基于ZVS 雙管自激電路的等離子體電源設計

辛紀威，李占賢，趙潞翔，方 川，董威武

（1.華北理工大學機械工程學院，唐山 063210；2.河北省工業機器人產業技術研究院，唐山 063210；3.清華大學機械工程系，北京 100084；4.清華大學工程物理系，北京 100084）

介質阻擋放電DBD（dielectric barrier discharge）是產生大氣壓冷等離子體的一種形式。大氣壓冷等離子體中含有大量的高能粒子，可以激發產生多種具有高化學活性的基團[1]，其應用領域廣泛，可用于等離子體隱身[2]、材料改性[3]、醫療殺菌[4]、廢水廢氣處理[5]、誘變育種[6]等場合。便攜式等離子體發生裝置應用于野外救護可以提高傷口治愈能力，例如對醫療器械、傷口表面進行殺菌消毒處理，促進血液凝結、傷口愈合等。目前，等離子體電源通常采用工頻可調壓電源，該類電源的體積龐大，如南京蘇曼電子有限公司生產的CTP-2000K 電源體積為360 mm×250 mm×250 mm，重量為8 kg，不方便攜帶與運輸，嚴重限制了等離子體技術的應用與推廣[7-8]。隨著電力電子技術的發展，等離子體電源的結構也正朝著微型化、小型化方向發展[9-10]，因此，亟需研制一款小型化、便攜式等離子體激勵電源。

傳統的開關電源工作在硬開關狀態，開關瞬間會造成開關損耗，而工作在軟開關技術下的電路具有元件應力小、開關損耗小的優點，可提高變換器的工作頻率。軟開關技術可以分為零電壓開關ZVS（zero voltage switching）技術和零電流開關ZCS（zero cur-rent switching）技術，較好地解決了硬開關的開關損耗、容性開通、感性關斷問題[11-12]。MOS 管是高頻低功率應用最合適的功率器件，ZVS 通常優于ZCS 是因為可以消除由于其固有結電容而產生的開關損耗。

因此，本文基于ZVS 雙管自激電路進行便攜式介質阻擋放電電源的設計，通過合理設定電路元件的相關參數，進行電源與等離子體發生器的特性研究，要求其產生的電場強度足以擊穿空氣，放電電流能夠維持大氣壓冷等離子體的穩定產生，輸出功率可以驅動等離子體發生器產生大面積等離子體，并且電源具有小型化、便攜性、穩定性高的特點。

1 等離子體電源主電路的設計

1.1 主電路的原理分析

ZVS 雙管自激電路主要由逆變模塊和升壓模塊組成，電路工作在軟開關狀態，自身元件損耗小，其電路原理如圖1 所示。

ZVS 雙管自激電路的設計基于電感三點式振蕩電路。圖1 中，U1為電源電壓；L1為扼流線圈，具有限流作用，能夠限制峰值電流的突然增加，用來保護電路；電阻R1、R2用于限制MOS 管的柵極電流，防止電流過大對MOS 管造成損壞；電阻R3、R4用于保證MOS 管的可靠關斷；穩壓二極管D1、D2用于將電壓箝位在合適值后加在MOS 管的柵極、源極兩端，使兩個MOS 管Q1、Q2滿足開通條件。由于元件參數具有離散性，一個MOS 管先導通，另一個MOS 管的柵極電壓被快恢復二極管D3或D4拉低，使其關斷，形成互鎖狀態。

圖1 ZVS 雙管自激電路原理Fig.1 Schematic of ZVS dual-tube self-excited circuit

圖1 中LC 諧振發生在電容C1和變壓器T1的初級線圈電感之間，這個諧振電路屬于電感三點式電路[13]。由于變壓器T1初級線圈的中心抽頭可以等效為2 個電感，所以該電路中包含2 個電感和1 個電容。在LC 諧振回路的作用下，兩個MOS 管的柵極、漏極電壓交替改變，實現狀態的翻轉并不斷重復此過程。

1.2 諧振頻率的計算

ZVS 雙管自激電路的諧振頻率由變壓器初級線圈的電感和跨接在初級線圈兩端的電容決定，電容C1和變壓器T1初級線圈的電感組成一個并聯諧振回路，其諧振頻率計算為

式中，L 為諧振回路的總電感。

本文設計的主電路諧振頻率在20～30 kHz 范圍內，高電壓通過變壓器的匝數比及合適的匹配電路實現，同時變壓器的次級線圈作為輸出端與等離子體發生器相連接保證功率的正常輸出。通過ZVS雙管自激電路產生高頻高壓正弦波，驅動等離子體發生器實現穩定可靠的工作，從而有效地減小電源體積并降低開關損耗。

1.3 主電路的仿真模擬

本文采用輸入電壓為3.7 V，電容為0.68 μF，電感為47 μH 進行主電路的設計。為了驗證設計方案的可行性，采用NI Multisim 軟件對ZVS 雙管自激電路進行模擬，ZVS 雙管自激電路的仿真模型如圖2 所示。

圖2 ZVS 雙管自激電路仿真模型Fig.2 Simulation of ZVS dual-tube self-excited circuit

ZVS 雙管自激電路軟關斷波形如圖3 所示，圖中Ud1、Ud2和Ug1、Ug2分別代表2個MOS管的漏極和柵極電壓，可以看到，MOS 管在進行工作狀態轉換時漏極電壓Ud1、Ud2幾乎為0，模擬電路滿足了設計要求的“軟關斷”。

圖3 ZVS 雙管自激電路軟關斷波形Fig.3 Soft turn-off waveforms of ZVS dual-tube self-excited circuit

通過調整輸入電壓、電容和電感，分析輸出頻率和輸出電壓的變化，結果如圖4 所示。當電容為0.68 μF 時，輸出頻率和輸出電壓隨電感的變化如圖4（a）和4（b）所示；當電感為47 μH 時，輸出頻率和輸出電壓隨電容變化如圖4（c）和4（d）所示。

由圖4（a）、圖4（b）可得，在輸入電壓、電容不變的情況下，選用的電感越大輸出頻率會減小，對應的輸出電壓基本保持不變。同理，由圖4（c）、圖4（d）可得，在輸入電壓、電感一定的情況下，隨著電容的增大，輸出頻率會減小，相應的輸出電壓基本保持不變。因此，通過調整電路元件參數，能夠針對不同的負載要求設計出相應的電源輸出參數。

圖4 電源參數對輸出頻率、輸出電壓的影響Fig.4 Influences of power supply parameters on output frequency and output voltage

本文針對疊層超薄型SDBD 和基于聚氨基甲酸酯PU（polyurethane）材料的FE-DBD 柔性等離子體發生器進行相關研究，根據等離子體源參數的要求，設計出相應的電源，如圖5 所示為2 種電源的輸出電壓仿真波形，可見，疊層超薄型SDBD 等離子體源供電電源輸出電壓峰值為2.26 kV，輸出頻率為29.4 kHz，基于PU 材料的FE-DBD 柔性等離子體源供電電源的輸出電壓峰值為4.47 kV，輸出頻率為25.6 kHz。仿真模擬結果滿足介質阻擋放電的要求。

圖5 ZVS 雙管自激電路輸出電壓仿真波形Fig.5 Simulation wavefroms of output voltage from ZVS dual-tube self-excited circuit

1.4 主電路的實驗研究

基于仿真結果，實驗驗證電源輸出特性。采用本文模擬的電路元件參數，在空載情況下2 種等離子體源供電電源輸出電壓實驗波形，如圖6 所示。由圖可見，疊層超薄型SDBD 等離子體源供電電源輸出電壓波形呈正弦波，輸出電壓的峰值為2.24 kV，輸出頻率為23.03 kHz；基于PU 材料的FE-DBD 柔性等離子體源供電電源的輸出電壓波形呈正弦波形式，輸出電壓的峰值為4.42 kV，輸出頻率為23.73 kHz。實驗結果與仿真模擬結果基本符合。

圖6 等離子體電源空載時的輸出電壓實驗波形Fig.6 Experimental waveforms of output voltage from plasma power supply when there is no load

通過仿真模擬和實驗驗證了電源主電路的相關參數，并且設計出的便攜式等離子體電源在空載狀態下能夠滿足介質阻擋放電的條件。

2 電源與等離子體發生器的特性及實驗研究

基于仿真結果，采用本文設計的電源驅動疊層超薄型SDBD 等離子體發生器和基于PU 材料的FE-DBD 柔性等離子體發生器，并對其相關特性進行研究。

2.1 等離子體發生器的結構

傳統的DBD 結構在材料處理時由于被處理物表面不平整等原因，放電通常呈現不均勻的絲狀，對人體等熱敏性被處理物會造成熱損傷。與其相比等離子體射流在材料處理方面，尤其是生物醫學領域具有一定的優勢，但其會消耗大量惰性氣體，氣體成本相對較高。因此本文采用疊層超薄型SDBD等離子體發生器和基于PU 材料的FE-DBD 柔性發生器，其結構示意如圖7 所示。SDBD 等離子體發生器如圖7（a）所示，其接地電極采用厚度為0.3 mm、尺寸為2 mm×3 mm 的菱形小孔鋁網，絕緣介質層采用厚度為0.2 mm 的聚四氟乙烯，高壓電極采用厚度為0.05 mm 的銅箔。其中，高壓電極與接地電極緊貼于絕緣介質層兩側。將電源分別接高壓電極與接地電極，接地電極的菱形網孔表面會產生絲狀放電等離子體。此結構可按照被處理物形貌來設計放電面，放電特性對被處理物自身表面形態不敏感，能在空氣中產生大面積等離子體，主要用于對食物、環境和器械的殺菌消毒。鑒于大氣壓冷等離子體在生物體傷口愈合、止血凝血、殺菌消毒等生物醫學領域中研發人體可觸摸等離子體源的需求，本文還采用另一種基于PU 材料的FE-DBD 柔性發生器，如圖7（b）所示，其高壓電極采用厚度為0.15 mm 的PU 薄膜，絕緣介質層采用厚度為0.9 mm 厚的水凝膠，人體作為接地電極，選用厚度0.4 mm 的無紡布將PU 薄膜和水凝膠粘結在一起。將電源分別接高壓電極與大地，在人體與無紡布的接觸部位會產生均勻穩定的等離子體。

圖7 等離子體發生器的結構示意Fig.7 Schematic of the structure of plasma generator

2.2 等離子體發生器的放電測試

如圖8 所示為Canon EOS 7D 數碼相機（光圈值f/3.5，曝光時間0.6 s，ISO-3200）記錄的等離子體發生裝置系統實物，圖8（a）是疊層超薄型SDBD 等離子體發生器在輸入電壓為3.7 V、鋁網尺寸為2.5 cm×2.5 cm 的工況下采集的放電圖像，圖8（b）是基于PU 材料的FE-DBD 柔性等離子體發生器在輸入電壓為3.7 V、無紡布尺寸為4 cm×6 cm 的工況下采集的放電圖像。

圖8 等離子體發生裝置系統實物Fig.8 Physical picture of plasma generator system

如圖9 所示為現有ZVS 單管自激電路電源（尺寸為90 mm×67mm×37 mm，電源最大輸出功率30 W，重量為270g，功率重量比為111.1 W/kg）和本文設計的ZVS 雙管自激電路電源的放電現象，由Canon EOS 7D 數碼相機（光圈值f/5，曝光時間0.8 s，ISO-3200）記錄。由圖可見，在相同工況下，圖9（b）相較于圖9（a）的放電強度更大，放電更均勻，發生器表面能夠實現均勻彌散的放電模態且放電現象穩定。

圖9 基于2 種電源的放電現象對比Fig.9 Comparison between discharge phenomena based on two types of power supply

如圖10 所示為基于PU 材料的FE-DBD 柔性等離子體發生器的放電現象，由Canon EOS 7D 數碼相機（光圈值f/5，曝光時間0.8 s，ISO-3200）記錄。由圖可見，人體與發生器的接觸部位能夠持續產生均勻穩定的等離子體，且人體無電擊感和灼熱感。

圖10 基于PU 材料的FE-DBD 柔性等離子體發生器放電現象Fig.10 Discharge phenomenon of FE-DBD flexible plasma generator based on PU material

2.3 等離子體發生器發射光譜的研究

本文采用AvaSpec-ULS3648-8-USB2 光纖光譜儀（波長范圍為200～1070 nm，分辨率為0.07～0.11 nm）對放電過程中等離子體發生器表面產生的活性粒子種類及相對強度進行測量。測量時，光纖探頭與放電電極保持2 mm 間距，光譜儀測得的2 種等離子體發生器的發射光譜如圖11 所示。參照發射光譜數據庫NIST atomic spectra database lines data的數據，通過光譜分析顯示，等離子體中含有大量活性氧、活性氮基團，且不同發射波長對應活性基團的相對強度不同，相對強度越強，產生對應的粒子濃度越大。在不同工況下，可通過改變等離子體源參數調控不同活性基團的濃度。

圖11 等離子體發生器的發射光譜Fig.11 Emission spectrum of plasma generator

等離子體發生器表面形成豐富的活性氧、活性氮等基團，未來可用于材料表面改性、生物醫學、環境保護等場合，具有廣闊的應用前景[14-15]。

2.4 等離子體發生器放電電壓電流的研究

采用本實驗設計的電源驅動疊層超薄型SDBD等離子體發生器和基于PU 材料FE-DBD 的柔性等離子體發生器并進行電壓電流波形的測量，測量系統如圖12 所示，主要包含數字示波器（Tektronix DPO4034）、高壓探頭（Tektronix P6015A）、電流探頭（Tektronix TCP0030A）、電源及等離子體發生器。疊層超薄型SDBD 等離子體發生器放電電壓電流波形如圖12（b）所示，連接負載時輸出電壓波形呈正弦波形式，此時輸出電壓的峰值為2.04 kV，輸出頻率為15.69 kHz，輸出電流的峰值為7.74 mA。基于PU 材料FE-DBD 的柔性等離子體發生器放電電壓電流波形如圖12（d）所示，連接負載時輸出電壓波形呈正弦波形式，此時輸出電壓的峰值為4.14 kV，輸出頻率為21.39 kHz，輸出電流的峰值為4.05 mA。

圖12 等離子體發生器放電電壓和電流測量Fig.12 Measurement of discharge voltage and current of plasma generator

實驗結果表明，使用本文設計的電源與相應形式的等離子體發生器能成功地進行放電，從電氣安全和熱安全角度考慮，放電電流幅值低于人體安全電流極限值10 mA，人體可以安全接觸，無明顯灼傷感和觸電感，驗證了設計方案的可行性，滿足了設計要求。

2.5 等離子體發生器放電功率的研究

通過李薩如圖形計算疊層超薄型SDBD 等離子體發生器和基于PU 材料FE-DBD 的柔性等離子體發生器的放電功率。在發生器的接地側串入測量電容Cm，將示波器的雙通道分別測量電容電壓Um和發生器兩端電壓U，采用X-Y 模式，得到的閉合曲線即為李薩如圖形。使用ZVS 單管自激電路電源和本文設計電源驅動SDBD 等離子體發生器以及使用本文設計電源驅動FE-DBD 的李薩如圖形如圖13 所示，利用李薩如閉合圖形面積計算出兩種不同形式發生器的內部放電功率。

圖13 放電功率測量Fig.13 Measurement of discharge power

放電功率計算公式為

式中：f 為電源頻率；Cm為測量電容，電路中采用Cm=0.47 μF 記錄李薩如圖形。

通過計算得出圖9（a）的放電功率為0.8 W、功率密度為0.125 W/cm2，圖9（b）的放電功率為1.5 W、功率密度為0.24 W/cm2，圖10 的放電功率為1.9 W、功率密度為0.079 W/cm2。因此，本文設計的ZVS 雙管自激電路電源相較于現有的ZVS 單管自激電路電源能夠為等離子體源提供更大的功率。

3 結語

本文設計的電源能夠成功驅動SDBD 和FE-DBD 柔性等離子體發生器產生均勻穩定的等離子體，且裝置體積小、重量輕、功率重量比大，輸出電壓和輸出頻率具有較大的調節范圍，在驅動多種等離子體源（如等離子體射流裝置、微空心陰極等離子體發生器、DBD 等離子體發生器等）工作上具有可行性。針對疊層超薄型SDBD 等離子體發生器，將本文設計的電源與現有ZVS 單管自激電路電源對比可得，設計的電源可實現更加均勻彌散的放電模態并且放電現象穩定，放電強度和放電功率更大，功率密度由0.125 W/cm2增加至0.24 W/cm2，功率重量比由111.1 W/kg 增加至300 W/kg。針對基于PU 材料FE-DBD 的柔性等離子體發生器，與使用CTP-2000K 電源驅動其相比，本文設計的電源僅通過3.7 V 的18 650 鋰電池（容量為6 800 mA·h，一般循環壽命可達500～1 000 次左右，使用壽命可達2～3 年）作為供電輸入就能實現4.42 kV 的輸出電壓峰值和23.73 kHz 的輸出頻率，并且功率重量比由62.5 W/kg 增加至300 W/kg。本文設計的電源實現了小型化、便攜性的目標，未來在生物醫學、材料科學、能源與環境等領域具有良好的實用價值。