高性能臭氧電源

O 引言
沿面放電陶瓷片是目前廣泛使用的一種臭氧發(fā)生元件。與之配套的驅(qū)動(dòng)電源普遍采用自激式電路。普通自激式電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但存在以下缺陷：
1)工作頻率不穩(wěn)定；
2)輸出高頻電壓隨輸入交流電壓變化。
本文介紹的臭氧電源采用他激式電路，設(shè)計(jì)有EMI濾波電路、PFC電路，有過流、過熱、過壓保護(hù)等功能，還采用了穩(wěn)壓穩(wěn)流措施，輸出功率穩(wěn)定。具有效率高、產(chǎn)氣量高、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。

1 負(fù)載特性
沿面放電陶瓷片是利用陶瓷介質(zhì)表面上的沿面放電，產(chǎn)生低溫等離子體來實(shí)現(xiàn)臭氧發(fā)生功能的元件。電極分別布置在陶瓷基片的兩邊。當(dāng)兩電極間所加的高頻正弦交流電壓大于臨界起暈電壓時(shí)，在放電電極的表面上產(chǎn)生電暈放電。
陶瓷片在未放電時(shí)表現(xiàn)為純電容性質(zhì)，介質(zhì)表面充電面積越大，等效電容越大。當(dāng)放電時(shí)，器件表現(xiàn)出電阻和電容雙重特性。
陶瓷片在放電時(shí)有以下兩個(gè)特點(diǎn)。
1)供電頻率相同跡陶瓷片的放電能量和放電發(fā)光長度隨兩端電壓峰峰值(Vpp)的增大而增加，即Vpp越大，臭氧產(chǎn)量越高，但是，陶瓷片放電時(shí)能量密度較高，放電越強(qiáng)烈，溫升越高，溫度的升高反過來會(huì)降低臭氧產(chǎn)量。另外，Vpp太高有可能使陶瓷基片擊穿損壞。所以，必須將Vpp控制在一定的范圍內(nèi)。
2)陶瓷片的臨界起暈電壓是供電頻率的函數(shù)，供電頻率越高，臨界值越低。所以，在高頻的條件下陶瓷片具有更低的起始工作電壓，有利于臭氧產(chǎn)率的提高。
陶瓷片的上述兩個(gè)特性要求與其匹配的供電電源必須具備較高的工作頻率和適當(dāng)?shù)腣pp，這樣才能保證陶瓷片高效、可靠地工作。同時(shí)，為了使臭氧產(chǎn)量穩(wěn)定，供電電源的輸出功率應(yīng)該保持恒定。

2 工作原理和單元電路
2．1 工作原理概述
具有PFC的穩(wěn)壓、穩(wěn)流型陶瓷片臭氧電源的原理框圖如圖1所示。

工頻市電220V經(jīng)EMI濾波后送入橋式全波整流電路，整流后進(jìn)入Boost電路，在PFC電路的作用下，以臨界不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)進(jìn)行工作，輸出375V左右的直流穩(wěn)定電壓。同時(shí)使輸入電流跟隨輸入電壓正弦變化，功率因數(shù)達(dá)到0．97以上，大大減少了諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染。PFC電路還起穩(wěn)壓作用。
PFC電路輸出的3．75V直流穩(wěn)定電壓，供給頻率一功率變換器電路，輸出20kHz左右的高頻方波，經(jīng)高壓變壓器，加到沿面放電陶瓷片臭氧發(fā)生元件。負(fù)載電容與高壓變壓器的漏感發(fā)生諧振，產(chǎn)牛峰峰值約為7kV的準(zhǔn)正弦波高壓，使氧分子電離而產(chǎn)生臭氧。
為了保證臭氧產(chǎn)量的穩(wěn)定，采用了電流、電壓反饋調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定輸出功率。
為提高電源工作的可靠性，設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)電路。直流電壓過壓保護(hù)由PFC電路完成；輸出電壓、電流的采樣信號(hào)和機(jī)內(nèi)溫度信號(hào)送人保護(hù)電路與限定值進(jìn)行比較，當(dāng)其超限時(shí)，保護(hù)電路會(huì)及時(shí)動(dòng)作，使電源停止工作。
2.2 EMI濾波器
EMI濾波電路如圖2所示。在AC220V電源的輸入端，接入的C1、C2、C3、LT1組成EMI濾波電路。其作用是抑制來自電網(wǎng)的電磁干擾，同時(shí)對(duì)電路自身產(chǎn)生的電磁干擾起衰減作用，防止其干擾其他用電設(shè)備。

2.3 有源PFC電路
PFC電路如圖3所示，采用FAN7527B作控制芯片。在輸入電壓為160~260V時(shí)能輸出375V的穩(wěn)定直流電壓，使高頻變壓器初級(jí)電壓保持不變，消除了電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)高頻輸出的影響。

2.4 主電路和控制電路
主電路如圖4所示，采用半橋電路?？刂齐娐钒?qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器、PI調(diào)節(jié)器及保護(hù)電路等。
驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器采用專用芯片，外接R、C的值決定驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率。由于陶瓷片兩端所加電壓的頻率越高，放電電壓越低，所以，該電路在供電后先輸出大約5s左右的高于正常工作頻率的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使半橋電路工作，用于啟動(dòng)陶瓷
片，防止陶瓷片在冷態(tài)時(shí)突然加入高壓而損壞。
保護(hù)電路由電壓比較器組成。在正常情況下，從外電路檢測到的溫度信號(hào)和電流、電壓信號(hào)送入控制板上的比較電路，當(dāng)檢測信號(hào)未超出允許范圍時(shí)，控制電路正常丁作。當(dāng)檢測值超出允許范圍時(shí)，比較器輸出的信號(hào)將使驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器停止工作。當(dāng)溫度降低到允許值以下時(shí)，電路自動(dòng)恢復(fù)工作。當(dāng)檢測到過流、過壓時(shí)，電路停止工作，須重新上電才能恢復(fù)工作。
輸出電流、電壓的采樣信號(hào)送到PI調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生誤差信號(hào)去控制變換器的頻率，從而穩(wěn)定電源的輸出功率，達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)氣量的目的。實(shí)驗(yàn)證明，陶瓷片兩端所加電壓略高于起暈電壓能提高效率和穩(wěn)定性，因此，穩(wěn)定工作電壓和工作電流是必要的。

3 試驗(yàn)結(jié)果
在同等條件下，即氣源為空氣；流量為10L／min；負(fù)載為2片50mm x90mm陶瓷片并聯(lián)；散熱方式為強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)，和普通自激式電源對(duì)比測試，結(jié)果如下：
1)產(chǎn)氣量 使用該電源跡工作穩(wěn)定后臭氧產(chǎn)量為1．98g，使用自激式電源的產(chǎn)氣量為1.08g；
2)產(chǎn)氣量的穩(wěn)定性 使用該電源時(shí)，開機(jī)連續(xù)工作30min后臭氧產(chǎn)量下降不到5％，而普通自激式電源產(chǎn)氣量下降20％；
3)功耗 使用該電源時(shí)功耗為75W，自激式電源功耗為11OW。

4 結(jié)語
本文介紹的陶瓷片臭氧電源具備EMI濾波電路、PFC電路，可有效抑制來自電網(wǎng)的干擾，符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的交流輸入電流諧波含量限制要求，功率因數(shù)大于0.97；采用了穩(wěn)壓穩(wěn)流措施，保證臭氧產(chǎn)量的穩(wěn)定，延長了臭氧發(fā)生元件的使用壽命；振蕩電路工作在20kHz左右，臭氧產(chǎn)率高，效率達(dá)90％以上。對(duì)比試驗(yàn)表明，在同等條件下使用該電源汲粞醪量是使用普通自激式電源的1.8倍，而功耗是自激式電源的70％。在大、中型臭氧產(chǎn)品中使用可降低產(chǎn)品成本，節(jié)省安裝空間。