介質(zhì)阻擋強(qiáng)電離放電技術(shù)是等離子體應(yīng)用技術(shù)中新興的一個(gè)重要方面。它利用冶貼等方法在氣體放電間隙的兩側(cè)或一側(cè)覆蓋上一層很薄的電介質(zhì)層，當(dāng)在兩極間施加一定頻率的高壓交流電時(shí)，間隙內(nèi)的氣體就會(huì)被電離，形成強(qiáng)烈的氣體放電，從而產(chǎn)生高濃度的等離子體。間隙內(nèi)氣體的放電強(qiáng)度是一個(gè)與頻率、電壓、材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)的量。受大功率變頻器件及技術(shù)的限制，傳統(tǒng)的用于介質(zhì)阻擋放電的電源裝置只能采用兩種方式實(shí)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(diào)制成相對(duì)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(mǎn)足不了高性能氣體放電的需要，放基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目（69871002）程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在等離子體工程中的應(yīng)用。

電間隙內(nèi)的氣體放電不夠強(qiáng)烈。放電裝置及逆變電源裝置的體積龐大，逆變電源的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不穩(wěn)定，滿(mǎn)足不了實(shí)際應(yīng)用的需要，限制了介質(zhì)阻擋強(qiáng)電離放電這一應(yīng)用技術(shù)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(guān)變頻技術(shù)的發(fā)展，為介質(zhì)阻擋強(qiáng)電離放電這一新興技術(shù)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(fù)合器件，具有MOSEFT和GTR的雙重優(yōu)點(diǎn)。將IGBT應(yīng)用于介質(zhì)阻擋強(qiáng)電離放電的逆變電源中，不僅使介質(zhì)阻擋放電裝置的性能成倍提高，同時(shí)也使放電裝置及電源裝置的體積成倍減少，逆變電源進(jìn)一步簡(jiǎn)化，使介質(zhì)阻擋強(qiáng)電離放電技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣闊。

2介質(zhì)阻擋放電的等效電路介質(zhì)阻擋放電的原理結(jié)構(gòu)如a所示，1為高壓電極；為電介質(zhì)層；3為放電間隙；4為接地電極；5為供電電源。由物理結(jié)構(gòu)分析，介質(zhì)阻擋放電實(shí)際上是由放電電極、電介質(zhì)層、放電氣隙構(gòu)成的有損耗的電容器，對(duì)供電電源來(lái)說(shuō)可等效為阻容性負(fù)載。b為介質(zhì)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(qiáng)的非線(xiàn)性；Cs為電介質(zhì)的電容量。電介質(zhì)層的插入，有效地抑制了放電電流的無(wú)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(nèi)形成的氣體放電更加強(qiáng)烈，并因此增加了一些新的特點(diǎn)：①介質(zhì)阻擋放電裝置具有較高的初始電壓和工作電壓。當(dāng)在介質(zhì)阻擋放電裝置的兩電極間施加的電壓低于初始電壓時(shí)，間隙內(nèi)不會(huì)形成氣體放電，通過(guò)負(fù)載的電流很小。當(dāng)間隙內(nèi)的電壓高于放電間隙的初始電壓時(shí)，間隙內(nèi)開(kāi)始發(fā)生氣體放電，放電的強(qiáng)度與這一電壓成正比，電壓越高放電越強(qiáng)烈；②要實(shí)現(xiàn)介質(zhì)阻擋強(qiáng)電離放電，供電電源必須具有較高的工作頻率，介質(zhì)阻擋放電的強(qiáng)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(nèi)氣體放電越強(qiáng)烈，同時(shí)介質(zhì)的損耗越大，發(fā)熱越嚴(yán)重；③為了達(dá)到最佳的放電效果，介質(zhì)阻擋放電裝置中的電介質(zhì)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(guò)電壓能力很低；④介質(zhì)阻擋放電裝置屬于阻容性負(fù)載，電路工作時(shí)可能會(huì)與變壓器及電路的漏感形成LC振蕩，從而使負(fù)載兩端形成過(guò)電壓，特別是在啟動(dòng)時(shí)更容易形成諧振過(guò)電壓，危及放電裝置及電源自身的安全，因此電路的設(shè)計(jì)必須保證施加到負(fù)載上的電壓能夠快速地越過(guò)起始電壓，又不會(huì)形成過(guò)電壓。

3介質(zhì)阻擋放電用IGBT逆變電源的基本結(jié)構(gòu)按照介質(zhì)阻擋放電技術(shù)要求設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換成占空比在一定范圍內(nèi)均勻可調(diào)的單相交流電，再經(jīng)過(guò)高頻高壓變壓器升壓后輸出給介質(zhì)阻擋放電裝置。系統(tǒng)的所有調(diào)節(jié)都是通過(guò)IGBT全橋逆變器實(shí)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(dǎo)噪聲，從而防止逆變電源及高頻高壓氣體放電對(duì)市電網(wǎng)絡(luò)、電源系統(tǒng)本身以及周?chē)钠渌麅x器設(shè)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(jiǎn)化，成本降低。IGBT逆變器采用全橋PWM技米既滿(mǎn)足了介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的要求，又使逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)盡量采用絕緣性能好且較薄的絕緣材料，同時(shí)將線(xiàn)圈匝數(shù)小的一次線(xiàn)圈繞在二次線(xiàn)圈中間，減少漏感。

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4控制電路控制電路是介質(zhì)阻擋放電電源系統(tǒng)中十分重要的一個(gè)方面。介質(zhì)阻擋放電的所有功能都是由控制電路控制IGBT逆變器實(shí)現(xiàn)的。該電源的控制電路是由信號(hào)檢測(cè)電路、PWM控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等幾個(gè)部分組成的。

4.1信號(hào)檢測(cè)該電源中設(shè)置了輸入電壓信號(hào)檢測(cè)、IGBT過(guò)流信號(hào)檢測(cè)、輸出電壓信號(hào)檢測(cè)、負(fù)載電流信號(hào)檢測(cè)等。輸入電壓信號(hào)是由輔助變壓器獲取的；IGBT過(guò)流檢測(cè)是通過(guò)二極管由IGBT的源極獲取的；輸出電壓檢測(cè)是通過(guò)電壓分壓器獲取的；負(fù)載電流檢測(cè)是將一個(gè)測(cè)量電容器C串聯(lián)到介質(zhì)阻擋放電裝置的低壓端（見(jiàn)）獲取的。因?yàn)椋撼觯?，又因?yàn)椋篊檢測(cè)電容的電容量由此可以看出只要檢測(cè)出電容器上的電壓，就可以知道流過(guò)負(fù)載上的電流。采用測(cè)量電容器以測(cè)量負(fù)載電流的目的：一方面，介質(zhì)阻擋放電裝置本身就是一個(gè)電容性負(fù)載，利用測(cè)量電容檢測(cè)負(fù)載電流在保證測(cè)量精度的同時(shí)會(huì)使電路簡(jiǎn)化；另一方面，它不會(huì)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(diào)制組件。如所示，系統(tǒng)軟啟動(dòng)電路是由運(yùn)放構(gòu)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(shí)，由軟啟動(dòng)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(shí)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(shè)定值。這樣就避免了啟動(dòng)時(shí)對(duì)負(fù)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(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電源系統(tǒng)發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載、欠壓等故障時(shí)，經(jīng)信號(hào)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(fù)軟啟動(dòng)過(guò)程。如果故障現(xiàn)象在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)存在，則完全中斷電源輸出并發(fā)出故障報(bào)警。

輸出的PWM調(diào)制波可直接驅(qū)動(dòng)隔離光耦。

PWM控制電路4.3驅(qū)動(dòng)電路的改進(jìn)EXB841是日本富士公司生產(chǎn)的IGBT專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊，由于結(jié)構(gòu)和使用的原因常常出現(xiàn)一些問(wèn)題因此在應(yīng)用中對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了一些改進(jìn)：①EXB841驅(qū)動(dòng)模塊是采用單+20V電源供電的，負(fù)偏電壓是利用5V穩(wěn)壓管來(lái)形成的，因其功率很小，不能很好地抑制柵極電壓的波動(dòng)，容易造成IGBT的損壞。因此在電路外部并接了一個(gè)功率為1W的6V穩(wěn)壓管，同時(shí)將電源電壓略微提高。這樣就有效地防止了驅(qū)動(dòng)模塊的損壞，同時(shí)也能更可靠地驅(qū)動(dòng)和關(guān)斷IGBT；②EXB841驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)流檢測(cè)引出端與IGBT漏極間串接的快恢復(fù)整流二極管對(duì)IGBT的過(guò)流保護(hù)有很重要的影響，一般要求正向?qū)▔航禐?V.但在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)能夠買(mǎi)到的快恢5結(jié)論采用IGBT及PWM脈寬調(diào)制技術(shù)設(shè)計(jì)的逆變電源在介質(zhì)阻擋放電技術(shù)中已經(jīng)獲得成功的應(yīng)用。實(shí)踐證明，該逆變電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全滿(mǎn)足了介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的需要。該電源不但電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積成倍減小，性能穩(wěn)定可靠，而且使應(yīng)用該電源的介質(zhì)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(yīng)用結(jié)果表明：電源裝置的體積只有原來(lái)的五分之一，臭氧發(fā)生裝置的體積只有原來(lái)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(dá)200g/m3，同時(shí)也減少了原料氣的消耗。逆變電源所帶來(lái)的問(wèn)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(biāo)是改進(jìn)控制方式，在保持臭氧發(fā)生裝置高濃度、高產(chǎn)量的同時(shí)設(shè)法提高裝置的效率。

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