频率跟踪在介质阻挡放电中的应用

王高锋，刘平，张影

（郑州大学信息工程学院，郑州450001）

0 引 言

随着经济的发展，工业化进程的加速，人类在提高生活水平的同时，也遭受了前所未有的环境污染［1-2］。特别是工业废气污染尤为严重，这些废气往往含有硫化物、氮化物以及有毒的有机物，废气污染对自然环境和人类带来了极大的危害和挑战。目前国内外处理废气的方法有很多，其中以介质阻挡放电（DBD）处理废气在欧美国家发展最为迅猛，虽然目前我国处在起步阶段，但也取得较大的进步。

介质阻挡放电是将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电，是产生等离子体的最常用的方法之一。介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作。电极结构的设计形式多种多样，在两个放电电极之间充满某种工作气体，并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电［3-4］。介质阻挡放电产生的等离子体具有很高的能量，这些等离子体撞击有害气体，使有害气体分解或者电离，从而破坏有害气体的结构，实现废气的环保处理。但是随着外部环境的变化，例如环境温度、湿度以及所处理废气的浓度等等，介质阻挡放电装置的特性会发生明显的变化，而且这些变化是非线性的、不可预测的。负载等效电路参数的变化，会导致负载回路谐振频率的变化［5］。此时，供电电源不能很好的跟踪和匹配放电装置，导致输出功率较低，整机损耗较大。有效的办法是让供电电源的开关频率始终跟随负载回路的谐振频率。这样既能保证负载端的电压和电流同步，又能降低功率管的开关损耗［6］，容易实现功率管的软开关，从而降低损耗，提高整机的效率。

针对这种情况，目前国内外大部分采用锁相环来解决这一问题，但是采用锁相环存在速度不匹配、精度不够以及容易失锁等问题，提出一种新颖的频率跟踪技术，该技术的电路结构简单，响应速度快，并且能够根据不同电路需要自行设计相移角，能够很好的满足恶劣复杂的环境。

1 介质阻挡放电设计

1.1 整机原理分析

供电电源采用全桥逆变电源，电源和等效负载的示意图如图1所示。负载等效成电阻R、电容C、谐振电感L的串联谐振回路［7］，f、f0分别是开关频率和负载谐振频率，ω、ω0分别是对应的角频率。

图1 介质阻挡放电整体装置示意图Fig.1 Schematic diagram of dielectric barrier discharge device as a whole

则由此可得回路的复阻抗表达式为：

阻抗的模数为：

假设：

则电路中流过的电流为：

可以看出，当X=0时，负载中有最大电流流过，电源实现最大有功功率输出。此时负载端的电压和电流同相位，即ω=ω0，整个串联回路处于谐振状态［8］，此时的谐振频率为：

这种状态是最理想的，但是负载一直在变化，要想一直保持该状态很难。当ω＞ω0时，装置工作在感性状态，电源输出电压超前输出电流，此时功率管开关状态均为零电压，不存在反向恢复电流，开关管损耗较小。当ω＜ω0时，装置工作在容性状态，电源输出电压滞后输出电流，此时功率管开关状态均在大电流下［9］，开关管损耗非常大，严重时可能烧坏开关管，导致整机瘫痪，所以要避免出现该状态。

1.2 频率跟踪电路设计

为保证电路始终工作在谐振或弱感性状态，设计如下电路实现频率跟踪功能，电路如图2所示。

图2 频率跟踪的整体电路设计Fig.2 Overall circuit design for frequency tracking

电路由过零比较电路和脉冲整形电路两大部分构成，过零比较电路由LM319组成，脉冲整形电路由CC4098组成［10］。具体工作原理介绍如下：从主电路采样的电流信号，经全桥整流后，转化为半波电压信号，然后送到比较器的同向端，与比较器的反向端比较，反向端其实不是严格意义上的零端，而是一个略大于零的电压信号，假如设该参考电压为VC，则VC大小为：

根据实际电路取值：R1=10 kΩ，R2=1.0 kΩ，VCC=5.0 V，把参数代入式（6）可得参考电压VC约为0.44 V，当采样信号低于参考电压0.44 V时，比较器输出低电平，并取其下降沿。此时的同步信号略超前于电流信号，满足弱感性工作状态的要求。

比较器输出的信号是宽窄不一的矩形波信号，幅值和脉宽均不能被控制芯片SG3525的同步端识别，需要进一步整形得到能被主控芯片SG3525识别的规整的高电平同步脉冲信号。脉冲整形电路采用CC4098芯片，CC4098是一种CMOS工艺的双单稳态集成电路，输出脉冲宽度由外部阻容器件控制，幅度与电源电平相同［11］。CC4098的功能表如表1所示。

表1 CC4098功能表Tab.1 CC4098 function table

当TR+=0，RST=1，TR-出现下降沿时，输出端为高电平，该信号与TR-同步产生，脉宽为：

其中，电路的工作频率设为20 kHz，周期为50 μs，比较器输出脉宽为25μs左右，而芯片SG3525的同步端要求是不大于6μs但最好不要小于0.5μs。根据实际电路取值R=5.0 kΩ、C=220 pF，代入得周期大约为1μs，大于SG3525所需要的最低0.5μs且不大于6μs，符合SG3525的同步脉宽要求。得到的整形脉冲送到主控芯片SG3525的3脚同步端［12］，实现功率管的开关频率同步于负载端谐振频率。

2 实验结果分析

实验装置的示意图如图3所示，废气是在工厂中收集的硫化物氮化物等有害气体，和空气在气体混合容器中充分混合后通入到DBD反应器中，设置好每分钟通入气体的流量值，并调节供电电源的功率，在排出气体端取样，通过分析取样气体，来调节供电电源功率，直至排出气体全部为无害气体为止。

为对比没有加入频率跟踪电路和加入频率跟踪电路的功耗，分别做两组实验。第一组，没有加入频率跟踪电路情况下通入废气，记录并分析得到的数据。第二组，加入频率跟踪电路，通入同样多的废气，记录并分析得到的数据。数据对比如表2所示，能清晰的看到频率跟踪电路对整个装置效率的提升非常重要。

图3 实验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of experimental device

表2 有无频率跟踪电路的功耗对比表Tab.2 Power consumption comparison table with frequency tracking circuit

如图4所示，设置通道1是采样的负载端的电流。通道2是采样信号经过过零点比较后得到的过零脉冲信号。无论负载怎么变化，同步脉冲信号始终在电流的过零点附近。

图4 采样信号与同步脉冲信号Fig.4 Sampling signal and synchronous pulse signal

如图5所示，预设工作频率是20 kHz，通道1是逆变器输出的电压波形，通道2是负载端的电流波形。电压信号略超前于电流信号，装置工作在弱感性状态，基本能满足装置工作在谐振或弱感性状态的要求。

图5 负载端的电压电流信号（20 kHz）Fig.5 Voltage and current signal of load terminal（20 kHz）

当负载变化时，谐振频率变为18 kHz，主控芯片起振频率设置为11 kHz，通过频率跟踪电路，主控芯片的频率也能够很好地跟踪负载的谐振频率。如图6所示，通道1是逆变器输出的电压波形，通道2是负载端的电流波形。

图6 负载端的电压电流信号（18 kHz）Fig.6 Voltage and current signal of load terminal（18 kHz）

3 结束语

通过原理分析，为了使整个装置安全可靠的运行，要避免装置工作在容性状态，尽可能工作在谐振状态或弱感性状态。

试验阶段，如果不加入频率跟踪电路，装置也能工作，但是负载端有效电流很小，电压电流相移严重，负载端得到的功率很小，反应器效率较低，整机损耗较大，这不是我们希望看到的结果。

从波形分析来看，虽然电压电流有些波动偏差，但是基本符合预期的弱感性工作状态的要求。

通过原理设计分析和大量的实验验证，新型的频率跟踪技术与传统的锁相环技术相比，电路结构简单可靠，并且参数设计的灵活性更是优势明显，是今后发展的趋势。