低成本小功率臭氧发生器电源模块设计

设计与分析♦Sheji yu Fenxi
低成本小功率臭氧发生器电源模块设计
张青兰
（常德技师学院，湖南常德415000）
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
现常常用与抗生素等，使得水体
中的品，水产品的[1],
一种低成本的水体方案。

臭氧的氧化性，可以 水和生物的
结构，进，。

了
，臭氧的氧化性可以使机，一可以
止水的化，臭氧的理方案孔
陶沿面放电技成用的臭氧生成方法，放电陶-（图1）
利用沿面放电理，沿
和陶面放电，
电压对低得多，体
，生等体，成
臭氧叫
臭氧发生器的压电源，电源了臭氧发生器的体。

对模，一使用LC 电源，不但需功率的IGBT及的驱动电路，还需的压升压变压器，成本较[4]o但对于普通
户而言，需对而言没用需，且对成
本较，为，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放电陶瓷片模型
臭氧陶作时的放电路径主由陶介质放电气隙
构成，和常见的体等放电（如荧光灯）所区别，对于荧
光灯而言，发光管内的气体被激发后始处等体态，
在整个工作周期内，都处于辉光放电状态。

而臭氧陶
对压放电，激发为等立体态，激励电压存在一个
门槛电压在整个工作周期内，电路的充放电持续交
替进行的。

臭氧发生器的激励电源的工作率特性，很
上能臭氧陶在实际作时的电路模型，体可为两种情况，即低频模型（50〜10kHz）和高频模型（大于10kHz）霍当施加在臭氧陶的电压的率在50〜10kHz时，由于频率较低，整个激励周期中，沿面放电陶的放电与否界限明显。

当陶激励电压处于阈值电压&以下时，电周边的电场还未达体的，可以陶等效为电储能，由于放电陶的结构特殊，该电的介
由两串联构成，即磁介"和介Cf当陶激励电压过阈值电压！＞，电周边的电场已经达
气体的，气体被激发为等离子态，处稳定放电状态时隙间承的电压处平衡状态，可以等效为一个反向的双向齐管，等效为与输电压方向反的电压源。

两种放电陶模型本而言互为等效，有效描述了放电过的电平衡和维持的状态。

2模块分析与设计
臭氧电源主路用Royer电路结构，电源主回路基本上由源器件构成，驱动IC,结构简单，成本低。

无驱动IC低
该方案利用变压器的反馈绕组，巧妙地控管的开通断，达，放电的效叫臭氧电源模块主电路的作如下
⑴：管#1和为同型同一出厂，但存在个体+在通电的间+级管的电+过两个级管的电的电也。

1）始，过$1的%叫过$2的变压器磁通由©圖。

2）电过，变压器中的磁通发生变化,在反馈&+中感应出电动'+C3）'+对$1形成反馈,加$1通;对$2成反馈，使得$2电极电I?小。

$1和+电不+时磁通变化率也
小，反馈出的电压小。

后，$2
反过C
（2）C1的放电。

对而言，边中存在的电流）使得副边生电％2。

电C1放电后，%2对C1电，同时%2低，C1电压值,%2电值变为0,时%2反向，C1始放电，电容电压为0,此时%2达反向最大值。

（3）C2的放电。

当%2反向的同时，*3上的电压也反向，而使得$2，$1导通，电/在变压器+1原边的动％管$1和$2集电极两的电压的电压
值是2倍的'（'1是变压器点的电压）。

（4）点电压'1。

当$1和$2同时导通的时
100
Sheji yu Fenxi "
设计与分析
候，
！$值达到最大，在同一个三极管的开通和关闭期间，(值 降低到0。

(的波形和！血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：
!$看-耳
⑴
同时可得到电容
C2上的电压最大值为：
卩占肌
⑵
当输入波形不是直流
！de ，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
， 最优。

电源结合的方
式，能有 高产气率。

3仿真与样机实验
3.1仿真分析
(1)谐振匹配。

谐振进行仿真，找出最为匹配的电容电
感值组合。

#t
C 谐振的计算为:厶.(C 2+C i &2)，2.752 7!10"$$,电
容C 3C&2
C
, L 忆，2.752 7 X 10"11，谐振参数匹配
3所示，
中心
抽头的 压 等 为
为
1的2个电
(COUPLINGS )，2个电感
值相同。

谐振 的时候 进 流 ，
率
设为
50〜50 000 Hz 。

查看
不同率电容的电压值， 电压值为最大的 率点
为谐振点。

K K1 K Linear
图3谐振参数匹配仿真
电容和电感的值，可
不同的 ， 得出最
佳曲线。

当
C 大、L 的时候，率的
，但
需要根据实际来选择电容电感值组合。

2)。

电 的 是 极管 的
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 在谐波 。

图4输出电压电流波形展开图
3.2变压器设计与仿真
要求，选择新康达的牌号为
EEL25的磁芯，该磁
芯的有效截面积'尸
40 mm 2。

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！血为220 V ，最
大磁通
0.2 T ，代入有 面积'e ，获得 的匝数为：
由于匝比为
1:7.22,上述算的原边为288匝数，因此副边
匝
近似值
2 070匝，为了满足绝缘
要，
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 算单匝线圈的电 值,有限元 算值为
1.285 5 "
H ，
LCR 电 值稍微偏，为1.222 "
H ,主要是为3D 型
中的磁芯拼接处的间距造,
型中设置的间距为
0.05 mm ,
而 间距有可比此值大，此 电感值偏一些，但也
足以说明此型的准确。

为了防止压饱和，计算 中
的 应强，在 的拼接处
应强度较大，但整个
的最大
应强度为
0.15 T 左右，比 的0.2 T 要小，符号。

3.3样机实测
发生器电
的输出电压最大值为
4.4 kV ,为了
量安全，暂时并未 样输出电压，依旧 电流钳 输出到
放电陶瓷片上的电流进 量。

位置：电负载是两个并
联的沿面放电陶瓷片， 一陶瓷片上流过的电流。

方
法： 泰克波匹配的电流探头，电流流过的导线穿过电 流枪的探环内，载在放电陶瓷片上的电压率为
21.5 kHz
左右，与 的目标值相符。

4结语
文设计了一种低
功率 发生电源模块，通
过 的灵活集，够高 的产生率， 基于
三极管的高谐振方式的升压方案，推导了电参 算过 程， 谐振参， 压的关键参进 算与仿真，并
样机进行了实验室测试，
，表明
该方案的可。

[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
⑴：
2-5.
[3] ELIASSON B, KOGELSCHATZ U. Modeling and appliestions
of silent diseharge plasmas [J]. Plasma seienee IEEE transaetions on, 1991, 19(2):309-323.
[4]
黄玉水.DBD 型
发生器负载特性及高频放电电源的研究
[D].
: 大学,2005.
[5]
文，
， ，等•沿绝缘介质表面的气体放电等
型[J].中 电机 程学报,2017,37(9):2725-2733.
[6]
.
放电 应[J].高电压技术，2009,35
⑴
：1T1.
[7]
强，朱团，唐雄民.一种电流型并联谐振DBD 臭氧电源
[J].
中 大学学报(自然 学)，2016(2):467-473.
[8] ALONSO J M, CARDESIN J, COROMINAS E L, et al. Low-power
high-voltage high-frequeney power supply for ozone
generation[J].IEEE transaetions on industry applieat-
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 应用。

机电信息2020年第20期总第626期
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