余亞東，張 荻，雷宗昌

(1.平頂山學(xué)院 電氣與機械工程學(xué)院，河南 平頂山 467036;2.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

臭氧作為一種無殘留的強氧化劑，被廣泛用于水處理、除臭與消毒等領(lǐng)域[1-2].目前工業(yè)上有多種合成臭氧的方法，但介質(zhì)阻擋(Dielectric Barrier-Based Discharge，簡稱 DBD)放電法是應(yīng)用最廣泛的合成方法，其具有能耗相對較低，單機產(chǎn)量高，氣源充足等優(yōu)點[3-4].目前DBD型臭氧發(fā)生器的供電電源大多集中在逆變拓撲結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新上，文獻[5]利用Royer電路拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種低成本的臭氧發(fā)生器電源模塊，可以實現(xiàn)不同功率等級的輸出.文獻[6]研究一種新型電流饋電式并聯(lián)電感補償負載諧振DBD臭氧發(fā)生器供電電源拓撲，該電源功率級由BUCK斬波電路和單相橋式逆變器組成，能夠調(diào)節(jié)電源直流電流能有效地調(diào)節(jié)發(fā)生器放電功率,電源輸出功率因數(shù)高于0.98.

為了在臭氧發(fā)生器負載端保持較高的工作電壓和電流，大多數(shù)逆變拓撲中均使用了中高頻變壓器，在這種情況下不僅增加了電路的成本、體積、控制難度和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性[7-8]，同時容易出現(xiàn)變壓器的磁飽和現(xiàn)象.因此，從這個角度看，在臭氧發(fā)生器上尋求一種避免以上弊端的新型拓撲結(jié)構(gòu)的供電電源顯得至關(guān)重要.筆者提出了使用兩路Boost電路進行電壓的抬升和使用雙級LC諧振網(wǎng)絡(luò)的無中高頻變壓器的供電電源來達到臭氧發(fā)生器的供電電壓，解決了常規(guī)供電電源中存在著中高頻變壓器的磁飽和現(xiàn)象.同時由于取消了中高頻變壓器使得供電電源體積大大減小，采用交錯的Boost電路進行電壓的抬升也極大地提升了供電電源的適用范圍.

1 交錯升壓式主拓撲的提出與控制時序的實現(xiàn)

1.1 電路主拓撲的實現(xiàn)

圖1給出了DBD型臭氧發(fā)生器供電電源的主電路拓撲結(jié)構(gòu)示意圖.圖中I部分為兩路交錯升壓的Boost電路結(jié)構(gòu)，Ⅱ部分為基于單相全橋的多級LC諧振網(wǎng)絡(luò)[9-10]，Ⅲ部分為DBD型臭氧發(fā)生器本體的等效模型.Q1-Q6為功率開關(guān)管，D1-D8為快恢復(fù)型二極管，L1-L2和C1-C2為兩路交錯升壓Boost電路中的感性元件和容性元件，L3-L4和C4-C5構(gòu)成了多級諧振升壓的網(wǎng)絡(luò)元件，Rp和Cp共同構(gòu)成了DBD型臭氧發(fā)生器的等效電路.

圖1 DBD型臭氧發(fā)生器供電電源主電路拓撲結(jié)構(gòu)

通過合理控制Q1-Q2開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實現(xiàn)在一個周期內(nèi)的連續(xù)升壓，達到給單相全橋逆變電路較高和較大范圍的輸入直流電壓，極大地拓寬了逆變橋的輸入電壓范圍，同時合理控制Q3-Q6功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時序以及利用多級LC諧振，可以給DBD型臭氧發(fā)生器負載端施加幾千伏的電壓，且能夠保持穩(wěn)定，避免了變壓器的磁飽和性和損耗大等缺點.

假定全橋逆變電路中開關(guān)管的開關(guān)時序的占空比設(shè)定為0.5[11-12]，則在頻域范圍內(nèi)的電壓增益表達式為:

(1)

式中：Vg(jw)為諧振后的輸出電壓，Vin(jw)為逆變之后的電壓,Zout為諧振的輸出阻抗，Zin為諧振的輸入阻抗，ω為角頻率，Wp為無阻尼振蕩頻率,Qp為負載品質(zhì)因數(shù).Wp、Qp的值如下所示：

(2)

L4為第二級諧振電感，C5為第二級諧振電容.

(3)

(4)

(5)

式中:Av為整個電路的電壓增益.若Qp?1，那么可以得到,Wr≈Wp，Avm≈Qp,即開關(guān)頻率等于諧振頻率時，電壓增益最大.

1.2 控制時序的實現(xiàn)

為了能夠在圖1所示的主電路拓撲結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)臭氧發(fā)生器的高效放電，設(shè)計了如圖2所示的開關(guān)管的驅(qū)動時序圖.在圖2中，P1-P6為開關(guān)管Q1-Q6的驅(qū)動信號；t0-t6為開關(guān)切換時刻；t0-t3時間段內(nèi)構(gòu)成該供電電源工作的正半周期；t4-t6時間段內(nèi)構(gòu)成了該供電電源的負半工作周期.

圖2 控制時序的實現(xiàn)

2 仿真分析與實驗驗證

2.1 仿真分析

為了驗證筆者所提出的新型供電電源拓撲結(jié)構(gòu)的正確性，采用MATLAB/Simulink仿真軟件，搭建了電源系統(tǒng)的電路模型.圖3給出了臭氧發(fā)生器兩端的電壓曲線.從圖3中可以清晰地看出，發(fā)生器兩端的電壓呈明顯的正弦特性，且峰值電壓可達到15 kV，可以在無需升壓變壓器的條件下達到良好的放電效果.

2.2 實驗驗證

按照圖1所示的主電路和圖2所示的控制規(guī)律搭建與試制了一臺10 g/h產(chǎn)量的中頻DBD型負載交錯升壓雙級LC諧振的臭氧發(fā)生器實驗裝置.在實驗裝置中，正常工作下臭氧發(fā)生器的等效電阻Rp=7 Ω，等效電容Cp=1.49 μF，逆變電路的工作頻率設(shè)定在5～50 kHz.實驗得到了在工作頻率為10 kHz的臭氧發(fā)生器上的電壓波形示意圖.

對比圖 3和圖 4可以發(fā)現(xiàn)：DBD 型臭氧發(fā)生器端負載電壓的實驗波形和仿真波形具有較高的吻合度.這也直接證明了筆者提出的新型無變壓器電源拓撲結(jié)構(gòu)的合理性和理論分析的正確性.

圖3 仿真波形

圖4 實驗電壓波形

3 結(jié)論

基于直流交錯升壓和雙級諧振的基本原理，提出了一種能夠無需變壓器的新型DBD型臭氧發(fā)生器供電電源拓撲，在合理的控制時序下，實現(xiàn)了良好放電效果，仿真和實驗直接驗證了提出的新型拓撲結(jié)構(gòu)的可行性.