（电机与电器专业论文）臭氧发生器电源的研制及有关电路问题的探讨.pdf

臭氧发生器电源的研制及有关电路问题的探讨 d e v e l o p m e n to fp o w e rs u p p l yf o ro z o n i z e ra n dd i s c u s s i o no n r e l a t e dc i r c u i tp r o b l e m s a b s t r a c t b yar e s e a r c ho ft h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs u p p l yf o rd b d o z o n i z e ra th o m ea n d a b r o a d ，s e v e r a lk i n d so fp o w e rs u p p l yw h i c hh a v eb e e na p p l i e di nr e l e v a n te n g i n e e r i n g p r o j e c t sa r ed e v e l o p e d t h i sp a p e rc o n s i s t so f5p a r t s ，a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ed b do z o n i z e ra r ei n t r o d u c e d ( 2 ) t h et o p o l o g ya n dc o n t r o lm e t h o do ft h ep o w e rs u p p l yf o ro z o n i z e ra l ea n a l y z e d ，a n d t h eh a l fb r i d g ei n v e r t e rc i r c u i ti sm a i n l yd i s c u s s e d p w ma n dp f m t e c h n o l o g i e sa r eu s e di n t h i sp a p e r ( 3 ) i no r d e rt od e s i g nt h ec i r c u i t so ft h ep o w e rs u p p l yw h i c hi n c l u d ei n v e r t e rc i r c u i t , d r i v i n gc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n dt w ok i n d so fc o n t r o lc i r c u i tb a s e do nt l 4 9 4a n d a t m e g a 8 ，t h ec i r c u i t sa r ed e e p l yd i s c u s s e d ( 4 ) t h es n u b b e rc i r c u i ti sm a i n l ya n a l y z e d t h ep a r a m e t e r so ft h es n u b b e rc i r c u i tw h i c h a r ee s t i m a t e da r er e g u l a t e db yt h ee x p e r i m e n t t h em e t h o do fc h o o s i n gt h ep a r a m e t e r so ft h e s n u b b e rc i r c u i ti sp r o p o s e d ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ee m ip r o b l e mo ft h ep o w e rs u p p l y ，t h es h i e l d i n gm e a s l e sa g e p r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e m t h i sm a k e st h ep o w e rs u p p l yw o r k i n gr e l i a b l y t h ep o w e rs u p p l i e s ，u s i n gt h em e t h o do fc h o o s i n gt h ep a r a m e t e r so ft h es n u b b e rc i r c u i t ， w o r kr e l i a b l ya n ds t a b l ya c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c e s e c o n o m i cg a i ni sa c h i e v e da n dt h ep o w e r s u p p l i e sh a v ea w e l la p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：o z o n i z e r = d b d ：i n v e r t e r ；s n u b b e rc i r c u i t i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 龟6 、扣 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：椰f 磊 导师签名丛黛竺 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1逆变技术的发展概况 逆变就是将直流电变换成交流电( o c a c 变换) ，逆变技术出现于电力电子技术飞速 发展的2 0 世纪5 0 年代，逆变技术的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件 的发展带动着逆变电源的发展。而逆变器是指整流器的逆向变换器，其作用是通过半导 体功率开关器件( 如s c r ，g t o ，g t r ，功率m o f e t 和i g b t 等) 的开通和关断作用， 把直流电能变换成交流电能的一种电力电子变换器。由于它是通过半导体功率开关器件 的开通和关断来实现电能变换的，因此其变换效率比较高，但变换输出的波形却很差， 是含有相当多谐波成分的波形，因而还需要进行交流低通滤波器的滤波。 按照一般分法，逆变技术的发展可以分成如下三个阶段： 1 9 5 6 - - 1 9 8 0 年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆 变器的开关频率较低，输出电压波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率 较低，正弦波逆变技术开始出现。 1 9 8 1 - - 2 0 0 0 年为高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速器件为主， 逆变器的开关频率较高，波形改善以p w m ( 脉冲宽度调制) 技术为主，体积重量小，逆 变效率高。正弦波逆变技术的发展日趋完善。 2 0 0 0 年至今为高效低污染阶段，这个阶段的特点是以逆变器的综合性能为主，低速 与高速开关器件并用，多重叠加法与p w m 法并用，不再偏向追求高速开关器件与高开 关频率。高效环保的逆变技术开始出现。 在当今的p w m 逆变器中，输出变压器和交流滤波器的体积重量占主要部分。为了 减小输出变压器和交流滤波器的体积重量、提高逆变器的功率密度，高频化仍然是主要 发展方向之一，如提高s p w m 逆变器的开关频率，采用交流传动用变频器的内高频环 等。提高s p w m 逆变器开关频率可以减小交流滤波器的体积重量，内高频环可以减小 变压器的体积重量。但逆变器的高频化也存在一些问题，如使开关损耗增加，电磁干扰 增大。此外，导体的集肤效应与邻近效应，电容的e s r 及磁元件的寄生参数等问题都 需要解决，其中最主要的就是开关损耗和电磁干扰问题。解决这些问题最有效的办法有 两个，一是提高开关器件的速度，二是用谐振或准谐振的方式使逆变器开关工作在软开 关状态。这就促使人们对谐振的研究产生了兴趣。1 9 7 0 年，f c s c h w a r z 提出了电流谐 振技术；1 9 7 5 年，n o s o k a l 提出了电压谐振技术，这两项技术都是使用l c 与开关器 件共同组成一个串联或并联谐振回路，利用回路在一个开关周期中的全谐振，使器件工 臭氧发生器电源的研制及有关电路问题的探讨 作在零电流转换( 并联谐振) 或零电压转换( 串联谐振) 的软开关状态，从而把开关损耗减 小到零。这就是最早的软开关方式。这种方式虽有效，但它不能按照p w m 方式工作。 2 0 世纪8 0 年代初，美国弗吉尼亚电力电子技术中心( v p e c ) 对谐振技术进行了改进，提 出了准谐振变换技术。即把l c 回路在一个开关周期中的全谐振改成半谐振或部分谐振， 这才使得软开关与p w m 技术的结合成为可能。由此掀起了一场准谐振变换器热，并在 d c d c 变换器中普遍采用。在此基础上，美国威斯康星( w i s c o n s i n ) 大学的d m d i v a n 教授于1 9 8 6 年提出了直流谐振环软开关逆变技术，1 9 8 7 年，d m d i v a n 教授又提出 了伪谐振支路( 极) ( p s e u d o r e s o n a n tp o l e ) 软开关技术，受到了电力电子学界的普遍关注， 此后，掀起了全球性研究软开关逆变技术的热潮。 软开关逆变技术研究的最终目的，是实现p w m 软开关技术，也就是将软开关技术 引进到p w m 逆变器中，使它既能保持原来p w m 调制的优点，又能实现软开关工作。 为此，必须把l c 与开关器件组成一个谐振网络，使p w m 逆变器只有在开关转换过程 中才产生谐振，实现软开关转换，平时则不谐振，以保持p w m 逆变器的特点。 p w m 软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力 电子技术高频化的最佳途径，也是一项理论性最强的研究工作。它的研究对于逆变器性 能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术的发展，都有十分重要的意义，是 当前逆变器的发展方向之一。 上述p w m 高频软开关技术产生的背景是为了克服传统逆变器的输出波形差，具有 较高的d u d t 和d i d t 。以及由此而产生的开关应力和e m i 较大的缺点。在相同背景下， a k j r a n a b a z 等人针对大功率逆变器开关器件速度低的缺点，于1 9 8 1 年提出了多电平逆 变器技术，成为当前高压大功率逆变器的一个发展方向【l 一 。 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技 术在许多领域应用越来越广泛。再加上电力半导体器件的发展，逆变技术的应用范围得 到了进一步拓宽，它几乎渗透到国民经济的各个领域。尤其是高压、大电流、高频三者 兼备的场控器件的开发成功，为简化逆变电路，提高逆变器的性能以及脉冲宽度调制 ( p w m ) 技术的广泛应用奠定了基础，推动着高频逆变技术的发展，使电力电子技术的应 用进入了比较灵活自如地改变频率的发展阶段。近些年来，随着臭氧技术以及臭氧发生 器技术的发展，逆变技术在臭氧发生器领域得到了很好的应用。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 臭氧发生器电源的发展现状 1 2 1 臭氧技术及其开发应用 ( 1 ) 臭氧 臭氧是氧的同素异型体，分子式为0 3 ，是一种具有刺激性特殊气味的不稳定气体。 在常温下，臭氧为蓝色气体，但是并不明显。臭氧具有强氧化性、易分解性、毒性和腐 蚀性。由于臭氧具有一些特殊的性质，可以应用在很多领域【5 , 6 1 ，像水处理、食品行业、 医疗卫生、化学领域等。 产生臭氧的方法主要有紫外辐射法、电解法、电晕放电法三种方法【5 。8 1 ，其中电晕 放电法是一种干燥的含氧气体流过电晕放电产生臭氧的方法。电晕放电法中的介质阻挡 放电( d b d ) 法臭氧发生器被工业上大规模采用，此种臭氧发生器单机臭氧产量大、相对 能耗较低，因而应用最为广泛。 ( 2 ) 臭氧技术的开发应用现状 国外臭氧技术的开发应用经历了相当长的历史时期，它的臭氧技术开发水平、元器 件的研制及产品质量水平较高，相关的产业政策和法规也比较完善。欧洲地区的德国、 法国、瑞士、荷兰、比利时等一些工业较发达国家是世界上最早开发应用臭氧技术的国 家。目前这些国家在臭氧发展的进程中仍走在前列。到九十年代，应用臭氧技术的水厂 在欧洲已达到近二千家左右，成为世界上最集中的地区。与此同时，多种复合型臭氧水 处理工艺技术和多级臭氧化水处理技术首先在这些国家被开发和正式投入生产应用。另 外，在医疗、卫生、食品加工贮存、水产养殖等领域，这些国家已经开发出了专用的臭 氧设备，并得到广泛应用。 近几年来，随着世界科技水平的不断提高，一些发达国家己形成了较具规模的臭氧 产业。许多国家在臭氧制备技术、测试技术、控制技术上不断取得重大突破。如工业发 达国家一些臭氧产品的臭氧投加量可根据水量变化和臭氧浓度变化以及臭氧尾气浓度 变化来进行自动调整，另外还有专门配套的臭氧浓度分析仪、残余臭氧分析仪、臭氧泄 漏检测仪等产品推向用户，这对稳定水质，提高水厂水质管理，实行自动化操作大为有 利【8 - 1 1 1 。 臭氧技术在国内从8 0 年代开始发展，到目前己有二十多年的发展历史，随着从早 期研制臭氧发生器，一直到现在能生产各个领域内应用的臭氧产品，企业规模、技术水 平都有了很大的发展。从各方面资料来看，目前国内涉足臭氧技术企业数量最多的行业， 首先是水处理行业，其次是家电行业、医疗器械行业。此外还有食品加工、冷藏保鲜、 水产养殖等行业，但数量不多。按产品应用领域分属国家环保局、医药管理局和轻工总 臭氧发生器电源的研制及有关电路问题的探讨 会等管理部分。我国的主管部门近年陆续制定了标准型臭氧发生器，臭氧消毒柜，家用 食具消毒柜三个行业标准，为我国的臭氧技术产品发展建立了规范原则与标准。 臭氧产品科技含量较高，所以附加值相对也较高，需求量也稳中有升。随着国民环 保意识的提高，臭氧知识普及和经过厂商不断努力推广，市场潜力巨大。 1 2 2 臭氧发生器电源的发展现状 臭氧发生器的供电电源按其发展以及不同的供电形式可分为以下三种蹬j ： 固定工频( 5 0 6 0 h z ) 一电源电压通过一台装在高压升压变压器前的可调变压器来 控制，该装置的优点是电路简单。 固定中频( 4 0 0 6 0 0 h z ) 一可变电压电源是在上述的简化电路中增加一台变频器，由 于增加频率，可以提高电晕元件的功率密度。 变频一固定电压电源是由一台可控器件变频电桥控制的。此种情况下供电电压为可 变频交流电源，功率密度高，效率也高。 其中前两类电源电压调整容易、结构简单易维修，目前仍然得到使用并不断的被改 进。但使用该类电源的臭氧产率低、系统体积庞大、耗能高，可线性调节范围非常窄。 因此提高臭氧产率以及电源效率是势在必行，由于臭氧的产生效率与电源的频率成正向 增加的关系，提高臭氧发生器电源频率得到了臭氧届的重视。上个世纪7 0 年代后期， 美国、日本、法国等国家研制了中高频臭氧电源，把臭氧产率提高了一个量级。 随着m o s f e t 、i g b t 等新型高频大功率开关器件和新型磁性材料的出现及一些新 拓扑结构的提出，电力电子变频电源成为了新一代中高频臭氧发生供电电源发展的主 流。与早期的臭氧发生器电源相比，此种电源具有功率大、系统体积比较小、频率高、 使用方便、安全可靠等特点，并且还可通过调频来控制臭氧产率和浓度【1 2 1 。但是受到电 介质材料与冷却条件的限制，臭氧电源的频率上限是比较低的，目前国际标准型臭氧发 生器产品电源频率最高为几十k h z 。 由于工业上产生臭氧主要来自d b d 方法，因此研究d b d 型臭氧发生器的中高频电 源成为电源研究的一个热点。近年来，对d b d 型臭氧发生器电力电子电源的研究主要 体现在对发生器负载特性及模型的研究，电源整体方案的选择，逆变电路控制方案的研 究和提高电源频率等。在电源的整体方案中有采用串联谐振式逆变器的，也有采用并联 谐振式逆变器的，但以串联谐振式逆变器为主。逆变电路控制方案的研究是近几年来介 质阻挡放电型臭氧发生器电源研究的热点。从p w m 控制到p d m 控制，最后到各种方 式的混合控制，人们一直在不断的探索和研究，力求找到更适合d b d 产生臭氧的控制 方法【l l 1 3 1 4 】。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 臭氧发生器电源的研制方向主要集中在利用现代电力电子技术、微电子技术、控制 技术研制满足介质阻挡放电要求的高性能中高频逆变电源，包括：对整个系统实现闭环 控制的研究：中频和低频大功率化，小容量高频化的研究；软开关技术的运用和功率因 数的提高的研究；控制系统网络化、数字化和智能化的研究等【”o7 1 。 1 3 论文的选题及研究内容 如上所述，臭氧现已广泛应用于水处理、化工、食品保鲜、医疗卫生等许多领域， 臭氧技术有着巨大的社会需求，目前我国在臭氧发生装置的制造技术和应用方面与国外 工业发达国家存在较大的差距。在臭氧发生装置中，其供电电源是整个臭氧发生装置的 关键部件之一【i 引，小容量高频化以及电源的数字化和智能化是电源发展的两个方向，针 对以上情况，本论文对小型臭氧发生器电源进行了研究，并且对电源进行了智能化研究。 研制了几种用于d b d 型臭氧发生器的电源，本文研究工作得到了教育部重点科技项目 支持( 1 0 4 0 6 2 ) 及一些企业委托开发项目的支持。本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 查阅相关的文献，掌握臭氧发生器电源的发展概况。 i ( 2 ) 介绍d b d 型臭氧发生器的结构和工作原理。 ( 3 ) 分析臭氧发生器电源的常用拓扑结构和控制方案，并比较他们的异同及优缺点， 在此基础上确定本论文所研制的臭氧发生器电源的拓扑结构和控制方案。 ( 4 ) 在确定电源的拓扑结构和控制方案的基础上，对电源电路进行设计和深入的探 讨，设计逆变电路、控制电路( 以t l 4 9 4 为控制芯片的控制电路和以a t m e g a 8 为控制芯 片的控制电路) 、驱动电路、缓冲电路以及保护电路。 ( 5 ) 对电源进行试验研究，分析解决电源中出现的问题，使电源能可靠稳定的工作。 臭氧发生器电源的研制及有关电路问题的探讨 2d b d 型臭氧发生器的负载特性分析 2 1d b d 型臭氧发生器的结构和工作原理 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，电极问的气体，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。早在1 8 5 7 年w e m e rv 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。 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。工业中合成臭氧的装 置其外形多为圆柱型，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。如图2 1 所示【1 9 1 ，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，并由发生管右边流出【8 j 0 。2 3 j 。 图2 1 臭氧发生器工作原理图 f i g 2 1d i a g r a m m a t i co fo p e r a t i o nm e c h a n i s mf o ro z o n i z e r 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2 2 给出了这三种结构形式【2 4 】。 大连理工大学硕士学位论文 ( b ) 图2 2 介质阻挡放电的三种结构图 f i g 2 2 t h r e es t r u c t u r ed i a g r a m so fd b d d i s c h a r g e 电掘 介覆 电援 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。 2 2d b d 型臭氧发生器的等效电路 与日光灯、电焊机等一般负载不同，介质阻挡放电电路包含气隙和特有的介质阻挡 层，其等效电路为非线性的容性负载，并且此负载容性的值也比较大。如图2 3 所示， 根据臭氧发生装置中放电反应器的工作原理，在外加电压没有达到放电的起始电压和每 半周期放电停止时，电极之间中没有传导电流，放电反应器可以等效为介质电容和电极 间隙电容串联；而放电发生后，电极之间的气体击穿导通，并保持基本不变的一个电势 降落，气隙不再表现为电容的性质，出现放电电流，导电的工作气隙也可以等效为电阻， 当然由于气体导电的性质，这个电阻r 是非线性的，因此可以将放电反应器等效为气隙 电容q 和有一定固定压降的齐纳二极管并联后与介质电容串联；或是等效为在一定的 电压下能够触发导通的、有一定内阻的开关器件k 和气隙电容q 并联后，再与介质电 容串联【5 - 6 , 2 0 。 臭氧发生器电源的研制及有关电路问题的探讨 放电击穿后 ：= = = = ： 图2 3d b d 放电反应器等效电路 f i g 2 3e q u i v a l e n tc i r c u i to fd b dd i s c h a r g er e a c t o r k r 上述的等效电路可以清晰地描述介质阻挡放电电路的两个不同的工作状态，所以确 定两种状态下的各层电容值对分析负载特性是非常有必要的。 2 3 等效电路中各层电容值的确定 2 3 1 静态电容测量 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 隙电容的值。如果已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，那么就 可以直接计算介质阻挡层和气隙的静态下的电容。如图2 4 所示，为本臭氧反应器的几 何尺寸。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 瞅吧、际 。”一 寸 u 0 a 0a 图2 4d b d 放电反应器的几何尺寸 f i g 2 4g e o m e t r ys i z eo fd b d r e a c t o r 根据图上所示的尺寸，使用圆筒电容的计算公式就可以计算出各层的静态电容。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。常用李萨如图形法( l i s s a j o u sf i g u r e ) 来测量气隙电容和介质阻挡电容的 数值f 8 ，1 9 刎。 2 3 2 李萨如图形法测量各层动态电容 图2 5 给出了介质阻挡放放电电路的电压一电荷李萨如图形法的测量原理【6 j 。 一 高压探头示波器 电 反应器 u xy f n 源测量电容= 图2 5 电压电荷李萨如图形测量示意图 f i g 2 5 c h a r g e d v o l t a g ec u r v e ( l i s s a j o t i sf i g u r e ) a n di t sm e a s u r i n gs y s t e m 臭氧发生器电源的研制及有关电路问题的探讨 如上图所示，与负载串联一个测量电容嘞，两极的电压为，放电输送的电荷 为q 。用高压探头测量臭氧反应器上的电压n 如果把和由高压探头测得的电压矿 分别加到示波器的x y ，可以得到一条闭合曲线，由于正比于电荷q ，所以通常称 作电压一电荷李萨如图形。该方法在实际使用的时候，要注意测量电容c k 的选取，要 以不影响放电反应器工作和方便测量c m 的电压为准则，通常选取为反应器电容的一 百倍以上，反应器的电容可以用上节的静态测量电容方法得到。同时注意选取的耐 压值要足够高，以保证测量的安全性。通过该方法可以获得很多重要的电气参数，包括 各层的电容值。 当前目录是 ：b j h g 图2 6 李萨如图形分析d b d 放电反应器的负载特性 f i g 2 6a n a l y s i so fl o a d - c h a r a c t e r i s t i c sw i t hl i s s a j o u sf i g u r ef o rad b dd i s c h a r g er e a c t o r 如图2 6 所示，为实际测得的本电源负载的电压一电荷李萨如图形，其曲线为平行 四边形，平行四边形的a b 、c d 两边代表着放电过程，b c 、d a 对应着没有发生放电的 情况【6 ，2 0 1 ，以平行四边形的中心为原点，建立坐标，砀、蜘、妇、弘、蛳、托分别为a 、b 、 c 三点的横竖坐标，则有： f 2 口：l + 1 ：c a + c g ：! 二z 生( 2 1 ) 2 百+ 百2 可2 专嚣 埋u t g f l ：万1 ：必 ( 2 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 因为原来为介质的气体击穿后呈现导电性，导致放电反应器在发生放电前后负载的 等效电路不同。结合等效电路发生的变化，测得放电与否的总动态平均电容a 和c 2 ， 进而可以求得等效电路种介质层电容q 与气隙电容c 窖： 未生放电时的动态电容c j = l l t g l 3 ； 发生放电时的动态电容c z = l t g a ； 介质层电容c d = o ； 气隙电容c g = g c 2 l ( c 2 - c d 。 通过上述公式，结合实际测得的李萨如图形，就可以计算出负载的动态各层电容。 电压一电荷李萨如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。 2 4 负载特性分析 通过上述分析可以看到，与一般容性负载不同，d b d 放电电路包含气隙和特有的 介质阻挡层，其等效电路为两个容性负载串联，并且总的动态等效电路电容在放电和未 放电时发生了很大的变化，其中气隙电容。被击穿，发生放电时总的等效电容会突然 增大，是未放电的几倍以上，这正是臭氧发生器这种负载的特殊性。 由于d b d 型臭氧发生器负载的这种特殊性，对其供电电源的性能有较高的要求， 电源的设计选型要充分考虑到负载的特性，增加了电源研制的复杂以及困难，比如电源 设计当中的缓冲电路的设计( 详见论文的第5 章) 。 臭氧发生器电源的研制及有关电路问题的探讨 3 臭氧发生器电源拓扑结构和控制方案的确定 d b d 型臭氧发生器系统当中电源是一个重要的组成部分，电源直接影响臭氧发生 器的体积、稳定性、效率、成本等性能，所以研制一款合适的电源有着重要的意义。 3 1常用的拓扑结构 ( 1 ) 工频升压电路 9 2 5 ，2 6 】 早期的臭氧发生器电源是由变压器将电网电压升压到同频率的数千伏几万伏，然 后直接施加到发生器装置上，其拓扑结构如图3 1 所示。 市电 升压变压器 图3 1 工频升压供电电路 f i g 3 1 p o w e rs u p p l yc i r c u i to fp o w e rf r e q u e n c y b o o s t 工频升压电路的优点是结构较简单，但其显著的缺点是变压器长期处于连续的工作 状态，体积大，对升压变压器要求高。功率越大，电极击穿电压越高，绕组的绝缘性能 就要求高，故绕制工艺等较困难，成本也较高。由此种供电方式的原理及图3 1 可知， 负载工作频率为工频，电压波形为正弦波。根据相关文献可知：高频快上升沿的方波或 脉冲波的高压电源供电比采用低频正弦波供电能取得更好的臭氧合成效果。所以不难看 出工频升压供电方式供电并不能得到很高的臭氧发生效率。 ( 2 ) 串并联谐振电源电路【1 4 1 5 ，2 啦7 】 为了解决工频升压电路的不足，提高臭氧发生效率，许多电路拓扑结构被提出来广 泛研究。由发生器产生臭氧的原理和等效模型可以看出，d b d 型臭氧发生器是一种非 线性容性负载。若将交变电压直接施加于发生器上，则电源功率因数很低，电源的功率 密度很低，因此必须在电路中加入补偿电感与容性负载串连或并联，使电路工作在负载 谐振状态，从而构成了如图3 2 所示的负载谐振电路。 大连理工大学硕士学位论文 ( a ) 串联谐振负载 ( b ) 并联谐振负载 图3 2 负载谐振电路 f i g 3 2 c i r c u i to fl o a dr e s o n a n t z 比较以上两种电路发现，并联谐振式电路具有较强的抑制短路的能力，不易损坏功 率器件，负载适应能力强，运行稳定等优点。但是起动比较困难，需对滤波大电感预充 电，控制系统也相对比较复杂。相反，串联谐振式电路则起动容易，同时具有输出功率 调节灵活等优点。因此，目前介质阻挡放电性臭氧发生器多采用串联谐振式逆变器供电 控制方案。 臭氧发生装置在运行过程中要根据实际情况对臭氧的产量与浓度进行调节，若从供 电电源的角度来说，即对电源输出功率( 放电功率) 进行调节与控制。因此配套电路以调 功为目的，控制方式大致可分为如下四种：调压控制，脉冲频率调制( p f m ) ，移相脉宽 调制( p w m ) 及脉冲密度调制( p d m ) 【2 8 】【2 9 】。 3 2 控制方案介绍 ( 1 ) 调压控制 调压控制也可称为直流调功。调压控制方案适用于采用三相全控整流桥的电源，通 过调节整流桥可控硅的导通角仅调节直流电压的幅值，实现输出功率的调节。显然， 电源中的逆变电路本身没有参与输出功率的调节，仅实现d c a c 变换。这种方法的缺 点是在深度控制下网侧功率因数低，动态响应慢。但该方法简单成熟，控制方便，至今 仍然在很多电力电子装置中得到应用。 ( 2 ) 脉冲频率调制 脉冲频率调制( p f m ：p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 是通过调节逆变器输出电压的 频率，使电路工作频率离开负载的谐振频率，从而改变负载阻抗角，即逆变器输出电压 与电流之间的相位差9 ，实现功率调节的。p f m 调功不需要调压环节，控制简单，但也 臭氧发生器电源的研制及有关电路问题的探讨 存在着如下缺点：电路工作频率变化大，当输出功率较小时，功率因数低，负载的适应 性较差等。 ( 3 ) 移相脉宽调制 针对调压控制与p f m 存在的不足，提出采用了移相脉宽调制( p w m ：p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 来调节功率。 该方法通常采用三相不可控整流桥和电容为逆变桥提供稳定的直流输入电压，网侧 功率因数比调压控制高。采用频率跟踪，使电流过零信号与基准桥臂驱动信号同步，通 过调节逆变桥移相桥臂驱动信号与基准桥臂的驱动信号的相位来改变输出电压脉宽，从 而调节基波电压的幅值，实现功率调节。这种控制方案在负载频率跟踪的同时会改变电 路的工作频率，此时的频率跟踪移相p w m 控制实际上是一种p f m - p w m 混合功率调节 方案，只不过在调节过程中频率变化不大而已。在这种控制方案下电路中的功率开关器 件易实现z v s 或z c s 软开关【3 0 , 3 1 】，减少了开关损耗和电磁干扰，既克服了直流调功和 p f m 调功的缺点，是目前一种较好的控制方案。 ( 4 ) 脉冲密度调制 p d m 控制方式是一种开关脉冲时间比率的控制方式，也采用负载频率跟踪，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的。p d m 方案输 出频率基本不变，所有器件几乎运行于z c s ，开关损耗比上述三种方法的都小，易于实 现数字化控制。但是在某些工况下会出现不稳定的情况，并且其调功呈有级调功方式。 3 3 拓扑结构和控制方案的确定 ( 1 ) 确定拓扑结构和控制方案 通过上面的介绍分析，我们了解了电源的基本拓扑结构以及控制方案，本节将结合 本d b d 型臭氧发生器来确定电源的拓扑结构和控制方案。 根据具体项目要求，d b d 型臭氧发生器的功率在5 0 0 w 以下，并且要求其成品的体 积比较小，且尽量降低成本。根据上述条件我们对下面四种电路进行比较，他们分别是 单管逆变电路、推挽逆变电路、半桥逆变电路和全桥逆变电路【1 7 , 3 2 , 3 3 】。单管逆变电路结 构简单，但用它作为臭氧发生器电源时产生臭氧的浓度低。后三者都是产生双向脉冲的 逆变电路，推挽逆变电路开关管上承受的电压为输入电压的两倍，如加上由变压器漏感 引起的尖峰脉冲电压，则需采用耐压很高的开关管。半桥逆变电路、全桥逆变电路都具 有所需功率开关管耐压低( 为输入电压与漏感引起的电压之和) ，变压器利用率高的特点， 二者比较，半桥逆变电路的控制电路较全桥逆变电路简单，并且比全桥逆变电路少两个 大连理工大学硕士学位论文 功率开关管，多用于中大功率的逆变电路中，而全桥逆变电路需要四个开关管，往往用 于大功率的逆变电路，半桥逆变电路的一个优点就是：它可以自动校正变压器磁心偏磁， 避免变压器磁心饱和1 3 3 j 。因此通过多方面考虑，本电源采用半桥逆变电路作为电源的逆 变电路。由于本电源实际工作需要调节电源的频率以及占空比来工作，所以控制方案选 择p w m 和p f m 混合的方式来工作，控制部分将在第4 章做详细的阐述。 下面对半桥电路的工作原理做一介绍。图3 3 为论文采用的半桥逆变电路的拓扑图， 其工作原理如下：电容c j 和电容c 2 串联，两者的电压叠加，起到分压的作用，如果 电容值足够大的话，则有【，c ，= c 厂p ，2 。通过控制元件控制开关管聊和f t 2 的交替导通， 也可以控制导通的频率和占空比。当聊导通的时候变压器上的电压为u p n 2 ，当v 1 2 导通的时候变压器上的电压以尹蝴。随着开关管聊和开关管f t 2 的交替导通与截 止，电路在变压器初级产生峰一峰值为u c j + u c 2 的方波脉冲。方波脉冲经变压器升压后， 便可达到所需的电压。在输入端使用调压器进行调压，可实现变压器高压侧的输出电压 是可调的。开关管工作频率的调整，是通过控制电路改变驱动信号的频率来实现的【3 4 筇】。 ( 2 ) 电源的系统结构 图3 3 半桥电路原理图 f i g 3 3h a l f - b r i d g ec i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a m 臭氧发生器电源的研制及有关电路问题的探讨 综上，建立臭氧发生器电源的系统结构图，如图3 4 所示。本电源采用半导体元件 作为开关元件，通过控制开关的占空比以及开关频率，调节输出电压的波形( 占空比) 和 频率，再经高频变压器，将输出的低压方波变为高压方波。系统电路包括a c d c 变换 电路( 整流电路) 、控制电路、d c a c 变换电路、驱动电路、过流过压检测保护电路、升 压变压器等。其中d c a c 变换电路进行功率变换，将直流电转变成交流方波脉冲输出， 它是开关电源的核心部分，a c d c 变换电路是将工频市电整流滤波成直流电：控制电 路产生可调的频率和占空比的低压方波脉冲，控制半导体开关元件工作的频率和占空 比；驱动电路将控制电路产生的信号放大，驱动开关元件正常工作；过流过压检测保护 电路则是起到检测功率主回路中电流、电压，在发生过流过压情况时关闭控制电路输出 的方波脉冲信号，使功率器件停止工作以达到保护元件及负载的功能。升压变压器将 d c a c 变换电路输出的低压方波升为高压电压。 市 图3 4 电源系统结构图 f i g 3 4s y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a mo f p o w e rs u p p l y 电压 以上为电源的系统结构图，下一章将对各个部分进行详细的电路设计。 大连理工大学硕士学位论文 4 臭氧发生器电源变换器的电路设计 4 1主电路相关参数选择 此电源主电路主要包括a c d c 变换电路和d c a c 变换电路、缓冲电路、过压过流 检测电路。由于电源的拓扑结构已经确定，所以主电路设计的重点主要在以下两个方面， 他们分别是功率开关管的选择以及缓冲电路的选择。主电路的电路图如图4 1 所示。 d 图4 1 主电路图 f i g 4 1 c i r c u i td i a g r a mo fm a i nc i r c u i t ( 1 ) 开关管的选择 随着现代科学技术的飞速发展，现代电力电子技术日新月异。从7 0 年代后期起， 先后出现了可关断晶体管( g t o ) ，电力晶体管( g t r ) ，功率场控晶体管( 功率m o s f e t ) ， 绝缘栅极晶体管( i g b t ) ，静电感应晶体管( s i t ) ，静电感应晶闸管( s i t ) ，m o s 晶闸管( m c t ) 以及m o s 晶体管m g t 等，其中i g b t 以及m o s f e t 已经被广泛应用在开关电源中【3 引， i g b t 和m o s e f e t 的参数比较如下表所示【4 1 ： 表4 1i g b t 和m o s f e t 的电气参数 t a b 4 1e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fi g b ta n dm o s f e t 最高耐压最大额定电流最大开关速度 器件名称使用难易程度 ( v ) ( a )( h z ) i g b t4 5 0 02 5 0 01 5 0 k 中等 m o s f e t1 0 0 07 0 02 0 m 很容易 臭氧发生器电源的研制及有关电路问题的探讨 从上面的表可以看出来，m o s f e t 的流通电流值要比i g b t 小很多，其最高耐压值 相对也比较小。m o s f e t 的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用扩隔离，因此得名，它 是近年来发展最快的全控型电力电子器件之一。它的显著特点是用栅极电压来控制漏极 电流，因此所需驱动功率小。i g b t 的专用驱动芯片价格比较高，有些驱动电路虽然可 以用便宜的驱动芯片，但是需要外接一些器件来配合完成驱动电路，因而使电路复杂， 同时i g b t 的驱动控制电路需要的控制电源比m o s f e t 要多，所以对于电源的研制来说 即增加了体积又增加了成本。相对于i g b t ，m o s f e t 不用反向偏置电压，因此其驱动 电路简单，可以减小电源的体积，节省成本。又由于是靠多数载流子导电，没有少数载 流子导电所需的存储时间，是目前开关速度最高的电力电子器件，在中小功率中取得了 广泛的应用。综合以上考虑，并且结合本臭氧发生器，此电源逆变电路的功率开关管选 用m o s f e t 。 逆变电路中的功率开关的参数选择主要考虑以下两个基本参数【”, 3 9 , 4 0 ：第一个参数 是开关管截止时的耐压值，第二个参数是开关管在导通时所能承受的电流值。 首先，讨论开关管的截止时的耐压值。由半桥逆变电路的工作原理分析可知，当其 中的一个开关管导通而另一个开关管截止时，截止的开关管将承受最大电压约为3 1 0 v 。 考虑到由变压器漏感引起的尖峰电压和开关管在关断时感性线路引起的反向电动势，选 择的m o s f e t 耐压值应留出一点的余量，此电源选择开关管耐压值大于5 0 0 v 。 其次分析m o s f e t 的最大正向电流值。在半桥电路中，因为变压器的电压已经减 小到输入电压的一半，为了获得相同的功率，相对于全桥电路，其开关管的工作电流将 加倍。假定：变换器的效率瑁= o 8 ，最大占空比口麟= 0 8 ，则开关管的工作电流为 ，。：孕 ( 4 1 ) u ， 式中n 一电源的输出功率； 研一加到开关管漏极的电压。 以电源功率2 0 0 w 为例进行计算，带入上式得到开关管的工作电流 ，：堡：3 x 2 0 0 ：1 9 a( 4 2 ) 。 【， 3 1 0 根据上面的计算，得到的是开关管的有效电流值，我们选择开关管的导通电流值必 须大于1 9 a 。由于跟开关管并联的缓冲电路在开关管关断和导通的时候都有充放电的过 程，其中其充放电时候的电流流过开关管，与上式计算出的电流叠加在一起经过开关管， 1 8 大连理工大学硕士学位论文 因此在确定m o s f e t 的漏源极的有效电流厶时，最后不能取上式这种方法计算出的电 流，为了安全起见，选用的m o s f e t 的额定电流值应为计算值的几倍以上。 在实际中，由于臭氧发生器的负载的特殊性，在放电的过程中，会产生比电流有效 值大很多的电流窄脉冲，虽然电流有效值较小，但是电流脉冲峰值较大。曾经做过5 0 0 w 的臭氧发生器试验，观察到电流脉冲值很大，有几十