一種功率可調的多頻準諧振臭氧發生器電源的製作方法

2023-12-03 16:55:26 3

專利名稱：一種功率可調的多頻準諧振臭氧發生器電源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及臭氧的製備裝置，具體涉及放電法製備臭氧的電源。
背景技術：
工業上採用介質阻擋放電法製備臭氧都會使用臭氧發生器電源，其工作原理為，在臭氧製備裝置上施加交變的高壓，當電壓高於或等於裝置的放電維持電壓時，臭氧製備裝置的氣隙被擊穿即產生臭氧。因此，臭氧發生器電源的設計直接影響臭氧製備的效率。目前的臭氧發生器電源採用的拓撲結構包括正激式、反激式、推挽式、半橋、串聯諧振等。然而正激式、反激式、推挽式拓撲電路雖然結構簡單、成本低，但是輸出功率受限制，僅能應用於小功率臭氧發生器電源；而半橋式拓撲電路輸出功率較前幾種拓撲結構都要高，但是單位周期內，只有半個周期能輸出能量，因此效率較低；串聯諧振拓撲電路雖然效率較高，輸 出功率大，但是其輸出電壓從零電壓上升至放電電壓所需時間較長，而且其輸出功率不能夠通過調節功率開關來調節，因此應用時受一定限制。2009年5月17日，在電力電子和運動控制會議上公開了一篇名為「Dual High Frequency Quasi-Resonant Inverter Circuitby Using Power MOSFET for Induction Heating，，(作者Yusuke Ishimaru, Kazuo Oka,Kazuki Sasou, Kouki Matsuse, Masayoshi Tsukahara)的論文，介紹了一種用於感應加熱的雙頻準諧振拓撲結構的電源電路，該電路利用軟開關技術可產生於2種不同諧振頻率，具有工作頻率高，電壓上升時間快，輸出功率大的特點，但是，該電路雖然能夠克服之前所述拓撲電路存在的缺點，但是其輸出功率不可調，且效率不高。
發明內容鑑於現有技術的不足，本實用新型提供一種改進的臭氧發生器電源，該電源具有功率可調且高效的優點。本實用新型解決上述問題的技術方案如下一種功率可調的多頻準諧振臭氧發生器電源，它具有軟開關雙頻逆變電路，該電路由如置半橋開關電路、後置半橋開關電路和連接在所述兩半橋開關電路節點上的串聯諧振式變壓器升壓電路組成，其特徵在於，串聯諧振式變壓器升壓電路上還串聯一可控電容的單元電路，該單元電路由一隻附加諧振電容和兩隻單向開關元件組成，其中，所述的兩隻單向開關元件相反並聯。為了提高開關速度，進一步降低功耗，本實用新型所述的臭氧發生器電源，其中所述的單向開關元件是在N溝道增強型場效應管的漏極與源極迴路中同向串聯一快恢復功率二極體構成。本實用新型所述的臭氧發生器電源，由於在串聯諧振式變壓器升壓電路中串聯了可控電容的單元電路，因此配以常規的控制電路可控制所述單向開關元件使所述的附加諧振電容接入或短路，從而在由前置半橋開關電路和後置半橋開關電路組成的逆變開關在一個工作周期內，所述的串聯諧振式變壓器升壓電路可獲得多種不同的諧振頻率，以快速升高輸出電壓，且該輸出電壓可長時間高於或等於放電電壓，顯著提高臭氧發生器的工作效率。此外，本實用新型還可通過改變所述單向開關元件的通斷的時長來控制附加諧振電容接入時間的長短，進而調節輸出功率大小。

圖I為本實用新型 所述的功率可調的多頻準諧振臭氧發生器電源一個實施例的電路原理圖；圖2為圖I的等效電原理圖；圖3為圖2所示的電路在前半工作周期各模態的等效電原理圖；圖4為圖2所示的電路在前半工作周期各模態下主要功率器件的電壓和電流波形圖。
具體實施方式
參見圖1，圖I所示為本實用新型所述的一個實施例的電路原理圖，圖中，Q1 Q6為大電流N溝道增強型場效應管，D1 D6為功率型快恢復二極體，C1和C2為無極性高壓電容，電容Cd、Cg和雙向穩壓管Dz為臭氧製備裝置的等效電路，T為變壓器。參見圖1，圖中Ue為直流輸入電源，場效應管Q1和Q2，二極體D1和D2構成所述前置半橋開關電路，場效應管Q3和Q4, 二極體D3和D4構成所述後置半橋開關電路；變壓器T和串聯在其初級上的電容C2、電感L1以及串聯在其次級迴路中的等效電容Cd、Cg構成所述串聯諧振式變壓器升壓電路；場效應管Q5與串聯在其漏極與源極迴路中的二極體D5構成單向開關元件，場效應管Q6與串聯在其漏極與源極迴路中的二極體D6構成另一單向開關元件，所述的兩單向開關元件反向並聯於電容C1上構成可控電容的單元電路；所述的串聯諧振式變壓器升壓電路與所述的可控電容的單元電路串聯後再跨接於前置半橋開關電路的節點與後置半橋開關電路的節點之間。為了便於描述，以下將圖I中變壓器T的次級電路均等效耦合至原邊，所得到的等效電路如圖2所示。參見圖3和圖4，當電源工作時，在一個開關周期內，電源電路依次工作在12個工作模態，電源電路在穩態時循環工作於所述的12個工作模態，電路在正半周期6個工作模態，即模態I 模態6時的電源等效電路如圖3a 圖3f所示，功率器件的電壓電流波形如4所示。所述的12個工作模態過程如下模態l[t0 tj :在tQ時刻，場效應管％、Q4、Q5導通，此時，由於電容C1兩端電壓不能突變，場效應管Q5反向偏置，二極體D1，場效應管Q1,電容C1,電感L1,電容Cdl，電容Cgi和場效應管Q4構成迴路，電容C1XdlXgl和電感L1產生諧振，諧振頻率為f\，電容C1XdlXgI的兩端電壓迅速上升，電感L1電流Ip以較快速度上升，由於Q4導通，電容C2被短路；模態2[ti t2] ^t1時刻，電容C1升至0V，此時場效應管Q5解除反向偏置，電容C1被短路，不參與諧振，此時二極體DpD5，場效應管Qp Q5,電感L1,電容Cdl，電容Cgl與場效應管Q4構成迴路，電容Cdl、Cgl和電感L1產生諧振，諧振頻率為f2，電容Cdl、Cgl的兩端電壓上升速度減慢，電感L1電流Ip上升速度變慢；模態3[t2 t3]:當t2時刻，電容Cgl兩端電壓升至擊穿電壓Uz，臭氧發生器的氣隙被擊穿從而生產臭氧。此時雙向穩壓管Dz導通，電容Cgl被短路，二極體D1，場效應管QpQ5,電感L1,電容Cdl，雙向穩壓管Dz和場效應管Q4構成迴路，電容Cdl和電感L1產生諧振，諧振頻率為f3，電容Cdl和Cgl以較慢的速度開始放電；模態4[t3 t4]:當丨3時刻，控制Q5零電壓關斷，電容C1再次接入迴路，與電容Cdl和電感L1產生諧振，諧振頻率為f4，電容C1開始充電，流過迴路的電流開始以較快的速度減小;模態5[t4 t5]:控制場效應管Q4在t4時刻零電壓關斷，D3此時導通，二極體DpD3，場效應管Q1,電感L1,電容Cdl、C1, C2和雙向穩壓管Dz構成迴路，電容C2開始充電；模態6[t5 t6]:當電容C2充滿且電容CdlJp Cgl上電荷完全釋放，控制場效應管Q1零電流關斷，至正半周期結束；模態7[t6 t7]:當&時刻，場效應管％為為導通，由於電容(1兩端電壓不能突 變，場效應管Q6反向偏置，場效應管Q2、Q3，二極體D2,電容C:、C2、Cdl、Cgl，電感L1和場效應管Q3構成迴路為電容C1反向充電，電容C2開始放電，電容Cp Cdl, Cgl和電感L1產生諧振，諧振頻率為&電容Cp Cdl、Cgl的兩端電壓迅速上升，電感L1電流Ip以較快速度上升；模態8[t7 t8]:在t7時刻，電容C1兩端電壓達到0V，此時場效應管Q6解除反向偏置，C1被短路，不參與諧振，場效應管Q2、Q3, 二極體D2、D6,電容C2、Cdl、Cgl,電感L1和場效應管Q3構成迴路，電容Cdl、Cgl和電感L1產生諧振，諧振頻率為f2，電容Cdl、Cgl的兩端電壓上升速度減慢，電感L1電流Ip上升速度變慢；模態9[t8 t9]:當〖8時刻，電容Cgl兩端電壓升至擊穿電壓Uz，電容Cgl兩端電壓升至擊穿電壓Uz，臭氧發生器的氣隙被擊穿從而生產臭氧。此時雙向穩壓管Dz導通，電容Cgl被短路，場效應管Q2、Q3, 二極體D2、D6,電容C2、Cdl、Dz,電感L1和場效應管Q3構成迴路，電容Cdl和電感L1產生諧振，諧振頻率為f3，電容Cdl和Cgl以較慢的速度開始放電；模態10 [t9 tj :當t9時刻，控制Q6零電壓關斷，D6也隨之截止，電容C1再次接入迴路，與電容Cdl和電感L1產生諧振，諧振頻率為f4，電容C1開始充電，流過迴路的電流開始以較快的速度減小；模態 tn]:電容Cgl的兩端電壓在t1(l時刻降至擊穿電壓Uz以下，電容Cgi再次被接入迴路，電容Cp Cdl, Cgl和電感L1產生諧振，頻率為，至tn時刻，迴路電流降至0，此時電容仏兩端電壓為-Ua ；模態12 [tn t12]:控制場效應管時刻零電壓關斷，至此，一個周期結束。由上面的描述可見，在一個周期內電容C1被接入和短路兩次，從而使所述的串聯諧振式變壓器升壓電路產生不同的諧振頻率，快速升高輸出電壓，且該輸出電壓可長時間高於或等於臭氧發生器的放電電壓，可顯著提高臭氧發生器的工作效率。實際應用中，還可根據臭氧製備量的大小，即負載大小，在模態4和模態10時，分別控制場效應管Q5和Q6的佔空比，即可實現調節輸出功率的目的。
權利要求1.一種功率可調的多頻準諧振臭氧發生器電源，它具有軟開關雙頻逆變電路，該電路由前置半橋開關電路、後置半橋開關電路和連接在所述兩半橋開關電路節點上的串聯諧振式變壓器升壓電路組成，其特徵在於，串聯諧振式變壓器升壓電路上還串聯一可控電容的單元電路，該單元電路由一隻附加諧振電容和兩隻單向開關元件組成，其中，所述的兩隻單向開關元件相反並聯。
2.根據權利要求I所述的一種功率可調的多頻準諧振臭氧發生器電源，其特徵在於，所述的單向開關元件是在N溝道增強型場效應管的漏極與源極迴路中同向串聯一快恢復功率二極體構成。
專利摘要一種功率可調的多頻準諧振臭氧發生器電源，它具有軟開關雙頻逆變電路，該電路由前置半橋開關電路、後置半橋開關電路和連接在所述兩半橋開關電路節點上的串聯諧振式變壓器升壓電路組成，其特徵在於，串聯諧振式變壓器升壓電路上還串聯一可控電容的單元電路，該單元電路由一隻附加諧振電容和兩隻單向開關元件組成，其中，所述的兩隻單向開關元件相反並聯。電源控制器通過交替控制兩單向開關元件的佔空比，來控制附加諧振電容參與諧振的時間，從而改變電源輸出功率，提高工作效率。
文檔編號H02M7/48GK202495886SQ20122012710
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者唐連章, 張方櫻, 張 傑, 胡維, 謝陳躍, 陳新兵, 龍曉莉 申請人:廣州大學