基于ZVS 双管自激电路的等离子体电源设计

辛纪威，李占贤，赵潞翔，方 川，董威武

（1.华北理工大学机械工程学院，唐山 063210；2.河北省工业机器人产业技术研究院，唐山 063210；3.清华大学机械工程系，北京 100084；4.清华大学工程物理系，北京 100084）

介质阻挡放电DBD（dielectric barrier discharge）是产生大气压冷等离子体的一种形式。大气压冷等离子体中含有大量的高能粒子，可以激发产生多种具有高化学活性的基团[1]，其应用领域广泛，可用于等离子体隐身[2]、材料改性[3]、医疗杀菌[4]、废水废气处理[5]、诱变育种[6]等场合。便携式等离子体发生装置应用于野外救护可以提高伤口治愈能力，例如对医疗器械、伤口表面进行杀菌消毒处理，促进血液凝结、伤口愈合等。目前，等离子体电源通常采用工频可调压电源，该类电源的体积庞大，如南京苏曼电子有限公司生产的CTP-2000K 电源体积为360 mm×250 mm×250 mm，重量为8 kg，不方便携带与运输，严重限制了等离子体技术的应用与推广[7-8]。随着电力电子技术的发展，等离子体电源的结构也正朝着微型化、小型化方向发展[9-10]，因此，亟需研制一款小型化、便携式等离子体激励电源。

传统的开关电源工作在硬开关状态，开关瞬间会造成开关损耗，而工作在软开关技术下的电路具有元件应力小、开关损耗小的优点，可提高变换器的工作频率。软开关技术可以分为零电压开关ZVS（zero voltage switching）技术和零电流开关ZCS（zero cur-rent switching）技术，较好地解决了硬开关的开关损耗、容性开通、感性关断问题[11-12]。MOS 管是高频低功率应用最合适的功率器件，ZVS 通常优于ZCS 是因为可以消除由于其固有结电容而产生的开关损耗。

因此，本文基于ZVS 双管自激电路进行便携式介质阻挡放电电源的设计，通过合理设定电路元件的相关参数，进行电源与等离子体发生器的特性研究，要求其产生的电场强度足以击穿空气，放电电流能够维持大气压冷等离子体的稳定产生，输出功率可以驱动等离子体发生器产生大面积等离子体，并且电源具有小型化、便携性、稳定性高的特点。

1 等离子体电源主电路的设计

1.1 主电路的原理分析

ZVS 双管自激电路主要由逆变模块和升压模块组成，电路工作在软开关状态，自身元件损耗小，其电路原理如图1 所示。

ZVS 双管自激电路的设计基于电感三点式振荡电路。图1 中，U1为电源电压；L1为扼流线圈，具有限流作用，能够限制峰值电流的突然增加，用来保护电路；电阻R1、R2用于限制MOS 管的栅极电流，防止电流过大对MOS 管造成损坏；电阻R3、R4用于保证MOS 管的可靠关断；稳压二极管D1、D2用于将电压箝位在合适值后加在MOS 管的栅极、源极两端，使两个MOS 管Q1、Q2满足开通条件。由于元件参数具有离散性，一个MOS 管先导通，另一个MOS 管的栅极电压被快恢复二极管D3或D4拉低，使其关断，形成互锁状态。

图1 ZVS 双管自激电路原理Fig.1 Schematic of ZVS dual-tube self-excited circuit

图1 中LC 谐振发生在电容C1和变压器T1的初级线圈电感之间，这个谐振电路属于电感三点式电路[13]。由于变压器T1初级线圈的中心抽头可以等效为2 个电感，所以该电路中包含2 个电感和1 个电容。在LC 谐振回路的作用下，两个MOS 管的栅极、漏极电压交替改变，实现状态的翻转并不断重复此过程。

1.2 谐振频率的计算

ZVS 双管自激电路的谐振频率由变压器初级线圈的电感和跨接在初级线圈两端的电容决定，电容C1和变压器T1初级线圈的电感组成一个并联谐振回路，其谐振频率计算为

式中，L 为谐振回路的总电感。

本文设计的主电路谐振频率在20～30 kHz 范围内，高电压通过变压器的匝数比及合适的匹配电路实现，同时变压器的次级线圈作为输出端与等离子体发生器相连接保证功率的正常输出。通过ZVS双管自激电路产生高频高压正弦波，驱动等离子体发生器实现稳定可靠的工作，从而有效地减小电源体积并降低开关损耗。

1.3 主电路的仿真模拟

本文采用输入电压为3.7 V，电容为0.68 μF，电感为47 μH 进行主电路的设计。为了验证设计方案的可行性，采用NI Multisim 软件对ZVS 双管自激电路进行模拟，ZVS 双管自激电路的仿真模型如图2 所示。

图2 ZVS 双管自激电路仿真模型Fig.2 Simulation of ZVS dual-tube self-excited circuit

ZVS 双管自激电路软关断波形如图3 所示，图中Ud1、Ud2和Ug1、Ug2分别代表2个MOS管的漏极和栅极电压，可以看到，MOS 管在进行工作状态转换时漏极电压Ud1、Ud2几乎为0，模拟电路满足了设计要求的“软关断”。

图3 ZVS 双管自激电路软关断波形Fig.3 Soft turn-off waveforms of ZVS dual-tube self-excited circuit

通过调整输入电压、电容和电感，分析输出频率和输出电压的变化，结果如图4 所示。当电容为0.68 μF 时，输出频率和输出电压随电感的变化如图4（a）和4（b）所示；当电感为47 μH 时，输出频率和输出电压随电容变化如图4（c）和4（d）所示。

由图4（a）、图4（b）可得，在输入电压、电容不变的情况下，选用的电感越大输出频率会减小，对应的输出电压基本保持不变。同理，由图4（c）、图4（d）可得，在输入电压、电感一定的情况下，随着电容的增大，输出频率会减小，相应的输出电压基本保持不变。因此，通过调整电路元件参数，能够针对不同的负载要求设计出相应的电源输出参数。

图4 电源参数对输出频率、输出电压的影响Fig.4 Influences of power supply parameters on output frequency and output voltage

本文针对叠层超薄型SDBD 和基于聚氨基甲酸酯PU（polyurethane）材料的FE-DBD 柔性等离子体发生器进行相关研究，根据等离子体源参数的要求，设计出相应的电源，如图5 所示为2 种电源的输出电压仿真波形，可见，叠层超薄型SDBD 等离子体源供电电源输出电压峰值为2.26 kV，输出频率为29.4 kHz，基于PU 材料的FE-DBD 柔性等离子体源供电电源的输出电压峰值为4.47 kV，输出频率为25.6 kHz。仿真模拟结果满足介质阻挡放电的要求。

图5 ZVS 双管自激电路输出电压仿真波形Fig.5 Simulation wavefroms of output voltage from ZVS dual-tube self-excited circuit

1.4 主电路的实验研究

基于仿真结果，实验验证电源输出特性。采用本文模拟的电路元件参数，在空载情况下2 种等离子体源供电电源输出电压实验波形，如图6 所示。由图可见，叠层超薄型SDBD 等离子体源供电电源输出电压波形呈正弦波，输出电压的峰值为2.24 kV，输出频率为23.03 kHz；基于PU 材料的FE-DBD 柔性等离子体源供电电源的输出电压波形呈正弦波形式，输出电压的峰值为4.42 kV，输出频率为23.73 kHz。实验结果与仿真模拟结果基本符合。

图6 等离子体电源空载时的输出电压实验波形Fig.6 Experimental waveforms of output voltage from plasma power supply when there is no load

通过仿真模拟和实验验证了电源主电路的相关参数，并且设计出的便携式等离子体电源在空载状态下能够满足介质阻挡放电的条件。

2 电源与等离子体发生器的特性及实验研究

基于仿真结果，采用本文设计的电源驱动叠层超薄型SDBD 等离子体发生器和基于PU 材料的FE-DBD 柔性等离子体发生器，并对其相关特性进行研究。

2.1 等离子体发生器的结构

传统的DBD 结构在材料处理时由于被处理物表面不平整等原因，放电通常呈现不均匀的丝状，对人体等热敏性被处理物会造成热损伤。与其相比等离子体射流在材料处理方面，尤其是生物医学领域具有一定的优势，但其会消耗大量惰性气体，气体成本相对较高。因此本文采用叠层超薄型SDBD等离子体发生器和基于PU 材料的FE-DBD 柔性发生器，其结构示意如图7 所示。SDBD 等离子体发生器如图7（a）所示，其接地电极采用厚度为0.3 mm、尺寸为2 mm×3 mm 的菱形小孔铝网，绝缘介质层采用厚度为0.2 mm 的聚四氟乙烯，高压电极采用厚度为0.05 mm 的铜箔。其中，高压电极与接地电极紧贴于绝缘介质层两侧。将电源分别接高压电极与接地电极，接地电极的菱形网孔表面会产生丝状放电等离子体。此结构可按照被处理物形貌来设计放电面，放电特性对被处理物自身表面形态不敏感，能在空气中产生大面积等离子体，主要用于对食物、环境和器械的杀菌消毒。鉴于大气压冷等离子体在生物体伤口愈合、止血凝血、杀菌消毒等生物医学领域中研发人体可触摸等离子体源的需求，本文还采用另一种基于PU 材料的FE-DBD 柔性发生器，如图7（b）所示，其高压电极采用厚度为0.15 mm 的PU 薄膜，绝缘介质层采用厚度为0.9 mm 厚的水凝胶，人体作为接地电极，选用厚度0.4 mm 的无纺布将PU 薄膜和水凝胶粘结在一起。将电源分别接高压电极与大地，在人体与无纺布的接触部位会产生均匀稳定的等离子体。

图7 等离子体发生器的结构示意Fig.7 Schematic of the structure of plasma generator

2.2 等离子体发生器的放电测试

如图8 所示为Canon EOS 7D 数码相机（光圈值f/3.5，曝光时间0.6 s，ISO-3200）记录的等离子体发生装置系统实物，图8（a）是叠层超薄型SDBD 等离子体发生器在输入电压为3.7 V、铝网尺寸为2.5 cm×2.5 cm 的工况下采集的放电图像，图8（b）是基于PU 材料的FE-DBD 柔性等离子体发生器在输入电压为3.7 V、无纺布尺寸为4 cm×6 cm 的工况下采集的放电图像。

图8 等离子体发生装置系统实物Fig.8 Physical picture of plasma generator system

如图9 所示为现有ZVS 单管自激电路电源（尺寸为90 mm×67mm×37 mm，电源最大输出功率30 W，重量为270g，功率重量比为111.1 W/kg）和本文设计的ZVS 双管自激电路电源的放电现象，由Canon EOS 7D 数码相机（光圈值f/5，曝光时间0.8 s，ISO-3200）记录。由图可见，在相同工况下，图9（b）相较于图9（a）的放电强度更大，放电更均匀，发生器表面能够实现均匀弥散的放电模态且放电现象稳定。

图9 基于2 种电源的放电现象对比Fig.9 Comparison between discharge phenomena based on two types of power supply

如图10 所示为基于PU 材料的FE-DBD 柔性等离子体发生器的放电现象，由Canon EOS 7D 数码相机（光圈值f/5，曝光时间0.8 s，ISO-3200）记录。由图可见，人体与发生器的接触部位能够持续产生均匀稳定的等离子体，且人体无电击感和灼热感。

图10 基于PU 材料的FE-DBD 柔性等离子体发生器放电现象Fig.10 Discharge phenomenon of FE-DBD flexible plasma generator based on PU material

2.3 等离子体发生器发射光谱的研究

本文采用AvaSpec-ULS3648-8-USB2 光纤光谱仪（波长范围为200～1070 nm，分辨率为0.07～0.11 nm）对放电过程中等离子体发生器表面产生的活性粒子种类及相对强度进行测量。测量时，光纤探头与放电电极保持2 mm 间距，光谱仪测得的2 种等离子体发生器的发射光谱如图11 所示。参照发射光谱数据库NIST atomic spectra database lines data的数据，通过光谱分析显示，等离子体中含有大量活性氧、活性氮基团，且不同发射波长对应活性基团的相对强度不同，相对强度越强，产生对应的粒子浓度越大。在不同工况下，可通过改变等离子体源参数调控不同活性基团的浓度。

图11 等离子体发生器的发射光谱Fig.11 Emission spectrum of plasma generator

等离子体发生器表面形成丰富的活性氧、活性氮等基团，未来可用于材料表面改性、生物医学、环境保护等场合，具有广阔的应用前景[14-15]。

2.4 等离子体发生器放电电压电流的研究

采用本实验设计的电源驱动叠层超薄型SDBD等离子体发生器和基于PU 材料FE-DBD 的柔性等离子体发生器并进行电压电流波形的测量，测量系统如图12 所示，主要包含数字示波器（Tektronix DPO4034）、高压探头（Tektronix P6015A）、电流探头（Tektronix TCP0030A）、电源及等离子体发生器。叠层超薄型SDBD 等离子体发生器放电电压电流波形如图12（b）所示，连接负载时输出电压波形呈正弦波形式，此时输出电压的峰值为2.04 kV，输出频率为15.69 kHz，输出电流的峰值为7.74 mA。基于PU 材料FE-DBD 的柔性等离子体发生器放电电压电流波形如图12（d）所示，连接负载时输出电压波形呈正弦波形式，此时输出电压的峰值为4.14 kV，输出频率为21.39 kHz，输出电流的峰值为4.05 mA。

图12 等离子体发生器放电电压和电流测量Fig.12 Measurement of discharge voltage and current of plasma generator

实验结果表明，使用本文设计的电源与相应形式的等离子体发生器能成功地进行放电，从电气安全和热安全角度考虑，放电电流幅值低于人体安全电流极限值10 mA，人体可以安全接触，无明显灼伤感和触电感，验证了设计方案的可行性，满足了设计要求。

2.5 等离子体发生器放电功率的研究

通过李萨如图形计算叠层超薄型SDBD 等离子体发生器和基于PU 材料FE-DBD 的柔性等离子体发生器的放电功率。在发生器的接地侧串入测量电容Cm，将示波器的双通道分别测量电容电压Um和发生器两端电压U，采用X-Y 模式，得到的闭合曲线即为李萨如图形。使用ZVS 单管自激电路电源和本文设计电源驱动SDBD 等离子体发生器以及使用本文设计电源驱动FE-DBD 的李萨如图形如图13 所示，利用李萨如闭合图形面积计算出两种不同形式发生器的内部放电功率。

图13 放电功率测量Fig.13 Measurement of discharge power

放电功率计算公式为

式中：f 为电源频率；Cm为测量电容，电路中采用Cm=0.47 μF 记录李萨如图形。

通过计算得出图9（a）的放电功率为0.8 W、功率密度为0.125 W/cm2，图9（b）的放电功率为1.5 W、功率密度为0.24 W/cm2，图10 的放电功率为1.9 W、功率密度为0.079 W/cm2。因此，本文设计的ZVS 双管自激电路电源相较于现有的ZVS 单管自激电路电源能够为等离子体源提供更大的功率。

3 结语

本文设计的电源能够成功驱动SDBD 和FE-DBD 柔性等离子体发生器产生均匀稳定的等离子体，且装置体积小、重量轻、功率重量比大，输出电压和输出频率具有较大的调节范围，在驱动多种等离子体源（如等离子体射流装置、微空心阴极等离子体发生器、DBD 等离子体发生器等）工作上具有可行性。针对叠层超薄型SDBD 等离子体发生器，将本文设计的电源与现有ZVS 单管自激电路电源对比可得，设计的电源可实现更加均匀弥散的放电模态并且放电现象稳定，放电强度和放电功率更大，功率密度由0.125 W/cm2增加至0.24 W/cm2，功率重量比由111.1 W/kg 增加至300 W/kg。针对基于PU 材料FE-DBD 的柔性等离子体发生器，与使用CTP-2000K 电源驱动其相比，本文设计的电源仅通过3.7 V 的18 650 锂电池（容量为6 800 mA·h，一般循环寿命可达500～1 000 次左右，使用寿命可达2～3 年）作为供电输入就能实现4.42 kV 的输出电压峰值和23.73 kHz 的输出频率，并且功率重量比由62.5 W/kg 增加至300 W/kg。本文设计的电源实现了小型化、便携性的目标，未来在生物医学、材料科学、能源与环境等领域具有良好的实用价值。