一种新型软开关DBD型臭氧发生器供电电源研究

严其林，唐雄民，余亚东

(广东工业大学自动化学院，广东广州510006)

0 引言

臭氧是一种超强氧化剂，现已广泛应用于污水处理、空气净化、医学制药等众多领域[1].目前，工业上生产臭氧主要采用介质阻挡放电（dielectric barrier discharge，DBD）法.然而，DBD型臭氧发生器是一种特殊的容性负载，合理选择供电方案是提高臭氧发生器放电效率的关键.现阶段DBD型臭氧发生器的供电方式主要有窄脉冲放电式[2-4]、串联负载谐振式[5]以及并联负载谐振式[6]等.其中，窄脉冲放电电源可使臭氧发生器处于高放电效率状态，但存在电路复杂、成本高以及难以大功率化问题，实际生产中很少使用.串、并联负载谐振逆变电源能提高供电电源的频率，但是由于发生器两端电压近似正弦波，只有当发生器在其电压正负峰值区域才产生放电现象，其余区域则处于放电准备阶段，这使得整个工作区间的放电效率较低，尤其是发生器放电功率较低时，发生器的放电效率下降的尤为明显.针对上述问题，本文中提出一种新型软开关的臭氧发生器供电电源，该供电电源能确保发生器在功率调节过程中，放电单元的电压处于最佳放电带，此外，当供电电源稳定工作时，供电电源中所有功率开关管处于软开关状态，直接提高了臭氧发生器的放电效率和降低了供电电源的损耗.理论分析与实验结果证明了本文中所提出的拓扑结构的可行性和正确性.

1 逆变电路拓扑结构

DBD型臭氧发生器是一种特殊的容性负载，其放电效率高低和放电功率大小与施加在发生器上的电压峰值存在密切联系.因此，将发生器放电单元的电压控制在合理的区域是提高DBD型臭氧发生器效率的关键，本文中提出了如图1所示的逆变电路拓扑结构.图1中，UE为直流电源、T为升压变压器，其原副边匝比为1∶N，Cd和Cr分别为隔直电容与谐振电容，Lr为串接的补偿电感（包含升压变压器的漏感），Q1～Q4为功率开关管，D1和D2为快恢复二极管，D3和D4分别为Q3和Q4的反并联二极管.

图1 供电电源拓扑结构图

图2 DBD型臭氧发生器的阻容等效模型

2 逆变电路的工作模态分析

2.1 DBD型臭氧发生器的等效电路 当臭氧发生器系统稳定工作时，臭氧发生器负载可由与放电功率P成线性相关的等效电阻Rp和等效电容Cp串联构成的等效模型（见图2）表示[7]，即：

式中，A1、B1、A2、B2为拟合系数，其值由DBD负载物理结构、放电管材质、气压等参数共同决定.

2.2 逆变电路的工作模态为便于分析，将臭氧发生器等效电路折算至原边，且设：1)DBD型臭氧发生器用一个固定数值的阻容回路等效；2)开关器件均为理想开关管；3)忽略隔直电容Cd的影响；4)模态1开始时刻为t0，臭氧发生器两端初始电压为-U0.

图3 逆变电源各开关时序和主要电气量的波形

图3给出了逆变电源各开关时序和主要电气量的对应波形，图3中，uDBD和uCr分别为臭氧发生器两端电压与谐振电容电压，iLr为补偿电感电流.

图4为各工作模态的等效电路图.

1）模态1[t0～t1]：t0时刻之前，Q1～Q4均处于关断状态，电感电流iLr为零，发生器两端电压uDBD为-U0.t0时刻开通Q1与Q4，D1导通，Cr短路，直流电源UE经 D1、Q1和Q4对由Lr、Rp与Cp组成的串联谐振回路供电（见图4（a））.谐振过程中，iLr和uDBD均不断上升，直到t1时刻关断Q4，iLr达到谐振峰值.

2）模态2[t1～t2]：t1时刻Q4关断后，D1、Q1维持导通状态，UE、Lr、Rp、Cp以及Cr构成谐振回路（见图4（b）），电流iLr向D3转移，并对Cr充电.谐振过程中，iLr不断减小，uCr不断增大，然而，由于发生器两端电压uDBD等效为Rp与Cp电压之和，Cp较小，随着iLr减小，uDBD将先增大后减小.t2时刻iLr下降至零，模态2结束，此时uCr达到最大值.

3）模态3[t2～t3]：t2时刻iLr下降至零，D1和D3由开通转为阻断状态，此时电路中无放电回路，iLr将保持为零，uDBD与uCr维持不变.关闭Q1，T1时间后，即t3时刻，开通Q2与Q3，模态3结束（见图4（c））.

4）模态4[t3～t4]：t3时刻开通Q2与Q3，D2导通，Cr开始沿图4（d）所示回路放电，此时电流iLr由零开始反向增大，uCr以及uDBD均不断下降，直到t4时刻uCr降至零，iLr到达反向峰值.

5）模态5[t4～t5]：t4时刻uCr为零，D4开始导通，Cr重新短路，电感电流iLr经D4续流，并对Cp反向充电（见图4（e）），iLr由反向峰值开始衰减，由于Cp较小，此时发生器两端电压uDBD将沿反方向先增大后减小，直到t5时刻，iLr衰减至零.

6）模态6[t5～t6]：t5时刻，iLr下降至零，D2、D4由开通转为阻断状态，此时电路中无放电回路，电流iLr将保持为零，uDBD维持不变，关闭Q2与Q3，T2时间后，即t6时刻，开通Q1，模态6结束（见图4（f）），下一周期开始.

由模态分析可知，供电电源中所有的功率开关器件均处于软开关状态.

图4 各工作模态的等效电路图

3 仿真与实验结果

结合图1所示电路拓扑结构和图3所示的驱动时序，对逆变电源用PSIM进行仿真，其中电路主要参数为：UE=150 V，fs=10 kHz，N=17.5，Rp=15 kΩ，Cp=0.5 nF，Lr=1.48mH以及Cr=68 nF.图5给出了实验用DBD型臭氧发生器系统实物图，在实验系统中采用高压探头（HVP-15HF）以及电流探头（TEK A622）获得发生器两端电压和电感电流.

图6和图7分别给出了仿真波形与实验波形.图6中为使发生器两端电压uDBD与电感电流iLr显示在同一坐标系下，将电感电流iLr放大1 000倍.观察图6和图7可知：

图5 实验用DBD型臭氧发生器系统

图6 仿真波形

图7 实验波形

1）仿真和实验结果具有高度的一致性.由于寄生参数影响，实验波形中电流iLr为零的区域出现轻微振荡.

2）臭氧发生器始终处于在最佳放电工作电压下.

3）调节t2～t3与t5～t6时间段长度即可平滑调节放电功率.

4）发生器的正负半周放电阶段能迅速地过渡，实现了窄脉冲放电式电源的高效放电效果.

4 结论

基于DBD型臭氧发生器负载的工作特性，本文中提出一种新型DBD型臭氧发生器供电电源，通过结合各开关器件的切换时序，对电路的各个模态进行了详细分析.理论分析表明，所提出的新型电源能使臭氧发生器工作在最佳放电带，具有放电效率高、功率可调以及能实现软开关等优点.根据上述分析，在PSIM环境下仿真并搭建了一套DBD型臭氧发生器供电电源系统加以验证.实验和仿真结果具有良好的一致性.

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