（测试计量技术及仪器专业论文）新型臭氧发生器电源的研究与设计.pdf

新型臭氧发生器电源的研究与设计 摘要 目前工业上最常用的产生臭氧的方法是介质阻挡放电法，简称为d b d 法。在 臭氡发生器的等效电路和电气参数一定的情况f ，供电电源的性能和品质就成了 d b d 法生成臭氧的效率的关键所在。 在现今常用的臭氧发生器的电源拓扑中，逆变器主功率开关器件在运行过程 中不同程度存在着开关损耗的问题，尤其在工作频率较高的情况下，开关损耗问 题更为突出，使得主开关器件吸收回路和系统控制时序复杂，且系统功率因数较 低，严重影响了电路工作效率和开关频率的提高，臭氧发生器功率的提升也受到 了较大限制。 本文在深入研究感应加热双频准谐振逆变电源拓扑的基础上，将此逆变拓扑 移植于臭氧发生器电源，提出了一种新颖的双频准谐振臭氧发生电源。构建了基 于双频逆变拓扑的双频准谐振臭氧发生器逆变系统，给出了逆变电路结构图，在 时域范围内详细研究与分析了电源在半个工作周期内的工作原理和工作模态，推 导出了电源的各模态数学模型。基于数学模型，得到了电源的调节特性、主要参 数，如放电功率、放电能量、介质层峰值电压等的计算公式。采用d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 处理器为核心，研究、设计了双频准谐振臭氧发生电源的控制系 统，并用d s p 设计了p w m 脉冲发生、数字锁相环频率跟踪和死区时间的实时数 字化调节功能，给出了过零比较、相位检测、i g b t 驱动电路等电源控制系统功能 模块的硬件电路图，同时，研究了双频电源的预充电启动方法，详细分析了电路 预充电过程和启动过程并设计了启动电路。通过对臭氧发生装罱实例的设计和仿 真研究，验证了本文理论研究成果的合理性与可行性，表明双频准谐振逆变拓扑 结构是可以应用于大功率d b d 型臭氧发生器供电电源的，预充电启动方法能实现 电源的可靠启动。 关键词：臭氧发生器；介质阻挡放电法；双频；逆变器；软开关：数字锁相环； 死区时间：预充电启动 i 硕i 。学位论文 a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h em o s tc o m m o nm e t h o do fo z o n eg e n e r a t i o ni st h ed i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e ，n a m e da sd b d m e t h o d a st h er e l a t i v ec i r c u i t sa n de l e c t r i c a lp a r a m e t e r so f t h eo z o n i e rh a v eb e e nd e f i n e d ，t h ep e r f o r m a n c e sa n dt h eq u a l i t i e so ft h ep o w e rs u p p l y o ft h eo z o n i e rb e c o m et h ek e yp o i n t so ft h ee f f i c i e n c yo ft h ed b dm e t h o d st h a t g e n e r a t et h eo z o n e d u r i n gt h eo p e r a t i o n ，t h et o p o l o g i e so ft h ep o w e rs u p p l yw h i c hu s e di nn o w a d a y s ， i t sm a i np o w e rs w i t c h e so ft h ei n v e r t e rm a ym o r eo rl e s sc a u s es w i t c h i n gl o s s e s ， e s p e c i a l l ya th i g h o p e r a t i n gf r e q u e n c y ，w h i c hm a k et h ea b s o r b i n gl o o p so ft h ep o w e r s w i t c h e sa n dt h ec o n t r o l l i n gs e q u e n c e sr e l a t i v e l yc o m p l e x i t y o t h e r w i s e ，t h ep o w e r f a c t o ro ft h ep o w e rs y s t e mb e c o m e sv e r yl o w t h e s ed i s a d v a n t a g e se x t r e m e l ya f f e c t t h ei m p r o v i n go ft h ec i r c u i t so p e r a t i n ge f f i c i e n c ya n dt h es w i t c h i n gf r e q u e n c ya sw e l l a st h ep o w e ro ft h eo z o n i e r a f t e rt h o r o u g h l yr e s e a r c h e dt h et o p o l o g yo ft h ed u a l - - f r e q u e n c yq u a s i r r e s o n a n t i n v e r t e r ，t h i sp a p e rt r a n s p l a n t e dt h a tt oap o w e rs u p p l yo fo z o n i e r , a n dt h e n ，an o v e l d u a l f r e q u e n c yq u a s i r e s o n a n to z o n i e rp o w e rs u p p l yw a sp r e s e n t e d a f t e rt h a t ，a d u a l - f r e q u e n c y q u a s i - - r e s o n a n t o z o n i e r i n v e r t i n gs y s t e m w h i c hb a s e do n d u a l f r e q u e n c yi n v e r t i n gt o p o l o g yw a sb u i l d l a t e r ，t h ei n v e r t i n gc i r c u i t sw e r eo f f e r e d ， t h e n ，t h et h e s i sc a r e f u l l yr e s e a r c h e dt h eo p e r a t i n gt h e o r i e sa n dm o d e s m o r e o v e r , t h e m a t hm o d e l so ft h ee a c hm o d e so ft h ep o w e rs u p p l yw e r ed e d u c e di nt i m ea r e ai nh a l f p e r i o d b a s e d o nt h em a t hm o d e l s ，t h ec a l c u l a t ef o r m u l a so ft h e a d j u s t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em a i np a r a m e t e r si np a r t i c u l a r ：d i s c h a r g ep o w e ra n dt h e m a x i m u mv o l t a g eo ft h ed i e l e c t r i cl a y e rw e r eg o t t e n o t h e r w i s e ，t h i st h e s i sh a sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e dac o n t r o ls y s t e mo ft h ep o w e r s u p p l yo fd u a l f r e q u e n c yq u a s i - r e s o n a n to z o n i e rb a s e do nd s p - t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 t h e n m a k et h ec r e a t i o no ft h ep w m p u l s ei n t or e a l i t ya sw e l lt h ed i g i t a lp h a s el o o pl o c k e d a n dt h er e a lt i m ed i g i t a ld e a d t i m e m o d u l a t i o n t h eh a r d w a r ec i r c u i t so ft h ee a c h f u n c t i o nm o d u l e sa b o u tt h ep o w e rc o n t r o 】s y s t e mt h e nw e r ep u tf o r w a r d ，p a r t i c u l a r l y z e r oc r o s s i n gd e t e c t i o n ，p h a s e c o m p a r i n g ，i g b t - d r i v i n gc i r c u i t s m e a n w h i l e ，t h er e s e a r c ho np r e c h a r g es t a r t i n gm e t h o do ft h ed u a l - f r e q u e n c y p o w e rs u p p l yw a ss u c c e s s f u lb yp a r t i c u l a r l ya n a l y z i n gt h ep r e c h a r g i n gc i r c u i ta n d s t a r t i n gc i r c u i ta sw e l la st h es t a r t i n gp r o c e s s v i at h er e s e a r c h e so fd e s i g n i n ga n d i i l 瓤型臭氰发生器屯源的州究与设计 e m u l a t i n go ft h er e a le x a m p l eo ft h eo z o n i e rg e n e r a t o r ，t h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h er e s e a r c hr e s u l t sw e r ep r o v e dt ob ec o r r e c t ，w h i c hi n d i c a t et h a ti tw a sp o s s i b l ef o r t r a n s p ! a n t e dd u a l _ _ f r e q u e n c yq u a s i - - r e s o n a n ti n v e r t i n gt o p o l o g yi n t op o w e rs u p p l yo f t h eh i g hp o w e rd b do z o n i e r a n dt h ep r e c h a r g es t a r t i n gm e t h o dc o u l dm a k eu s eo f s t a r t i n gt h ep o w e rs u p p l yc r e d i b i l i t y k 略w o r d s ：o z o n eg e n e r a t o r ；d b d ；d u a l - f r e q u e n c y ；i n v e r t e r ；s o f t - s w i t c h ； d p l l ；d e a d - - t i m e ；p r e - c h a r g es t a r t i n g 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 稍秒 日期：湃乒r - a z 8 4 0 e v ) ，商能电子与氧分子碰撞分解氧分子形成电离，产生氧原子，使气隙 被击穿形成大量的微放电。这种放电表现为相当均匀的、散漫和稳定的，貌似低 气压下的辉光放电，但实际上是大量的细微的脉冲放电通道组成。经三体碰撞， 新型臭氧发生器电源的研究与设计 氧原子和氧分子结合生成臭氧。由于臭氧分予的不稳定性，臭氧形成以后，又会 有少部分臭氧会还原成氧气，而且气体温度的升高，会加快臭氧的分解。 介质阻挡放电中，臭氧的形成过程是一个极为复杂的过程，包括放电电离过 程和发生在气隙中的一系列化学过程。 显然，臭氧生产的反应是可逆反应，当臭氧生成与分解处于相对平衡时，就 可在气隙内获得一定浓度值的臭氧，形成臭氧气体。 1 2 臭氧发生系统和发生器等效电路 现代水处理用大功率介质阻挡放电臭氧发生系统的构成框图如图1 2 所示，按 功能可划分为：供电电源、臭氧发生器、气源、冷却、气水混合、自动检测、自 动控制和安防八个部分【2 1 。 图1 2 水处理介质阻挡放电奥餐发生系统构成框图 在d b d 臭氧发生装置中，气源有空气源与氧气源之分，气源系统提供的气 体是臭氧产生的原料，气源系统的作用就是为产生臭氧提供干燥、洁净的空气 或氧气气源。臭氧发生器对气源系统有一定的技术要求，具体体现在一些技术 指标上，在此不做详细介绍。冷却系统是为臭氧发生器产生臭氧时的散热而设 计，对于大功率系统通常采用水冷，冷却方式有低压电极单冷式和高、低压电 极的双冷式，单冷式常为直通式的，双冷式采用循环式。控制系统负责整个臭 氧发生系统的控制功能，电源系统为臭氧发生器产生臭氧提供能量，其性能的 好坏直接影响到产生臭氧的效率。因此供电电源和臭氧发生器成为系统的核心与 关键，几十年来一直是臭氧技术研究与发展的重点，也是大功率臭氧发生的难点。 传统电源中，逆变拓扑结构各桥臂的开关器件一般运行于硬开关或准软开关状态， 功耗大、效率低、控制时序较复杂，成为限制臭氧技术朝大功率与高效率发展的 瓶颈。 硕士学位论文 根据电源的频率，发生器放电可分为工频( 5 0 h z ) 、中频( 几百几千h z ) 和高频( 1 0 k h z ) 介质阻挡放电。发生器等效电路如图1 3 所示，由图可见，发 生器负载特性呈明显的容性。图1 3 ( a ) 为高频等效电路，图i 3 ( b ) 、( c ) 为工频与 中频的两种不同形式的等效电路【3 。 受功率开关器件和变压器铁芯材料的限制，大功率臭氧设备的工作频率常采 用中频或者工频，故图1 3 ( b ) 、( c ) 是目前国内外臭氧电源技术最常用的等效电路 | 5 , 6 7 1 ，随着软开关技术及数字电路控制技术的发展，高频大功率臭氧发生电源将 成为今后的发展方向。 ( a ) 高频等效电路 z ( b ) 中低频等效电路1( c ) 中低频等效电路2 圈1 3 奥氧发生器等效电路 图1 3 ( b ) 、( c ) 中，“表示发生器的端电压，c 。表示介质层的等效电容，c 。表 示未放电时气隙的等效电容。当气隙电压低于气体放电起始电压时，交变电场不 能使气隙内的氧分子发生电离，发生器不放电，可等效为一个电容c ，整个介质 阻挡放电电路可以认为由介质阻挡层电容q 和气隙电容c 。串联构成；当气隙上的 电压降增大并超过气体放电起始电压时，交变电场能够电离氧分子，使气隙被击 穿而放电，在放电过程中，气隙上的电压降几乎维持不变，这个电压称为放电维 持电压( ，此时气隙可等效为一个电压源，为表征在外加电压正负半周期内的特 性，故用气隙电容与单相整流桥直流电源u ，的并联，或用稳压值为u z 的反串齐纳 二极管z 与气隙电容的并联等效工作中的气隙放电特性峭j 。c 。、c 。和称为发生 器的结构参数，与发生器内的温度和气隙中的气体参数( 流量、压力、露点、含 量) 有关，当温度和气体参数不变时，q 、c 。和u ：可认为是常数。 1 3 臭氧发生器电源技术 d b d 型臭氧发生器供电电源是d b d 型臭氧发生器中的重要组成部分，供 电电源的电压、频率和波形是影响臭氧发生器效率的重要因素。发生器的结构、 气源和冷却系统确定之后，电源系统的性能与品质就成了影响发生器效率的关键。 臭氧发生器电源经历了工频与中高频电源两大阶段。上世纪7 0 年代的臭氧发生器 主要用工频电源供电，由自藕变压器将电网电压升高到数千伏到数万伏，直接加 到发生器。上世纪8 0 年代后，半导体器件的发展使臭氧电源发生了质的变化，逆 变式电源成为了臭氧发生电源的主要形式。在该类电源中，用整流器将工频交流 电整流成直流电，经逆变电路转换为单相中高频交变电，再经中高频升压变压器 升压至发生器放电所需的电压。与工频供电相比，中频逆变电源具有系统体积小， 电源效率高，臭氧产量大，可线性调节范围宽、对电网污染小等显著优点2 1 。因此， 中高频逆变电源成为了近二十年来工业化生产中被广泛应用的中大功率臭氧发生 电源，世界各地科技人员研究的重点。对于中高频电源系统，逆变电路所采用的 拓扑结构、控制方式以及工作频率起着至关重要的作用。拓扑结构与控制方式的 恰当选择与配合，不仅有利于提高系统的工作频率和开关频率，而且可以有效降 低开关器件的损耗、改善吸收回路，使调功方式变得简单，从而大大提高电源的 效率。 1 3 1 常用逆变拓扑 臭氧发生器电源逆变主电路就是由逆变开关器件组成的变换电路。逆变式的 功率变换电路形式有很多种，包括单端正激、单端反激、推挽式、半桥式、全桥 式等几种，它们的性能和特点各不相同，应用的方向也有各自的特点。 f 激、反激、推挽式的优点在于结构简单、功耗低、成本低【9 1 ，但由于输出功 率受到较大限制，因而仅用于小功率臭氧发生器，臭氧产量一般低于5 0 9 h ，常用 于小面积空气消毒，饮水机和家用空调空气洁净等领域。半桥结构由于减小了原 边开关管的开关应力，结构较为简单，功率较前所述几种结构要大，故应用于中 小型臭氧发生器，臭氧产量一般小于1 5 0 0 9 h 。全桥变换电路是目前国内外变换电 路中最常用的电路拓扑形式之一，具有磁芯利用率高、滤波电感小、输出功率大、 可靠性高等优点，在大功率应用场合更是首选拓扑。大功率臭氧发生电源常采用 i g b t 、m o s f e t 等大功率开关管构成的h 型单相逆变桥将直流电逆变成单相 交流电，经升压变压器将交流电升压至发生器放电工作需要的电压等级。电路 结构如图1 4 所示。 z 图1 4 全桥变换臭氧发生器电源结构 全桥变换电路包括硬开关技术逆变器和软开关技术逆变器【1 0 j 。早期的介质阻 挡放电装置多采用硬开关技术逆变器，随着工作频率的提高，开关损耗显著增 加，限制了工作频率的进一步提高。所谓硬丁i 关技术是指在丌关切换瞬问，丌关 两端有电压或电流，所以不可避免的会产生开关损耗和e m i 问题。同时，由于寄 生电容和漏感的存在，在开关切换瞬间还会出现很高的电压电流峰值。 为了解决硬开关电路开关损耗大、开关管电压应力和电流应力大的缺点， 软开关技术得到了广泛的应用 1 1 】。软开关技术是让开关在两端电压或电流为零 或极小的瞬间切换，从而避免了开关损耗和e m i 问题。产生这个零电压或零电流 瞬间的方法则是在硬开关技术拓扑结构的基础上增加由电感l 、电容c 或其它诸 如二极管或辅助开关等元器件组成的谐振网络，控制谐振网络使主开关在切换时 两端的电压或电流为零或者很小，从而给开关的零电压零电流切换( 即软开关技 术) 提供了可能的条件。在谐振软开关电路中，开关器件在零电压或零电流条件 下切换，理论上开关损耗为零。因此，与硬开关电路相比，在采用同一类型开关 器件的条件下，谐振软开关电路可以很轻松地在高出一个或几个数量级的开关频 率下工作。高的开关频率使谐振软开关电路具有许多明显的优点，如低噪音，低 电磁干扰( e m i ) ，输出波形的谐波成分少；另外，由于开关器件在零电压或零电流 条件下动作，开关器件的动态过程大为改观，这使得缓冲电路成为多余，散热器 尺寸明显减小，从而使设备尺寸及重量也随之大量减小，开关器件可在高可靠性 和高效率条件下工作。总而言之，人们过去在硬开关p w m 电路设计中追求的许 多目标，在软开关条件下都很容易实现。 由于谐振软开关逆变电路与常规硬开关逆变电路比较具有明显的优点，因此， 近十年来，国内外的许多研究人员每年都有大量的关于这个领域研究的论文发表， 目前己提出多种不同拓扑结构的谐振软开关逆变电路【l ”。 常用的软开关技术逆变器包括谐振过渡逆变器、谐振环节逆变器、负载谐振 逆变器等等。 谐振过渡逆变器的输入总线电压或电流是固定不变的，而软开关条件的实现 是通过逆变开关两端的电压和电流谐振丽产生的。理想情况下，谐振只发生在开 关过渡的瞬间，而且谐振的能量要足够大，以满足产生z c s 或z v s 的条件。此种 逆变器由于为了给主开关器件创造一个z v s 条件，必须是电感电流足够大以满足 和谐振电容之间的能量交换，因而功率器件的感性损耗可能要比传统意义上的 p w m 逆变器高出很多，而且导致了过高的元器件成本和过低的开关利用率，在一 定程度上限制了在臭氧发生器电源方面的应用。 在谐振环节逆变器的电路中，谐振环节位于直流总线上。这种类型逆变器由 于在直流环节上进行谐振，使得谐振电容两端电压高达直流电匿源电压的2 3 倍， 从而使主开关器件所承受的电压应力明显增加，且谐振电感的电阻将消耗很大一 部分输入功率，造成逆变器效率降低及谐振电感发热。 负载谐振式逆变器是臭氧发生器应用最广泛的变换电路。因发生器负载表现 为种可变的容性负载，故为提高电源功率因数，常采用补偿电感使电路工作 新型臭氧发生器电源的研究与设计 于负载谐振状态。谐振网络和负载相连，在整个开关周期内以一定频率进行振 荡，这种负载上振荡的电压和电流就可以为逆变桥中的主功率器件创造z c s 或z v s 条件，从而构成负载谐振逆变电路。根据补偿电感与负载的联接方式， 可分为串联谐振和并联谐振两大类。图1 5 ( a ) 、( b ) 所示分别为串联、并联负载谐 振式逆变电路10 1 。 + u a ) 串联谐振负载电路 z b ) 并联谐振负载电路 图1 5 串、并联谐振负载电路 串联谐振式逆变器适合于承受反压能力较差的i g b t 、m o s f e t 和s i t 等 自关断功率开关器件。串联谐振式逆变器输入端有储能电容，相对并联谐振式 逆变器起动较为容易。串联谐振式逆变器的输出功率调节方式较并联谐振式逆 变器更为灵活多样。串联谐振式逆变器整流部分可采用二极管整流实现，输出 功率的调节可通过移相控制调节逆变器输出方波电压的宽度实现。缺点在于， 串联谐振式逆变器采用大电容滤波，当发生上、下桥臂短路故障时，由于电容 电压不会突变，因此瞬时放电电流将会很大，远远超出了功率器件的额定电流， 如果不能在器件的允许短路时间内将器件关断，就会造成器件的永久性损坏。 并联谐振式逆变器采用大电感进行滤波，在负载发生短路故障时，由于电 感电流不能突变，所以电流上升率得以抑制，保护起来比较容易，不易损坏功 硕士学位论文 率器件l l ”。并联谐振式逆变器具有负载适应能力强，运行稳定的特点i 】。缺 点在于，并联谐振式逆变器在换流其间逆变开关器件有可能承受反压，而用于 d b d 型臭氧发生器电源的自关断器件i g b t 、s i t 、m o s f e t 等的承受反压的 能力低。如果用反并快速二极管予以保护，则会出现环流损坏器件。因此每一 桥臂必须串入与开关器件相同等级的快恢复整流二极管，以承受反向电压。并 联谐振式逆变器启动比较困难，启动时间比较长，需对滤波大电感预充电，故 控制系统也相对比较复杂。并联谐振式逆交器采用大电感滤波，带来了短路保 护比较容易的优点，但同时也带来了缺点：在大功率d b d 型臭氧发生器电源 中，此大电感的容量非常大，因此体积也非常庞大，从而使整个装置体积增大。 串联谐振式逆变器中输出电流f 。近似为正弦波，对发生器而言，形成正弦 波电流供电：并联谐振式逆变器中输出电压u , t o 近似为正弦波，对发生器而言， 形成正弦波电压供电。其中串联谐振式逆变器以其适合自关断器件、启动容易、 输出功率调节方式灵活多样、电流谐波较小等优点而被更多的使用。缺点在于， 当要求品质因素较高时，必须使谐振元件容量加大，从而使逆变器中的各个元 器件都要承受较高的电压和较大的电流，因此谐振逆变器的应用也受到的一定 的限制。 1 3 2 常用控制方法 臭氧发生装置在运行过程中根据实际情况需要对臭氧的产量与浓度进行 调节。在实际应用中，可以通过调节臭氧发生器供电电源的功率来调节臭氧的 产量与浓度。由于臭氧发生器电源主电路由整流部分和逆变部分( 串联谐振式 逆变电路) 组成，因此对供电电源功率的控制就体现在对组成臭氧电源的整流 电路和逆变电路的控制上。近些年来有关串联谐振式感应加热电源和串联谐振 式臭氧发生器电源输出功率控制方法的报道很多，主要包括调压调功、调频调 功( p f m 调功) 、脉冲密度调制调功( p d m 调功) 、脉宽调制调功( p w m 调功) 等方法，下面对这些方法做一个简要的综述。 调压调功，包括移相调功和斩波调功。移相调功通过控制整流桥晶闸管的 导通角控制整流输出电压达到调功的目的。这种方法的缺点是在深度控下网侧 功率因数低，动态响应慢f 1 4 。6 i 。但该方法电路简单成熟，控制方便。斩波调功 通过斩波电路控制整流输出电压的大小达到调功的目的。其主电路通常采用不 可控整流+ d c d c 变换器+ 串联谐振式逆变器的拓扑结构。斩波调功具有网侧 功率因数高，电压动态响应快，保护容易等优点。但由于在电路中加入了直流 变换环节，电源的整机效率和可靠性会降低。 调频调功( p f m 调功) ，是通过调节逆变器输出电压的频率，从而改变负 载阻抗角，即逆变器输出电压与电流之问的相位差，进而改变输出功率的一种 新型臭氧发生器电源的研究与设计 调功方法。当逆变器频率等于负载固有频率时逆变器输出功率最大。p f m 调功 不需要调压环节，控制简单，但也存在电路工作频率变化比较大，当输出功率 较小时，功率因数很低，负载的适应性较差等缺点。 脉冲密度调制调功( p d m 调功) 。p d m 控制是通过控制脉冲密度，实际上 是控制向负载馈送能量的时间来控制输出功率。p d m 方法的主要优点是：输 出频率基本不变，开关损耗相对较小，易于实现数字化控制。缺点是：逆变器 输出功率的频率不完全等于负载的自然谐振频率，在需要功率闭环的场合中， 工作稳定性较差。p d m 的另一个缺点是功率调节特性不理想，呈有级调功方 式。 移相式的脉宽调制调功是一种脉宽调压控制方式，其调压原理是通过调节 逆变桥移相桥臂驱动信号与基准桥臂驱动信号的相位从而改变输出电压的脉 宽，从而调节基波电压的幅值，实现功率调节。移相p w m 因为是常规p w m 控制和谐振软开关的融合，具有常规p w m 控制恒频的特点，又能在调功过程中实 现z c s 或z v s ，减少了开关损耗和电磁干扰而得到了更为广泛的应用。 1 4 双频逆变拓扑的提高 以上仅仅介绍了比较常用的一些逆变拓扑结构和控制技术，其中移相 p w m 控制的负载谐振式( 软开关逆变器) 技术以开关损耗和导通损耗小、网 侧功率因数高等方面的突出优势成为了人们研究臭氧发生电源时的首选。但由 于这些逆变器运行过程中，主开关器件都是只在一定的工作状态和工作时间内 处于软开关状态，并没有在整个工作过程中实现完全的软开关，或多或少会有 开关损耗问题的凸显，在频率较高的场合，开关损耗仍然很明显，电源效率受 到较大的影响。此外，由于每个主开关器件都需要吸收回路，吸收回路需要较 大电阻、电容和二极管，这不但增加了整个装置体积和安装难度，而且不能节 约能源，造成了系统的复杂度增加、可靠性降低，另外由于需要进行对称桥臂 之间的移相来调功，使得控制时序较为繁琐，调功精度也相应受到影响，一定 程度上影响了臭氧发生电源的可靠性和实用性。 基于以上考虑，有必要寻找一种新的拓扑结构，在电路整个工作过程中实 现完全软开关，且可通过简单的控制方式实现调功。文献【4 】提出了一种应用于 感应加热的新型双频准谐振逆变拓扑结构，这种拓扑结构可在适当控制策略的控 制下方便实现功率开关器件的真正软开关，在整个电源工作周期内真正实现了零 开关损耗，并且可通过控制开关器件的导通时间，方便的实现功率调节，控制方 法采用简单的p w m ( 脉宽调制方法) 。尽管感应加热的负载是感性的，而臭氧发 生的负载是容性的，由文献【2 】知，串联谐振式臭氧发生器可通过串联补偿电感构 成串联谐振式电源的负载，从而补偿发生器的容性无功；而感应加热可通过串联 硕士学位论文 补偿电容构成串联谐振式电源的负载，从而补偿感应加热的感性无功。可见臭氧 发生器和感应加热在电气负载特性上都可等效为l c 串联电路，因此，可以将双频 准谐振逆变拓扑结构应用于臭氧发生器。 1 5 本文的研究内容及创新点 本文在对成熟应用于感应加热电源的双频准谐振逆变拓扑结构进行深入分析 的基础上，将此结构成功应用于负载成容性的臭氧发生器，提出了一种新颖的双 频臭氧发生电源。 论文的研究内容围绕以下几个方顽展开： 第l 章；绪论 介绍了臭氧的性质和介质阻挡放电产生臭氧的方法。简单介绍了介质阻挡 放电臭氧发生系统和发生器的几种等效电路。随后对臭氧发生器电源技术进行了 综述，在比较硬开关技术和软开关技术的基础上，分析了常用的逆变拓扑结构， 并介绍了常用的控制方法，提出了应用双频准谐振逆变拓扑结构于臭氧发生器电 源的思想。 第2 章；多频逆变电源的理论分柝 在对双频逆变拓扑结构进行介绍、分析的基础上，设计了基于双频逆变拓扑 的双频准谐振臭氧发生器逆变系统，给出了逆变电路结构图，在时域范围内分析 了电路在半个工作周期内电路的工作模态，并推导出臭氧发生器介质层电压以及 放电功率、放电能量的时域表达式，分析了电源功率的调节特性，最后运用 s i m u l i n k 搭建了逆变电源主电路的仿真模型，实现了对电路的仿真，并给出仿 真结果，证明了此方案的可行性。 第3 章：多频电源的控制实现 研究了采用d s p 实现双频电源控制的方法，重点给出了p w m 波形产生、利 用d s p 实现数字锁相环( d p l l ) 构建频率跟踪控制系统、和利用d s p 实现实时 数字化调节死区时间的原理。最后给出了逆变电源系统各功能模块的硬件电路的 设计，并用仿真证明了结果。 第4 章：双频电源启动电路的分析与设计 介绍了预充电启动电路的实现原理，几种常用启动电路的结构及其优缺点， 经过分析对比后，选定预充电启动方式作为双频电源的启动方式，详细分祈了启 动电路与启动过程，并给出了仿真结果。 第5 章：实例设计 报据前几章的分析，得出了臭氧发生器电源系统的模式化设计公式。参照给 定的2 k g h 臭氧电源的具体技术指标和参数，设计了实例。按照计算所得电路参数 进行仿真，得出电路放电电流和电压波形的仿真结果，以验证计算结果的准确性， 新型臭氧发生器电源的研究与设计 从而证明了电路的可行性。 此电源电路具有结构简单、功率因素高、控制方便、逆变主电路开关器件完 全软开关、启动成功率高等突出优点。 本文研究成果的创新点体现在以下几个方面： a ) 将双频逆变拓扑成功地运用于臭氧发生器，提出了双频逆变臭氧发生嚣电 源系统。 b ) 从理论分析和仿真两方面研究了双频逆变臭氧发生器电源系统，设计了简 单、高效的控制、调节方法。 c ) 采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 实现数字频率跟踪控制和最佳死区调节控制。 d ) 设计了应用于双频逆变电源的启动电路。 硕士学位论文 第2 章双频逆变电源的理论分析 本章介绍了成熟应用于感应加热的双频准谐振逆变拓扑结构，在对双频逆变 拓扑结构进行详尽分析的基础上，将此拓扑应用于臭氧发生器，提出了一种在整 个工作过程内实现完全软开关，开关器件的开通和关断损耗为零的新型双频臭氧 逆变电源；给出了电路拓扑结构图，介绍了电路的工作过程和控制方法。在时域 范围内分析了电路在半个工作周期内的电路的工作模态，通过对电路稳态工作过 程波形的推导，得出了臭氧发生器介质层电压以及放电功率、放电能量的时域表 达式，分析了系统的调节特性；最后给出了主电路的仿真图，证明了该方案的可 行性和实用性。 2 1 双频准谐振逆变拓扑结构 双频意即电路在工作过程中，具有低频疋和高频如两个工作频率，矗大约几 倍到十倍于疋，常用于感应加热，低频疗用于预热，高频矗用于加热，从而达到 减少热应力的目的。常规谐振逆变器的工作频率即谐振频率在电路整个工作过程 中是一直固定不变的，为了实现预热和加热两种工作方式，常采用频率为疗、厶 的两个逆变器供叫”，不可避免存在着成本高、可靠性低、电路复杂和切换繁琐、 控制麻烦等不利因素。因此有必要寻找一个能够工作在不同频率下的逆变电路用 以解决上述问题。 基于由一个电路产生两种不同频率电源的目的，文献【4 】提出了一种新型双频准 谐振逆变拓扑结构。图2 1 示出采用i g b t 作为开关器件的半桥式双频逆变拓扑电 路结构。电路的主要特性在于利用开关器件控制电容c 是否接入主电路，从而改 变电路的结构，实现电路工作频率的变化。 图2 ，1 感应加热双频逆变电路拓扑 图中，r 为负载等效电阻，三为感应加热器的等效电感，c 为附加谐振电容， 新型臭氧发生器电源的研究与设计 q 3 和0 4 是用于短路附加谐振电容的i g b t ；0 1 和q ：为半桥逆变主功率开关； d ，d 4 为与q i q 4 串联的二极管。电路在运行过程中，利用开关器件q 3 和q 4 自动 实现电容c 在主电路中的接入或断开。当c 接入电路时，电路处于l c 谐振，工作 频率为高频厂，当c 从电路中断开时，电路处于放电状态，放电时间常数大， 使电路工作频率为低频一，因此在整个电路工作周期中，电路具有矗和斤两个工 作频率，并且可以通过调节电容c 接入电路和从电路断开的占空比，实现对厂m 的灵活调节。此逆变拓扑构成的逆变器输出信号的频率在较宽范围内可调，高频 可以达到低频厂，的十倍甚至几十倍以上。电路在整个周期中处于准谐振状态，输 出电流是近似正弦的信号，包含有大量的谐波，恰当控制电路的死区时间乃，可 有效她抑制电流信号的高次谐波。 图2 2 典型工作波形 图2 2 示出逆变器输出电流i 和附加谐振电容两端电压的典型工作波形，以 及模态分类。在电路的一个工作周期t 内，存在8 个工作模态。假定在模念1 开 始之前，电容c 已经充有一的电压。同时假定g q 4 、d l d 4 都是理想开关器 件。由于半桥逆变的正负半个工作周期具有对称性，下面只分析i f 半工作周期内 的工作模态，负半工作周期的模态与正半周期相仿。具体工作模态分析如下： 硕士学位论文 模态1 【f 0 】：在岛时刻启动电路，即开通q 1 、q 3 ，由于负载电感的作用， q i 为零电流开通，但是由于d 3 两端为反压一，d ，截止，使q 3 不能马上导通，负 载电流i 在l c 谐振状态下上升，电容c 两端电压从一圪谐振充电上升，在t ，时刻， 1 厅 v c = 0 ，模态1 结束，谐振频率为厶= 圭1 f 去，此模态时长为0 ，可称为负载电 二丌yl l 流谐振上升阶段。 模态2 【 岛】：时刻，电容c 两端电压v ，谐振上升到零时，识正偏导通， 此后c 的电压维持为零，使9 零电压开通，电路变成由电源e 与负载三、r 构成 的感性回路，在所需的时间瓦之后结束此模态，设控制电源以固定周期r 运行， 则调节瓦的长度可调节电源工作周期的占空比，实现功率调节。在t ：时刻关断q ， 由于c 上电压为零，使q 3 为零电压关断，e 也随之截止，有瓦= t ：一t o 。 模态3 【t ：叫，】：在r 2 时刻关断9 3 后，负载电流f 又在l c 谐振状态下减小， 电容c 两端电压谐振上升。当i 下降到零时，屹电压达到最大值圪，q 1 零电流 关断，二极管d l 截止，此段时间也持续r ，z 由电路在f ，时刻的参数决定。 模态4 【t ，t 4 】：i 下降到零后，即时刻后，电路进入不工作模态，在此模 态中可在零电流零电压下关断q 1 ，等待下半个工作周期。在t 。= r 2 时，下半个周 期开始工作。显然，该模态的持续时间疋r 2r or ，为保证电源的正常运行， 须保证乃0 ，由此可见，电源工作周期的占空比d = r o r 受r ，的限制，d o 5 。 模态5 8 是模态l 4 的对称工作模式，与模态1 卅相仿。 电路的工作频率可通过调节周期r 来实现，并且可以通过调节实现对输出 电流i 的调节。在工作过程中，c 上电压峰值将保持不变。 由图2 2 所示的典型工作波形图可直观的看到，输出电流i 的波形在半个工作 周期 o ，吖2 】内成明显的两个频率，即所谓的双频。并且q l 、q 2 零电流开通零电 流关断，q 、q 4 零电流开通零电压关断，使得所有主开关器件在工作周期内均实 现了完全软开关，开关损耗为零。 综上所述，双频逆变拓扑在感应加热的应用中具有很强的实用性，其优点得 到了很好的利用。考虑到臭氧发生器与感应加热的对偶性，本文意在将双频逆变 拓扑运用于臭氧发生器，下一节论述将双频逆变拓扑如何运用于臭氧发生器电源。 2 2 臭氧发生器双频逆变电路结构与分析 前已述及，目前应用于臭氧发生器的逆变器大都为负载谐振式逆变拓扑，虽 然在工作周期内可实现软开关，但是并没有实现完全软开关，仍然不同程度的存 在着开关损耗问题，限制了开关频率的进一步提高。而双频逆变拓扑在整个工作 周期内真正实现了完全软开关( z c s z v s ) ，开关损耗为零，这就意味着在大幅度 提高器件的开关频率和电路工作频率的同时，开关损耗不会随之增加，因而电源 新型臭氧发生器电源的研究与设计 功率密度得到了很大的提高。高的开关频率使电路具有低噪音、低电磁干扰( e m i ) 等优点，并且由于开关损耗为零，可以缩小甚至去掉开关功率器件的吸收回路， 达到提高效率，减小散热片和冷却器体积的目的。 双频拓扑的另一个突出优点在于一个工作周期内具有高频矗和低频两个 工作频率，且可通过调节电路，实现对名f 在一定范围内的调节。由d b d 型臭 氧发生器工作原理可知，产生臭氧的必要条件是要在气隙中建立一定强度的交变 电场，使气隙上的电压降大于等于气隙击穿所需的放电维持电压，直至发生器端 电压达到最大值时结束放电。因此，加快交变电压的建立和气隙电压上升到放电 维持电压的速度，降低发生器端电压上升到峰值的速度，有助于延长放电时间。 这一过程从电气频率的角度可表现为频率的变化，显然，利用双频技术可实现该 思想。 2 2 1 臭氧发生器双频电源结构 双频准谐振逆变拓扑结构已成熟运用于感应加热，其实用性得到了验证【4 j 。但 是双频逆变拓扑是否可以运用于负载成容性的臭氧发生器，以及如何运用成功， 则是本节所要研究的问题。 众所周知，感应加热的负载特性成感性，可以等效为电感和电阻的串联，为 构成谐振电路，需用电容进行补偿。而臭氧发生器的负载成容性，可以等效为电 容和电阻的串联，为了构成谐振电路，需用电感进行补偿【2 】。 感应加热双频准谐振逆变拓扑在整个工作过程中处于准谐振状态，其中附加 谐振电容c 是否接入电路与感应加热等效电感产生谐振，决定了电路的工作特 性，为实现大功率，电容c 的接入时间不能长。为了保证臭氧发生的产量，臭氧 发生器应设定为长期工作，故不能简单的把臭氧发生器等效电容等同于图2 2 中的 附加谐振电容。根据双频逆变拓扑的工作原理和臭氧发生的特点，在设计应用于 臭氧发生器电源的双频准谐振逆变电路时，需要保留电路中的附加谐振电容c ， 图2 2 中用一固定谐振电感代替，构成图2 3 所示臭氧发生双频逆变电源拓扑。 图2 3 臭氧发生双频逆变电源拓扑 碗士学位论义 该拓扑是一个全桥结构，q l q 4 为主功率开关，q 5 和q 6 为辅助功率开关。e 为谐振电感，a 为附加谐振电容，r 为升压变压器，变比为1 ：”，c d 、c ，和z 为 发生器等效模型，u ；为整流桥等效直流电源。 为了便于分析电路的稳态过程，我们做如下假设： 1 ) 所有的开关器件和二极管均是理想的，即开通时管压降为零，关断时漏电流 为零，开通与关断瞬间完成； 2 ) 直流电压u ：和放电维持电压u z 始终维持恒定； 3 ) 认为开关管换相时间很短，在电路分析中可以忽略； 4 ) 忽略开关管换流时间； 5 ) q 、巳、c a 在初始时刻f 0 的电压值分别为：一屹、一、一u 。； 6 ) 忽略变压器的匝问电容和励磁电感； 7 ) 升压变压器采用简化模型【”l ； 8 ) 假定c ；放电到零的时刻为t ，气隙电压达到放电维持电压u ，的时刻为如，辅 助开关珐关断时刻为。 2 2 2 逆变电路模态分析 双频逆变器的工作特性决定于工作过程中，合理控制电容c ；的接入时刻，使 电路处于相应的谐振状态，改变电路中电流和电压的充放电速度，从而实现电路 工作频率的改变；其调节特性在于恰当调节q 6 或嫉的导通时长，调节负载介质层 的击穿