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)計有EMI濾波電路、PFC電路，有過流、過熱、過壓保護等功能，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。

1 負載特性
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，在放電電極的表面上產(chǎn)生電暈放電。
陶瓷片在未放電時表現(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，器件表現(xiàn)出電阻和電容雙重特性。
陶瓷片在放電時有以下兩個特點。
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，陶瓷片放電時能量密度較高，放電越強烈，溫升越高，溫度的升高反過來會降低臭氧產(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，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)進行工作，輸出375V左右的直流穩(wěn)定電壓。同時使輸入電流跟隨輸入電壓正弦變化，功率因數(shù)達到0．97以上，大大減少了諧波電流對電網(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)計了完善的保護電路。直流電壓過壓保護由PFC電路完成；輸出電壓、電流的采樣信號和機內(nèi)溫度信號送人保護電路與限定值進行比較，當(dāng)其超限時，保護電路會及時動作，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，同時對電路自身產(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時能輸出375V的穩(wěn)定直流電壓，使高頻變壓器初級電壓保持不變，消除了電網(wǎng)電壓波動對高頻輸出的影響。

2.4 主電路和控制電路
主電路如圖4所示，采用半橋電路。控制電路包括驅(qū)動信號發(fā)生器、PI調(diào)節(jié)器及保護電路等。
驅(qū)動信號發(fā)生器采用專用芯片，外接R、C的值決定驅(qū)動信號的頻率。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)動信號，使半橋電路工作，用于啟動陶瓷
片，防止陶瓷片在冷態(tài)時突然加入高壓而損壞。
保護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和電流、電壓信號送入控制板上的比較電路，當(dāng)檢測信號未超出允許范圍時，控制電路正常丁作。當(dāng)檢測值超出允許范圍時，比較器輸出的信號將使驅(qū)動信號發(fā)生器停止工作。當(dāng)溫度降低到允許值以下時，電路自動恢復(fù)工作。當(dāng)檢測到過流、過壓時，電路停止工作，須重新上電才能恢復(fù)工作。
輸出電流、電壓的采樣信號送到PI調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生誤差信號去控制變換器的頻率，從而穩(wěn)定電源的輸出功率，達到穩(wěn)定產(chǎn)氣量的目的。實驗證明，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 試驗結(jié)果
在同等條件下，即氣源為空氣；流量為10L／min；負載為2片50mm x90mm陶瓷片并聯(lián)；散熱方式為強制風(fēng)冷時，和普通自激式電源對比測試，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，開機連續(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)標準規(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90％以上。對比試驗表明，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。