（电力电子与电力传动专业论文）介质阻挡放电电路供电电源的研究.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea u t h o rp a r t i c i p a t e di nt h es u p p l yp o w e rd e s i g nf o ry u a n c h a oc o m p a n y , t h e d e m a n do f t h e s u p p l yp o w e r i st op o w e rf o r2 k g mo z o n i e rs t a b l y a f t e rh a v i n gf i n i s h e dt h ed e s i g n ，t h ea u t h o rc o n s i d e r st h ep o w e r s u p p l yi ny u a n c h a o c o m p a n y i s w o r k i n gi nh a r ds w i t c hc o n d i t i o n ，a n de x i s ts o m eq u e s t i o n s ，s u c ha sl o w w o r k i n gf r e q u e n c nb i gs w i t c h i n gl o s s ，b i gs w i t c hs t r e s s ，d i f f i c u l t l yi n c r e a s i n g t h e o u t p u tp o w e r t os o l v e rt h e s eq u e s t i o n s ，t h ep o w e rs u p p l yf o rd b d c i r c u i ti sa n a l y z e d i nd e t a i l si nt h ep a p e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti nt h i s p a p e ri s t o p r o v i d eh i g hp e r f o r m a n c ep o w e r s u p p l yf o rd b d f d i e l e e t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ) c i r c u i tt h er e s e a r c hc o n t e n tc a nb e s u m m e d u p a sf o l l o w s ( 1 ) b a s e d o n a n a l y z i n g t h ed b dc i r c u i tp o w e r e d b y s i n u s o i d a lv o l t a g es o u r c ed e t a i l e d s o m ee q u a t i o n sa b o u tt h ek i n do ft h ec i r c u i ta r ed e d u c e d b ym a k i n gu s i n go ft h e s e e q u a t i o n s ，aw i d e s p r e a de x p r e s s i o na b o u tt h ek i n do ft h ec i r c u i t i sc o r r e c t e d ，c i r c u i t c h a r a c t e r i s t i c sa r ed i s c u s s e da n dak i n d o ff u n d a m e n t a lw a v ee q u i v a l e n tc i r c u i ti s p r e s e n t e df i r s t l y t h i sf u n d a m e n t a lw a v ee q u i v a l e n tc i r c u i ti sm a d eu po fan o n l i n e a r r e s i s t o ri np a r a l l e lw i t han o n l i n e a rc a p a c i t o r t h et h e o r ya b o u td b dc i r c u i ti sv a l i d a t e d b ye x p e r i m e n t t h j se q u i v a l e n tc i r c u i ti su s e dt oa n a l y z et h ed b dc i r c u i ti nt h ep a p e ga n dd r a w s o m ec o n c l u s i o n s t h e s ec o n c l u s i o n sw i l lb eb e n e f i tt ot h ed e s i g no ft h ed b dc i r c u i t p o w e r e dd i r e c t l yb yc o m m e r c i a lp o w e rs y s t e mv i at r a n s f o r m e r ( 2 ) t h ed b dc i r c u i tp o w e r e db yf u l lb r i d g es e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e ri ss t u d i e d ，b y a n a l y z i n gt h eo i l - o f fc o n d i t i o n so f t h ep o w e rs w i t c ha n dt h es t a t e so ft h ed i s c h a r g eo r n o ti nd b d c i r c u i t ，t h ew o r k i n gm o d e s o ft h ed b dc i r c u i ta r eg o t t e na n de q u m i o n sa r e d e d u c e db a s e do nt h e s ee q u a t i o n s ，t h ee n g i n e e r i n gd e s i g ne x p r e s s i o n sa r em a d e t h e d e s i g ne x p r e s s i o n sc a nh e l pt h ed e s i g n e rt od e s i g nt h eh i g hp e r f o r m a n c ep o w e rs u p p l y f o rd b de l r u i t ( 3 ) i no r d e rt or e a l i z e z v s ( z e r o v o l t a g e s w i t c h ) ，t h et o p o l o g y s t r u c t u r eo f z v s ，哺m c i r c u i ti sr e p l a n t e dt os e r i e sr e s o n a n td b d c i r c u i t ，a n dag e n e r a le q u i v a l e n t c i r c u i ti s p r o p o s e dt oa n a l y z es w i t c ht r a n s i t i o np r o c e s so ff b ( f u l lj r i d g e ) i n v e r t e r b a s e do nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i t ，s o m ee q u a t i o n sa r ed e d u c e d b y t h e s ee q u a t i o n s ，t h e h i g h e s tw o r k i n gf r e q u e n c yo fz v s p w l v la n d d b dc i r c u i tp o w e r e db ys e r i e sr e s o n a n t i n v e r t e ri sr e s e a r c h e da n dt h ee n g i n e e rd e s i g ne x p r e s s i o n so ft h ec i r c u i ta r eo b t a i n e d n 一：尘型鍪些些塑些些| 一 e x p e r i m e n t r e s u l tv a l i d a t e st h e e q u a t i o n s a n d e x p r e s s i o n s i ti n d i c a t e st h a t t h e s e e q u a t i o n sa n de x p r e s s i o n s a r eu s e dn o to n l yi nd e s i g n i n gt h e s o f ts w i t c hi ns e r i e s r e s o n a n tc i r c u l tb u ta l s oi nc a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e r si nt h eo r i g i n a lz v s 3 w m c i r c u i t ( 4 ) t h ew a yo fc o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti su s e d t ov a l i d a t et h ec o n c l u s i o n o f ( 2 ) a n d ( 3 ) ：m o r e o v e r s o m e e x p e r i m e n t w a v e sa r ep r o v i d e d k e y w o r d s ：d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e b d ks i n u s o i d a lv o l t a g es o u r c e ；e q u i v a l e n t c i r c u i t ；f u n d a m e n t a lw a v e ；s e r i e sr e s o n a n t ；z e r ov o l t a g e s w i t c h i i i 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。除了文中特另t l d n 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。 储虢冲 日期：， 辛年r 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以一e 相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 目 日 ，q， 月月 f l 年年 川呲 期期日日 硬士学位论文 第l 章绪论 1 1 介质阻挡放电的原理及其工程应用 1 1 1 介质阻挡放电电路的物理结构和工作原理 介质阻挡放电( d b d ：d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ) 又称无声放电，它是 有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电，介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放 电空间里，这样当在放电电极上施加足够高的交流电压时，电极间的气体，即使 在很高气压下也会被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。在电极间安插介质可以防 止在放电空间形成局部火花或弧光放电，在通常大气压强下也可实现稳定的气体 放电。它表现为很均匀、漫散和稳定、貌似低气压下的辉光放电，但实际上它是 由大量细微的快脉冲放电通道构成【1 1 。早在1 8 5 7 年w e r n e ry o ns i e m e n s 就提出用 这种方法在常压( 指气压) 下产生臭氧，现在介质阻挡放电电路已经广泛应用于 臭氧合成、紫外光源、气体激光激励、环保、微电子工艺和金属表面改性等方面 2 1 。 然而到目前为止，这种放电形式还是工业上合成臭氧的唯一方法【3 】。工业中合成臭 氧的装簧其外形多为圆柱型，装置地极与大地相连，装置高压电极放在发生器中。 地极和高压电极通常采用不锈钢制造。图1 1 给出了这种臭氧发生器的物理结构 图。臭氧发生装置产生臭氧的过程如下：当干燥的氧气或干燥的空气从加有交流 高压的发生管左边流入，在发生管中进行一系列的化学和物理反应后，将氧气合 成为臭氧卜“，并由发生管右边流出。 图1 1介质阻挡放电装置的物理结构 从图1 i 可以看出介质阻挡放电装置主要是由气隙、介质阻挡层和电极组成， 根据气隙和介质阻挡层在空间中的不同位置，可将其分为三种结构形式，图1 2 给出了这三种结构形式。 介质阻捎放电电路供电电源的研究 变毹高电压发生器 ( a ) 结构形式1 ( b ) 结构形式2( c ) 结构形式3 图12介质阻挡放电装置的三种物理结构图 在上图三种结构形式中，图( a ) 中介质阻挡层紧靠一个电极，它是一种很实 用的放电结构，通常用以制造臭氧发生器；其特点是结构简单，而且可以通过金 属电极把放电产生的热量散发掉。图( b ) 中两个电极都被介质阻挡层遮盖，放 电发生在两层介质之间，可以防止放电等离子直接与金属接触，对于具有腐蚀性 气体或高纯度等离子体，这种结构具有独特的优点。图( c ) 的中介质阻挡层与两 个电极都不接触，可以在介质两边同时生成等离子体。 1 1 2 介质阻挡放电的等效电路 由于介质阻挡放电电路包含气隙和介质阻挡层，因此其放电现象与一般放电 现象有所不同，通常认为，当电路处于稳态时，电路在一个完整的周期内包含未 放电和放电两个不同的状态，当装置处于未放电状态时，整个介质阻挡放电电路 可以认为由介质阻挡层电容c 。和气隙电容c 。串联构成；当装鬣处于放电状态，即 气隙电容被击穿状态，此时气隙电容可以等效为一个电压方向与输入电压方向相 反的电压源或一个处于反相击穿状态的齐纳二极管，而且气隙击穿电压是基本上 维持不变的，这个电压被称为放电维持电压u ，【】4 8 叫3 1 。目前的国内外文献对介质 阻挡电路提出了如图1 3 和图1 4 的两种等效电路 1 , 4 , 8 1 3 1 。 u 皿 u n i u u 放电阶段等效模型 l ： 放电阶段等效模型 图1 4介质阻挡放电等模型2 其中：在图1 3 和图1 4 中“为外加输入电压；z 为反相击穿电压为u ，的齐 纳二极管。很明显，从上面两种等效模态的工作过程可以看出，这两种等效电路 的实质是相同的，它们都能非常清晰地描述介质阻挡放电电路的两个不同的工作 状态。 1 1 3 介质阻挡层电容和气隙电容的测量 为了更准确地分析电路的工作状态和工作方式，往往需要得到介质阻挡层电 容和气隙电容的精确数值以及准确的放电维持电压。如果己知介质阻挡放电装置 的几何尺寸和阻挡介质层的介电系数，就可以直接计算介质阻挡层电容和气隙电 容，但受制造工艺等的限制，几何尺寸和介电系数的参数零散性很大，计算往往 无法得到精确的计算结果。常用李萨茹图形法( l i s s a i o u sf i g u r e s ) 1 , 4 , 4 8 1 来测 量气隙电容和介质阻挡电容的数值。图1 5 给出了介质阻挡放放电电路的电压一电 荷李萨茹图形法的测量原理，图1 6 则给出了采用电压一电荷李萨茹图形法得到实 测图形。 介质阻挡放电电路供电电源的研究 图1 5 介质阻挡放电电压、电荷测量圈 在上图中：r 。为分压电阻；c 。为“积分”电容；r 为升压变压器；示波器 按照李萨茹图形法连接。从上图中可以看出电压一电荷李萨茹图形法的工作原理： 通过分压电阻r 。可以得到一个与变压器副边绕组输出电压成正比的电压a u 。，其 中吐是通过电阻r 。得到的电压分压比，u 。为变压器副边绕组输出电压，这个电 压同样也是旌加在介质阻挡放电装置上的电压；由电容器在充、放过程中的电压 和电荷的关系可知，测量电容c 。的电荷q ( o 与其上电压”。( ) 存在q ( o = c 。毗。( r ) 的约束关系，因此可以通过测量电容c 。上的电压，便可以间接得到存储在电容c 。 上的电荷。如果把测量电容上的电压“。( t ) 和电压倒。分别加在示波器的x y 轴 上就可以得到一条闭合曲线，即r c m ( t ) 和。姒。的李萨茹图形，但由于电压“。( r ) 正 比于电容c 。上的电荷量，因此这个李萨茹图形就可以称为介质阻挡放电电路的电 压一电荷李萨茹图形【1 。 通过前面的介绍可知，当介质阻挡放电电路处于在放电阶段，其气隙上的电 压，即电路中的放电维持电压u ，为一常数，那么介质阻挡放电电路的电压一电 荷李萨茹图形将是一个平行四边形，图1 6 也证明了这一点。在图16 中有向线段 a b 、c d 表示放电电路的放电阶段；有向线段d a 、b c 表示放电电路的未放 电阶段。结合介质阻挡放电电路和李莎茹图形法的特点可得，线段a b 或c d 的斜率就是阻挡电容g 的数值；线段b c 或d a 的斜率就阻挡电容c 。和气隙电 - 正 硕士学位论文 容c 。串联的数值，并且在李萨茹图形中穿过电压轴的宽度就是2 倍放电维持电压。 这种方法的优点在于不需要考虑装置本身加工工艺的缺陷、装置本身的物理结构 和不需要对发生管材质的电介质常数进行估计，测量到的数据非常准确，尤其是 通过李萨茹图形法不仅能得到两个电容的精确数值，而且同时可以得到放电维持 电压的精确数值，因此在工业应用中常常采用该方法来得到介质阻挡放电电路的 一些参数。 图16介质阻挡放放电电路电压一电荷李萨茹图形 1 1 4 介质阻挡放电装置研究现状及其应用领域 目前，以臭氧发生器为例，对介质阻挡放电装置的研究主要集中在以下的几 个方面： 1 介质阻挡放电装置的放电方法研究 为了改善臭氧器的效率，提高产生臭氧的浓度，人们除采用上面提及的无声 放电法来合成臭氧，还采用了沿面放电法 1 4 , 1 5 1 、极低温辉光光放电法以及两种放 电类型组合法来合成臭氧【l ”。在各种放电机理中，文献 1 4 认为，采用两种放电 类型组合法应该是最具有前途的一种方法。 2 介质阻挡放电装置的结构和材料对臭氧发生器效率的影响 从臭氧发生器的组成结构可知，臭氧发生器主要由电极、发生管和冷却系统 组成。对电极的研究主要集中在电极材料和形状对装置效率的影响上，为了研究 材料形状对臭氧发生器效率的影响，人们不仅试验了传统的简单板状电极、圆筒 圆柱状电极以外还试验了新颖的丝状电极、网状电极、弹簧电极、空心电极等等， 人们在研究中发现采用这些新颖的电极能降低放电维持电压 1 6 - - 19 】，从而不仅能降 低臭氧发生器的外加高压放电电压，而且可以提高臭氧发生器的效率。对发生管 的研究主要集中在提高发生管机械强度、发生管耐压性能和发生管散热性能上。 人们对发生管的研究除了以上的几个方面外，还对发生管的表面粗糙程度对臭氧 5 一 介质阻挡放电电路供f 乜电源的研究 发生器效率进行了研究，文献 1 9 认为，对介质表面作适当的处理，具有提高臭 氧合成效率的可能。对冷却系统的研究则集中在采用那种冷却方式在满足系统需 求的前提下，具有最高的性价比。常见的臭氧发生器一般采用风冷、水冷或双液 冷等冷却系统 2 0 】，在这些冷却方式中双液冷的效果最好，但价格也最昂贵，因此 人们认为选择冷却系统的要求是，能以最低价格得到满足系统要求的冷却系统， 当然满足系统要求的冷却系统指的是能迅速带走放电电路产生的大量热量，尤其 是中频甚至高频放电装覆产生的大量热量。此外人们还对在放电间隙内加入其他 介质填料能否提高臭氧发生器效率进行了研究，实验表明引入适当介质填料，对 臭氧合成具有良好的催化效果；对于同一种填料，采用颗粒较粗者比颗粒较细者 更能提高合成臭氧的浓度以及合成臭氧的能量效率【1 9 1 。 3 臭氧发生器配套电源的研究 通过图1 3 和图1 4 可得出，臭氧发生器和所有其他的介质阻挡放电装置，其 负载具有特殊性，一是放电电路工作时存在放电和未放电两个状态，负载变化大， 二是不论负载或装置是否处于放电状态，负载总是容性负载。这两个特殊性就决 定了人们很难将研究的比较多的驱动感性负载的电源直接移植到臭氧发生器的配 套电源中来。目前臭氧发生器的配套电源有工频升压电源和中、高频逆变电源两 种，在这两种结构中，中、高频逆变电源具有非常明显的优势，因此越来越得到 广泛的应用，在对臭氧发生器的中、高频逆变电源的研究则主要集中在逆变电路 频率的提高和逆变电路输出电压波形对臭氧发生器的效率影响上【3 ，2 l ，”1 。在本章 的下一节将对这两种电源进行进一步的介绍。 4 臭氧发生器的应用领域和现状 臭氧是氧的同素异构体，发现于1 8 4 0 年，是一种具有极强氧化能力与杀菌性 能的无毒强氧化剂。臭氧的氧化能力仅次于氟，除了不能与铂、金、铱和氟发生 反应外，几乎可与元素周期表中的任何一种元素发生作用。因此，臭氧能去除水 中的f e 、m n 、p b 、a g 、c d 、h g 和n i 等重金属离子。臭氧能氧化分解细菌的葡 萄糖氧化酶、脱氢氧化酶，可直接与细菌发生作用，导致细菌物质代谢的氧化还 原过程的破坏，从而破坏细菌的生长与繁殖过程，造成细菌的死亡，且对细菌繁 殖体、芽苞、病毒、真菌、原虫囊等具有杀灭作用，可破坏肉毒杆菌毒素，在水 中的杀菌速度是氟的6 0 0 - 3 0 0 0 倍。因此，臭氧可降解农药、化肥及其它有毒、有 害有机物的作用，不仅能迅速、彻底地杀灭空气中、水中、物体表面的有害细菌 和微生物，而且能实现脱色、除臭、保鲜等功能。另外，臭氧可用作选择氧化、 定量氧化，氧化温度低，能于常温常压下发生强氧化，且氧化后的残存臭氧可在 极短时间内自行分解还原为氧气或氧原子，而不产生二次污染，属于一种无公害、 无污染、无残留的氧化与消毒剂。因此，臭氧被大量应用于有机合成、无机化工、 冶金、造纸、印染、食品傈鲜和医疗器具及餐具消毒等领域，涉及到人们生活的 - 6 一 硕士学位论文 各个方面，并被广泛应用于自来水净化和工业、生活污废水的处理一“。 目前，世界上最大的水处理工程所用工业臭氧达4 5 0 k g h 规模，全球已有数千 家臭氧水厂，且在欧洲已达普及的程度，其中法国为臭氧水厂而立法：“所有自来 水厂都必须采用臭氧消毒、杀菌。”美国、加拿大、日本等国都在大力发展臭氧处 理自来水工程和臭氧处理污水工程。 我国自来水采用臭氧消毒工艺还很少。但近几年，由国家扶持的臭氧水厂和 臭氧污水处理重点建设工程越来越多，如北京、上海、南京、昆明、大庆、齐鲁 等地。特别是2 0 0 0 年以来，深圳、天津、青岛、杭州等城市新建了大容量的臭氧 工艺自来水厂和污水处理厂，极大地推进了我国臭氧生产技术与设备的发展和进 步，为改善与提高我国用水质量及环境做出了重要贡献。 1 2d b d 装置配套电源的常用方案介绍 1 2 1 工频升压电路简介 早期的介质阻挡放电装置配套电源大多采用工频升压的方法获得，即通过升压 变压器直接将工频市电升压为同频高压交流电，很显然，要能使介质阻挡放电电 路产生放电现象，通过升压变压器得到的高压交流电的幅值一定要大于电路的放 电维持电压。图1 7 给出了这种电路的拓扑结构，这种介质阻挡放电装置配套电源 存在明显的缺点，例如电路效率很低、变压器体积大和整个电路在工作过程中将 对电网注入大量的谐波，形成电力污染；但这类配套电源由于成本较低，至今仍 然在大量使用，并在不断地完善中【t g l 。对于这种配套电源需要另外指出的一点是， 当放电电路的放电维持电压比较高时，会出现变压器设计和制造都非常困难，成 本也会很高 2 1 , 2 2 1 ，甚至会超过采用中、高频逆变配套电源的成本。 e 图1 7采用工频升压供电的介质阻挡放电电路图 显然，如果介质阻挡放电装置采用如图t 7 电路图，输入的市电的频率就是介 质阻挡放电装置的工作频率，而介质阻挡放电装置的频率对放电电路的放电功率 有很大的影响，参考文献 1 和本文的第二章都给出了正弦电压源供电下的介质阻 挡放电电路功率的表达式( 式1 1 ) 。 介质阻挡放电电路供f 三电源的研究 p = 4 f c 。u z u 。一型羔u ： ( 1 1 ) l j 其中u 。为供电正弦电压源的峰值。 由式( 1 1 ) 不难看出，介质阻挡放电装置的放电功率与装置的工作频率成正 比，即有p m 厂。正是由于p 与，存在这种正比的关系，因此能在维持其他参数( 例 如：装置的物理尺寸、放电管的数目、放电管与电极或地极距离) 不变的情况下 仅仅通过增加f 的值，便可以使放电电路的放电功率得到大幅度提高。而近二一卜 年来，电力电子器件得到了迅速的发展，高耐压、大电流和高工作频率的全控型 器件不断涌现，尤其是m o s f e t 、i g b t 等全控型器件的普及和先进的控制方案不断 地提出，使介质阻挡放电装置的高频化成为了可能。 1 2 2 串、并联谐振电源电路简介 从上- - + 节的介绍可知，介质阻挡放电装置的放电功率与装置的工作频率有 很大关系，为了提高介质阻挡放电装置的工作频率，许多电路拓扑结构被提出。 从前面的章节介绍可知，不论介质阻挡放电电路是处于放电阶段还是处于未 放电阶段，电路总是呈现容性，即如果不对电路拓扑结构进行必要的改进，介质 阻挡放电装置的应用范围将大大地受到限制。为了解决电路的谐波问题、提高装 置的功率因数和保证电路仍然工作在中、高频下，人们提出了需要在主回路串接 入补偿电感的方案。图1 8 和图1 9 分别给出串联逆变电源和并联逆变电源供电的 介质阻挡放电电路的拓扑结构。 在图1 8 中c 为滤波电容、q 1 9 4 为全控型器件、d 1 一d 。为与q l q 4 反并 联的体内二极管、k 为补偿电感、c 。为隔直电容、t r 为升压变压器。其工作过程 简述如下，由三相不可控整流桥或三相全控整流桥在滤波电容c 得到一个波动较 小直流电压，然后通过由q i q 4 和d l 一色组成的逆变桥、电感厶和介质阻挡放 电装置产生谐振，使逆变桥输出电压为方波，输出电流为正弦或准正弦波，从而 实现介质阻挡放电装置配套电源的中、高频化。根据全桥逆变电路的特性，可以 通过不同的控制方式使电路工作在感性谐振状态下、完全谐振状态下和容性谐振 状态下1 2 3 l 。对于基于串联谐振的介质阻挡放电电路的三种不同的工作状态，本文 的第三章将进行详细地分析。很明显在这种拓扑电路下，如果电路工作在完全谐 振状态时，电路的中频功率因数将等于1 ，并且会减少装置对电网影响。 8 硕士学位论文 _ 审m 审 jljljl c = 一 母铝 jljl 图1 8基于串联谐振的介质阻挡放电电路 在图1 ，9 中为滤波电感、q l 蜴为全控型器件、d d 。为与q l q 4 相串 联的二极管、t 为补偿电感、c 。为隔直电容和t 为阻抗匹配变压器。采用这种电 路同样能提高介质阻挡放电电路的功率因数。从图1 8 和图1 9 可以看出，这两种 电路的工作原理基本类似，但基于并联谐振的逆变电路主回路中串接有电感，相 对于基于串联谐振的逆变电路，它具有较强的抑制短路的能力，但它启动较为复 杂，只有在启动频率比较接近谐振频率时，装置才能正常启动口4 05 1 。因此对于介 质阻挡放电电路常常采用串联谐振电路。 ! i i 。i ! lji 弋 m 卓啤 ij 图1 9基于并联谐振的介质阻挡放电电路 1 2 3 基于串、并联谐振电路的p w m 和p d m 控制 介质阻挡放电电路的参数对外界条件变化非常敏感，即在实际应用过程中很难 维持装置的放电功率的恒定。为此，人们提出了基于串、并联电路的p 1 v m ( 脉宽调 制：p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 和p d m ( 脉冲密度调制：p u l s ed e n s i t ym o d u l a t i o n ) 控制来抑制外界参数变化对电路的影响。虽然这种电路仍然是串、并联电路，但 它们有自身的特点，它们的出发点是能维持放电功率的恒定，对于臭氧发生器则 是能产生稳定的臭氧。为实现这一目的，文献 4 ，8 ，1 0 1 2 给出了两种控制方 皿 介质阻挡放电电路供电电源的研究 法：p d m 和p d m & p w m 混合控制，图1 1 1 和图1 1 2 分别给出了这两种控制方式下的 逆变电路输出电压波形示意图。 在p d m 控制中通过控制脉冲的宽度来控制介质阻挡放电装置的放电功率，当 装置需要输出放电功率时，电路中的功率开关管以正常工作频率触发，当电路不 需要输出放电功率时，则关断所有功率开关管。显然，只要合理地调节j 下常触发 脉冲和关断脉冲的时间比例，就能维持介质阻挡放电电路输出的功率恒定。但这 种电路有个显著的缺点，即在所有功率管关断时间( 不是防止电路出现直通而增 加的死区时间) ，逆变电路输出的电流将下降到零或下降到接近零，当下次正常触 发脉冲到来时功率开关器件将受到较大的冲击，并且当电路在进行这两个过程切 换的过程中也会向电网中注入谐波。为了解决这两个问题，人们又提出了p d m & p w m 混合控制方法，这种控制方法的核心是：当不需要输出放电功率时，仅以较窄的 触发脉冲触发功率开关管，在这种情况下旌加在介质阻挡放电装置上的电压不会 超过放电维持电压，即电路中不会产生放电现象，但电力开关管中仍然会流过数 值较小的电流；当需要输出放电功率时，只需要以正常宽度的触发脉冲触发功率 开关管，在这种情况下，施加在介质阻挡放电装置上的电压将超过放电维持电压， 即在这种情况下电路中将产生放电现象。图1 1 3 给出了p d m & p ! 目m 控制方式下的逆 变电路输出电流波形图。从图1 1 2 和图1 1 3 可以看出，基于串、并联谐振的介质 阻挡放电电路如果采用p d m & p w m 混合控制，可以使功率开关管在工作时避免较大 电流冲击、减少装置向电网中注入谐波和提高装置的功率因数。 1 l 唧h 衄 厂 囤11 1p n 控制的原则 1 川一l il ill 一。一。一l l o l o - 硕士学位论义 圈1 1 3 基于p d m & p w m 控制的逆变电路输出电流波澎示意图 1 3 软开关电路简介 从串联谐振电路和并联谐振电路可以看出，这些电路基本上是硬开关电路， 在采用软开关技术之前，这种变换电路存在以下问题： 1 ) 逆变频率不能太高。因为当逆交频率高于某些参考值( 例如，g t r ：5 k h z 、 i g b t ：2 0 k h z ) 后，开关管管内部的开关损耗就不容易散发出来，所有开关管的结 温就会过高，从而会影响其工作可靠性。 2 ) 只能应用于对逆变效率要求不太高的逆变器和开关电源。因为硬开关逆变 器内部的开关损耗将严重地影响逆变器的整机效率。 为了克服逆变器在硬开关状态下的诸多问题，8 0 年代以来软开关技术得到了 深入广泛的研究并在这些年得到了迅速的发展，所谓“软开关”通常是指零电压 开关( z v s ：z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) 和零电流开关( z c s ：z e r oc u r r e ms w i t c h i n g ) 。 目前，软开关技术主要还是利用谐振原理，使开关器件在开、关瞬间两端电压( 或 流过的电流) 为零。 早期提出的软开关的变换器是准谐振变换器( q r c ：q u a s ir e s o n a n t c o n v e r t e r ) ，因电路工作在谐振的时间只占一个开关周期的一部分，故称为准谐振。 准谐振变换器通过谐振使开关器件上的电流或电压按准正弦规律变化，从而创造 出零电流或零电压开关条件，极大地减少了变换器的开关损耗和开关噪声。由于 准谐振变换器不能使电路中的有源开关和二极管同时具有软开关条件，因此之后 有提出了多谐振变换器( m r em u l t ir e s o n a n tc o n v e r t e r ) 。在多谐振变换器中， 由于电路中谐振拓扑和参数不止一个，故称多谐振。在准谐振变换器和多谐振变 换器中，输入电压的调节是通过调节开关频率实现的，当负载和输入电压在大范 围内变化时，开关频率也需要大范围的变化，这使变压器和滤波器的设计变得很 困难。为此，人们又提出了z v s p 釉变换器和z c s p 唧变换器。这种类型的变 换器，将电路谐振变换器与常规的p 删变换器相结合，通过附加的辅助有源开关 一1 1 介质阻挡放电电路供电电源的研究 阻断谐振过程，使电路在一周期内，一部分时问按z v s 或z c s 准谐振方式运行， 另一部分时间按p w i v l 方式运行，即具有软开关的特点，又具有p w m 恒频调宽的特 点。但这种电路主回路中常常串接谐振电感，因此电路中总是存在很大的环流能 量，这不可避免地增加了电路的导通损耗，并且电路中存在辅助的功率开关管， 电路控制实现相对麻烦。 为了解决上述问题，人们又提出了移相p w v l 控制方式来实现零电压开关，其 基本工作原理为：每个桥臂的两个开关以1 8 0 。互补导通，两个桥臂的导通之间相 差一个相位，即所谓的移相角。它可以利用开关管的节电容和变压器的漏抗作为 谐振元件。利用变压器漏感储能对功率开关管两端输出电容的充放电来便开关管 两端电压下降为零，使全桥变换器的四个开关管依次在零电压导通，在吸收电容 作用下零电压关断，从而有效地降低了电路的开关频率和开关噪声，减少了器件 开关过程产生的电磁干扰，为变换器装置提高开关频率、提高效率降低尺寸即重 量提供了良好的条件。同时，还保持了常规的全桥p w m 电路中拓扑结构简单，控 制方式简单、开关频率恒定，元器件的电压和电流应力小等一系列优点。 为了能实现软开关技术，同时尽量使主回路的拓扑结构简单，本文在详细地 研究了移相p w m 电路实现零电压开关的基础上，成功地将这种电路实现零电压开 关条件应用于基于串联谐振全桥逆变电路中，并从理论上证明了只要保证谐振电 路处于感性状态下，这种拓扑结构就能保证功率开关管工作在始终工作在z v s 条 件下。在本文的第四章将对这种软开关电路进行详细地分析。 1 4 介质阻挡放电装置电源的发展趋势 目前，国内外许多科研院校和生产厂家在不断地进行介质阻挡放电装置的研 究，主要体现在下面几个方面： 1 介质阻挡放电模型的等效电路研究 从前面章节的叙述可知，介质阻挡电路存在放电阶段和未放电阶段的两个物 理阶段，如果采用图1 3 和图1 4 所示的电路图来设计介质阻挡放电装置的配套电 源，虽然图1 3 和图1 4 能非常清晰地表明这两个不同的阶段，但是对装置的配套 电源的设计来说却极为不利的，因为在设计过程中必须同时考虑这两个过程，也 就是必须考虑系统在放电和未放电时两个模态的切换。为了解决这一问题，有些 科研院校和企业已经开始了对两个过程进行了等效分析，即将介质阻挡放电电路 的两个状态统一为一个便于设计配套电源的模型，在这方面浙江大学和本校已经 展开了研究，并取得了一定的进展p “。 2 各种参数对系统的影响和整个系统实现闭环控制的可蘸性研究 介质阻挡放电系统是一个比较复杂的系统，以臭氧系统为例，它受输入气压、 1 2 供电电源电压波动、系统温度以及交流高频高压电源变化等因素的影响。整个系 统可以看作为个时变的多输入输出系统【2 7 】。而目前商业化的臭氧发生器的控制 系统均为开环控制系统，对外界因素的抑制能力非常差，为了抑制这些因素或这 些因素中的某一因素的影响，人们已经开始对介质阻挡放电装置系统闭环控制的 可能性展开了研究，并取得了一定进展，例如国外已经出现了对某个因素变化进 行抑制的单闭环控制系统f 4 加1 2 】，但远远还没有达到对整个系统进行闭环控制的程 度，因此对整个介质阻挡放电系统闭环控制可能性的研究和实现将是下一步研究 的热点之一。 3 中频和低频大功率化，小容量高频化 随着电力电子器件向高电压和大电流化发展口”，中频和低频的介质阻挡放电 装置大功率化已经成为可能。以臭氧发生器为例，几年前国内最大容量的臭氧发 生器其产量小于l k g h ，而最近国内已经有产量为5 k g h 的臭氧发生器出现，国外 甚至已经出现了单机容量为4 0 0 k g h 的臭氧发生装置。与工业需求的大容量不同， 民用产品更注重于性能的提高，从前面的介绍可知，提高臭氧发生器的工作频率 对系统的性能将有很大的改善，随着高频电力电子器件日益普及，这也使民用介 质阻挡放电装置的高频化成为可能，目前对于小容量的臭氧发生器的配套高频电 源频率已经超高了2 0 k h z 。 4 软开关技术的采用，功率因数的提高 自从1 9 8 5 年美国弗吉尼亚工学院e c l e e ( 李泽元) 总结出了有关d c d c 变 换器的“准谐振开关”系列拓扑结构，软开关技术已经成为电力电子技术研究的 热点之一，由于介质阻挡放电负载的特殊性，国内外为对这种装置的软开技术研 究时间还不长。一些拓扑结构和控制方案被提出口a 0 3 1 _ 3 3 1 ，对于装置功率因数 的提高，目前普遍采用对装置进行串联或并联电感进行补偿，并采用频率跟踪技 术，使电路工作于谐振状态或准谐振状态。 5 控制系统的计算机化 使系统更加稳定的工作，是目前各个行业研究的热点，计算机技术的采用可 以系统工作更加可靠，控制方式更加灵活多变。对于介质阻挡发生装置要实现闭 环控制和精确控制，就必须采用计算机技术，例如国外对臭氧发生器装置已经采 用了基于d s p 技术的控制方案，并能够较好地抑制外界某些参数的变化对装置的 影响【4 ，8 12 1 。因此介质阻挡放电装置的控制系统计算机化也是以后介质阻挡放电装 置研究的热点之一。 1 5 课题来源和研究内容 本课题是彭永进教授和孟志强副教授为长沙远超公司开发的2 k g h 臭氧发生 一1 3 介质阻挡放电电路供电也源的纠究 器配套电源的一部分。长沙远超公司原有的i k g h 臭氧发生器电源，采用硬开关 技术，存在着开关频率低，开关损耗大、开关应力大，整个电路效率低，且存在 电路功率难以进一步提高的问题。针对这些问题，本文提出基于零电压的串联谐 振电路来解决远超公司原有电源存在的问题。本文的创新点包括以下几个内容： ( i ) 详细地分析了正弦电压源供电的介质阻挡放电电路，针对它的放电和 不放电两种工作模态，首先推导了一系列公式，提出了一种等效电路，研究了装 置的各项性能指标与电路参数的关系，基于以上工作，提出了这种装置的设计公 式和设计步骤，可用于采用工频电源通过变压器直接供电的介质阻挡放电电路的 设计。最后，修正了一种广为流传的错误观点，证明了每个周期内放电开始时电 源电压的瞬时值不一定等于产生放电所要求的最小电源电压的幅值。 ( 2 ) 对全桥串联逆变器供电的介质阻挡放电电路进行了详细地分析，结合电 源的开关器件的通或断，和负载的放宅或不放电，得出了整个电路在完全谐振状 态下的各个工作模态。在模态分析的基础上，推导了一系列公式，并通过这些公 式对电路特性进行了探讨，得出了这种电路的工程设计公式和设计步骤，对设计 工作在谐振状态下的串联逆变器供电的大功率的介质阻挡放电电路有一定的指导 意义。 ( 3 ) 将f b z v s p w m 电路中的z v s 技术引进到串联谐振d b d 电源，针对后者 工作频率较高的特点，提出了一种通用的等效电路，并对换流过程进行了详细地 分析，推导出了描述功率m o s 管关断过程的方程。从关断损耗和占空比丢失的角 度探讨了电路最高的工作频率，给出了工程设计公式。这这些成果既适用于电感 负载下的串联谐振d b d 电源，也适用于f b z v s p w m 电路。用于f b z v s p 嘲电路 的换流过程分析时，它比传统的方法更精确，特别是对于滞后桥臂，它给出了定 量的结果：什么情况下要加串电感和串多大的电感。 ( 4 ) 采用计算机仿真( m a t l a b 和o r c a d ) 和实验的方法，验证( 2 ) 和( 3 ) 的正确性和有效性，并给出相应的波形图。 1 4 硕士学位论文 第2 章正弦波电压源供电的介质阻挡放电电路分析 从前面的介绍可知，目前介质阻挡放电装置的配套电源有工频直接升压电源 和中、高频逆变电源两种，但国内外大功率臭氧发生器的配套电源采用的方案一 般是工频升压方案，这种方案的核心是通过将市电通过升压变压器升至 4 0 0 0 v 1 0 0 0 0 v 后，再施加于臭氧发生器，从而在阻挡介质放电装置中产生臭氧。 这种直接升压的电路虽然有许多缺点，但它具有结构简单、成本较低的优点，因 此到目前为止仍然得到了广泛的应用。目前国内外对臭氧发生装置的研究重点主 要集中在介质阻挡放电机理的研究、臭氧发生器电极形状和结构对臭氧产量和浓 度的影响以及各种电压或电流波形对臭氧发生器效率改善方面上，而对臭氧发生 器供电电源与臭氧发生器装置的匹配问题，尤其是介质阻挡放电电路功率因数的 提高等问题则很少进行研究，但这些问题却是一直是制约着合理设计臭氧发生器 配套电源、提高臭氧设备的产量和大功率臭氧发生器普遍使用的一个重要原因。