低成本小功率臭氧发生器电源模块设计

摘要：设计了一种低成本小功率臭氧发生器电源模块。利用Royer电路结构简单的特点，对臭氧发生器的变压器及驱动单元进行改进，实现了模块化设计。臭氧发生设备通过多模块组合方式，可以实现不同功率等级的输出。理论仿真和实验样机测试均证明了该设计方案的可行性。

关键词：臭氧电源;沿面放电陶瓷片;高频谐振;升压变压器

0 引言

现代渔业养殖中常常滥用消毒剂与抗生素等，使得水体中的药品残留含量超标，水产品的肉质受到污染[1]，因此寻求一种低成本且环保的水体消毒方案具有重要意义。臭氧具有极强的氧化性，可以破坏水产养殖中细菌和微生物的细胞壁结构，破坏其新陈代谢进程，最终将其溶解。除了灭菌消毒之外，臭氧的强氧化性可以使有机物质分解，一定程度上可以防止水的富营养化，臭氧消毒是渔业养殖中的理想消毒方案[2]。

陶瓷沿面放电法是目前技术最成熟、应用最广泛的臭氧生成方法，放电陶瓷片（图1）利用“沿面放电”原理，即沿着空气和陶瓷片表面放电，其闪络电压相对低得多，气体被击穿，容易产生等离子体，形成臭氧[3]。

臭氧发生器的核心部件是高压电源，电源容量决定了臭氧发生器的体量。对于大规模工业制气，一般使用LC谐振开关电源，不但需要大功率的IGBT及相应的驱动电路，还需要大容量的高频高压升压变压器，成本较高[4]。但对于普通养殖户而言，制气需求相对而言没有工业应用需求大，且对制气成本要求较高，为此，本文设计了低成本小功率臭氧发生器电源模块，同时小模块组合应用，最终也可以实现大规模制气。

1 放電陶瓷片模型

臭氧陶瓷片工作时的放电路径主要由陶瓷介质放电气隙构成，和常见的气体等离子放电（如荧光灯）有所区别，对于荧光灯而言，其发光管内的气体被激发后始终处于等离子体态，因此在整个工作周期内，都处于辉光放电状态。而臭氧陶瓷片对空气高压放电，将其激发为等立体态，其激励电压存在一个门槛电压Uth，因此在整个工作周期内，电路的充放电是持续交替进行的。臭氧发生器的激励电源的工作频率特性，很大程度上能决定臭氧陶瓷片在实际工作时的电路模型，具体可分为两种情况，即低频模型（50～10 kHz）和高频模型（大于10 kHz）[5]。

当施加在臭氧陶瓷片的电压的频率在50～10 kHz时，由于频率较低，整个激励周期中，沿面放电陶瓷片的放电与否界限明显。当陶瓷片激励电压处于阈值电压Uth以下时，电极周边的电场强度还未达到击穿气体的程度，因此可以将陶瓷片等效为电容储能，且由于放电陶瓷片的结构特殊，该电容的介质由两部分串联构成，即磁介质Cd和空气介质Cg[6]。当陶瓷片激励电压超过阈值电压Uth，电极周边的电场强度已经达到击穿气体的程度，气体被激发为等离子态，处于稳定放电状态，此时气隙间承受的电压处于平衡状态，可以将其等效为一个反向击穿的双向齐纳二极管，或者将其等效为与输入电压方向相反的电压源。这两种放电陶瓷片模型就本质上而言互为等效，有效描述了放电过程中的静电平衡被打破和维持的状态。

2 模块分析与设计

臭氧电源主回路采用Royer电路结构[7]，电源主回路基本上由无源器件构成，无驱动IC，结构简单，成本低。无驱动IC低成本设计方案如图2所示。

该方案利用变压器的反馈绕组，巧妙地控制三极管的开通关断，达到高频谐振，且近似脉冲放电的效果[8]。臭氧电源模块主电路的工作流程如下：

（1）起振。开关管Q1和Q2虽然为相同型号、同一批次出厂，但总会存在个体差异，因此在通电的瞬间，三级管基极流入的电流必然会有差异，流过两个三级管的集电极的电流也会有差异。1）刚开始，令流过Q1的iQ1start大于流过Q2的iQ2start;变压器磁通由iQ1start决定。2）电流上升过程中，变压器中的磁通发生变化，在反馈线圈N3中感应出来电动势V3。3）V3对Q1形成正反馈，加速Q1导通;对Q2形成负反馈，使得Q2集电极电流iQ2越来越小。

Q1逐渐饱和，电流不再上升，此时磁通变化率也越来越小，反馈线圈上感应出的电压越来越小。之后，Q2被开启。依次反复上述过程。

（2）C1的充放电。对于负载而言，原边中存在的电流I使得副边中产生电流i2。电容C1放电后，i2马上对C1充电，同时i2降低，直到C1电压充到峰值，i2电流值变为0，此时i2反向，C1开始放电，直到电容电压为0，此时i2达到反向最大值。

（3）C2的充放电。当i2反向的同时，线圈N3上的电压也反向，从而使得Q2断开，Q1导通，电流I在变压器T1原边的上半线圈流动。Vc2是开关管Q1和Q2集电极两端的电压。Vc2的电压最大值是2倍的V1（V1是变压器中心抽头到参考点的电压）。

（4）中心抽头到参考点电压V1。当Q1和Q2同时导通的时候，V1值达到最大，在同一个三极管的开通和关闭期间，V1值降低到0。V1的波形和Vdc的波形的平均值应该要相等，也就是它们波形的面积应该相同。

可以推算出中心抽头到参考点电压的最大值为：

当输入波形不是直流Vdc，而是正弦正半周期波形的时候，输出波形是正弦的包罗线。虽然没有精准的功率调节反馈，但是该方案有效且实用，成本最优。采用多模块电源结合的方式，能有效提高产气率。

3 仿真与样机实验

3.1    仿真分析

（1）谐振匹配。对谐振进行仿真，找出最为匹配的电容电感值组合。LTC谐振的计算为：LT（C2+C1k2）=2.752 7×10-11，将电容C2+C1k2看作整体C，即LTC=2.752 7×10-11，谐振参数匹配仿真如图3所示，原边带中心抽头的变压器原边等效为耦合系数为1的2个电感（COUPLING=1），2个电感值相同。谐振仿真的时候进行交流扫描，扫描频率设为50～50 000 Hz。查看不同频率电容的电压值，电压值为最大的频率点即为谐振点。

对于电容和电感的取值，可尝试不同的组合，仿真得出最佳曲线。当C越大、L越小的时候，频率的选择特性越好，但还需要根据实际来选择电容电感值组合。

（2）整体仿真。臭氧电源模块的前级是用二极管搭建的全桥不控整流，后级为利用二极管搭建的谐振电路。输出电压电流展开波形如图4所示，电流波之所以有这么多毛刺，是因为为了对真实情况进行仿真，加入了变压器漏感因素，使得电流波形存在谐波成分。

3.2    变压器设计与仿真

根据尺寸要求，选择新康达的牌号为EEL25的磁芯，该磁芯的有效截面积Ae=40 mm2。根据变压器的正弦激励公式（3），实测变压器的原边电压波形频率为21.5 kHz，最大值为622 V，包络线为100 Hz的正弦波形，取其平均有效值V1rms为220 V，最大磁通密度取0.2 T，代入有效截面积Ae，获得原边的匝数为：

由于匝比为1：7.22，上述计算的原边为288匝数，因此副边匝数取近似值2 070匝，为了满足绝缘设计要求，选用多槽骨架加强线包间的绝缘。为了验证模型的准确性，用有限元模型计算单匝线圈的电感值，有限元计算值为1.285 5 μH，使用LCR電桥实测值稍微偏小，为1.222 μH，这主要是因为3D模型中的磁芯拼接处的间距造成，仿真模型中设置的间距为0.05 mm，而实际间距有可能比此值大，因此实测电感值偏小一些，但也足以说明此模型的准确性。为了防止变压器饱和，计算磁芯中的磁感应强度，在磁芯的拼接处磁感应强度较大，但整个磁芯的最大磁感应强度为0.15 T左右，比设计的0.2 T要小，符号设计需求。

3.3    样机实测

臭氧发生器电源模块的输出电压最大值为4.4 kV，为了测量安全，暂时并未采样输出电压，依旧采用电流钳对输出到放电陶瓷片上的电流进行测量。测试位置：电源负载是两个并联的沿面放电陶瓷片，测试一路陶瓷片上流过的电流。测试方法：使用泰克示波器匹配的电流探头，将电流流过的导线穿过电流枪的探测环内，加载在放电陶瓷片上的电压频率为21.5 kHz左右，与设计的目标值相符。

4 结语

本文设计了一种低成本小功率臭氧发生器电源模块，通过多模块的灵活集成，能够提高臭氧的产生效率，选用了基于三极管的高频谐振方式的升压方案，推导了电路参数计算过程，设计了谐振参数，对变压器的关键参数进行了计算与仿真，并搭建样机进行了实验室测试，结果测试性能良好，表明了该方案的可行性。

[参考文献]

[1] 王玮，陈军，刘晃，等.中国水产养殖水体净化技术的发展概况[J].上海海洋大学学报，2010，19（1）：41-49.

[2] 刘文君.给水处理消毒技术发展展望[J].给水排水，2004，30（1）：2-5.

[3] ELIASSON B，KOGELSCHATZ U.Modeling and applications of silent discharge plasmas[J].Plasma science IEEE transactions on，1991，19（2）：309-323.

[4] 黄玉水.DBD型臭氧发生器负载特性及高频放电电源的研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[5] 司马文霞，刘春香，杨鸣，等.沿绝缘介质表面的气体放电等离子体模型[J].中国电机工程学报，2017，37（9）：2725-2733.

[6] 王新新.介质阻挡放电及其应用[J].高电压技术，2009，35（1）：1-11.

[7] 孟志强，朱团，唐雄民.一种电流型并联谐振DBD臭氧电源[J].中南大学学报（自然科学版），2016（2）：467-473.

[8] ALONSO J M，CARDESIN J，COROMINAS E L，et al.Low-power high-voltage high-frequency power supply for ozone generation[J].IEEE transactions on industry applicat-

ions，2001，40（2）：414-421.

收稿日期：2020-07-02

作者简介：张青兰（1984—），女，湖南汉寿人，讲师，研究方向：电力电子技术及应用。