頻率跟蹤在介質阻擋放電中的應用

王高鋒，劉平，張影

（鄭州大學信息工程學院，鄭州450001）

0 引 言

隨著經濟的發展，工業化進程的加速，人類在提高生活水平的同時，也遭受了前所未有的環境污染［1-2］。特別是工業廢氣污染尤為嚴重，這些廢氣往往含有硫化物、氮化物以及有毒的有機物，廢氣污染對自然環境和人類帶來了極大的危害和挑戰。目前國內外處理廢氣的方法有很多，其中以介質阻擋放電（DBD）處理廢氣在歐美國家發展最為迅猛，雖然目前我國處在起步階段，但也取得較大的進步。

介質阻擋放電是將絕緣介質插入放電空間的一種氣體放電，是產生等離子體的最常用的方法之一。介質阻擋放電能夠在高氣壓和很寬的頻率范圍內工作。電極結構的設計形式多種多樣，在兩個放電電極之間充滿某種工作氣體，并將其中一個或兩個電極用絕緣介質覆蓋，當兩電極間施加足夠高的交流電壓時，電極間的氣體會被擊穿而產生放電，即產生了介質阻擋放電［3-4］。介質阻擋放電產生的等離子體具有很高的能量，這些等離子體撞擊有害氣體，使有害氣體分解或者電離，從而破壞有害氣體的結構，實現廢氣的環保處理。但是隨著外部環境的變化，例如環境溫度、濕度以及所處理廢氣的濃度等等，介質阻擋放電裝置的特性會發生明顯的變化，而且這些變化是非線性的、不可預測的。負載等效電路參數的變化，會導致負載回路諧振頻率的變化［5］。此時，供電電源不能很好的跟蹤和匹配放電裝置，導致輸出功率較低，整機損耗較大。有效的辦法是讓供電電源的開關頻率始終跟隨負載回路的諧振頻率。這樣既能保證負載端的電壓和電流同步，又能降低功率管的開關損耗［6］，容易實現功率管的軟開關，從而降低損耗，提高整機的效率。

針對這種情況，目前國內外大部分采用鎖相環來解決這一問題，但是采用鎖相環存在速度不匹配、精度不夠以及容易失鎖等問題，提出一種新穎的頻率跟蹤技術，該技術的電路結構簡單，響應速度快，并且能夠根據不同電路需要自行設計相移角，能夠很好的滿足惡劣復雜的環境。

1 介質阻擋放電設計

1.1 整機原理分析

供電電源采用全橋逆變電源，電源和等效負載的示意圖如圖1所示。負載等效成電阻R、電容C、諧振電感L的串聯諧振回路［7］，f、f0分別是開關頻率和負載諧振頻率，ω、ω0分別是對應的角頻率。

圖1 介質阻擋放電整體裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of dielectric barrier discharge device as a whole

則由此可得回路的復阻抗表達式為：

阻抗的模數為：

假設：

則電路中流過的電流為：

可以看出，當X=0時，負載中有最大電流流過，電源實現最大有功功率輸出。此時負載端的電壓和電流同相位，即ω=ω0，整個串聯回路處于諧振狀態［8］，此時的諧振頻率為：

這種狀態是最理想的，但是負載一直在變化，要想一直保持該狀態很難。當ω＞ω0時，裝置工作在感性狀態，電源輸出電壓超前輸出電流，此時功率管開關狀態均為零電壓，不存在反向恢復電流，開關管損耗較小。當ω＜ω0時，裝置工作在容性狀態，電源輸出電壓滯后輸出電流，此時功率管開關狀態均在大電流下［9］，開關管損耗非常大，嚴重時可能燒壞開關管，導致整機癱瘓，所以要避免出現該狀態。

1.2 頻率跟蹤電路設計

為保證電路始終工作在諧振或弱感性狀態，設計如下電路實現頻率跟蹤功能，電路如圖2所示。

圖2 頻率跟蹤的整體電路設計Fig.2 Overall circuit design for frequency tracking

電路由過零比較電路和脈沖整形電路兩大部分構成，過零比較電路由LM319組成，脈沖整形電路由CC4098組成［10］。具體工作原理介紹如下：從主電路采樣的電流信號，經全橋整流后，轉化為半波電壓信號，然后送到比較器的同向端，與比較器的反向端比較，反向端其實不是嚴格意義上的零端，而是一個略大于零的電壓信號，假如設該參考電壓為VC，則VC大小為：

根據實際電路取值：R1=10 kΩ，R2=1.0 kΩ，VCC=5.0 V，把參數代入式（6）可得參考電壓VC約為0.44 V，當采樣信號低于參考電壓0.44 V時，比較器輸出低電平，并取其下降沿。此時的同步信號略超前于電流信號，滿足弱感性工作狀態的要求。

比較器輸出的信號是寬窄不一的矩形波信號，幅值和脈寬均不能被控制芯片SG3525的同步端識別，需要進一步整形得到能被主控芯片SG3525識別的規整的高電平同步脈沖信號。脈沖整形電路采用CC4098芯片，CC4098是一種CMOS工藝的雙單穩態集成電路，輸出脈沖寬度由外部阻容器件控制，幅度與電源電平相同［11］。CC4098的功能表如表1所示。

表1 CC4098功能表Tab.1 CC4098 function table

當TR+=0，RST=1，TR-出現下降沿時，輸出端為高電平，該信號與TR-同步產生，脈寬為：

其中，電路的工作頻率設為20 kHz，周期為50 μs，比較器輸出脈寬為25μs左右，而芯片SG3525的同步端要求是不大于6μs但最好不要小于0.5μs。根據實際電路取值R=5.0 kΩ、C=220 pF，代入得周期大約為1μs，大于SG3525所需要的最低0.5μs且不大于6μs，符合SG3525的同步脈寬要求。得到的整形脈沖送到主控芯片SG3525的3腳同步端［12］，實現功率管的開關頻率同步于負載端諧振頻率。

2 實驗結果分析

實驗裝置的示意圖如圖3所示，廢氣是在工廠中收集的硫化物氮化物等有害氣體，和空氣在氣體混合容器中充分混合后通入到DBD反應器中，設置好每分鐘通入氣體的流量值，并調節供電電源的功率，在排出氣體端取樣，通過分析取樣氣體，來調節供電電源功率，直至排出氣體全部為無害氣體為止。

為對比沒有加入頻率跟蹤電路和加入頻率跟蹤電路的功耗，分別做兩組實驗。第一組，沒有加入頻率跟蹤電路情況下通入廢氣，記錄并分析得到的數據。第二組，加入頻率跟蹤電路，通入同樣多的廢氣，記錄并分析得到的數據。數據對比如表2所示，能清晰的看到頻率跟蹤電路對整個裝置效率的提升非常重要。

圖3 實驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental device

表2 有無頻率跟蹤電路的功耗對比表Tab.2 Power consumption comparison table with frequency tracking circuit

如圖4所示，設置通道1是采樣的負載端的電流。通道2是采樣信號經過過零點比較后得到的過零脈沖信號。無論負載怎么變化，同步脈沖信號始終在電流的過零點附近。

圖4 采樣信號與同步脈沖信號Fig.4 Sampling signal and synchronous pulse signal

如圖5所示，預設工作頻率是20 kHz，通道1是逆變器輸出的電壓波形，通道2是負載端的電流波形。電壓信號略超前于電流信號，裝置工作在弱感性狀態，基本能滿足裝置工作在諧振或弱感性狀態的要求。

圖5 負載端的電壓電流信號（20 kHz）Fig.5 Voltage and current signal of load terminal（20 kHz）

當負載變化時，諧振頻率變為18 kHz，主控芯片起振頻率設置為11 kHz，通過頻率跟蹤電路，主控芯片的頻率也能夠很好地跟蹤負載的諧振頻率。如圖6所示，通道1是逆變器輸出的電壓波形，通道2是負載端的電流波形。

圖6 負載端的電壓電流信號（18 kHz）Fig.6 Voltage and current signal of load terminal（18 kHz）

3 結束語

通過原理分析，為了使整個裝置安全可靠的運行，要避免裝置工作在容性狀態，盡可能工作在諧振狀態或弱感性狀態。

試驗階段，如果不加入頻率跟蹤電路，裝置也能工作，但是負載端有效電流很小，電壓電流相移嚴重，負載端得到的功率很小，反應器效率較低，整機損耗較大，這不是我們希望看到的結果。

從波形分析來看，雖然電壓電流有些波動偏差，但是基本符合預期的弱感性工作狀態的要求。

通過原理設計分析和大量的實驗驗證，新型的頻率跟蹤技術與傳統的鎖相環技術相比，電路結構簡單可靠，并且參數設計的靈活性更是優勢明顯，是今后發展的趨勢。