CN104767388A - 一种臭氧发生器电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及特种电源技术领域，提供一种臭氧发生器电源，所述臭氧发生器电源包括：叠层母排和依次电连接的整流单元、限流软启动单元、滤波单元和全桥逆变单元，其中，所述滤波单元设置在电源底板上，在电源底板上还设置散热片；在散热片上设置整流单元、限流软启动单元和全桥逆变单元；所述滤波单元和全桥逆变单元上部与叠层母排相连接，所述叠层母排包括依次设置的负极板、绝缘层和正极板；所述整流单元、所述滤波单元、所述全桥逆变单元、所述限流软启动单元分别与叠层母排电连接。本发明采用特殊的叠层母排结构参数，减小开关应力对逆变器开关管的影响，提高电源可靠性，简化缓冲电路设计，使得臭氧发生器电源结构紧凑。

Description

一种臭氧发生器电源
技术领域
本发明涉及特种电源技术领域，尤其涉及一种臭氧发生器电源。
背景技术
臭氧作为一种强氧化剂，在杀毒、消毒、脱色、有机物处理等方面有显著效果，由于臭氧易分解，所以臭氧通常需现场制备，工业制备臭氧的主要方法是介质阻挡放电法。早期，DBD型臭氧发生器采用工频升压供电放电，产生的臭氧浓度低，电耗大，电源体积大，随着臭氧应用领域的不断拓展，对臭氧发生器技术指标提出了更高的要求，提高这些指标的途径是提高供电频率。
臭氧发生器负载特性不同于常见的变频器负载，在高频电源设计中有许多问题需要研究。已公开的臭氧发生器发明专利中，涉及臭氧发生器电源的很少；已发表的文献中，对电源拓扑结构和控制方案有详细的论述，但并不全面。对于开关管的开关应力解决方案研究还有待深入。开关管的开关应力会导致开关管发热，甚至击穿，是逆变电源设计中考虑的重要因素，也是臭氧发生器电源中的设计难点。表现在，臭氧发生器电源逆变频率高，达到10KHz，电路中有升压变压器，二次输出电压达到10KV，一二次绕组必须分开绕制，这使得变压器漏感很大，而且，臭氧发生器负载工作时的放电电流中高频谐波幅值大，这些因素使得臭氧发生器电源中开关应力更为严重，在设计解决方案时难度更大。
减小开关应力常用方案有降低回路杂散电感、增加缓冲电路和软开关技术。文献《DBD臭氧发生器电源的研制》中论述了RCD型缓冲电路的设计，其中的参数设计复杂，需要不断调试，否则缓冲效果不明显，大功率下串联的电阻不仅降低开关管的工作效率，而且臭氧发生器负载的开关应力大，电阻消耗的能量大，需要充分考虑散热，不便于电源安装，只采用C型缓冲电路时会引起母线电压震荡；文献《基于移相控制的新型软开关臭氧发生器的研制》中采用移相脉冲调制实现软开关，但需要增加电流过零检测电路和谐振回路，这增加了电源复杂度，降低了可靠性，而且臭氧发生器负载特性放电前后剧烈变化，很难实现完全的软开关，在中型发生器中不易采用。
发明内容
本发明主要解决现有技术的臭氧发生器高频电源中缓冲电路设计复杂、工作不可靠，而软开关技术实现难度大的缺点，提出一种臭氧发生器电源，采用特殊的叠层母排结构参数，减小开关应力对逆变器开关管的影响，提高电源可靠性，简化缓冲电路设计，使得臭氧发生器电源结构紧凑。
本发明提供了一种臭氧发生器电源，所述臭氧发生器电源包括：叠层母排和依次电连接的整流单元、限流软启动单元、滤波单元、全桥逆变单元和缓冲单元，其中，所述滤波单元设置在电源底板上，在电源底板上还设置散热片；在散热片上设置整流单元、限流软启动单元和全桥逆变单元；
所述滤波单元和全桥逆变单元上部与叠层母排相连接，所述叠层母排包括依次设置的负极板、绝缘层和正极板；
所述整流单元、所述滤波单元、所述全桥逆变单元、所述限流软启动单元分别与叠层母排电连接；
所述叠层母排的容值为缓冲单元容值的0.001-0.01倍，叠层母排的容值计算公式：
C＝ε0*εr*S/d
其中，C表示叠层母排的容值，ε0表示真空绝对介电常数，ε0＝8.85*10^(-12)F/m，εr表示绝缘层材料的相对介电常数，S表示叠层母排的重叠面积，d表示绝缘层厚度。
进一步的，所述臭氧发生器电源还包括：隔直电容、隔离变压器、进线端子和输出端子；
所述隔直电容与全桥逆变单元的输出端电连接；
所述隔离变压器的输出端与臭氧发生器电源的电源控制单元电连接；
所述进线端子与整流单元的输入端以及隔离变压器输入端电连接；
所述输出端子与全桥逆变单元的输出端和隔直电容电连接。
进一步的，所述滤波单元由并联的四组电容单元组成，所述电容单元由两个串联的电容器组成。
进一步的，所述全桥逆变单元由两个IGBT模块组成，所述IGBT模块包括两个依次串联的绝缘栅双极型晶体管。
进一步的，所述限流软启动单元包括：限流电阻、交流接触器、直流继电器、分压电阻和稳压电容；
所述交流接触器三组输出触点并联连接，并与限流电阻电连接；
所述分压电阻和直流继电器串联，并与滤波单元并联；
所述稳压电容并联在直流继电器两端，所述直流继电器输出常开触点接入到交流接触器线圈回路中，控制接触器吸合。
进一步的，所述散热片与电源底板通过丝杆固定，散热片下面安装风扇，风扇安装防尘罩，电源底板在风扇对应位置开孔。
进一步的，所述叠层母排的绝缘层采用聚四氟乙烯材料，厚度小于等于0.5mm。
进一步的，所述缓冲单元包括：两个并列连接的电容器。
本发明提供的一种臭氧发生器电源，采用叠层母排的连接方式，一方面减小了主电路中的杂散电感，降低了开关应力，防止杂散电感和缓冲电容产生震荡，另一方面，利用叠层母排的特性，即可以等效为一个容值很小的无感电容，吸收臭氧发生器负载放电电流中的高频成分，这些电流缓冲电容无法完全吸收。叠层母排的容值约为缓冲单元容值的0.001-0.01倍，在叠层母排设计时，通过改变正负母排正对面积使其容值满足设计要求。在开关管导通关断时，叠层母排能够吸收电压电流中的高频成分，不引起母线电压震荡，C型缓冲电路中的电容不会发热，从而简化了电源缓冲电路的设计。
附图说明
图1为本发明实施例提供的臭氧发生器电源的布局图；
图2为本发明实施例提供的臭氧发生器电源的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的臭氧发生器电源的横轴线的截面图；
图4为本发明实施例提供的臭氧发生器电源的电路连接示意图；
图5a-c为本发明实施例提供的叠层母排的结构示意图；
图6a-b为采用叠层母排前后的逆变器输出波形图；
图7为采用叠层母排前后缓冲电容、绝缘栅双极型晶体管的工作温度图。
图中附图标记指代的技术特征为：
1、整流单元；2、限流软启动单元；3、滤波单元；4、全桥逆变单元；5、电源底板；6、散热片；7、叠层母排；8、隔直电容；9、隔离变压器；10、进线端子；11、输出端子；12、限流电阻；13、交流接触器；14、丝杆；15、风扇。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图1为本发明实施例提供的臭氧发生器电源的布局图。图2为本发明实施例提供的臭氧发生器电源的结构示意图。图3为本发明实施例提供的臭氧发生器电源的横轴线的截面图。如图1、2和3所示，本发明实施例提供的臭氧发生器电源包括：叠层母排和依次电连接的整流单元1、限流软启动单元2、滤波单元3、全桥逆变单元4和缓冲单元，其中，所述滤波单元设置在电源底板5上，在电源底板5上还设置散热片6；在散热片6上设置整流单元1、限流软启动单元2和全桥逆变单元4；所述滤波单元3和全桥逆变单元4上部与叠层母排7相连接，所述叠层母排7包括依次设置的负极板、绝缘层和正极板；所述整流单元1、所述滤波单元3、所述全桥逆变单元4、所述限流软启动单元2分别与叠层母排7电连接。
其中，所述整流单元1，用于提供直流电压；所述限流软启动单元2，用于减小电源启动瞬间的冲击电流；所述滤波单元3，用于减小整流单元输出直流电压的脉动；所述全桥逆变单元4，用于提供臭氧发生器负载工作所需的高频电压。
所述臭氧发生器电源还包括：隔直电容8、隔离变压器9、进线端子10和输出端子11；所述隔直电容8与全桥逆变单元4中的任一输出端通过铜排连接；所述隔离变压器9的输出端与臭氧发生器电源的电源控制单元通过导线连接；所述进线端子10与整流单元1的输入端以及隔离变压器9输入端通过导线连接；所述输出端子11与全桥逆变单元4任一输出端和隔直电容8一端通过铜排连接。另外，本申请的全桥逆变单元的输出端与升压变压器单元的输入端电连接，升压变压器单元的输出端与负载电连接。
所述滤波单元3由并联的四组电容单元组成，所述电容单元由两个串联的电容器组成，两个串联的电容器通过铜排连接。所述全桥逆变单元4由两个IGBT模块组成，所述IGBT模块包括两个依次串联的绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)。两个依次串联的绝缘栅双极型晶体管封装在一起。
所述限流软启动单元2包括：限流电阻12、交流接触器13、直流继电器、分压电阻和稳压电容；所述交流接触器13三组输出触点并联连接，并与限流电阻12电连接；所述分压电阻和直流继电器串联，并与滤波单元3并联；所述稳压电容并联在直流继电器两端，所述直流继电器输出常开触点接入到交流接触器13线圈回路中，控制接触器吸合。
本发明中各单元具体的电连接关系为：滤波单元3的正极、全桥逆变单元4中IGBT的正极分别与叠层母排7的正极板电连接；所述滤波单元3的负极、所述全桥逆变单元4中IGBT的负极分别与叠层母排7的负极板电连接；整流单元1的输出正极端和限流软启动单元2中的限流电阻12一端通过铜排相连，限流电阻12另一端和叠层母排7的正极板通过铜排相连，整流单元1输出负极端和叠层母排7的负极板通过铜排相连，限流电阻12上的端子连接采用锡焊，叠层母排7上的端子连接可采用锡焊或者螺丝。另外，叠层母排7通过螺丝连接滤波单元3和全桥逆变单元4，滤波单元3中的电容通过电容支架固定在电源底板5上，整流单元1、全桥逆变单元4、限流软启动单元2通过螺丝固定在散热片6上，所述散热片6与电源底板5通过丝杆14固定，散热片6下面安装风扇15，风扇15紧贴散热片，风扇15也通过丝杆14固定。风扇15安装防尘罩，电源底板5与风扇15对应位置开孔，有利于滤波单3元的电容器、叠层母排7和变压器散热。
图4为本发明实施例提供的臭氧发生器电源的电路连接示意图。参照图4，本发明的整流单元1包括：第一二极管V1、第二二极管V2、第三二极管V3、第四二极管V4、第五二极管V5和第六二极管V6，第一二极管V1与第二二极管V2串联，第三二极管V3与第四二极管V4串联，第五二极管V5与第六二极管V6串联，三组串联的二极管并联。限流软启动单元2包括：交流接触器KM1、限流电阻R1、分压电阻R2、稳压电容C12和直流继电器ZJ1，交流接触器KM1与限流电阻R1并联并与分压电阻R2的一端电连接，分压电阻R2的另一端与并列连接的稳压电容C12和直流继电器ZJ1电连接。滤波单元3包括：第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、第五电容器C5、第六电容器C6、第七电容器C7和第八电容器C8，其中，第一电容器C1和第二电容器C2串联，第三电容器C3和第四电容器C4串联，第五电容器C5和第六电容器C6串联，第七电容器C7和第八电容器C8串联，四组电容单元并联。全桥逆变单元4包括两组IGBT模块，一个IGBT模块由依次串联的绝缘栅双极型晶体管S1和S3组成，另一个IGBT模块由依次串联的绝缘栅双极型晶体管S2和S4组成。
图5a-c为本发明实施例提供的叠层母排的结构示意图。图5a为本发明实施例提供的叠层母排正极板的结构示意图。图5b为本发明实施例提供的叠层母排绝缘层的结构示意图。图5c为本发明实施例提供的叠层母排负极板的结构示意图。参照图5，本发明的叠层母排7采用双层结构，叠层母排7的绝缘层采用聚四氟乙烯材料，厚度小于等于0.5mm，耐压值不小于2KV，所述叠层母排的容值为缓冲单元容值的0.001-0.01倍，叠层母排的容值计算公式：C＝ε0*εr*S/d，其中，C表示叠层母排的容值，ε0表示真空绝对介电常数，ε0＝8.85*10^(-12)F/m，εr表示绝缘层材料的相对介电常数，S表示叠层母排的重叠面积，d表示绝缘层厚度。叠层母排7的容值可以通过改变正负母排重叠面积使其容值满足要求，叠层母排7的重叠面积根据分布电容参数要求决定，重叠面积是指正负极板的正对面积。叠层母排7中间绝缘层采用PET或者聚四氟乙烯材料，绝缘性能好，满足绝缘层厚度的要求，增加分布电容，而且其耐腐蚀性强，满足臭氧发生器的工作环境要求。叠层母排7四周用夹具加紧，防止安装过程中造成绝缘层出现较大气隙，保证同样的母排表面积下达到最大的分布电容。叠层母排7连接滤波单元3和全桥逆变单元4，能够减小回路杂散电感，提高母线杂散电感和缓冲电容的震荡频率，利用叠层母排7的容性无感特性，吸收高频毛刺电流，减小开关应力，解决缓冲电容的发热问题。整流单元1输出通过铜排与叠层母排7相连，电源布局时滤波电容器组和IGBT对称布置，均位于母排下方，整流单元1、全桥逆变单元4、限流软启动单元2置于散热片上，将滤波单元3中的电容器组远离和全桥逆变单元4输出端子，能够减弱全桥逆变单元4高频输出对母排电流分布的影响，降低杂散电感。
上述电源中，叠层母排7的设计时与元件布局对应，正负极板的开孔位置要考虑绝缘问题，开孔处和母排四周加工为圆角(R8)，圆角相对于直角来说，电流分布更加均匀，有利于减小母排电感和增加分布电容，而且不会产生尖端放电。中间的绝缘层采用聚四氟乙烯材料，厚度d为0.3mm，绝缘层比正负母排周边宽20mm。
所述缓冲单元包括：两个并列连接的电容器(图4中C9、C10两个缓冲电容)，属于C型集中配置，安装简单。滤波电容采用四组并联、每组两两串联的结构，能够减小电容的耐压值要求，满足臭氧发生器负载击穿放电时对瞬时电流的要求，提高滤波电容使用寿命，在叠层母排设计时，不需要中间级母排，每组两个电容通过铜排连接即可。电源底板5为绝缘板，两个IGBT和滤波电容器组分别要求对称分布，减小叠层母排分布电感，通过调节电容器组底座的高度，使得IGBT和滤波电容器组连接端子在同一水平面上，保证叠层母排平整，整流单元输出负极与IGBT负极平行，方便铜排连接，将限流电阻12和切除时的交流接触器13放在散热片6上方便连接。交流进线端子10五位，包括主电路三相进线端子和控制电路单相进线端子，方便接线和逆变电源调试维修，电源控制回路供电端应加隔离变压器9。隔直电容8固定在底板上，逆变桥输出接两个输出端子11，方便电源安装及检修。
缓冲电容容值根据表1选择，输出电流40A时应选0.47μF，则叠层母排容值C应达到0.94nF。聚四氟乙烯介电常数为2，则由：C＝ε0*εr*S/d，可得重叠面积S＝(d*C)/(ε0*εr)＝160cm2。根据上式计算的正负极板重叠面积要求，设计的叠层母排尺寸如图3中标注。叠层母排四周用夹具加紧，防止安装过程中造成绝缘层出现较大气隙，保证同样的母排表面积下达到最大的分布电容。
表1集中式缓冲电路缓冲电容容量选择大致标准
以下结合一台5KW臭氧发生器电源对本发明实施例作进一步说明：
整流单元包括2200MFD型整流桥，三相全桥，额定电流为100A，额定电压为1400V。滤波单元中的每一个电容器的容值为2200μF，耐压值为450V，两两串联，四组并联连接。IGBT模块的型号为infineon FF150R12KS4，IGBT驱动器型号为2SID30A17，驱动信号由DSP产生，IGBT的缓冲电容(C9和C10)的容值为0.47μF，耐压值为1200V，采用集中配置；电阻R1主要起限流作用，阻值为20Ω，额定功率为200W，ZJ1为直流继电器，其线圈额定电压为220V/DC，线圈电阻为25KΩ，电阻R2通过和直流继电器线圈内阻分压来限制切除限流电阻时的母线电压，R2阻值为43KΩ，电容C12参数为68μF/450V，通过R2和直流继电器线圈内阻限制C12的充电时间；第十一电容器C11主要起隔直作用，容值为4.7μF，耐压值为1000V，缓冲电容和隔直电容均为无感电容；电源工作时，全桥逆变单元的输出电压频率为8.5KHz，占空比40％(全周期)，电流有效值40A，升压变压器二次电压峰值8KV，电流有效值2.3A。
图6为采用叠层母排前后的逆变器输出电压电流波形，在采用叠层母排前，如图6a所示，电路在IGBT全部关断时的续流阶段和负载馈能阶段，缓冲电容和回路中的杂散电感产生震荡，母线电压、逆变器输出电流出现震荡，其震荡周期约为10μs(100KHz)，IGBT关断电压尖峰约700V。在改变电源布局并采用叠层母排连接后，逆变器输出电压电流波形如图b所示测量叠层母排分布电容、杂散电感分别为10nF、30nH，对比逆变输出电压电流波形，震荡消除，IGBT关断时的电压尖峰约600V，下降了100V。
图7是采用叠层母排前后缓冲电容、IGBT的工作温度。采用叠层母排前，由于电压电流震荡引起缓冲电容发热，其温度达到73℃，采用叠层母排后，震荡消除，同时叠层母排吸收了高频电流，缓冲电容温度降低了32℃，IGBT工作温度也下降了8℃。
在电源缓冲电路设计时，不采用具有耗能电阻的结构形式(RC型和RCD型)和软开关技术的情况下通过采用叠层母排的技术方案，解决了IGBT开关应力以及电压电流震荡引起的缓冲电容过热问题，同时，叠层母排连接时电源布局更加清晰，结构紧凑，便于安装维修。
本发明实施例提供的臭氧发生器电源，采用叠层母排的连接方式，一方面减小了主电路中的杂散电感，降低了开关应力，防止杂散电感和缓冲电容产生震荡，另一方面，利用叠层母排的特性，即可以等效为一个容值很小的无感电容，吸收臭氧发生器负载放电电流中的高频成分，这些电流缓冲电容无法完全吸收。叠层母排的容值约为缓冲单元容值的0.001-0.01倍，在叠层母排设计时，通过改变正负母排正对面积使其容值满足设计要求。在开关管导通关断时，叠层母排能够吸收电压电流中的高频成分，不引起母线电压震荡，C型缓冲电路中的电容不会发热，从而简化了电源缓冲电路的设计。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种臭氧发生器电源，其特征在于，所述臭氧发生器电源包括：叠层母排和依次电连接的整流单元、限流软启动单元、滤波单元、全桥逆变单元和缓冲单元，其中，所述滤波单元设置在电源底板上，在电源底板上还设置散热片；在散热片上设置整流单元、限流软启动单元和全桥逆变单元；
所述滤波单元和全桥逆变单元上部与叠层母排相连接，所述叠层母排包括依次设置的负极板、绝缘层和正极板；
所述整流单元、所述滤波单元、所述全桥逆变单元、所述限流软启动单元分别与叠层母排电连接；
所述叠层母排的容值为缓冲单元容值的0.001-0.01倍，叠层母排的容值计算公式：
C＝ε0*εr*S/d
其中，C表示叠层母排的容值，ε0表示真空绝对介电常数，ε0＝8.85*10^(-12)F/m，εr表示绝缘层材料的相对介电常数，S表示叠层母排的重叠面积，d表示绝缘层厚度。
2.根据权利要求1所述的臭氧发生器电源，其特征在于，所述臭氧发生器电源还包括：隔直电容、隔离变压器、进线端子和输出端子；
所述隔直电容与全桥逆变单元的输出端电连接；
所述隔离变压器的输出端与臭氧发生器电源的电源控制单元电连接；
所述进线端子与整流单元的输入端以及隔离变压器输入端电连接；
所述输出端子与全桥逆变单元的输出端和隔直电容电连接。
3.根据权利要求1所述的臭氧发生器电源，其特征在于，所述滤波单元由并联的四组电容单元组成，所述电容单元由两个串联的电容器组成。
4.根据权利要求1所述的臭氧发生器电源，其特征在于，所述全桥逆变单元由两个IGBT模块组成，所述IGBT模块包括两个依次串联的绝缘栅双极型晶体管。
5.根据权利要求1所述的臭氧发生器电源，其特征在于，所述限流软启动单元包括：限流电阻、交流接触器、直流继电器、分压电阻和稳压电容；
所述交流接触器三组输出触点并联连接，并与限流电阻电连接；
所述分压电阻和直流继电器串联，并与滤波单元并联；
所述稳压电容并联在直流继电器两端，所述直流继电器输出常开触点接入到交流接触器线圈回路中，控制接触器吸合。
6.根据权利要求1所述的臭氧发生器电源，其特征在于，所述散热片与电源底板通过丝杆固定，散热片下面安装风扇，风扇安装防尘罩，电源底板在风扇对应位置开孔。
7.根据权利要求1所述的臭氧发生器电源，其特征在于，所述叠层母排的绝缘层采用聚四氟乙烯材料，厚度小于等于0.5mm。
8.根据权利要求1所述的臭氧发生器电源，其特征在于，所述缓冲单元包括：两个并列连接的电容器。
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