本發(fā)明涉及一種特種電源，特別涉及一種基于脈沖均勻調(diào)制功率控制的介質(zhì)阻擋放電型臭氧發(fā)生器供電電源。

背景技術(shù)：

臭氧是氧氣的同素異形體，在常溫下，它是一種有特殊臭味的淡藍(lán)色氣體。臭氧的強(qiáng)氧化性使其在水處理、食品加工、農(nóng)業(yè)防治病蟲以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。目前人工制備臭氧的方法按制備原理不同可分為：氣體放電法、光化學(xué)法和電化學(xué)法。其中氣體放電法中的介質(zhì)阻擋放電法(Dielectric Barrier Discharge，DBD)是工業(yè)上制備臭氧最為可行和有效的方法。介質(zhì)阻擋放電型臭氧發(fā)生器一個(gè)工作周期中可以分為未放電狀態(tài)和放電狀態(tài)，在未放電狀態(tài)下負(fù)載可以等效為氣隙電容C_g和介質(zhì)電容C_d的串聯(lián)；放電狀態(tài)下氣隙電容C_g可以等效為一個(gè)電壓方向與輸入方向相反的電壓源，而且氣隙電容擊穿電壓基本維持不變，這個(gè)電壓被稱為放電維持電壓U_Z。

升高臭氧發(fā)生器負(fù)載電壓頻率能夠增大負(fù)載功率消耗，因此目前現(xiàn)有的介質(zhì)阻擋放電型臭氧發(fā)生器逆變電源多工作在中高頻狀態(tài)下。中高頻狀態(tài)下逆變電路的功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗不可忽略，減少開關(guān)損耗或?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)是提高臭氧發(fā)生器工作效率的重要研究方向。為了實(shí)現(xiàn)逆變器的軟開關(guān)，文獻(xiàn)(路智斌.感應(yīng)加熱電源PDM調(diào)功方法研究[D].11-16)介紹了傳統(tǒng)的脈沖密度調(diào)制(Pulse Density Modulation，PDM)功率控制方法，傳統(tǒng)PDM控制在一定周期T內(nèi)共有M個(gè)功率輸出單位，其中N個(gè)功率輸出單位里逆變器向負(fù)載輸出功率，另外M-N個(gè)功率輸出單位里逆變電路不工作，負(fù)載電流自然衰減。因此通過(guò)控制輸出的脈沖密度D(D＝N/M)，即可調(diào)節(jié)臭氧發(fā)生器的輸出功率。在臭氧發(fā)生器整個(gè)工作過(guò)程中高頻變壓器的漏感L_s與負(fù)載電容構(gòu)成負(fù)載諧振，負(fù)載電流的反饋信號(hào)經(jīng)鎖相環(huán)頻率跟蹤電路輸入到控制電路，經(jīng)PDM控制電路判斷電流過(guò)零點(diǎn)，在電流過(guò)零點(diǎn)的同時(shí)觸發(fā)開關(guān)管脈沖，實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)。但是傳統(tǒng)的PDM控制方法中調(diào)制比D越小，負(fù)載電流在逆變電路不工作期間衰減的越多，以至于鎖相環(huán)電路不能精確的檢測(cè)出負(fù)載電流的相位，逆變電路便不能夠完成負(fù)載電流實(shí)時(shí)的頻率跟蹤。因此傳統(tǒng)的PDM調(diào)功方法不能夠保證逆變電路始終工作在軟開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)器件損耗大，逆變電路效率低，而且由于負(fù)載電流易斷續(xù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)易失鎖。此外輕負(fù)載下也會(huì)導(dǎo)致負(fù)載電流在逆變電路不工作期間也會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)，造成和脈沖密度D較小時(shí)同樣的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)PDM控制的DBD型臭氧發(fā)生器在脈沖密度D較小以及輕負(fù)載情況下存在的負(fù)載電流易斷續(xù)，系統(tǒng)易失鎖等問(wèn)題，提供一種脈沖均勻調(diào)制功率控制的DBD型臭氧發(fā)生器供電電源。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于脈沖均勻調(diào)制(Symmetrical Pulse Density Modulation,SPDM)功率控制的介質(zhì)阻擋放電型(Dielectric Barrier Discharge，DBD)臭氧發(fā)生器供電電源，包括整流電路、LC濾波電路、單相全橋逆變電路、高頻升壓變壓器、脈沖均勻調(diào)制功率控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路以及臭氧發(fā)生器負(fù)載。所述的整流電路經(jīng)LC濾波電路與單相全橋逆變電路連接，單相全橋逆變電路的輸出與高頻升壓變壓器的一次側(cè)連接，高頻升壓變壓器的二次側(cè)與臭氧發(fā)生器負(fù)載連接。

所述的脈沖均勻調(diào)制功率控制系統(tǒng)包括反饋電流采樣模塊、鎖相環(huán)模塊、功率設(shè)定模塊、脈沖密度分配模塊、脈沖密度控制模塊以及PWM波產(chǎn)生模塊。所述的脈沖密度控制模塊有n個(gè)，即1/2^j脈沖密度控制模塊(j＝1,2…,n)，1/2^j脈沖密度控制模塊的輸出分為工作狀態(tài)輸出和非工作狀態(tài)輸出。所述的脈沖密度分配模塊根據(jù)功率設(shè)定模塊輸入的設(shè)定功率確定合適的脈沖密度分配，再由脈沖密度分配結(jié)果確定n個(gè)脈沖密度控制模塊的工作狀態(tài)。逆變器輸出電壓的脈沖密度等于處于工作狀態(tài)下的1/2^j脈沖密度控制模塊單獨(dú)控制時(shí)逆變器輸出電壓的脈沖密度之和。因此通過(guò)調(diào)節(jié)功率設(shè)定模塊中n個(gè)脈沖密度控制模塊工作狀態(tài)的組合，可以控制逆變器功率的輸出。

所述的1/2^j脈沖密度控制模塊的控制周期T_j由2^j個(gè)基本功率調(diào)節(jié)T₀組成。當(dāng)脈沖密度控制模塊處于工作狀態(tài)下，在一個(gè)控制周期T_j內(nèi)，只有一個(gè)T₀周期內(nèi)逆變器處于功率輸出狀態(tài)，其余(2^j-1)個(gè)T₀周期內(nèi)逆變器不向負(fù)載輸出功率，逆變器的輸出電壓的脈沖密度為1/2^j。在功率輸出的T₀周期內(nèi)，1/2^j脈沖密度控制模塊在前T₀/2周期的輸出經(jīng)PWM產(chǎn)生模塊和驅(qū)動(dòng)電路后控制逆變電路開關(guān)管VT1、VT3關(guān)斷，VT2、VT4開通；1/2^j脈沖密度控制模塊在后T₀/2的輸出經(jīng)PWM產(chǎn)生模塊和驅(qū)動(dòng)電路后控制逆變電路開關(guān)管VT1、VT3開通，VT2、VT4關(guān)斷。在逆變器不向負(fù)載輸出功率的(2^j-1)個(gè)T₀周期內(nèi)，1/2^j脈沖密度控制模塊的輸出經(jīng)PWM產(chǎn)生模塊和驅(qū)動(dòng)電路后控制逆變電路開關(guān)管VT1、VT2關(guān)斷，VT4、VT3開通。負(fù)載電流反饋信號(hào)由電流傳感器測(cè)得輸入到控制系統(tǒng)的反饋電流采樣模塊，反饋電流采樣模塊的輸出信號(hào)輸入到鎖相環(huán)模塊，鎖相環(huán)的輸出信號(hào)輸入到PWM產(chǎn)生模塊，同時(shí)n個(gè)脈沖密度控制模塊的輸出經(jīng)邏輯組合后也輸入到PWM產(chǎn)生模塊。PWM產(chǎn)生模塊根據(jù)鎖相環(huán)的輸入信號(hào)生成相同周期、相同過(guò)零點(diǎn)的PWM波，再結(jié)合n個(gè)脈沖密度控制模塊經(jīng)邏輯組合的輸出，確定功率開關(guān)管VT1，VT2，VT3，VT4的PWM波形。PWM產(chǎn)生模塊的輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路即得到功率開關(guān)管VT1、VT2、VT3、VT4的驅(qū)動(dòng)脈沖。

作為優(yōu)選，本發(fā)明的一種基于脈沖均勻調(diào)制功率控制的介質(zhì)阻擋放電型臭氧發(fā)生器供電電源中的n個(gè)脈沖密度控制模塊控制的最小脈沖密度級(jí)數(shù)為1/2ⁿ，當(dāng)要改變最小脈沖密度級(jí)數(shù)時(shí)，可以增加或減少脈沖密度控制模塊的數(shù)目。

作為優(yōu)選，本發(fā)明的一種基于脈沖均勻調(diào)制功率控制的介質(zhì)阻擋放電型臭氧發(fā)生器供電電源中的反饋電流采樣信號(hào)的相位隨負(fù)載參數(shù)變化而發(fā)生改變時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)的鎖相環(huán)頻率跟蹤模塊，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流頻率的跟蹤，保證逆變電源的工作頻率與負(fù)載諧振的頻率一致。

有益效果：本發(fā)明采用脈沖均勻調(diào)制功率控制方法驅(qū)動(dòng)DBD型臭氧發(fā)生器供電電源逆變電路的功率開關(guān)管，SPDM改變了傳統(tǒng)的PDM觸發(fā)脈沖產(chǎn)生方式，在一個(gè)工作周期內(nèi)均勻的分配觸發(fā)脈沖，使得負(fù)載電流的波動(dòng)性大大減小且不易斷續(xù)，系統(tǒng)不易失鎖。SPDM控制的DBD型臭氧發(fā)生器供電電源可以實(shí)現(xiàn)逆變電路四個(gè)開關(guān)管的軟開關(guān)，具有開關(guān)損耗小，工作效率高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的原理圖；

圖2為本發(fā)明各1/2^j脈沖密度控制模塊單獨(dú)工作時(shí)逆變電路電壓輸出波形；

圖3為本發(fā)明脈沖密度為20/32時(shí)逆變電路電壓輸出波形；

圖4為本發(fā)明1/2^j脈沖密度控制模塊的控制流程；

圖5為本發(fā)明實(shí)例仿真所得的不同脈沖密度下逆變電路輸出電壓波形；

圖6為本發(fā)明實(shí)例仿真所得的不同脈沖密度下負(fù)載電流波形；

圖7為本發(fā)明實(shí)例仿真所得的調(diào)功曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

由圖1可見本發(fā)明包括整流電路1、LC濾波電路2、單相全橋逆變電路3、高頻升壓變壓器4、脈沖均勻調(diào)制功率控制系統(tǒng)6、驅(qū)動(dòng)電路7以及臭氧發(fā)生器負(fù)載5。所述的整流電路1經(jīng)LC濾波電路2與單相全橋逆變電路3連接，單相全橋逆變電路3的輸出與高頻升壓變壓器4的一次側(cè)連接，高頻升壓變壓器4的二次側(cè)與臭氧發(fā)生器負(fù)載5連接。所述的脈沖均勻調(diào)制功率控制系統(tǒng)6包括反饋電流采樣模塊11、鎖相環(huán)模塊12、功率設(shè)定模塊9、脈沖密度分配模塊10、脈沖密度控制模塊8以及PWM波產(chǎn)生模塊13。所述的脈沖密度控制模塊8有n個(gè)，即1/2^j脈沖密度控制模塊(j＝1,2…,n)，1/2^j脈沖密度控制模塊的輸出分為工作狀態(tài)輸出和非工作狀態(tài)輸出。所述的脈沖密度分配模塊8根據(jù)功率設(shè)定模塊輸入的設(shè)定功率確定合適的脈沖密度分配，再由脈沖密度分配結(jié)果確定n個(gè)脈沖密度控制模塊的工作狀態(tài)。逆變器輸出電壓的脈沖密度等于處于工作狀態(tài)下的脈沖密度控制模塊單獨(dú)控制時(shí)逆變器輸出電壓的脈沖密度之和。因此通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖密度分配模塊8中n個(gè)脈沖密度控制模塊工作狀態(tài)的組合，可以控制逆變器功率的輸出。負(fù)載電流反饋信號(hào)由電流傳感器測(cè)得輸入到控制系統(tǒng)的反饋電流采樣模塊，反饋電流采樣模塊的輸出信號(hào)輸入到鎖相環(huán)模塊，鎖相環(huán)的輸出信號(hào)輸入到PWM產(chǎn)生模塊，同時(shí)n個(gè)脈沖密度控制模塊的輸出經(jīng)邏輯組合后也輸入到PWM產(chǎn)生模塊。PWM產(chǎn)生模塊的輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路即得到功率開關(guān)管VT1、VT2、VT3、VT4的驅(qū)動(dòng)脈沖。

由圖2可見各1/2^j脈沖密度控制模塊單獨(dú)工作時(shí)逆變電路電壓輸出波形。1/2脈沖密度控制模塊8的控制周期T₁由2個(gè)基本功率調(diào)制周期T₀組成，在一個(gè)控制周期T₁內(nèi)，只有一個(gè)T₀周期內(nèi)逆變器處于功率輸出狀態(tài)，另一個(gè)T₀周期內(nèi)逆變器不向負(fù)載輸出功率，逆變器的輸出電壓的脈沖密度為1/2；1/4脈沖密度控制模塊8的控制周期T₁由4個(gè)T₀周期組成，在一個(gè)控制周期T₂內(nèi)，只有一個(gè)T₀周期內(nèi)逆變器處于功率輸出狀態(tài)，其余3個(gè)T₀周期內(nèi)逆變器不向負(fù)載輸出功率，逆變器的輸出電壓的脈沖密度為1/4；依次類推1/2^j脈沖密度控制模塊的控制周期T_j由2^j個(gè)T₀周期組成，在一個(gè)控制周期T_j內(nèi)，只有一個(gè)T₀周期內(nèi)逆變器處于功率輸出狀態(tài)，其余(2^j-1)個(gè)T₀周期內(nèi)逆變器不向負(fù)載輸出功率，逆變器的輸出電壓的脈沖密度為1/2^j。由圖2可見，為了保證脈沖密度控制模塊輸出的邏輯組合能夠達(dá)到逆變器輸出電壓脈沖密度疊加的效果，1/2^j脈沖密度控制模塊第一個(gè)功率輸出狀態(tài)周期出現(xiàn)在(2^j-1-1)個(gè)T₀周期后。

由圖3可見脈沖密度為20/32時(shí)逆變電路電壓輸出波形，當(dāng)逆變電壓的輸出脈沖密度為20/32時(shí)，逆變電壓得輸出波形為1/2和1/2³脈沖密度控制模塊8分別單獨(dú)工作時(shí)逆變電壓輸出波形組合相加的結(jié)果。由20/32＝1/2+1/2³可知此時(shí)脈沖密度分配模塊控制1/2和1/2³脈沖密度控制模塊處于工作狀態(tài)，其他脈沖密度控制模塊處于不工作狀態(tài)。

由圖4可見1/2^j脈沖密度控制模塊的控制流程，PWM產(chǎn)生模塊13根據(jù)鎖相環(huán)的輸入信號(hào)生成相同周期、相同過(guò)零點(diǎn)的PWM波，再結(jié)合n個(gè)脈沖密度控制模塊8經(jīng)邏輯組合的輸出，確定功率開關(guān)管VT1，VT2，VT3，VT4的PWM波形。控制流程開始首先根據(jù)功率設(shè)定值判斷1/2^j脈沖密度控制模塊8的工作狀態(tài)，若該密度控制模塊處于不工作狀態(tài)，即此狀態(tài)下逆變器不向負(fù)載輸出功率，此時(shí)PWM產(chǎn)生模塊13的輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制VT1、VT3開通，VT2、VT4關(guān)斷。若該密度控制模塊處于工作狀態(tài)時(shí)，在其功率輸出的T₀周期內(nèi)，當(dāng)鎖相環(huán)生成的PWM信號(hào)處于負(fù)半周即前T₀/2周期內(nèi)，PWM產(chǎn)生模塊13的輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路7控制逆變電路開關(guān)管VT1、VT3關(guān)斷，VT2、VT4開通，電流的導(dǎo)通回路是VT2—負(fù)載—VT4；當(dāng)鎖相環(huán)生成的PWM信號(hào)過(guò)零點(diǎn)進(jìn)入正半周，1/2^j脈沖密度控制模塊8的輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路7控制逆變電路開關(guān)管VT1、VT3開通，VT2、VT4關(guān)斷，電流的導(dǎo)通回路是VT1—負(fù)載—VT3；在逆變器不向負(fù)載輸出功率的(2^j-1)個(gè)T₀周期內(nèi)，1/2^j脈沖密度控制模塊8的輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路7控制逆變電路開關(guān)管VT1、VT2關(guān)斷，VT4、VT3開通，電流的導(dǎo)通回路為VT3—負(fù)載—D4和VT4—負(fù)載—D3，此階段電流自然衰減。由圖4可見由于臭氧發(fā)生器的啟動(dòng)初始階段沒(méi)有電流反饋信號(hào)，因此脈沖控制模塊包括自啟動(dòng)控制，自啟動(dòng)周期內(nèi)，脈沖控制模塊的輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制VT1、VT3開通，VT2、VT4關(guān)斷，當(dāng)檢測(cè)到鎖相環(huán)生成的PWM信號(hào)過(guò)零點(diǎn)后，自啟動(dòng)關(guān)閉。

如圖5和圖6所示為一組典型參數(shù)下本發(fā)明供電電源在脈沖密度為7/32、20/32、31/32下的逆變電路輸出電壓和負(fù)載電流波形。對(duì)比傳統(tǒng)的PDM控制，SPDM控制下的負(fù)載電流具有更好的連續(xù)性，負(fù)載電流不易斷續(xù)，系統(tǒng)不易失鎖。

如圖7所示為一組典型參數(shù)下本發(fā)明供電電源的調(diào)功曲線。可見放電功率隨脈沖密度變化曲線近似線性，具有良好的調(diào)節(jié)功率特性。

應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。