低成本小功率臭氧發生器電源模塊設計

摘要：設計了一種低成本小功率臭氧發生器電源模塊。利用Royer電路結構簡單的特點，對臭氧發生器的變壓器及驅動單元進行改進，實現了模塊化設計。臭氧發生設備通過多模塊組合方式，可以實現不同功率等級的輸出。理論仿真和實驗樣機測試均證明了該設計方案的可行性。

關鍵詞：臭氧電源;沿面放電陶瓷片;高頻諧振;升壓變壓器

0 引言

現代漁業養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，水產品的肉質受到污染[1]，因此尋求一種低成本且環保的水體消毒方案具有重要意義。臭氧具有極強的氧化性，可以破壞水產養殖中細菌和微生物的細胞壁結構，破壞其新陳代謝進程，最終將其溶解。除了滅菌消毒之外，臭氧的強氧化性可以使有機物質分解，一定程度上可以防止水的富營養化，臭氧消毒是漁業養殖中的理想消毒方案[2]。

陶瓷沿面放電法是目前技術最成熟、應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，其閃絡電壓相對低得多，氣體被擊穿，容易產生等離子體，形成臭氧[3]。

臭氧發生器的核心部件是高壓電源，電源容量決定了臭氧發生器的體量。對于大規模工業制氣，一般使用LC諧振開關電源，不但需要大功率的IGBT及相應的驅動電路，還需要大容量的高頻高壓升壓變壓器，成本較高[4]。但對于普通養殖戶而言，制氣需求相對而言沒有工業應用需求大，且對制氣成本要求較高，為此，本文設計了低成本小功率臭氧發生器電源模塊，同時小模塊組合應用，最終也可以實現大規模制氣。

1 放電陶瓷片模型

臭氧陶瓷片工作時的放電路徑主要由陶瓷介質放電氣隙構成，和常見的氣體等離子放電（如熒光燈）有所區別，對于熒光燈而言，其發光管內的氣體被激發后始終處于等離子體態，因此在整個工作周期內，都處于輝光放電狀態。而臭氧陶瓷片對空氣高壓放電，將其激發為等立體態，其激勵電壓存在一個門檻電壓Uth，因此在整個工作周期內，電路的充放電是持續交替進行的。臭氧發生器的激勵電源的工作頻率特性，很大程度上能決定臭氧陶瓷片在實際工作時的電路模型，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]。

當施加在臭氧陶瓷片的電壓的頻率在50～10 kHz時，由于頻率較低，整個激勵周期中，沿面放電陶瓷片的放電與否界限明顯。當陶瓷片激勵電壓處于閾值電壓Uth以下時，電極周邊的電場強度還未達到擊穿氣體的程度，因此可以將陶瓷片等效為電容儲能，且由于放電陶瓷片的結構特殊，該電容的介質由兩部分串聯構成，即磁介質Cd和空氣介質Cg[6]。當陶瓷片激勵電壓超過閾值電壓Uth，電極周邊的電場強度已經達到擊穿氣體的程度，氣體被激發為等離子態，處于穩定放電狀態，此時氣隙間承受的電壓處于平衡狀態，可以將其等效為一個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上而言互為等效，有效描述了放電過程中的靜電平衡被打破和維持的狀態。

2 模塊分析與設計

臭氧電源主回路采用Royer電路結構[7]，電源主回路基本上由無源器件構成，無驅動IC，結構簡單，成本低。無驅動IC低成本設計方案如圖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斷，達到高頻諧振，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。開關管Q1和Q2雖然為相同型號、同一批次出廠，但總會存在個體差異，因此在通電的瞬間，三級管基極流入的電流必然會有差異，流過兩個三級管的集電極的電流也會有差異。1）剛開始，令流過Q1的iQ1start大于流過Q2的iQ2start;變壓器磁通由iQ1start決定。2）電流上升過程中，變壓器中的磁通發生變化，在反饋線圈N3中感應出來電動勢V3。3）V3對Q1形成正反饋，加速Q1導通;對Q2形成負反饋，使得Q2集電極電流iQ2越來越小。

Q1逐漸飽和，電流不再上升，此時磁通變化率也越來越小，反饋線圈上感應出的電壓越來越小。之后，Q2被開啟。依次反復上述過程。

（2）C1的充放電。對于負載而言，原邊中存在的電流I使得副邊中產生電流i2。電容C1放電后，i2馬上對C1充電，同時i2降低，直到C1電壓充到峰值，i2電流值變為0，此時i2反向，C1開始放電，直到電容電壓為0，此時i2達到反向最大值。

（3）C2的充放電。當i2反向的同時，線圈N3上的電壓也反向，從而使得Q2斷開，Q1導通，電流I在變壓器T1原邊的上半線圈流動。Vc2是開關管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的電壓）。

（4）中心抽頭到參考點電壓V1。當Q1和Q2同時導通的時候，V1值達到最大，在同一個三極管的開通和關閉期間，V1值降低到0。V1的波形和Vdc的波形的平均值應該要相等，也就是它們波形的面積應該相同。

可以推算出中心抽頭到參考點電壓的最大值為：

當輸入波形不是直流Vdc，而是正弦正半周期波形的時候，輸出波形是正弦的包羅線。雖然沒有精準的功率調節反饋，但是該方案有效且實用，成本最優。采用多模塊電源結合的方式，能有效提高產氣率。

3 仿真與樣機實驗

3.1? ? 仿真分析

（1）諧振匹配。對諧振進行仿真，找出最為匹配的電容電感值組合。LTC諧振的計算為：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為1的2個電感（COUPLING=1），2個電感值相同。諧振仿真的時候進行交流掃描，掃描頻率設為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即為諧振點。

對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C越大、L越小的時候，頻率的選擇特性越好，但還需要根據實際來選擇電容電感值組合。

（2）整體仿真。臭氧電源模塊的前級是用二極管搭建的全橋不控整流，后級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，是因為為了對真實情況進行仿真，加入了變壓器漏感因素，使得電流波形存在諧波成分。

3.2? ? 變壓器設計與仿真

根據尺寸要求，選擇新康達的牌號為EEL25的磁芯，該磁芯的有效截面積Ae=40 mm2。根據變壓器的正弦激勵公式（3），實測變壓器的原邊電壓波形頻率為21.5 kHz，最大值為622 V，包絡線為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，獲得原邊的匝數為：

由于匝比為1：7.22，上述計算的原邊為288匝數，因此副邊匝數取近似值2 070匝，為了滿足絕緣設計要求，選用多槽骨架加強線包間的絕緣。為了驗證模型的準確性，用有限元模型計算單匝線圈的電感值，有限元計算值為1.285 5 μH，使用LCR電橋實測值稍微偏小，為1.222 μH，這主要是因為3D模型中的磁芯拼接處的間距造成，仿真模型中設置的間距為0.05 mm，而實際間距有可能比此值大，因此實測電感值偏小一些，但也足以說明此模型的準確性。為了防止變壓器飽和，計算磁芯中的磁感應強度，在磁芯的拼接處磁感應強度較大，但整個磁芯的最大磁感應強度為0.15 T左右，比設計的0.2 T要小，符號設計需求。

3.3? ? 樣機實測

臭氧發生器電源模塊的輸出電壓最大值為4.4 kV，為了測量安全，暫時并未采樣輸出電壓，依舊采用電流鉗對輸出到放電陶瓷片上的電流進行測量。測試位置：電源負載是兩個并聯的沿面放電陶瓷片，測試一路陶瓷片上流過的電流。測試方法：使用泰克示波器匹配的電流探頭，將電流流過的導線穿過電流槍的探測環內，加載在放電陶瓷片上的電壓頻率為21.5 kHz左右，與設計的目標值相符。

4 結語

本文設計了一種低成本小功率臭氧發生器電源模塊，通過多模塊的靈活集成，能夠提高臭氧的產生效率，選用了基于三極管的高頻諧振方式的升壓方案，推導了電路參數計算過程，設計了諧振參數，對變壓器的關鍵參數進行了計算與仿真，并搭建樣機進行了實驗室測試，結果測試性能良好，表明了該方案的可行性。

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收稿日期：2020-07-02

作者簡介：張青蘭（1984—），女，湖南漢壽人，講師，研究方向：電力電子技術及應用。