交错并联升压无变压器的新型臭氧发生器供电电源

余亚东，张 荻，雷宗昌

(1.平顶山学院 电气与机械工程学院，河南 平顶山 467036;2.河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467000)

0 引言

臭氧作为一种无残留的强氧化剂，被广泛用于水处理、除臭与消毒等领域[1-2].目前工业上有多种合成臭氧的方法，但介质阻挡(Dielectric Barrier-Based Discharge，简称 DBD)放电法是应用最广泛的合成方法，其具有能耗相对较低，单机产量高，气源充足等优点[3-4].目前DBD型臭氧发生器的供电电源大多集中在逆变拓扑结构的创新上，文献[5]利用Royer电路拓扑结构设计了一种低成本的臭氧发生器电源模块，可以实现不同功率等级的输出.文献[6]研究一种新型电流馈电式并联电感补偿负载谐振DBD臭氧发生器供电电源拓扑，该电源功率级由BUCK斩波电路和单相桥式逆变器组成，能够调节电源直流电流能有效地调节发生器放电功率,电源输出功率因数高于0.98.

为了在臭氧发生器负载端保持较高的工作电压和电流，大多数逆变拓扑中均使用了中高频变压器，在这种情况下不仅增加了电路的成本、体积、控制难度和结构的复杂性[7-8]，同时容易出现变压器的磁饱和现象.因此，从这个角度看，在臭氧发生器上寻求一种避免以上弊端的新型拓扑结构的供电电源显得至关重要.笔者提出了使用两路Boost电路进行电压的抬升和使用双级LC谐振网络的无中高频变压器的供电电源来达到臭氧发生器的供电电压，解决了常规供电电源中存在着中高频变压器的磁饱和现象.同时由于取消了中高频变压器使得供电电源体积大大减小，采用交错的Boost电路进行电压的抬升也极大地提升了供电电源的适用范围.

1 交错升压式主拓扑的提出与控制时序的实现

1.1 电路主拓扑的实现

图1给出了DBD型臭氧发生器供电电源的主电路拓扑结构示意图.图中I部分为两路交错升压的Boost电路结构，Ⅱ部分为基于单相全桥的多级LC谐振网络[9-10]，Ⅲ部分为DBD型臭氧发生器本体的等效模型.Q1-Q6为功率开关管，D1-D8为快恢复型二极管，L1-L2和C1-C2为两路交错升压Boost电路中的感性元件和容性元件，L3-L4和C4-C5构成了多级谐振升压的网络元件，Rp和Cp共同构成了DBD型臭氧发生器的等效电路.

图1 DBD型臭氧发生器供电电源主电路拓扑结构

通过合理控制Q1-Q2开关管的导通和关断，实现在一个周期内的连续升压，达到给单相全桥逆变电路较高和较大范围的输入直流电压，极大地拓宽了逆变桥的输入电压范围，同时合理控制Q3-Q6功率开关器件的导通和关断时序以及利用多级LC谐振，可以给DBD型臭氧发生器负载端施加几千伏的电压，且能够保持稳定，避免了变压器的磁饱和性和损耗大等缺点.

假定全桥逆变电路中开关管的开关时序的占空比设定为0.5[11-12]，则在频域范围内的电压增益表达式为:

(1)

式中：Vg(jw)为谐振后的输出电压，Vin(jw)为逆变之后的电压,Zout为谐振的输出阻抗，Zin为谐振的输入阻抗，ω为角频率，Wp为无阻尼振荡频率,Qp为负载品质因数.Wp、Qp的值如下所示：

(2)

L4为第二级谐振电感，C5为第二级谐振电容.

(3)

(4)

(5)

式中:Av为整个电路的电压增益.若Qp≫1，那么可以得到,Wr≈Wp，Avm≈Qp,即开关频率等于谐振频率时，电压增益最大.

1.2 控制时序的实现

为了能够在图1所示的主电路拓扑结构中实现臭氧发生器的高效放电，设计了如图2所示的开关管的驱动时序图.在图2中，P1-P6为开关管Q1-Q6的驱动信号；t0-t6为开关切换时刻；t0-t3时间段内构成该供电电源工作的正半周期；t4-t6时间段内构成了该供电电源的负半工作周期.

图2 控制时序的实现

2 仿真分析与实验验证

2.1 仿真分析

为了验证笔者所提出的新型供电电源拓扑结构的正确性，采用MATLAB/Simulink仿真软件，搭建了电源系统的电路模型.图3给出了臭氧发生器两端的电压曲线.从图3中可以清晰地看出，发生器两端的电压呈明显的正弦特性，且峰值电压可达到15 kV，可以在无需升压变压器的条件下达到良好的放电效果.

2.2 实验验证

按照图1所示的主电路和图2所示的控制规律搭建与试制了一台10 g/h产量的中频DBD型负载交错升压双级LC谐振的臭氧发生器实验装置.在实验装置中，正常工作下臭氧发生器的等效电阻Rp=7 Ω，等效电容Cp=1.49 μF，逆变电路的工作频率设定在5～50 kHz.实验得到了在工作频率为10 kHz的臭氧发生器上的电压波形示意图.

对比图 3和图 4可以发现：DBD 型臭氧发生器端负载电压的实验波形和仿真波形具有较高的吻合度.这也直接证明了笔者提出的新型无变压器电源拓扑结构的合理性和理论分析的正确性.

图3 仿真波形

图4 实验电压波形

3 结论

基于直流交错升压和双级谐振的基本原理，提出了一种能够无需变压器的新型DBD型臭氧发生器供电电源拓扑，在合理的控制时序下，实现了良好放电效果，仿真和实验直接验证了提出的新型拓扑结构的可行性.