鉅大LARGE | 點擊量：296次 | 2023年08月21日
介質阻擋強電離放電用的逆變電源的研究和制造
介質阻擋強電離放電技術是等離子體應用技術中新興的一個重要方面。它利用冶貼等方法在氣體放電間隙的兩側或一側覆蓋上一層很薄的電介質層，當在兩極間施加一定頻率的高壓交流電時，間隙內的氣體就會被電離，形成強烈的氣體放電，從而產(chǎn)生高濃度的等離子體。間隙內氣體的放電強度是一個與頻率、電壓、材料及結構有關的量。受大功率變頻器件及技術的限制，傳統(tǒng)的用于介質阻擋放電的電源裝置只能采用兩種方式實現(xiàn)：一是利用變壓器將工頻交流電直接升壓到所需電壓；二是利用晶閘管等器件將工頻交流電調制成相對較高頻率的交流電。采用這兩種方式供電，盡管在放電裝置的兩極間能夠施加很高的電壓，且采用晶閘管或GTR等器件的逆變電源也使放電裝置工作頻率有所提高，但仍然滿足不了高性能氣體放電的需要，放基金項目：國家自然基金資助項目（69871002）程師，研究方向為電力電子技術在等離子體工程中的應用。
電間隙內的氣體放電不夠強烈。放電裝置及逆變電源裝置的體積龐大，逆變電源的結構復雜且不穩(wěn)定，滿足不了實際應用的需要，限制了介質阻擋強電離放電這一應用技術的發(fā)展。
IGBT等高頻大功率電力電子器件的出現(xiàn)以及相關變頻技術的發(fā)展，為介質阻擋強電離放電這一新興技術的發(fā)展提供了可靠的前提及保證。我們知道，IGBT是MOSFET和GTR的復合器件，具有MOSEFT和GTR的雙重優(yōu)點。將IGBT應用于介質阻擋強電離放電的逆變電源中，不僅使介質阻擋放電裝置的性能成倍提高，同時也使放電裝置及電源裝置的體積成倍減少，逆變電源進一步簡化，使介質阻擋強電離放電技術的應用范圍越來越廣闊。
2介質阻擋放電的等效電路介質阻擋放電的原理結構如a所示，1為高壓電極；為電介質層；3為放電間隙；4為接地電極；5為供電電源。由物理結構分析，介質阻擋放電實際上是由放電電極、電介質層、放電氣隙構成的有損耗的電容器，對供電電源來說可等效為阻容性負載。b為介質阻擋放電的等效電路圖。其中Cg為放電氣隙的電容量；Rg為放電間隙等效電阻，它隨電極間施加的電壓變化而變化，具有很強的非線性；Cs為電介質的電容量。電介質層的插入，有效地抑制了放電電流的無限制增大，阻止了放電間隙產(chǎn)生火花放電或弧光放電，使間隙內形成的氣體放電更加強烈，并因此增加了一些新的特點：①介質阻擋放電裝置具有較高的初始電壓和工作電壓。當在介質阻擋放電裝置的兩電極間施加的電壓低于初始電壓時，間隙內不會形成氣體放電，通過負載的電流很小。當間隙內的電壓高于放電間隙的初始電壓時，間隙內開始發(fā)生氣體放電，放電的強度與這一電壓成正比，電壓越高放電越強烈；②要實現(xiàn)介質阻擋強電離放電，供電電源必須具有較高的工作頻率，介質阻擋放電的強度與電源電壓的頻率成正比。電極兩端所施加的電壓頻率越高、間隙內氣體放電越強烈，同時介質的損耗越大，發(fā)熱越嚴重；③為了達到最佳的放電效果，介質阻擋放電裝置中的電介質層一般制造得很薄，所施加的電壓常常工作在接近臨界擊穿電壓值處，放電裝置的過電壓能力很低；④介質阻擋放電裝置屬于阻容性負載，電路工作時可能會與變壓器及電路的漏感形成LC振蕩，從而使負載兩端形成過電壓，特別是在啟動時更容易形成諧振過電壓，危及放電裝置及電源自身的安全，因此電路的設計必須保證施加到負載上的電壓能夠快速地越過起始電壓，又不會形成過電壓。
3介質阻擋放電用IGBT逆變電源的基本結構按照介質阻擋放電技術要求設計的IGBT逆變電源的框圖如所示。三相交流電經(jīng)EMC濾波后由整流濾波電路整流成平滑直流電。IGBT全橋逆變器將這一直流電轉換成占空比在一定范圍內均勻可調的單相交流電，再經(jīng)過高頻高壓變壓器升壓后輸出給介質阻擋放電裝置。系統(tǒng)的所有調節(jié)都是通過IGBT全橋逆變器實現(xiàn)的。電源系統(tǒng)中采用EMC濾波電路的目的是為了有效地抑制逆變電路及高頻高壓氣體放電產(chǎn)生的電磁噪聲和傳導噪聲，從而防止逆變電源及高頻高壓氣體放電對市電網(wǎng)絡、電源系統(tǒng)本身以及周圍的其他儀器設備產(chǎn)生干擾。系統(tǒng)中整流濾波部分采用三相全橋不可控整流及LC濾波，可使電路簡化，成本降低。IGBT逆變器采用全橋PWM技米既滿足了介質阻擋放電技術的要求，又使逆變電源系統(tǒng)結構簡化。高頻高壓變壓器采用的是適合于高頻工作的鐵氧體磁芯，繞組繞制時盡量采用絕緣性能好且較薄的絕緣材料，同時將線圈匝數(shù)小的一次線圈繞在二次線圈中間，減少漏感。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
4控制電路控制電路是介質阻擋放電電源系統(tǒng)中十分重要的一個方面。介質阻擋放電的所有功能都是由控制電路控制IGBT逆變器實現(xiàn)的。該電源的控制電路是由信號檢測電路、PWM控制電路、驅動及保護電路等幾個部分組成的。
4.1信號檢測該電源中設置了輸入電壓信號檢測、IGBT過流信號檢測、輸出電壓信號檢測、負載電流信號檢測等。輸入電壓信號是由輔助變壓器獲取的；IGBT過流檢測是通過二極管由IGBT的源極獲取的；輸出電壓檢測是通過電壓分壓器獲取的；負載電流檢測是將一個測量電容器C串聯(lián)到介質阻擋放電裝置的低壓端（見）獲取的。因為：出），又因為：C檢測電容的電容量由此可以看出只要檢測出電容器上的電壓，就可以知道流過負載上的電流。采用測量電容器以測量負載電流的目的：一方面，介質阻擋放電裝置本身就是一個電容性負載，利用測量電容檢測負載電流在保證測量精度的同時會使電路簡化；另一方面，它不會引起電路的損耗。
42PWM控制電路PWM控制電路采用的核心部件是SG3524脈寬調制組件。如所示，系統(tǒng)軟啟動電路是由運放構成的加法器及積分器組成的，連接到SG3524的9腳。系統(tǒng)上電時，由軟啟動電路控制SG3524的9腳電平使輸出電壓剛好處于放電的初始電壓處并保持一段時間，然后由積分器按一定斜率逐漸提高9腳電平使輸出電壓上升到放電電壓的設定值。這樣就避免了啟動時對負載造成沖擊。輸出電壓的穩(wěn)定是由SG3524的誤差放大器（1、2腳）及外圍電路實現(xiàn)的。當電源系統(tǒng)發(fā)生過壓、過流、過載、欠壓等故障時，經(jīng)信號處理電路處理后由觸發(fā)器向SG3524的10腳發(fā)出高電平并鎖定輸出電壓20ms，之后重復軟啟動過程。如果故障現(xiàn)象在一定時間內持續(xù)存在，則完全中斷電源輸出并發(fā)出故障報警。
輸出的PWM調制波可直接驅動隔離光耦。
PWM控制電路4.3驅動電路的改進EXB841是日本富士公司生產(chǎn)的IGBT專用驅動模塊，由于結構和使用的原因常常出現(xiàn)一些問題因此在應用中對驅動電路進行了一些改進：①EXB841驅動模塊是采用單+20V電源供電的，負偏電壓是利用5V穩(wěn)壓管來形成的，因其功率很小，不能很好地抑制柵極電壓的波動，容易造成IGBT的損壞。因此在電路外部并接了一個功率為1W的6V穩(wěn)壓管，同時將電源電壓略微提高。這樣就有效地防止了驅動模塊的損壞，同時也能更可靠地驅動和關斷IGBT；②EXB841驅動電路的過流檢測引出端與IGBT漏極間串接的快恢復整流二極管對IGBT的過流保護有很重要的影響，一般要求正向導通壓降為3V.但在國內市場能夠買到的快恢5結論采用IGBT及PWM脈寬調制技術設計的逆變電源在介質阻擋放電技術中已經(jīng)獲得成功的應用。實踐證明，該逆變電源系統(tǒng)的設計完全滿足了介質阻擋放電技術的需要。該電源不但電路結構簡單體積成倍減小，性能穩(wěn)定可靠，而且使應用該電源的介質阻擋放電裝置的體積大大減少，性能卻大幅度提高。輸出功率為20kW，工作頻率為20kHz的電源裝置在高產(chǎn)量、高濃度臭氧發(fā)生裝置中的應用結果表明：電源裝置的體積只有原來的五分之一，臭氧發(fā)生裝置的體積只有原來的六分之一，在相同產(chǎn)量條件下，O3的濃度增加了數(shù)倍，最高濃度可達200g/m3，同時也減少了原料氣的消耗。逆變電源所帶來的問題是頻率的提高使放電裝置的能耗有所增加，效率有所下降。下一步的研制目標是改進控制方式，在保持臭氧發(fā)生裝置高濃度、高產(chǎn)量的同時設法提高裝置的效率。
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