基于ZVS 雙管自激電路的等離子體電源設(shè)計

辛紀(jì)威，李占賢，趙潞翔，方 川，董威武

（1.華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，唐山 063210；2.河北省工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，唐山 063210；3.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084；4.清華大學(xué)工程物理系，北京 100084）

介質(zhì)阻擋放電DBD（dielectric barrier discharge）是產(chǎn)生大氣壓冷等離子體的一種形式。大氣壓冷等離子體中含有大量的高能粒子，可以激發(fā)產(chǎn)生多種具有高化學(xué)活性的基團(tuán)[1]，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可用于等離子體隱身[2]、材料改性[3]、醫(yī)療殺菌[4]、廢水廢氣處理[5]、誘變育種[6]等場合。便攜式等離子體發(fā)生裝置應(yīng)用于野外救護(hù)可以提高傷口治愈能力，例如對醫(yī)療器械、傷口表面進(jìn)行殺菌消毒處理，促進(jìn)血液凝結(jié)、傷口愈合等。目前，等離子體電源通常采用工頻可調(diào)壓電源，該類電源的體積龐大，如南京蘇曼電子有限公司生產(chǎn)的CTP-2000K 電源體積為360 mm×250 mm×250 mm，重量為8 kg，不方便攜帶與運輸，嚴(yán)重限制了等離子體技術(shù)的應(yīng)用與推廣[7-8]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，等離子體電源的結(jié)構(gòu)也正朝著微型化、小型化方向發(fā)展[9-10]，因此，亟需研制一款小型化、便攜式等離子體激勵電源。

傳統(tǒng)的開關(guān)電源工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)瞬間會造成開關(guān)損耗，而工作在軟開關(guān)技術(shù)下的電路具有元件應(yīng)力小、開關(guān)損耗小的優(yōu)點，可提高變換器的工作頻率。軟開關(guān)技術(shù)可以分為零電壓開關(guān)ZVS（zero voltage switching）技術(shù)和零電流開關(guān)ZCS（zero cur-rent switching）技術(shù)，較好地解決了硬開關(guān)的開關(guān)損耗、容性開通、感性關(guān)斷問題[11-12]。MOS 管是高頻低功率應(yīng)用最合適的功率器件，ZVS 通常優(yōu)于ZCS 是因為可以消除由于其固有結(jié)電容而產(chǎn)生的開關(guān)損耗。

因此，本文基于ZVS 雙管自激電路進(jìn)行便攜式介質(zhì)阻擋放電電源的設(shè)計，通過合理設(shè)定電路元件的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行電源與等離子體發(fā)生器的特性研究，要求其產(chǎn)生的電場強(qiáng)度足以擊穿空氣，放電電流能夠維持大氣壓冷等離子體的穩(wěn)定產(chǎn)生，輸出功率可以驅(qū)動等離子體發(fā)生器產(chǎn)生大面積等離子體，并且電源具有小型化、便攜性、穩(wěn)定性高的特點。

1 等離子體電源主電路的設(shè)計

1.1 主電路的原理分析

ZVS 雙管自激電路主要由逆變模塊和升壓模塊組成，電路工作在軟開關(guān)狀態(tài)，自身元件損耗小，其電路原理如圖1 所示。

ZVS 雙管自激電路的設(shè)計基于電感三點式振蕩電路。圖1 中，U1為電源電壓；L1為扼流線圈，具有限流作用，能夠限制峰值電流的突然增加，用來保護(hù)電路；電阻R1、R2用于限制MOS 管的柵極電流，防止電流過大對MOS 管造成損壞；電阻R3、R4用于保證MOS 管的可靠關(guān)斷；穩(wěn)壓二極管D1、D2用于將電壓箝位在合適值后加在MOS 管的柵極、源極兩端，使兩個MOS 管Q1、Q2滿足開通條件。由于元件參數(shù)具有離散性，一個MOS 管先導(dǎo)通，另一個MOS 管的柵極電壓被快恢復(fù)二極管D3或D4拉低，使其關(guān)斷，形成互鎖狀態(tài)。

圖1 ZVS 雙管自激電路原理Fig.1 Schematic of ZVS dual-tube self-excited circuit

圖1 中LC 諧振發(fā)生在電容C1和變壓器T1的初級線圈電感之間，這個諧振電路屬于電感三點式電路[13]。由于變壓器T1初級線圈的中心抽頭可以等效為2 個電感，所以該電路中包含2 個電感和1 個電容。在LC 諧振回路的作用下，兩個MOS 管的柵極、漏極電壓交替改變，實現(xiàn)狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)并不斷重復(fù)此過程。

1.2 諧振頻率的計算

ZVS 雙管自激電路的諧振頻率由變壓器初級線圈的電感和跨接在初級線圈兩端的電容決定，電容C1和變壓器T1初級線圈的電感組成一個并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率計算為

式中，L 為諧振回路的總電感。

本文設(shè)計的主電路諧振頻率在20～30 kHz 范圍內(nèi)，高電壓通過變壓器的匝數(shù)比及合適的匹配電路實現(xiàn)，同時變壓器的次級線圈作為輸出端與等離子體發(fā)生器相連接保證功率的正常輸出。通過ZVS雙管自激電路產(chǎn)生高頻高壓正弦波，驅(qū)動等離子體發(fā)生器實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的工作，從而有效地減小電源體積并降低開關(guān)損耗。

1.3 主電路的仿真模擬

本文采用輸入電壓為3.7 V，電容為0.68 μF，電感為47 μH 進(jìn)行主電路的設(shè)計。為了驗證設(shè)計方案的可行性，采用NI Multisim 軟件對ZVS 雙管自激電路進(jìn)行模擬，ZVS 雙管自激電路的仿真模型如圖2 所示。

圖2 ZVS 雙管自激電路仿真模型Fig.2 Simulation of ZVS dual-tube self-excited circuit

ZVS 雙管自激電路軟關(guān)斷波形如圖3 所示，圖中Ud1、Ud2和Ug1、Ug2分別代表2個MOS管的漏極和柵極電壓，可以看到，MOS 管在進(jìn)行工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換時漏極電壓Ud1、Ud2幾乎為0，模擬電路滿足了設(shè)計要求的“軟關(guān)斷”。

圖3 ZVS 雙管自激電路軟關(guān)斷波形Fig.3 Soft turn-off waveforms of ZVS dual-tube self-excited circuit

通過調(diào)整輸入電壓、電容和電感，分析輸出頻率和輸出電壓的變化，結(jié)果如圖4 所示。當(dāng)電容為0.68 μF 時，輸出頻率和輸出電壓隨電感的變化如圖4（a）和4（b）所示；當(dāng)電感為47 μH 時，輸出頻率和輸出電壓隨電容變化如圖4（c）和4（d）所示。

由圖4（a）、圖4（b）可得，在輸入電壓、電容不變的情況下，選用的電感越大輸出頻率會減小，對應(yīng)的輸出電壓基本保持不變。同理，由圖4（c）、圖4（d）可得，在輸入電壓、電感一定的情況下，隨著電容的增大，輸出頻率會減小，相應(yīng)的輸出電壓基本保持不變。因此，通過調(diào)整電路元件參數(shù)，能夠針對不同的負(fù)載要求設(shè)計出相應(yīng)的電源輸出參數(shù)。

圖4 電源參數(shù)對輸出頻率、輸出電壓的影響Fig.4 Influences of power supply parameters on output frequency and output voltage

本文針對疊層超薄型SDBD 和基于聚氨基甲酸酯PU（polyurethane）材料的FE-DBD 柔性等離子體發(fā)生器進(jìn)行相關(guān)研究，根據(jù)等離子體源參數(shù)的要求，設(shè)計出相應(yīng)的電源，如圖5 所示為2 種電源的輸出電壓仿真波形，可見，疊層超薄型SDBD 等離子體源供電電源輸出電壓峰值為2.26 kV，輸出頻率為29.4 kHz，基于PU 材料的FE-DBD 柔性等離子體源供電電源的輸出電壓峰值為4.47 kV，輸出頻率為25.6 kHz。仿真模擬結(jié)果滿足介質(zhì)阻擋放電的要求。

圖5 ZVS 雙管自激電路輸出電壓仿真波形Fig.5 Simulation wavefroms of output voltage from ZVS dual-tube self-excited circuit

1.4 主電路的實驗研究

基于仿真結(jié)果，實驗驗證電源輸出特性。采用本文模擬的電路元件參數(shù)，在空載情況下2 種等離子體源供電電源輸出電壓實驗波形，如圖6 所示。由圖可見，疊層超薄型SDBD 等離子體源供電電源輸出電壓波形呈正弦波，輸出電壓的峰值為2.24 kV，輸出頻率為23.03 kHz；基于PU 材料的FE-DBD 柔性等離子體源供電電源的輸出電壓波形呈正弦波形式，輸出電壓的峰值為4.42 kV，輸出頻率為23.73 kHz。實驗結(jié)果與仿真模擬結(jié)果基本符合。

圖6 等離子體電源空載時的輸出電壓實驗波形Fig.6 Experimental waveforms of output voltage from plasma power supply when there is no load

通過仿真模擬和實驗驗證了電源主電路的相關(guān)參數(shù)，并且設(shè)計出的便攜式等離子體電源在空載狀態(tài)下能夠滿足介質(zhì)阻擋放電的條件。

2 電源與等離子體發(fā)生器的特性及實驗研究

基于仿真結(jié)果，采用本文設(shè)計的電源驅(qū)動疊層超薄型SDBD 等離子體發(fā)生器和基于PU 材料的FE-DBD 柔性等離子體發(fā)生器，并對其相關(guān)特性進(jìn)行研究。

2.1 等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的DBD 結(jié)構(gòu)在材料處理時由于被處理物表面不平整等原因，放電通常呈現(xiàn)不均勻的絲狀，對人體等熱敏性被處理物會造成熱損傷。與其相比等離子體射流在材料處理方面，尤其是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢，但其會消耗大量惰性氣體，氣體成本相對較高。因此本文采用疊層超薄型SDBD等離子體發(fā)生器和基于PU 材料的FE-DBD 柔性發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)示意如圖7 所示。SDBD 等離子體發(fā)生器如圖7（a）所示，其接地電極采用厚度為0.3 mm、尺寸為2 mm×3 mm 的菱形小孔鋁網(wǎng)，絕緣介質(zhì)層采用厚度為0.2 mm 的聚四氟乙烯，高壓電極采用厚度為0.05 mm 的銅箔。其中，高壓電極與接地電極緊貼于絕緣介質(zhì)層兩側(cè)。將電源分別接高壓電極與接地電極，接地電極的菱形網(wǎng)孔表面會產(chǎn)生絲狀放電等離子體。此結(jié)構(gòu)可按照被處理物形貌來設(shè)計放電面，放電特性對被處理物自身表面形態(tài)不敏感，能在空氣中產(chǎn)生大面積等離子體，主要用于對食物、環(huán)境和器械的殺菌消毒。鑒于大氣壓冷等離子體在生物體傷口愈合、止血凝血、殺菌消毒等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中研發(fā)人體可觸摸等離子體源的需求，本文還采用另一種基于PU 材料的FE-DBD 柔性發(fā)生器，如圖7（b）所示，其高壓電極采用厚度為0.15 mm 的PU 薄膜，絕緣介質(zhì)層采用厚度為0.9 mm 厚的水凝膠，人體作為接地電極，選用厚度0.4 mm 的無紡布將PU 薄膜和水凝膠粘結(jié)在一起。將電源分別接高壓電極與大地，在人體與無紡布的接觸部位會產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的等離子體。

圖7 等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Schematic of the structure of plasma generator

2.2 等離子體發(fā)生器的放電測試

如圖8 所示為Canon EOS 7D 數(shù)碼相機(jī)（光圈值f/3.5，曝光時間0.6 s，ISO-3200）記錄的等離子體發(fā)生裝置系統(tǒng)實物，圖8（a）是疊層超薄型SDBD 等離子體發(fā)生器在輸入電壓為3.7 V、鋁網(wǎng)尺寸為2.5 cm×2.5 cm 的工況下采集的放電圖像，圖8（b）是基于PU 材料的FE-DBD 柔性等離子體發(fā)生器在輸入電壓為3.7 V、無紡布尺寸為4 cm×6 cm 的工況下采集的放電圖像。

圖8 等離子體發(fā)生裝置系統(tǒng)實物Fig.8 Physical picture of plasma generator system

如圖9 所示為現(xiàn)有ZVS 單管自激電路電源（尺寸為90 mm×67mm×37 mm，電源最大輸出功率30 W，重量為270g，功率重量比為111.1 W/kg）和本文設(shè)計的ZVS 雙管自激電路電源的放電現(xiàn)象，由Canon EOS 7D 數(shù)碼相機(jī)（光圈值f/5，曝光時間0.8 s，ISO-3200）記錄。由圖可見，在相同工況下，圖9（b）相較于圖9（a）的放電強(qiáng)度更大，放電更均勻，發(fā)生器表面能夠?qū)崿F(xiàn)均勻彌散的放電模態(tài)且放電現(xiàn)象穩(wěn)定。

圖9 基于2 種電源的放電現(xiàn)象對比Fig.9 Comparison between discharge phenomena based on two types of power supply

如圖10 所示為基于PU 材料的FE-DBD 柔性等離子體發(fā)生器的放電現(xiàn)象，由Canon EOS 7D 數(shù)碼相機(jī)（光圈值f/5，曝光時間0.8 s，ISO-3200）記錄。由圖可見，人體與發(fā)生器的接觸部位能夠持續(xù)產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的等離子體，且人體無電擊感和灼熱感。

圖10 基于PU 材料的FE-DBD 柔性等離子體發(fā)生器放電現(xiàn)象Fig.10 Discharge phenomenon of FE-DBD flexible plasma generator based on PU material

2.3 等離子體發(fā)生器發(fā)射光譜的研究

本文采用AvaSpec-ULS3648-8-USB2 光纖光譜儀（波長范圍為200～1070 nm，分辨率為0.07～0.11 nm）對放電過程中等離子體發(fā)生器表面產(chǎn)生的活性粒子種類及相對強(qiáng)度進(jìn)行測量。測量時，光纖探頭與放電電極保持2 mm 間距，光譜儀測得的2 種等離子體發(fā)生器的發(fā)射光譜如圖11 所示。參照發(fā)射光譜數(shù)據(jù)庫NIST atomic spectra database lines data的數(shù)據(jù)，通過光譜分析顯示，等離子體中含有大量活性氧、活性氮基團(tuán)，且不同發(fā)射波長對應(yīng)活性基團(tuán)的相對強(qiáng)度不同，相對強(qiáng)度越強(qiáng)，產(chǎn)生對應(yīng)的粒子濃度越大。在不同工況下，可通過改變等離子體源參數(shù)調(diào)控不同活性基團(tuán)的濃度。

圖11 等離子體發(fā)生器的發(fā)射光譜Fig.11 Emission spectrum of plasma generator

等離子體發(fā)生器表面形成豐富的活性氧、活性氮等基團(tuán)，未來可用于材料表面改性、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)等場合，具有廣闊的應(yīng)用前景[14-15]。

2.4 等離子體發(fā)生器放電電壓電流的研究

采用本實驗設(shè)計的電源驅(qū)動疊層超薄型SDBD等離子體發(fā)生器和基于PU 材料FE-DBD 的柔性等離子體發(fā)生器并進(jìn)行電壓電流波形的測量，測量系統(tǒng)如圖12 所示，主要包含數(shù)字示波器（Tektronix DPO4034）、高壓探頭（Tektronix P6015A）、電流探頭（Tektronix TCP0030A）、電源及等離子體發(fā)生器。疊層超薄型SDBD 等離子體發(fā)生器放電電壓電流波形如圖12（b）所示，連接負(fù)載時輸出電壓波形呈正弦波形式，此時輸出電壓的峰值為2.04 kV，輸出頻率為15.69 kHz，輸出電流的峰值為7.74 mA?；赑U 材料FE-DBD 的柔性等離子體發(fā)生器放電電壓電流波形如圖12（d）所示，連接負(fù)載時輸出電壓波形呈正弦波形式，此時輸出電壓的峰值為4.14 kV，輸出頻率為21.39 kHz，輸出電流的峰值為4.05 mA。

圖12 等離子體發(fā)生器放電電壓和電流測量Fig.12 Measurement of discharge voltage and current of plasma generator

實驗結(jié)果表明，使用本文設(shè)計的電源與相應(yīng)形式的等離子體發(fā)生器能成功地進(jìn)行放電，從電氣安全和熱安全角度考慮，放電電流幅值低于人體安全電流極限值10 mA，人體可以安全接觸，無明顯灼傷感和觸電感，驗證了設(shè)計方案的可行性，滿足了設(shè)計要求。

2.5 等離子體發(fā)生器放電功率的研究

通過李薩如圖形計算疊層超薄型SDBD 等離子體發(fā)生器和基于PU 材料FE-DBD 的柔性等離子體發(fā)生器的放電功率。在發(fā)生器的接地側(cè)串入測量電容Cm，將示波器的雙通道分別測量電容電壓Um和發(fā)生器兩端電壓U，采用X-Y 模式，得到的閉合曲線即為李薩如圖形。使用ZVS 單管自激電路電源和本文設(shè)計電源驅(qū)動SDBD 等離子體發(fā)生器以及使用本文設(shè)計電源驅(qū)動FE-DBD 的李薩如圖形如圖13 所示，利用李薩如閉合圖形面積計算出兩種不同形式發(fā)生器的內(nèi)部放電功率。

圖13 放電功率測量Fig.13 Measurement of discharge power

放電功率計算公式為

式中：f 為電源頻率；Cm為測量電容，電路中采用Cm=0.47 μF 記錄李薩如圖形。

通過計算得出圖9（a）的放電功率為0.8 W、功率密度為0.125 W/cm2，圖9（b）的放電功率為1.5 W、功率密度為0.24 W/cm2，圖10 的放電功率為1.9 W、功率密度為0.079 W/cm2。因此，本文設(shè)計的ZVS 雙管自激電路電源相較于現(xiàn)有的ZVS 單管自激電路電源能夠為等離子體源提供更大的功率。

3 結(jié)語

本文設(shè)計的電源能夠成功驅(qū)動SDBD 和FE-DBD 柔性等離子體發(fā)生器產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的等離子體，且裝置體積小、重量輕、功率重量比大，輸出電壓和輸出頻率具有較大的調(diào)節(jié)范圍，在驅(qū)動多種等離子體源（如等離子體射流裝置、微空心陰極等離子體發(fā)生器、DBD 等離子體發(fā)生器等）工作上具有可行性。針對疊層超薄型SDBD 等離子體發(fā)生器，將本文設(shè)計的電源與現(xiàn)有ZVS 單管自激電路電源對比可得，設(shè)計的電源可實現(xiàn)更加均勻彌散的放電模態(tài)并且放電現(xiàn)象穩(wěn)定，放電強(qiáng)度和放電功率更大，功率密度由0.125 W/cm2增加至0.24 W/cm2，功率重量比由111.1 W/kg 增加至300 W/kg。針對基于PU 材料FE-DBD 的柔性等離子體發(fā)生器，與使用CTP-2000K 電源驅(qū)動其相比，本文設(shè)計的電源僅通過3.7 V 的18 650 鋰電池（容量為6 800 mA·h，一般循環(huán)壽命可達(dá)500～1 000 次左右，使用壽命可達(dá)2～3 年）作為供電輸入就能實現(xiàn)4.42 kV 的輸出電壓峰值和23.73 kHz 的輸出頻率，并且功率重量比由62.5 W/kg 增加至300 W/kg。本文設(shè)計的電源實現(xiàn)了小型化、便攜性的目標(biāo)，未來在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源與環(huán)境等領(lǐng)域具有良好的實用價值。