低成本小功率臭氧發(fā)生器電源模塊設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種低成本小功率臭氧發(fā)生器電源模塊。利用Royer電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，對(duì)臭氧發(fā)生器的變壓器及驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)。臭氧發(fā)生設(shè)備通過(guò)多模塊組合方式，可以實(shí)現(xiàn)不同功率等級(jí)的輸出。理論仿真和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試均證明了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：臭氧電源;沿面放電陶瓷片;高頻諧振;升壓變壓器

0 引言

現(xiàn)代漁業(yè)養(yǎng)殖中常常濫用消毒劑與抗生素等，使得水體中的藥品殘留含量超標(biāo)，水產(chǎn)品的肉質(zhì)受到污染[1]，因此尋求一種低成本且環(huán)保的水體消毒方案具有重要意義。臭氧具有極強(qiáng)的氧化性，可以破壞水產(chǎn)養(yǎng)殖中細(xì)菌和微生物的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，破壞其新陳代謝進(jìn)程，最終將其溶解。除了滅菌消毒之外，臭氧的強(qiáng)氧化性可以使有機(jī)物質(zhì)分解，一定程度上可以防止水的富營(yíng)養(yǎng)化，臭氧消毒是漁業(yè)養(yǎng)殖中的理想消毒方案[2]。

陶瓷沿面放電法是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的臭氧生成方法，放電陶瓷片（圖1）利用“沿面放電”原理，即沿著空氣和陶瓷片表面放電，其閃絡(luò)電壓相對(duì)低得多，氣體被擊穿，容易產(chǎn)生等離子體，形成臭氧[3]。

臭氧發(fā)生器的核心部件是高壓電源，電源容量決定了臭氧發(fā)生器的體量。對(duì)于大規(guī)模工業(yè)制氣，一般使用LC諧振開關(guān)電源，不但需要大功率的IGBT及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，還需要大容量的高頻高壓升壓變壓器，成本較高[4]。但對(duì)于普通養(yǎng)殖戶而言，制氣需求相對(duì)而言沒(méi)有工業(yè)應(yīng)用需求大，且對(duì)制氣成本要求較高，為此，本文設(shè)計(jì)了低成本小功率臭氧發(fā)生器電源模塊，同時(shí)小模塊組合應(yīng)用，最終也可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氣。

1 放電陶瓷片模型

臭氧陶瓷片工作時(shí)的放電路徑主要由陶瓷介質(zhì)放電氣隙構(gòu)成，和常見(jiàn)的氣體等離子放電（如熒光燈）有所區(qū)別，對(duì)于熒光燈而言，其發(fā)光管內(nèi)的氣體被激發(fā)后始終處于等離子體態(tài)，因此在整個(gè)工作周期內(nèi)，都處于輝光放電狀態(tài)。而臭氧陶瓷片對(duì)空氣高壓放電，將其激發(fā)為等立體態(tài)，其激勵(lì)電壓存在一個(gè)門檻電壓Uth，因此在整個(gè)工作周期內(nèi)，電路的充放電是持續(xù)交替進(jìn)行的。臭氧發(fā)生器的激勵(lì)電源的工作頻率特性，很大程度上能決定臭氧陶瓷片在實(shí)際工作時(shí)的電路模型，具體可分為兩種情況，即低頻模型（50～10 kHz）和高頻模型（大于10 kHz）[5]。

當(dāng)施加在臭氧陶瓷片的電壓的頻率在50～10 kHz時(shí)，由于頻率較低，整個(gè)激勵(lì)周期中，沿面放電陶瓷片的放電與否界限明顯。當(dāng)陶瓷片激勵(lì)電壓處于閾值電壓Uth以下時(shí)，電極周邊的電場(chǎng)強(qiáng)度還未達(dá)到擊穿氣體的程度，因此可以將陶瓷片等效為電容儲(chǔ)能，且由于放電陶瓷片的結(jié)構(gòu)特殊，該電容的介質(zhì)由兩部分串聯(lián)構(gòu)成，即磁介質(zhì)Cd和空氣介質(zhì)Cg[6]。當(dāng)陶瓷片激勵(lì)電壓超過(guò)閾值電壓Uth，電極周邊的電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到擊穿氣體的程度，氣體被激發(fā)為等離子態(tài)，處于穩(wěn)定放電狀態(tài)，此時(shí)氣隙間承受的電壓處于平衡狀態(tài)，可以將其等效為一個(gè)反向擊穿的雙向齊納二極管，或者將其等效為與輸入電壓方向相反的電壓源。這兩種放電陶瓷片模型就本質(zhì)上而言互為等效，有效描述了放電過(guò)程中的靜電平衡被打破和維持的狀態(tài)。

2 模塊分析與設(shè)計(jì)

臭氧電源主回路采用Royer電路結(jié)構(gòu)[7]，電源主回路基本上由無(wú)源器件構(gòu)成，無(wú)驅(qū)動(dòng)IC，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。無(wú)驅(qū)動(dòng)IC低成本設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

該方案利用變壓器的反饋繞組，巧妙地控制三極管的開通關(guān)斷，達(dá)到高頻諧振，且近似脈沖放電的效果[8]。臭氧電源模塊主電路的工作流程如下：

（1）起振。開關(guān)管Q1和Q2雖然為相同型號(hào)、同一批次出廠，但總會(huì)存在個(gè)體差異，因此在通電的瞬間，三級(jí)管基極流入的電流必然會(huì)有差異，流過(guò)兩個(gè)三級(jí)管的集電極的電流也會(huì)有差異。1）剛開始，令流過(guò)Q1的iQ1start大于流過(guò)Q2的iQ2start;變壓器磁通由iQ1start決定。2）電流上升過(guò)程中，變壓器中的磁通發(fā)生變化，在反饋線圈N3中感應(yīng)出來(lái)電動(dòng)勢(shì)V3。3）V3對(duì)Q1形成正反饋，加速Q(mào)1導(dǎo)通;對(duì)Q2形成負(fù)反饋，使得Q2集電極電流iQ2越來(lái)越小。

Q1逐漸飽和，電流不再上升，此時(shí)磁通變化率也越來(lái)越小，反饋線圈上感應(yīng)出的電壓越來(lái)越小。之后，Q2被開啟。依次反復(fù)上述過(guò)程。

（2）C1的充放電。對(duì)于負(fù)載而言，原邊中存在的電流I使得副邊中產(chǎn)生電流i2。電容C1放電后，i2馬上對(duì)C1充電，同時(shí)i2降低，直到C1電壓充到峰值，i2電流值變?yōu)?，此時(shí)i2反向，C1開始放電，直到電容電壓為0，此時(shí)i2達(dá)到反向最大值。

（3）C2的充放電。當(dāng)i2反向的同時(shí)，線圈N3上的電壓也反向，從而使得Q2斷開，Q1導(dǎo)通，電流I在變壓器T1原邊的上半線圈流動(dòng)。Vc2是開關(guān)管Q1和Q2集電極兩端的電壓。Vc2的電壓最大值是2倍的V1（V1是變壓器中心抽頭到參考點(diǎn)的電壓）。

（4）中心抽頭到參考點(diǎn)電壓V1。當(dāng)Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候，V1值達(dá)到最大，在同一個(gè)三極管的開通和關(guān)閉期間，V1值降低到0。V1的波形和Vdc的波形的平均值應(yīng)該要相等，也就是它們波形的面積應(yīng)該相同。

可以推算出中心抽頭到參考點(diǎn)電壓的最大值為：

當(dāng)輸入波形不是直流Vdc，而是正弦正半周期波形的時(shí)候，輸出波形是正弦的包羅線。雖然沒(méi)有精準(zhǔn)的功率調(diào)節(jié)反饋，但是該方案有效且實(shí)用，成本最優(yōu)。采用多模塊電源結(jié)合的方式，能有效提高產(chǎn)氣率。

3 仿真與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

3.1? ? 仿真分析

（1）諧振匹配。對(duì)諧振進(jìn)行仿真，找出最為匹配的電容電感值組合。LTC諧振的計(jì)算為：LT（C2+C1k2）=2.752 7×10-11，將電容C2+C1k2看作整體C，即LTC=2.752 7×10-11，諧振參數(shù)匹配仿真如圖3所示，原邊帶中心抽頭的變壓器原邊等效為耦合系數(shù)為1的2個(gè)電感（COUPLING=1），2個(gè)電感值相同。諧振仿真的時(shí)候進(jìn)行交流掃描，掃描頻率設(shè)為50～50 000 Hz。查看不同頻率電容的電壓值，電壓值為最大的頻率點(diǎn)即為諧振點(diǎn)。

對(duì)于電容和電感的取值，可嘗試不同的組合，仿真得出最佳曲線。當(dāng)C越大、L越小的時(shí)候，頻率的選擇特性越好，但還需要根據(jù)實(shí)際來(lái)選擇電容電感值組合。

（2）整體仿真。臭氧電源模塊的前級(jí)是用二極管搭建的全橋不控整流，后級(jí)為利用二極管搭建的諧振電路。輸出電壓電流展開波形如圖4所示，電流波之所以有這么多毛刺，是因?yàn)闉榱藢?duì)真實(shí)情況進(jìn)行仿真，加入了變壓器漏感因素，使得電流波形存在諧波成分。

3.2? ? 變壓器設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)尺寸要求，選擇新康達(dá)的牌號(hào)為EEL25的磁芯，該磁芯的有效截面積Ae=40 mm2。根據(jù)變壓器的正弦激勵(lì)公式（3），實(shí)測(cè)變壓器的原邊電壓波形頻率為21.5 kHz，最大值為622 V，包絡(luò)線為100 Hz的正弦波形，取其平均有效值V1rms為220 V，最大磁通密度取0.2 T，代入有效截面積Ae，獲得原邊的匝數(shù)為：

由于匝比為1：7.22，上述計(jì)算的原邊為288匝數(shù)，因此副邊匝數(shù)取近似值2 070匝，為了滿足絕緣設(shè)計(jì)要求，選用多槽骨架加強(qiáng)線包間的絕緣。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，用有限元模型計(jì)算單匝線圈的電感值，有限元計(jì)算值為1.285 5 μH，使用LCR電橋?qū)崪y(cè)值稍微偏小，為1.222 μH，這主要是因?yàn)?D模型中的磁芯拼接處的間距造成，仿真模型中設(shè)置的間距為0.05 mm，而實(shí)際間距有可能比此值大，因此實(shí)測(cè)電感值偏小一些，但也足以說(shuō)明此模型的準(zhǔn)確性。為了防止變壓器飽和，計(jì)算磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，在磁芯的拼接處磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，但整個(gè)磁芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.15 T左右，比設(shè)計(jì)的0.2 T要小，符號(hào)設(shè)計(jì)需求。

3.3? ? 樣機(jī)實(shí)測(cè)

臭氧發(fā)生器電源模塊的輸出電壓最大值為4.4 kV，為了測(cè)量安全，暫時(shí)并未采樣輸出電壓，依舊采用電流鉗對(duì)輸出到放電陶瓷片上的電流進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試位置：電源負(fù)載是兩個(gè)并聯(lián)的沿面放電陶瓷片，測(cè)試一路陶瓷片上流過(guò)的電流。測(cè)試方法：使用泰克示波器匹配的電流探頭，將電流流過(guò)的導(dǎo)線穿過(guò)電流槍的探測(cè)環(huán)內(nèi)，加載在放電陶瓷片上的電壓頻率為21.5 kHz左右，與設(shè)計(jì)的目標(biāo)值相符。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種低成本小功率臭氧發(fā)生器電源模塊，通過(guò)多模塊的靈活集成，能夠提高臭氧的產(chǎn)生效率，選用了基于三極管的高頻諧振方式的升壓方案，推導(dǎo)了電路參數(shù)計(jì)算過(guò)程，設(shè)計(jì)了諧振參數(shù)，對(duì)變壓器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算與仿真，并搭建樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，結(jié)果測(cè)試性能良好，表明了該方案的可行性。

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收稿日期：2020-07-02

作者簡(jiǎn)介：張青蘭（1984—），女，湖南漢壽人，講師，研究方向：電力電子技術(shù)及應(yīng)用。