嚴(yán)其林，唐雄民，余亞東

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006)

0 引言

臭氧是一種超強(qiáng)氧化劑，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于污水處理、空氣凈化、醫(yī)學(xué)制藥等眾多領(lǐng)域[1].目前，工業(yè)上生產(chǎn)臭氧主要采用介質(zhì)阻擋放電（dielectric barrier discharge，DBD）法.然而，DBD型臭氧發(fā)生器是一種特殊的容性負(fù)載，合理選擇供電方案是提高臭氧發(fā)生器放電效率的關(guān)鍵.現(xiàn)階段DBD型臭氧發(fā)生器的供電方式主要有窄脈沖放電式[2-4]、串聯(lián)負(fù)載諧振式[5]以及并聯(lián)負(fù)載諧振式[6]等.其中，窄脈沖放電電源可使臭氧發(fā)生器處于高放電效率狀態(tài)，但存在電路復(fù)雜、成本高以及難以大功率化問題，實(shí)際生產(chǎn)中很少使用.串、并聯(lián)負(fù)載諧振逆變電源能提高供電電源的頻率，但是由于發(fā)生器兩端電壓近似正弦波，只有當(dāng)發(fā)生器在其電壓正負(fù)峰值區(qū)域才產(chǎn)生放電現(xiàn)象，其余區(qū)域則處于放電準(zhǔn)備階段，這使得整個(gè)工作區(qū)間的放電效率較低，尤其是發(fā)生器放電功率較低時(shí)，發(fā)生器的放電效率下降的尤為明顯.針對(duì)上述問題，本文中提出一種新型軟開關(guān)的臭氧發(fā)生器供電電源，該供電電源能確保發(fā)生器在功率調(diào)節(jié)過程中，放電單元的電壓處于最佳放電帶，此外，當(dāng)供電電源穩(wěn)定工作時(shí)，供電電源中所有功率開關(guān)管處于軟開關(guān)狀態(tài)，直接提高了臭氧發(fā)生器的放電效率和降低了供電電源的損耗.理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文中所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性和正確性.

1 逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DBD型臭氧發(fā)生器是一種特殊的容性負(fù)載，其放電效率高低和放電功率大小與施加在發(fā)生器上的電壓峰值存在密切聯(lián)系.因此，將發(fā)生器放電單元的電壓控制在合理的區(qū)域是提高DBD型臭氧發(fā)生器效率的關(guān)鍵，本文中提出了如圖1所示的逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).圖1中，UE為直流電源、T為升壓變壓器，其原副邊匝比為1∶N，Cd和Cr分別為隔直電容與諧振電容，Lr為串接的補(bǔ)償電感（包含升壓變壓器的漏感），Q1～Q4為功率開關(guān)管，D1和D2為快恢復(fù)二極管，D3和D4分別為Q3和Q4的反并聯(lián)二極管.

圖1 供電電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 DBD型臭氧發(fā)生器的阻容等效模型

2 逆變電路的工作模態(tài)分析

2.1 DBD型臭氧發(fā)生器的等效電路 當(dāng)臭氧發(fā)生器系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，臭氧發(fā)生器負(fù)載可由與放電功率P成線性相關(guān)的等效電阻Rp和等效電容Cp串聯(lián)構(gòu)成的等效模型（見圖2）表示[7]，即：

式中，A1、B1、A2、B2為擬合系數(shù)，其值由DBD負(fù)載物理結(jié)構(gòu)、放電管材質(zhì)、氣壓等參數(shù)共同決定.

2.2 逆變電路的工作模態(tài)為便于分析，將臭氧發(fā)生器等效電路折算至原邊，且設(shè)：1)DBD型臭氧發(fā)生器用一個(gè)固定數(shù)值的阻容回路等效；2)開關(guān)器件均為理想開關(guān)管；3)忽略隔直電容Cd的影響；4)模態(tài)1開始時(shí)刻為t0，臭氧發(fā)生器兩端初始電壓為-U0.

圖3 逆變電源各開關(guān)時(shí)序和主要電氣量的波形

圖3給出了逆變電源各開關(guān)時(shí)序和主要電氣量的對(duì)應(yīng)波形，圖3中，uDBD和uCr分別為臭氧發(fā)生器兩端電壓與諧振電容電壓，iLr為補(bǔ)償電感電流.

圖4為各工作模態(tài)的等效電路圖.

1）模態(tài)1[t0～t1]：t0時(shí)刻之前，Q1～Q4均處于關(guān)斷狀態(tài)，電感電流iLr為零，發(fā)生器兩端電壓uDBD為-U0.t0時(shí)刻開通Q1與Q4，D1導(dǎo)通，Cr短路，直流電源UE經(jīng) D1、Q1和Q4對(duì)由Lr、Rp與Cp組成的串聯(lián)諧振回路供電（見圖4（a））.諧振過程中，iLr和uDBD均不斷上升，直到t1時(shí)刻關(guān)斷Q4，iLr達(dá)到諧振峰值.

2）模態(tài)2[t1～t2]：t1時(shí)刻Q4關(guān)斷后，D1、Q1維持導(dǎo)通狀態(tài)，UE、Lr、Rp、Cp以及Cr構(gòu)成諧振回路（見圖4（b）），電流iLr向D3轉(zhuǎn)移，并對(duì)Cr充電.諧振過程中，iLr不斷減小，uCr不斷增大，然而，由于發(fā)生器兩端電壓uDBD等效為Rp與Cp電壓之和，Cp較小，隨著iLr減小，uDBD將先增大后減小.t2時(shí)刻iLr下降至零，模態(tài)2結(jié)束，此時(shí)uCr達(dá)到最大值.

3）模態(tài)3[t2～t3]：t2時(shí)刻iLr下降至零，D1和D3由開通轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)，此時(shí)電路中無(wú)放電回路，iLr將保持為零，uDBD與uCr維持不變.關(guān)閉Q1，T1時(shí)間后，即t3時(shí)刻，開通Q2與Q3，模態(tài)3結(jié)束（見圖4（c））.

4）模態(tài)4[t3～t4]：t3時(shí)刻開通Q2與Q3，D2導(dǎo)通，Cr開始沿圖4（d）所示回路放電，此時(shí)電流iLr由零開始反向增大，uCr以及uDBD均不斷下降，直到t4時(shí)刻uCr降至零，iLr到達(dá)反向峰值.

5）模態(tài)5[t4～t5]：t4時(shí)刻uCr為零，D4開始導(dǎo)通，Cr重新短路，電感電流iLr經(jīng)D4續(xù)流，并對(duì)Cp反向充電（見圖4（e）），iLr由反向峰值開始衰減，由于Cp較小，此時(shí)發(fā)生器兩端電壓uDBD將沿反方向先增大后減小，直到t5時(shí)刻，iLr衰減至零.

6）模態(tài)6[t5～t6]：t5時(shí)刻，iLr下降至零，D2、D4由開通轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)，此時(shí)電路中無(wú)放電回路，電流iLr將保持為零，uDBD維持不變，關(guān)閉Q2與Q3，T2時(shí)間后，即t6時(shí)刻，開通Q1，模態(tài)6結(jié)束（見圖4（f）），下一周期開始.

由模態(tài)分析可知，供電電源中所有的功率開關(guān)器件均處于軟開關(guān)狀態(tài).

圖4 各工作模態(tài)的等效電路圖

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合圖1所示電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和圖3所示的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，對(duì)逆變電源用PSIM進(jìn)行仿真，其中電路主要參數(shù)為：UE=150 V，fs=10 kHz，N=17.5，Rp=15 kΩ，Cp=0.5 nF，Lr=1.48mH以及Cr=68 nF.圖5給出了實(shí)驗(yàn)用DBD型臭氧發(fā)生器系統(tǒng)實(shí)物圖，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用高壓探頭（HVP-15HF）以及電流探頭（TEK A622）獲得發(fā)生器兩端電壓和電感電流.

圖6和圖7分別給出了仿真波形與實(shí)驗(yàn)波形.圖6中為使發(fā)生器兩端電壓uDBD與電感電流iLr顯示在同一坐標(biāo)系下，將電感電流iLr放大1 000倍.觀察圖6和圖7可知：

圖5 實(shí)驗(yàn)用DBD型臭氧發(fā)生器系統(tǒng)

圖6 仿真波形

圖7 實(shí)驗(yàn)波形

1）仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有高度的一致性.由于寄生參數(shù)影響，實(shí)驗(yàn)波形中電流iLr為零的區(qū)域出現(xiàn)輕微振蕩.

2）臭氧發(fā)生器始終處于在最佳放電工作電壓下.

3）調(diào)節(jié)t2～t3與t5～t6時(shí)間段長(zhǎng)度即可平滑調(diào)節(jié)放電功率.

4）發(fā)生器的正負(fù)半周放電階段能迅速地過渡，實(shí)現(xiàn)了窄脈沖放電式電源的高效放電效果.

4 結(jié)論

基于DBD型臭氧發(fā)生器負(fù)載的工作特性，本文中提出一種新型DBD型臭氧發(fā)生器供電電源，通過結(jié)合各開關(guān)器件的切換時(shí)序，對(duì)電路的各個(gè)模態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析.理論分析表明，所提出的新型電源能使臭氧發(fā)生器工作在最佳放電帶，具有放電效率高、功率可調(diào)以及能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)等優(yōu)點(diǎn).根據(jù)上述分析，在PSIM環(huán)境下仿真并搭建了一套DBD型臭氧發(fā)生器供電電源系統(tǒng)加以驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果具有良好的一致性.

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