向截止状态，Q6中通过的电流为零。电源UE经过D1、Q1、Q4、D4向电感LS、电容C'Z以及发生器组成的串联电路供电，谐振电流i对C'Z和发生器等效电容充电，当C'Z两端电压U'CZ由-U'CZ上升至0后，D6正偏自然导通，这样就造成C'Z被短接，其脱离了主电路。电源UE经D1、Q1、Q6、D6、Q4、D4向LS和发生器组成的串联电路供电。当气隙电压上升到击穿电压UZ时，气隙击穿并开始放电。经过一段时间后，Q6零电压关断，C'Z再次接入电路参与谐振直到发生器气隙放电结束，电路电流为0，等待下一模态到来。

2)模态b分析

如图4所示，D2、D3正向导通，Q2、Q3、Q5零电流导通，电源接通时，由于电容C'Z上存在正向电压U'CZ，这样就使得D5处于反向截止状态，Q5中通过的电流为零。电源UE经过D2、Q2、Q3、D3向电感LS、电容C'Z以及发生器组成的串联电路供电，谐振电流i对C'Z和发生器等效电容充电，当C'z两端电压U'cz由U'cz下降至0后，D5正偏自然导通，这样就造成C'Z被短接，其脱离了主电路。电源UE经D2、Q2、Q3、D3、Q5、D5向LS和发生器组成的串联电路供电。气隙电压下降到反向击穿电压—UZ，气隙击穿并开始放电。经过一段时间后，Q5零电压关断，C'Z再次接入电路参与谐振直到发生器气隙放电结束，电路电流为0，等待下一模态到来[6]。

由上述的模态分析我们可以得出PDM控制的不足之处，由于Q1～Q4属于零电流导通，而Q5，Q6不属于零电流导通，所以在PDM控制的情况下，逆变电源只能工作在两个桥臂的交替工作当中，并且在换臂的过程当中，电路中的电流为零，且在Q5，Q6占空比一定的情况下，系统的输出功率由Q1～Q6的导通时间所决定，即系统是由PWM来控制实现的，这样弥补了PDM控制的不足，使得系统的工作效率得到了提高，系统的稳定性也进一步增强。

为了保证电流的延续，在零功率输出单元时，需要以较小脉宽的脉冲分别触发Q1、Q4和Q2、Q3，使得电流得以维持在较小的工作状态。同时，将臭氧发生器的气隙电压保证在击穿电压UZ以下，这样就保证了臭氧发生器电源的气隙可以处于未击穿状态，不会产生放电功率消耗[7-10]，大大提高了工作效率。为了保证在零功率输出单元电路电流保持持续的状态，需要将PWM脉宽限制在臭氧发生器气隙电压达到击穿电压UZ所需最短的脉宽以下。

3 仿真模型的建立

应用MATLAB建立的多频准谐振逆变电源的仿真系统如图5所示。

图5 多频逆变电源的MATLAB仿真系统Fig. 5 MATLAB simulation system of multi-frequency inverter power supply

4 结 论

文中将传统脉冲密度调制与脉冲均匀密度调制作了对比，根据其各自特点以及臭氧发生器逆变电源中需要闭环调节功率的要求，提出了脉冲均匀PDM和PWM相结合的控制策略，并建立了仿真模型，采用这样的方法大大提高了系统的工作效率。

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