CN106505871A - 一种基于脉冲均匀调制功率控制的介质阻挡放电型臭氧发生器供电电源 - Google Patents

一种基于脉冲均匀调制功率控制的介质阻挡放电型臭氧发生器供电电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲均匀调制功率控制的介质阻挡放电型臭氧发生器供电电源，所述的臭氧发生器供电电源主要整流电路、LC滤波电路、单相全桥逆变电路、高频升压变压器、脉冲均匀调制功率控制系统、驱动电路以及臭氧发生器负载。本发明提出的介质阻挡放电型臭氧发生器供电电源在脉冲均匀调制功率控制下具有负载电流不易断续，系统不易失锁的良好特性，可以确保臭氧发生器始终处于高效放电状态。此外，电路中各功率器件均能在软开关条件下工作，保证了供电电源的高效率运行。整个供电电源具有损耗小和调功简单的特点。

Description

一种基于脉冲均匀调制功率控制的介质阻挡放电型臭氧发生 器供电电源
技术领域
本发明涉及一种特种电源，特别涉及一种基于脉冲均匀调制功率控制的介质阻挡放电型臭氧发生器供电电源。
背景技术
臭氧是氧气的同素异形体，在常温下，它是一种有特殊臭味的淡蓝色气体。臭氧的强氧化性使其在水处理、食品加工、农业防治病虫以及医疗卫生等领域均有广泛的应用。目前人工制备臭氧的方法按制备原理不同可分为：气体放电法、光化学法和电化学法。其中气体放电法中的介质阻挡放电法(Dielectric Barrier Discharge，DBD)是工业上制备臭氧最为可行和有效的方法。介质阻挡放电型臭氧发生器一个工作周期中可以分为未放电状态和放电状态，在未放电状态下负载可以等效为气隙电容Cg和介质电容Cd的串联；放电状态下气隙电容Cg可以等效为一个电压方向与输入方向相反的电压源，而且气隙电容击穿电压基本维持不变，这个电压被称为放电维持电压UZ。
升高臭氧发生器负载电压频率能够增大负载功率消耗，因此目前现有的介质阻挡放电型臭氧发生器逆变电源多工作在中高频状态下。中高频状态下逆变电路的功率开关器件的开关损耗不可忽略，减少开关损耗或实现开关管的软开关是提高臭氧发生器工作效率的重要研究方向。为了实现逆变器的软开关，文献(路智斌.感应加热电源PDM调功方法研究[D].11-16)介绍了传统的脉冲密度调制(Pulse Density Modulation，PDM)功率控制方法，传统PDM控制在一定周期T内共有M个功率输出单位，其中N个功率输出单位里逆变器向负载输出功率，另外M-N个功率输出单位里逆变电路不工作，负载电流自然衰减。因此通过控制输出的脉冲密度D(D＝N/M)，即可调节臭氧发生器的输出功率。在臭氧发生器整个工作过程中高频变压器的漏感Ls与负载电容构成负载谐振，负载电流的反馈信号经锁相环频率跟踪电路输入到控制电路，经PDM控制电路判断电流过零点，在电流过零点的同时触发开关管脉冲，实现功率开关管的软开关。但是传统的PDM控制方法中调制比D越小，负载电流在逆变电路不工作期间衰减的越多，以至于锁相环电路不能精确的检测出负载电流的相位，逆变电路便不能够完成负载电流实时的频率跟踪。因此传统的PDM调功方法不能够保证逆变电路始终工作在软开关状态，开关器件损耗大，逆变电路效率低，而且由于负载电流易断续会导致系统易失锁。此外轻负载下也会导致负载电流在逆变电路不工作期间也会出现断续，造成和脉冲密度D较小时同样的问题。
发明内容
本发明针对传统PDM控制的DBD型臭氧发生器在脉冲密度D较小以及轻负载情况下存在的负载电流易断续，系统易失锁等问题，提供一种脉冲均匀调制功率控制的DBD型臭氧发生器供电电源。
本发明采用的技术方案为：一种基于脉冲均匀调制(Symmetrical Pulse DensityModulation,SPDM)功率控制的介质阻挡放电型(Dielectric Barrier Discharge，DBD)臭氧发生器供电电源，包括整流电路、LC滤波电路、单相全桥逆变电路、高频升压变压器、脉冲均匀调制功率控制系统、驱动电路以及臭氧发生器负载。所述的整流电路经LC滤波电路与单相全桥逆变电路连接，单相全桥逆变电路的输出与高频升压变压器的一次侧连接，高频升压变压器的二次侧与臭氧发生器负载连接。
所述的脉冲均匀调制功率控制系统包括反馈电流采样模块、锁相环模块、功率设定模块、脉冲密度分配模块、脉冲密度控制模块以及PWM波产生模块。所述的脉冲密度控制模块有n个，即1/2j脉冲密度控制模块(j＝1,2…,n)，1/2j脉冲密度控制模块的输出分为工作状态输出和非工作状态输出。所述的脉冲密度分配模块根据功率设定模块输入的设定功率确定合适的脉冲密度分配，再由脉冲密度分配结果确定n个脉冲密度控制模块的工作状态。逆变器输出电压的脉冲密度等于处于工作状态下的1/2j脉冲密度控制模块单独控制时逆变器输出电压的脉冲密度之和。因此通过调节功率设定模块中n个脉冲密度控制模块工作状态的组合，可以控制逆变器功率的输出。
所述的1/2j脉冲密度控制模块的控制周期Tj由2j个基本功率调节T0组成。当脉冲密度控制模块处于工作状态下，在一个控制周期Tj内，只有一个T0周期内逆变器处于功率输出状态，其余(2j-1)个T0周期内逆变器不向负载输出功率，逆变器的输出电压的脉冲密度为1/2j。在功率输出的T0周期内，1/2j脉冲密度控制模块在前T0/2周期的输出经PWM产生模块和驱动电路后控制逆变电路开关管VT1、VT3关断，VT2、VT4开通；1/2j脉冲密度控制模块在后T0/2的输出经PWM产生模块和驱动电路后控制逆变电路开关管VT1、VT3开通，VT2、VT4关断。在逆变器不向负载输出功率的(2j-1)个T0周期内，1/2j脉冲密度控制模块的输出经PWM产生模块和驱动电路后控制逆变电路开关管VT1、VT2关断，VT4、VT3开通。负载电流反馈信号由电流传感器测得输入到控制系统的反馈电流采样模块，反馈电流采样模块的输出信号输入到锁相环模块，锁相环的输出信号输入到PWM产生模块，同时n个脉冲密度控制模块的输出经逻辑组合后也输入到PWM产生模块。PWM产生模块根据锁相环的输入信号生成相同周期、相同过零点的PWM波，再结合n个脉冲密度控制模块经逻辑组合的输出，确定功率开关管VT1，VT2，VT3，VT4的PWM波形。PWM产生模块的输出经驱动电路即得到功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4的驱动脉冲。
作为优选，本发明的一种基于脉冲均匀调制功率控制的介质阻挡放电型臭氧发生器供电电源中的n个脉冲密度控制模块控制的最小脉冲密度级数为1/2n，当要改变最小脉冲密度级数时，可以增加或减少脉冲密度控制模块的数目。
作为优选，本发明的一种基于脉冲均匀调制功率控制的介质阻挡放电型臭氧发生器供电电源中的反馈电流采样信号的相位随负载参数变化而发生改变时，经控制系统的锁相环频率跟踪模块，实现负载电流频率的跟踪，保证逆变电源的工作频率与负载谐振的频率一致。
有益效果：本发明采用脉冲均匀调制功率控制方法驱动DBD型臭氧发生器供电电源逆变电路的功率开关管，SPDM改变了传统的PDM触发脉冲产生方式，在一个工作周期内均匀的分配触发脉冲，使得负载电流的波动性大大减小且不易断续，系统不易失锁。SPDM控制的DBD型臭氧发生器供电电源可以实现逆变电路四个开关管的软开关，具有开关损耗小，工作效率高的优点。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明各1/2j脉冲密度控制模块单独工作时逆变电路电压输出波形；
图3为本发明脉冲密度为20/32时逆变电路电压输出波形；
图4为本发明1/2j脉冲密度控制模块的控制流程；
图5为本发明实例仿真所得的不同脉冲密度下逆变电路输出电压波形；
图6为本发明实例仿真所得的不同脉冲密度下负载电流波形；
图7为本发明实例仿真所得的调功曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
由图1可见本发明包括整流电路1、LC滤波电路2、单相全桥逆变电路3、高频升压变压器4、脉冲均匀调制功率控制系统6、驱动电路7以及臭氧发生器负载5。所述的整流电路1经LC滤波电路2与单相全桥逆变电路3连接，单相全桥逆变电路3的输出与高频升压变压器4的一次侧连接，高频升压变压器4的二次侧与臭氧发生器负载5连接。所述的脉冲均匀调制功率控制系统6包括反馈电流采样模块11、锁相环模块12、功率设定模块9、脉冲密度分配模块10、脉冲密度控制模块8以及PWM波产生模块13。所述的脉冲密度控制模块8有n个，即1/2j脉冲密度控制模块(j＝1,2…,n)，1/2j脉冲密度控制模块的输出分为工作状态输出和非工作状态输出。所述的脉冲密度分配模块8根据功率设定模块输入的设定功率确定合适的脉冲密度分配，再由脉冲密度分配结果确定n个脉冲密度控制模块的工作状态。逆变器输出电压的脉冲密度等于处于工作状态下的脉冲密度控制模块单独控制时逆变器输出电压的脉冲密度之和。因此通过调节脉冲密度分配模块8中n个脉冲密度控制模块工作状态的组合，可以控制逆变器功率的输出。负载电流反馈信号由电流传感器测得输入到控制系统的反馈电流采样模块，反馈电流采样模块的输出信号输入到锁相环模块，锁相环的输出信号输入到PWM产生模块，同时n个脉冲密度控制模块的输出经逻辑组合后也输入到PWM产生模块。PWM产生模块的输出经驱动电路即得到功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4的驱动脉冲。
由图2可见各1/2j脉冲密度控制模块单独工作时逆变电路电压输出波形。1/2脉冲密度控制模块8的控制周期T1由2个基本功率调制周期T0组成，在一个控制周期T1内，只有一个T0周期内逆变器处于功率输出状态，另一个T0周期内逆变器不向负载输出功率，逆变器的输出电压的脉冲密度为1/2；1/4脉冲密度控制模块8的控制周期T1由4个T0周期组成，在一个控制周期T2内，只有一个T0周期内逆变器处于功率输出状态，其余3个T0周期内逆变器不向负载输出功率，逆变器的输出电压的脉冲密度为1/4；依次类推1/2j脉冲密度控制模块的控制周期Tj由2j个T0周期组成，在一个控制周期Tj内，只有一个T0周期内逆变器处于功率输出状态，其余(2j-1)个T0周期内逆变器不向负载输出功率，逆变器的输出电压的脉冲密度为1/2j。由图2可见，为了保证脉冲密度控制模块输出的逻辑组合能够达到逆变器输出电压脉冲密度叠加的效果，1/2j脉冲密度控制模块第一个功率输出状态周期出现在(2j-1-1)个T0周期后。
由图3可见脉冲密度为20/32时逆变电路电压输出波形，当逆变电压的输出脉冲密度为20/32时，逆变电压得输出波形为1/2和1/23脉冲密度控制模块8分别单独工作时逆变电压输出波形组合相加的结果。由20/32＝1/2+1/23可知此时脉冲密度分配模块控制1/2和1/23脉冲密度控制模块处于工作状态，其他脉冲密度控制模块处于不工作状态。
由图4可见1/2j脉冲密度控制模块的控制流程，PWM产生模块13根据锁相环的输入信号生成相同周期、相同过零点的PWM波，再结合n个脉冲密度控制模块8经逻辑组合的输出，确定功率开关管VT1，VT2，VT3，VT4的PWM波形。控制流程开始首先根据功率设定值判断1/2j脉冲密度控制模块8的工作状态，若该密度控制模块处于不工作状态，即此状态下逆变器不向负载输出功率，此时PWM产生模块13的输出经驱动电路控制VT1、VT3开通，VT2、VT4关断。若该密度控制模块处于工作状态时，在其功率输出的T0周期内，当锁相环生成的PWM信号处于负半周即前T0/2周期内，PWM产生模块13的输出经驱动电路7控制逆变电路开关管VT1、VT3关断，VT2、VT4开通，电流的导通回路是VT2—负载—VT4；当锁相环生成的PWM信号过零点进入正半周，1/2j脉冲密度控制模块8的输出经驱动电路7控制逆变电路开关管VT1、VT3开通，VT2、VT4关断，电流的导通回路是VT1—负载—VT3；在逆变器不向负载输出功率的(2j-1)个T0周期内，1/2j脉冲密度控制模块8的输出经驱动电路7控制逆变电路开关管VT1、VT2关断，VT4、VT3开通，电流的导通回路为VT3—负载—D4和VT4—负载—D3，此阶段电流自然衰减。由图4可见由于臭氧发生器的启动初始阶段没有电流反馈信号，因此脉冲控制模块包括自启动控制，自启动周期内，脉冲控制模块的输出经驱动电路控制VT1、VT3开通，VT2、VT4关断，当检测到锁相环生成的PWM信号过零点后，自启动关闭。
如图5和图6所示为一组典型参数下本发明供电电源在脉冲密度为7/32、20/32、31/32下的逆变电路输出电压和负载电流波形。对比传统的PDM控制，SPDM控制下的负载电流具有更好的连续性，负载电流不易断续，系统不易失锁。
如图7所示为一组典型参数下本发明供电电源的调功曲线。可见放电功率随脉冲密度变化曲线近似线性，具有良好的调节功率特性。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种基于脉冲均匀调制功率控制的介质阻挡放电型臭氧发生器供电电源，其特征在于：包括整流电路(1)、LC滤波电路(2)、单相全桥逆变电路(3)、高频升压变压器(4)、脉冲均匀调制功率控制系统(6)、驱动电路(7)以及臭氧发生器负载(5)；所述的整流电路(1)经LC滤波电路(2)与单相全桥逆变电路(3)连接，单相全桥逆变电路(3)的输出与高频升压变压器(4)的一次侧连接，高频变压器的二次侧与臭氧发生器的负载(5)连接；
所述的脉冲均匀调制功率控制系统(6)包括反馈电流采样模块(11)、锁相环模块(12)、功率设定模块(9)、脉冲密度分配模块(10)、脉冲密度控制模块(8)以及PWM产生模块(13)；所述的脉冲密度控制模块有n个，即1/2j脉冲密度控制模块(j＝1,2…,n)，1/2j脉冲密度控制模块的输出分为工作状态输出和非工作状态输出；所述的脉冲密度分配模块根据功率设定模块输入的设定功率确定合适的脉冲密度分配，再由脉冲密度分配结果确定n个脉冲密度控制模块的工作状态；逆变器输出电压的脉冲密度等于处于工作状态下的脉冲密度控制模块单独控制时逆变器输出电压的脉冲密度之和；因此通过调节脉冲密度分配模块中n个脉冲密度控制模块工作状态的组合，可以控制逆变器功率的输出；
所述的1/2j脉冲密度控制模块(8)的控制周期Tj由2j个基本功率调节T0组成；当脉冲密度控制模块处于工作状态下，在一个控制周期Tj内，只有一个T0周期内逆变器处于功率输出状态，其余(2j-1)个T0周期内逆变器不向负载输出功率，逆变器的输出电压的脉冲密度为1/2j；在功率输出的T0周期内，1/2j脉冲密度控制模块在前T0/2周期的输出经PWM产生模块(13)和驱动电路(7)后控制逆变电路开关管VT1、VT3关断，VT2、VT4开通；1/2j脉冲密度控制模块在后T0/2的输出经PWM产生模块和驱动电路后控制逆变电路开关管VT1、VT3开通，VT2、VT4关断；在逆变器不向负载输出功率的(2j-1)个T0周期内，1/2j脉冲密度控制模块的输出经PWM产生模块和驱动电路后控制逆变电路开关管VT1、VT2关断，VT4、VT3开通；
负载电流反馈信号由电流传感器测得输入到脉冲均匀调制功率控制系统(6)的反馈电流采样模块，反馈电流采样模块的输出信号输入到锁相环模块(12)，锁相环的输出信号输入到PWM产生模块(13)，同时n个脉冲密度控制模块(8)的输出经逻辑组合后也输入到PWM产生模块(13)；PWM产生模块(13)根据锁相环的输入信号生成相同周期、相同过零点的PWM波，再结合n个脉冲密度控制模块(8)经逻辑组合的输出，确定功率开关VT1、VT2、VT3、VT4的PWM波形；PWM产生模块(13)的输出经驱动电路(7)即得到功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4的驱动脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲均匀调制功率控制的介质阻挡放电型臭氧发生器供电电源，其特征在于：n个脉冲密度控制模块(8)控制的最小脉冲密度级数为1/2n，当要改变最小脉冲密度级数时，可以增加或减少脉冲密度控制模块的数目。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲均匀调制功率控制的介质阻挡放电型臭氧发生器供电电源，其特征在于：反馈电流采样信号的相位随负载参数变化而发生改变时，经脉冲均匀调制功率控制系统(6)的锁相环模块(12)，实现负载电流频率的跟踪，保证逆变电源的工作频率与负载谐振的频率一致。
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