（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp低温等离子消毒电源的研究.pdf

a b s t r a c t a b s tr a c t t h el o w - t e m p e r a t u r ep l a s m ah a sv e r yw i d ep r o s p e c t si ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n 。a tp r e s e n t m o s ts t u d i e so fp r o d u c i n gp l a s m aa r ef o c u s e do nt h o s ep r o d u c e db yd i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e ( d b d ) u n d e ra t m o s p h e r e b e c a u s e m o s to ft h ec o n v e n t i o n a ls t e r i l i z a t i o n t e c h n i q u e sh a v es o m ed i s a d v a n t a g e si ns u c has o c i e t y , t h et h e o r yt h a tt h el o w - t e m p e r a t u r e p l a s m ac a l lk i l lb a c i l l iw i t h o u tp o l l u t i o ni su s e di nt h i sp a p e r a n dt h ee f f e c to fp l a s m a p r o d u c e db yd b d c o r r e l a t e sd i r e c t l yw i t hv o l t a g e ，f r e q u e n c ya n dw a v e f o r mo ft h ep o w e r s u p p l y a sar e s u l t ，t h el o w - t e m p e r a t u r ep l a s m as t e r i l i z a t i o np o w e r , w h i c hh a sh i g h e rv o l t a g e a n dh a sf r e q u e n c yo ft h ep o w e rs u p p l y , s h o u l db es t u d i e da ss o o na sp o s s i b l e t h i sd e s i g na d o p t e dt h ei n p u to f3 8 0v o l t a g ea l t e r n a t i n gc u r r e n t , w h i c hb e c o m e sd i r e c t c u r r e n tb yt h r e e - p h a s er e c t i f i c a t i o n ，t h e na d j u s t e dt h ev o l t a g et h r o u g hb u c kc i r c u i t ，c o n v e r t e d i n t oa l t e r n a t i n gc u r r e n tt h r o u g hi g b t ，r e a l i z e dt h eo u t p u to fh i g hf r e q u e n c yh i g hv o l t a g e s i n u s o i d a lw a v et h r o u g hi n d u c t o rt ol e a c hw a v ea n dh i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e rt oe l e v a t e v o l t a g e a tl a s t ，w h e t h e rt os t a r tt ok i l lb a c i l l ii sb a s e do nt h ea n a l y s i so fu l t r a v i o l e tr a d i a t i o n i n t e n s i t ye x a m i n a t i o n t h e g o a l s ， o u t p u tv o l t a g e ，10 - 2 0k v c a nb ea d j u s t e d o u t p u tf r e q u e n c y , 10 2 0k h zc a nb ea d j u s t e d o u t p u tp o w e r , 5 lok w 1 f l l em a t h e m a t i c a lm o d e lo fl o w t e m p e r a t u r ep l a s m as t e r i l i z a t i o np o w e ri s a n a l y z e d b a s e do nt h es t r u c t u r eo fd i s c h a r g e t h i st h e s i sh a sa n a l y z e dt h et o p o l o g ys t r u c t u r ea b o u tt h e p o s e r , a n da n a l y z e dt h er e c t i f i c a t i o nc i r c u i t ，b u c kc i r c u i t ，i n v e r t e rc i r c u i t ，d r i v ea n dp r o t e c t i o n ， a l s o s u p p l i e d t h em a i n p a r a m e t e r s b a s e do nt h e s t u d y a t t h es a m e t i m e ，t h e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pt h a ti so n ek i n dp r o d u c to ft ic o m p a n y , o nw h i c ht h em a i nc i r c u i t s h a sb e e nd e s i g n e da n dt h em a i np r o g r a mh a sb e e nm a d ei nt h i ss t u d y t k si n n o v a t i o no ft h i st h e s i si st h a tan e we q u i v a l e n tc i r c u i to fp l a s m ad i s c h a r g eh a s b e e nd e s i g n e db a s e do nt h er e s e a r c h e sa th o m ea n da b r o a d ，w h i c h sd i v i d e di n t os t a r t i n g c i r c u i tw i t h 扯g h v o l t a g ea n ds t a r t i n gw i t l ln o r m a l v o l t a g e a tt h es a m et i m e i ta n a l y z e dt h e m o d e l ，w h i c hl a i daf o u n d a t i o nf o rt h ec h o i c eo fd e v i c e sa n dt h ed e t e r m i n a t i o no ft r a n s f o r m e r p a r a m e t e r s b a s e do nt h ea c a d e m i cs t u d y , c o m p a r e d 、岍mt h er e s u l to fe x p e r i m e n t s ，w h i c hh a sp r o v e d t h ep r o j e c ti sa c c o r dw i t ht h es t u d i e s 。a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so fk i l l i n gb a c i l l ih a v e d e m o n s t r a t e dt h i sp o w e rs u p p l yh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w - t e m p e r a t u r e ，s h o r tt i m e ， n or e s i d u a l s ，n op o l l u t i o n ，s a f ea n dr e l i a b l e ，a n ds oo n ，a n da l s oh a sb r o a dp r o s p e c ta n d p r a c t i c a lv a l u e k e y - w o r d s ：l o w - t e m p e r a t u r ep l a s m a , d b d ，s t e r i l i z a t i o n ，b r e a k d o w nj u d g m e n t 珏 主要变量名称及其符号表 主要变量名称及其符号表 e ：阻挡介质等效电容 e ：放电气隙等效电容 ，：放电启动电流 ，：正常工作电流 ：斩波器输出电压 ：整流输出电压 口：放电开始时的电角度 u 。：间隙电压 0 ：间隙充电电流 f ，：间隙放电电流 巧：放电维持电压 r 。：放电等效电阻 x 。：放电等效电抗 三。：补偿电感 p ：额定功率 五：负载谐振频率 ：负载工作频率 胁：负载谐振状态下的功率 圪：相电压峰值 k ：相电压有效值 形：线电压有效值 ：整流二极管电流 ，：整流二极管的额定电流 ：整流二极管的反向阻断电压 髟：整流桥的负载等效电阻 c ，：滤波电容 t o ：i g b t 的导通时间， t o e ：i g b t 关断时间 t ：工作周期 口：导通占空比 l 。：原边漏感 i i i 三。：是副边漏感 厶：原边绕组等效电阻 r 。：副边绕组等效电阻， c 。：原边杂散电容 c 。：副边杂散电容 吒：栅极正电压 p l l ：锁相环 d b d ：介质阻挡放电 p f m ：调频调功 p w m ：移相调功 p d m ：脉冲密度调制 p a m ：脉冲均匀调制功率控制 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是誉人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名：日 期：。沙己1 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名：墨盔壑羔整导师签名： 日 期： 翌堑：么! 兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 低温等离子消毒电源的提出 随着科技的发展，出现了以生物、光纤、纳米等为材料的医疗器械，同时人们生活 水平的提高，对健康提出了更高的要求，对所用产品的消毒工具要求越来越高。而传统 的灭菌消毒存在很多缺点，如灭菌温度高、时间长、存在化学残留物、污染环境等等。 因此需要一种新的消毒工具的出现，该工具能够在短时间内完成灭菌效果，同时又不损 伤医疗器械，还要降低对人员及环境的损害。针对传统的消毒装置存在的缺陷和目前技 术的发展，本文提出了一种新的消毒电源的研究方法，该电源具有克服的常规电源的缺 点，同时具有在消毒过程中温度低，不产生其他污染物质，消毒完成之后，能够迅速消 失活性粒子，对人体无伤害，安全可靠的特点1 1j 。 1 2 等离子体与介质阻挡放电 1 2 1 等离子体的概念 任何物质由于温度不同而可以处于固态、液态或气态。这些状态是指物质的“聚集 态”而言，即大块的物体由于构成它的微观粒子之间结合或凝聚程度不同，而表现出不 同的存在状态1 2 圳。 在固态中，粒子之间的结合最紧密，在液态中次之，在气态中则最松散。要使一个 固体转变为液体，需要外界供给能量。当粒子的平均运动能量超过粒子在固体中的结合 能时，晶体的结构就被破坏，固体因而转变为液体。对于液体，也有类似的情形。为了 使一种液体转变为气体，每个粒子也必须具有一定的最小动能，以破环粒子与粒子间的 结合键。当物质达到气态以后，如果继续从外界得到能量，达到一定程度后它的粒子又 可以进一步分裂为带负电的电子和带正电的离子，即原子或分子发生电离。 事实上，在任意不等于零的温度下，气体中必有若干粒子是自然地电离的，但数量 太少，还不会使气体性质发生质的改变。当由于某种自然或人为的原因，使带电粒子浓 度超过一定数量( 通常约需大于千分之一) 以后，气体的行为在许多方面虽然仍与寻常 流体相似，但这时中性粒子的作用开始退居次要地位，整个系统将受带电粒子的运动所 支配，而表现出一系列新的性质，并可以用外电磁场加以影响。像这样部分或完全电离 的气体，其中自由电子和离子所带的正、负电荷总和是互相抵消的，所以通常称它们为 等离子体；从聚集态的顺序上说，它排在第四位，所以也叫做物质的第四态。 等离子体在自然界中是普遍存在的。例如，太阳、恒星、银河系、河外星系中的大 部分星际物质都处于等离子体状态。地球上南北极有时发生的五颜六色的极光、夏日雷 雨时出现的闪电和绚丽多彩的霓虹灯、日光灯等都与等离子体现象密切有关。 1 2 2 介质阻挡放电的定义 介质阻挡放电又称无声放电，它是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电，介质 可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里，当在放电电极上施加足够高的交流电压时， 江南人学硕士学何论文 电极问的气体，即使在很高气压下也会被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。在电极问插 入介质可以防止在放电空问形成局部火花或弧光放电，在通常大气胜强下也可实现稳定 的气体放电。它表现为很均匀、漫敞、稳定的貌似低气压下的辉光放电，但实际上它是 山大量细微的快脉冲放电通道构成 4 1 。 1 2 3 等矗子体的产生 放电总是在电场极不均匀的情况下，在电场最强点发生。在堆初时刻，电子从外加 电场中获得能量，与周围原子( 分子) 碰撞，把自身的能量转移给它们，使它们激发电 离，产生电子雪崩。电予雪崩通过放电气隙的过程中出现了相当数量的电荷，它们聚集 在雪崩头部产生的率征电场( 自感电场) ，进一步加速高能电子。同时，被电离的原子 和分子向阴极传播，从而形成导电通道，导电通道通过放电气隙，形成气体击穿。 因为导电通道一般较窄，成细丝状，所以放电屯流也呈现为细丝状电流。 这种细丝状放电时间非常短促，因为放电电流携带的电荷会在介质表面局部积累形 成反电场，削弱外加电场，甚至削弱到零，从而中断了放电电流。 处放电电流叶1 止，另一处义再产生。山于介质的绝缘作用，微放电细丝能够彼此 独立的发生在很多位置。 啦个微放电的组合形貌会因为放电电极结构的不同而不同。 图1 ir a ) 是利用单电介质层获得的单个微放电形貌口j 。 图l 一1 ( b ) 是利用双电介质层获得的单个微放电形貌h l 。 图l - 2 随着激励电压的增加，薛个原来相互独立的微放电之间丌始出现其它的微放 电，并且沉积在电介质层表面的电荷在电介质层表面的扩散作用也相应增强。激励电压 越高，这些现象表现得越明显，直至最后在电介质层表面形成一层很强也很均匀的沉积 电荷层1 5j 。 ( a ) 一单电介质层结构：( b ) 一双电介质层结构 图1 1 单微放电形貌 f i g1 - i t h ei m a g eo f a m l e r o d i s c h a r g e 第一章绪论 图1 2 侧向观察到的单电舟质层d b d 放电彤貌 f i g i - 2 d i s c h a r g e i m a g e so f d b d w i t hs i n g l ed i e l e c t r i c l a y e r i n t h es i d es e c t i o n 1 3 低温等离子体消毒电源的应用 低温等离子体物理与技术经历了一个山6 0 年代初的空间等离子体研究向8 0 年代和 9 0 年代以材料为导向研究领域的大转变，高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材 料科学等，为低温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。现在低温等离子体物理与 应用已经足个具有全球影响的霞要的科学与工程，对高科技经济的发展放传统工业的 改造有着巨大的影响，就参考文献总结如下b ”： 电气应用：热电子发电核聚变发电 1 能源卜光学应用：霓虹灯照明用发电管 r 、力学应用：离子源电子源离子加速 热学应用：熔烁垃圾处理等 等离子体 l 环境l _ 电气应用；静电除尘空气清洁 【 、化学应崩臭氧发生废气处理等 ，热学应用：电弧焊接放电加工等 材料l _ 化学应用：表面处理电池制造 、力学应用：离子注入 低温等离子体物理与应用是一个具有全球性影响的重要的科学与工程，对全世界的 高科技工业发展及许多传统工业的改造都有着直接的影响，二十一世纪初等离子体辅助 江南大学硕十学位论文 加工会产生重要的突破，而这些突破对高科技产业的保护及提高其在市场中的地位将是 极为重要的。 1 4 低温等离子电源的现状和发展趋势 1 4 1 等离子消毒电源的现状 1 9 2 8 年i r v i n gl a n g m u i r 首先使用p l a s m a 这一名词表示由电子和离子群组成的近似 电中性的电离气体等离子体。当体系中电子的温度高达1 0 4 k 以上，而离子和中性 粒子的温度低至3 0 ( f - - 5 0 0 k 时称为低温等离子体( 又称为非平衡态等离子体) 。作为一 项新兴的前沿科学技术，低温等离子体放电技术在环境污染物治理、灭菌消毒、高分子 材料以及物理领域等方面的应用取得了一定进展，尤其在污水治理方面有着广阔的工业 化前景【6 1 。 几年前国内最大容量的臭氧发生器其产量小于l k g h ，而最近国内已经有产量为 5 k g h 的臭氧发生器出现，在等离子消毒电源的研制上还处在研究发展的阶段，在湖南 大学、浙江大学、东北大学，等离子体的研究取得较好的进展【5 矧。南京的威登等离子 公司等离子产品处在试推广的阶段，还没有得到广泛的应用。 国内外在等离子电源方面做的研究进几年刚刚发展起来，如美国海宝、美国飞马特、 德国凯尔贝和南京的威登等离子公司，仅仅在应用行业中做一些试验性的推广，产品还 没有广泛进入市场，但是将来等离子电源的产品推广已经成为趋势。 1 4 2 等离子电源的发展趋势 美国斯坦福大学联合体于2 0 0 1 年6 月在拉斯韦加斯i c o s 2 0 0 1 年会议上宣称取得了 重大技术突破，即用纳秒量级的超短脉冲放电来代替连续放电【6 1 2 j 。 超短脉冲放电的机理是：由于电子形成并放出其能量后不会立即消失而呈现一个有 限的“重组时间”，当电离气体温度接近2 0 0 0 k ，电子密度达到每立方厘米1 0 ”个时，1 0 微秒就足以使电子密度降低一个数量级，然后出现第二个脉冲，脉冲频率大约为1 0 0 千 赫兹，通过处理电子存活期可以使“空气等离子 维持低的能量1 6 驯。 所以说，超短脉冲的高频高压电源的研制是一个非常有前景的发展方向。同时未来 低温等离子体放电技术应着眼于大功率窄脉冲高频高压电源的研制开发，并结合现代控 制器件，d s p 处理器等等，设计新型、节能、低温等离子体消毒电源。 1 5 本课题意义及主要完成任务 1 5 1 选题的研究意义 目前国内低温等离子电源的研究还未成熟，刚处于发展阶段，产品还没有广泛应用 于各个行业。而未来等离子电源趋向于新型、节能、高效、大功率的发展。高频化的结 果在提高电力电子设备的功率密度和改善系统的动态响应的同时，也使功率变换器工作 频率与器件特性之间的矛盾越发突出，导致开关器件和无源器件的损耗提高、寄生参数 的影响加大以及e m i 的增强。近些年来为解决这些问题，研究工作主要集中在新型开 4 第一章绪论 关器件、集成功率模块、新型高频磁元件、新型软开关拓扑和控制等基础研究上。 随着信息技术的发展，高速数字信号处理芯片d s p 的出现，使得数字化控制在广 阔电气控制领域应用中提供了可能性，也成为主要发展趋势之一。有了高速数字处理芯 片的支持，采用数字化的控制策略不仅可以较好的解决模拟控制中的有关问题，而且还 增加了模拟控制中较难实现的一些控制功能，其主要优点有：控制灵活，系统升一级方 便，只是修改相应的控制算法，而不必对硬件电路加以很大的改动。数字控制系统的控 制方案体现在控制程序上，一旦相关硬件资源得到合理性配置，只需通过修改控制软件 或指令，就可以提高原有系统的控制性能；控制系统可靠性提高，易于标准化。因此加 强本课题的研究，解决基于d s p 的软件锁相环及装置的微机化具有重要实用价值，有 利于缩小与国外先进水平的。 1 5 2 研究内容和实现目标 本课题的设计低温等离子消毒电源基于d b d 介质阻挡放电电源的基础之上。 本文完成的工作主要表现在： l 、从原理出发，给出低温等离子电源较为清晰的物理描述和数学建模，并分析其 工作原理。 2 、分析了低温等离子电源桥式和非桥式拓扑，以及各种控制方法，确定低温等离 子电源的主电路和拓扑结构。 3 、设计消毒电源的主电路、整流滤波电路、调压及逆变电路、驱动及控制电路、 输出电路、保护电路及辅助电路。 4 、做了相当数量的仿真，并对仿真结果进行统计分析，得出了低温等离子电源的 基本运行特征。 5 、设计并制作基于d s p 的硬件控制平台，包括了d s p 最小系统、采样电路、故障 保护电路、驱动等外围电路，并用样机验证本文设计的j 下确性与可靠性。 实现目标： 等离子消毒电源的主要设计技术目标如下： 输入：a c 三相3 8 0 v 1 5 ，5 0h z ； 输出：a c 单相电压，2 0k v ； 频率：1 0 2 0 k h z ： 功率：5 1 0 k w 连续可调。 1 6 本章小结 本章作为本篇论文的绪论，首先介绍了现在非常热门的等离子体技术方面的知识， 5 江南大学硕十学位论文 并从等离子体和介质阻挡放电的定义来阐述等离子消毒电源的概念；接着介绍等离子消 毒电源在国内外的研究现状、发展趋势、应用领域；并给出了本课题的研究内容和实现 目标。 6 第二章等离子消毒电源的原理和放电建模 第二章等离子消毒电源的原理和放电建模 国内外对等离子消毒电源的研究，对于其工作原理的分析，通常是输入三相工频电 压，经过整流、逆变、滤波、升压的过程，达到等离子体产生的所需电压。这种设计方 法缺少功率调节的功能，而且没有考虑到等离子体产生之后的工作电压是否变化的特 点。 本课题根据以往等离子体的研究基础，提出了一种新的控制方法，分别设计等离子 电源的启动电压和启动之后的工作电压，考虑等离子体产生之后的电压变化情况，该设 计可以节省能源。 三相3 8 0 v 为输入电源，经三相桥整流后，可得约5 1 0 v 的直流电压( 随电网电压 的变化波动) 。该直流电压经过d c d c 变换器，得到一个输出幅值可变的直流电压，变 化范围设计为0 一- - 5 0 0 v 。该变换采用普通b u c k 降压变换电路即可实现，并且可以实现 功率的调节。可变直流电压经d c a c 全桥逆变电路得到方波输出。该方波经l c 滤波 后可得到正弦波输出。低压j 下弦波经过高压启动电路升压得到所需要的高压，接入等离 子电源的装置上，放电产生等离子。通过光谱分析电路判断等离子体是否完全产生，若 完全放电，断开高压启动电路，切换成正常工作电路。系统原理图如图2 1 所示。 三相a c 图2 - 1 等离子电源结构框图 f i g 2 - 1t h ep r i n c i p l eo fl o w - t e m p e r a t u r ep l a s m as t e r i l i z a t i o np o w e r 2 1 等离子消毒电源的组成 2 1 1 消毒电源的结构组成 图2 2 是消毒电源的结构组成，由玻璃真空系统，由气瓶、机械泵、橡皮管道、玻 璃管道、玻璃活塞、玻璃真空室、真空压力计、电磁气阀组成。首先通过真空泵抽出玻 璃真空室的空气，使之处于真空状态，然后通过等离子电源在放电装置上产生高频高压， 产生等离子体，通过光谱分析判断紫外线的强度判断是否完全放电，若没有完全放电， 7 江南大学硕士学位论文 需重新启动，若放电成功，可以对物体进行消毒【1 0 - 1 3 。 1 玻璃真空室；2 气瓶；3 放气阀；4 绝缘支架； 5 电磁气阀与真空扭力表；6 真空泵；7 观察与光谱诊断窗； 8 电极电线( 与测量电路与电源和连) ； 9 抽气口。 图2 - 2 消毒电源整体结构 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo fl o w t e m p e r a t u r ep l a s m as t e r i l i z a t i o np o w e r 2 1 2 放电发生器的分类和特点 大气压下介质阻挡放电发生器主要有以下几种结构形式，典型的介质阻挡放电和间 隙结构如图2 3 所示，称之为平行板型电极发生器，以最简单结构为例，这些电极和间 隙结构可以是平面形的，也可以是同轴圆柱形的1 6 j 。 图2 - 3 ( a ) 是很实用的放电构形，它常用以制造臭氧发生器；其特点是结构简单，而 且可以通过金属电极把放电产生的热量散发掉，是一种典型的介质阻挡放电装置图。 图2 - 3 ( b ) 的特点是放电发生在两层介质之间，可以防止放电等离子体直接与金属电 极接触；对于具有腐蚀性气体或高纯度等离子体，这种构型具有独特的优点。该构造是 典型的沿面介质图，是一种沿面介质阻挡放电发生器，电极分布在介质板上下两侧，气 体放电在电极的上方沿着介质表面产生，因此通常称之为沿面放电，它能够在介质表面 较容易产生均匀的较大面积等离子体层，早期用来产生臭氧。 图2 - 3 ( c ) 可以和介质两边同时生成两种成分不同的等离子体。在电极间安插介质以 防止在放电空间形成局部火花或弧光放电，而且能够形成通常大气压强下稳定的气体放 电。该构造是另外一种沿面放电发生器，由于正负电极均在同一个面上，因而称之为电 极共面型沿面放电发生器，由于加工上的困难在实际应用中并不常见。 上述三种结构形式的发生器以第一种类型的发生器最为常见。后两种结构的放电发 生器也具有自身的优点，沿面放电已经日益受到应用研究者的重视。 本设计采用第一种方案。 8 第二章等离子消毒电源的原理和放电建模 交流高压发生 器 极 介质 极 图2 - 3 介质阻挡放电结构图 f i g 2 - 3t h r e es t r u c t u r e so ft h ed b d 2 2 等离子消毒电源的放电过程建模和分析 2 2 1 等离子消毒电源的放电建模 数学分析前提，是对于负载有一个数学模型。在工程应用里面，需要建立的数学模 型包括等效电路模型以及与其相对应的微分方程，状态方程等内容1 4 16 1 。 下面就电路模型建立方面的问题加以论述。 图2 4 展示了负载放电丌始时的物理情景。上面是阳极，下面是阴极，阴极上面有 一层介质，当放电发生的时候，空气被击穿，等离子柱产生，成细丝状，但是由于放电 开始时，所流过等离子柱的电流较小，这种细丝状的等离子放电柱的数目不多，零散的 分布于阳极与阴极之间。 图2 4d b d 介质阻挡放电示意图 f i g 2 - 4t h es k e t c hm a po ft h ed b d 图2 5 采用分布参数的方法描述d b d 放电负载的等效电路。这里将阳极与介质， 介质与阴极之间的电容分别用一个个分立的小电容( c 二和) 来表示，外加电压上升的 9 江南大学硕士学位论文 时候，由于负载放电电极的物理几何不均匀性导致在某些位置产生放电现象，形成等离 子柱。从而这些位置的等效电容将被屏蔽，而由稳压电源来表示。 f 1 f f n 图2 - 5 分布参数模型 f i g 2 5t h ed i s t r i b u t i n gp a r a m e t e r so ft h ed b d 采用集总参数的方法，将介质阻挡放电负载从整体上等效的看成是阻挡介质等效电 容e 和放电气隙等效电容c 口相串联。 璺2 璺- + 曼zt ”璺t ” ( 疗趋于无穷大) ( 2 1 ) c g ：c g l + c 9 2 + + 。疗趋于尢笏大) 2 1 放电开始后，放电间隙表现为等离子的恒压特性，该特性可以用气隙等效电容旁边 并联二极管整流桥后接稳压电源表示。这个等效电路模型主要表现为电容特性和稳压源 特性，从而将其简称为电容稳压模型。从这个模型可以看出，它包括两个储能环节和一 个开关环节。开关环节的动作决定于相并联电容两端的电压，开关动作发生时刻对应于 放电开始时刻，开关动作完成之后，一个储能环节将不再作用，其两端维持恒定的电压。 2 2 2 等离子消毒电源的放电等效电路 由于介质阻挡放电电路包含气隙和介质阻挡层，因此其放电现象与一般放电现象有 所不同，通常认为当电路处于稳念时，电路在一个完整的周期内包含未放电和放电两个 不同的状态，当装置处于未放电状态时，整个介质阻挡放电电路可以认为由介质阻挡层 电容e 和气隙电容e 串联构成；当装置处于放电状态，即气隙电容被击穿状态，此时 气隙电容可以等效为一个电压方向与输入电压方向相反的电压源或一个处于反相击穿 状态的齐纳二极管，而且气隙击穿电压是基本上维持不变的，这个电压被称为放电维持 电压u 。目前的国内外文献1 3 1 7 1 对介质阻挡电路提出了如图2 - 6 和图2 7 两种等效电路。 在图2 6 和图2 7 中为u 为外加输入电压，z 为反相击穿电压u ，的齐纳二极管，图 2 - 6 和图2 7 的区别是：当电路处于放电阶段时，图2 - 6 是用电压代替气隙电容，图2 7 是用齐纳二极管代替气隙电容。从电路的结构和工作过程分析，这两种等效电路的实质 是相同的。这是国内外参考文献中常使用的等效电路。为了方便分析，把图2 - 6 和图2 7 综合起来，可以归纳以下的放电等效电路。这两种电路的工作原理实质是相同的，如图 2 8 和图2 9 所示。 l o 第二章等离子消毒电源的原理和放电建模 u u u u 图2 - 6 介质阻挡放电模型1 f i g 2 - 6t h em o d e lo ft h ed b d u 图2 7 介质阻挡放电模型2 f i g 2 - 7t h em o d e lo f t h ed b d - _ zz = c d i z么 一 一 一 o g 2 3 放电工作电路分析 图2 - 8 介质阻挡放电模型3 f i g 2 - 8t h em o d e lo f t h ed b d _ _ j u z 图2 - 9 介质阻挡放电模型4 f i g 2 9t h em o d e lo ft h ed b d z 国内文献对放电电路的分析基本是基于图2 8 和图2 - 9 的模型。但是对于本课题的 研究，本文提出一种新的启动放电等效电路，如图2 1 0 所示。 一 1 江南人学硕士学位论文 毽 g o i i a c 毒 z 上f z 图2 1 0 放电等效电路 f i g 2 - 10t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f t h ed b d 下面对正弦电流源供电的介质阻挡放电电路在一个周期内的工作过程进行分析。分 为两部分，第一部分为启动过程，第二部分正常工作过程。 2 3 1 启动过程分析 如图所示，启动电压为高电压，假设正弦波的电流表示为屯= i hs i n c o t ，正常工作 电压的电流表示为= l s i nc o t ，放电开始时的电角度为口，间隙电压为甜曙，间隙充电 电流k ，间隙放电电流为之，从负向放电结束的瞬间，即c o t = o 时开始分析幡1 7 】： ( 1 ) 负向放电结束到j 下向放电开始阶段，即区间( o ，矽) 7 在r o t = 0 时，负向放电电流过零，负向放电结束。此时，间隙电压甜c g o = ( o ) = 一屹， 所以在区间( 0 ，口) 内有： k = f - i hs i n c o t ，之= 0 c 鲁2 k 却i n 研 ( 2 2 ) 解方程( 2 2 ) ，代入初始条件，可得： 材辔= 卫( 1 - c o s c o t ) - z ： ( 2 3 ) c o ( 2 ) 正向放电阶段，即区间( 秒，万) ，有： i c g 2 0 ，i z = i = i hs i nc o t ，“c g2 圪 ( 2 4 ) ( 3 ) 正向放电结束到负向放电开始阶段，即区间( 万，万+ p ) c o t = 7 r 时，正相放电电流过零点，正向放电结束。此时间隙电压2 锄= ( 万) = 圪， 在区间( 7 c ，兀+ 0 ) 内有 i 罐= i h = i hs i n c o t ，i z = 0 d c 音2 k2 厶s m 耐 2 5 ) 解方程( 2 5 ) 式，代入初始条件，可得： g c g = 一垡l 【l c o s ( 国r 一万) 】+ 圪 ( 2 6 ) ( u c g ( 4 ) 负向放电阶段，即区间( 兀+ 0 ，2 7 【) 有： 1 2 第二二章等离子消毒电源的原理和放电建模 k2 0 ，i ：= f = s i n r o t ，u 曙= 一屹 综上所述，正弦电流源供电的介质阻挡放电电路在一个工作周期内间隙电压甜曙的 数学表达式： u c g2 老( 1 - c o 洌) 一 o 一日 屹0cot万 一惫 1 _ c o s ( 卅硼+ 圪z c o g t t r + o 一圪 巧+ p c o t 2 z r 间隙放电电流k 的数学表达式为： k 2 1 s i n c o t o ihs i nm t 0 o c o t 0 8 c o t 万 7 r c o t 万+ 0 巧+ 0 c o o 时，出现输出电压 超前输出电流的状况，系统呈现感性，输出电压与输出电流之间存在相位差，输出功率 小于处于谐振点状态时的输出功率；当国 缟：二次绕组的厚度( c 删) 域：一、二次绕组的间距( 溯) 吃，：一、二次绕组的高度( 铡) x 。：经验系数，一般取0 。8 0 。9 由式可见，要减小漏感。，在绕制绕组时就要注意尽量采用薄的，高密度绝缘材 料，减小绕组厚度和间距( 匝数不能太多) ，并采用窗口较高( b 大) 的铁芯。o 对于铁芯选择，目前广泛应用的磁性材料主要有硅钢片、铁氧体、非晶态合金、微 晶合金、坡莫合金和铁粉芯等，但是对于工作在不同频率、不同电压下的变压器，铁芯 材料的选择也不一样，但是铁芯材料的选择应考虑以下足个因数瑟习： a 、工作磁场强度，电子变压器的工作磁场强度( 或磁感应强度) 是不同的，而不 隧磁场强度下的磁性能( 磁感应强度、磁导率、铁损) 不同，故必须按工作磁场强度( 或 磁感应强度) 选择符合要求的相应的磁性材料； b 、工作频率，应按电予变压器的工作频率选择符合要求的相应的磁性材料； c 、有无直流磁化，磁性材料在直流偏磁下的磁性能差异很大，因此，须按电子交 雁器有无直流磁化来选择符合要求的相应的磁性材料； d 、i 作状态( 波形) ，电子变压器的工作波形有征弦波、方波( 单极性、双极性) 、 三角波等等，还有连续和脉冲等不同工作状态。因此，须按电子变压器的不同工作状态 选择符合要求的相应的磁性材料； e 、磁性能，磁性材料的磁性能主要包括磁感应强度、磁导率和铁损。而磁导率又 分初始磁导率、最大磁导率、增量磁导率、脉冲磁导率等。须按电子变压器所要求的具 体磁性能选择符合该要求的磁性材料。 表4 1 给出了常见的铁心材料特性，以及每种材料所适用的工作频率范围，利用这 数据可以根据系统的工作频率缀容易缝选择所要使用昀铁心材料，然后可利溺功率、 电压、电流等相关条件计算出铁心材料的几何参数，从而通过厂家提供的数据手册选择 具体的铁心型号1 3 1 - 3 3 l 。 常见非晶铁芯的形状有环型、矩形和c 型。 非晶态合金c 铁芯的型号规格见表4 2 所示【3 1 。3 1 。 第四章等离子消毒电源的电路设计与参数确定 表4 1 常用铁芯材料特性 t a b 4 1c o m m o nc o r em a t e r i a lp r o p e r t i e s 磁通密度 工作频率 材料 名称 导磁率 b s | t | h z 硅钢 3 9 7 s if e1 5 0 01 5 1 8 k5 0 2 k 镍铁合金 5 0 5 0 s if e2 0 0 01 4 2 1 5 8 k5 0 2k 玻莫合金 8 0 2 0 n if e2 5 0 0 00 6 6 0 8 21 2 5k 非晶材料 2 6 0 5 s c1 5 0 01 5 1 6 92 5 0k 非晶材料 2 7 1 4 a 2 0 0 0 0o 5 0 6 52 5 0k 非晶材料n a n o r r y s t a l l i n e 3 0 0 0 01 o 1 22 5 0k 铁氧体 m nz n o 7 5 15 ko 3 o 51 0 k 2 m 铁氧体 n iz n0 2 0 1 5 k0 3 0 4o 2 m 10 0 m 表4 2c 型铁芯型号及规格尺寸 t a b 4 2c c o r em o d e la n dd i m e n s i o n s 尺寸( f i l m ) 面积 平均磁路重量 适用功率 品种( 2 0 l ( h z ) 长a宽b高c厚d ( c m 2 ) ( c m ) ( g ) ( k v a ) a c - 18 45 42 01 22 9 22 1 82 8 0l a c - 2 1 1 87 52 02 03 2 02 8 o5 8 02 a c - 3 1 2 57 52 52 24 23 1 08 0 03 a c - 51 4 49 23 0 2 66 4 3 5 0 1 6 0 05 6 a c - 7 1 4 49 24 02 68 33 5 02 0 0 07 8 a c - 1 0 1 7 51 1 24 03 2l o 21 3 o2 8 0 01 0 1 2 h c - 1 5 1 7 51 1 24 04 01 3 04 5 03 6 0 01 5 1 6 a c - 3 0 1 9 21 1 25 04 01 6 24 9 44 5 0 01 8 2 2 a e - 4 7 84 04 01 03 21 84 5 04 5 a c - 1 0 1 0 85 54 01 54 82 69 5 08 1 0 4 3 3 变压器参数的确定 根据前面第二章基波等效电路分析和公式推导，加上本节的变压器的工程使用注 意，以及对绕组和铁芯的分析。 在设计等离子消毒电源时，变压器原边输入最大电压为5 0 0 v ，这样输出电压2 0 k v ， 功率为1 0 k w ，那么电流大小为0 5 a 。 由表4 1 和表4 2 可以得知，采用一对c 型非晶合金作为高压高频变压器的磁芯， 这种材料的饱和磁密度达1 t 。 变压器原方绕组2 0 匝，副方绕组8 0 0 匝，变比1 ：4 0 。 品种为a c 一1 5 ，其中长a = 1 7 5 m m ，宽b = 1 1 2 m m ，高c - - 4 0 m m ，厚d = 4 0 m m 。 经测量，高压变压器参数为三，= 0 0 8 h ，r s = 5 5 t 2 ，c 。= 2 5 0 0 p f ，谐振频率为 f o = 1 1 3 k h z ，可以基本满足要求。 3 5 江南大学硕士学位论文 4 4 驱动电路 由于本课题中的i g b t 最高开关频率达到了2 0 k h z ，专门设计了高速型的i g b t 驱 动和保护电路如图4 8 所示，该电路同时具有驱动和过流保护功能。图中i c 为高速光 耦，g 和q 构成推挽电路。隅为5 v 的稳压管；喝为1 0 v 的稳压管；0 4 选用高压超 快恢复型二极管，尼；为驱动电路的栅极电阻，抑制驱动时的浪涌电流，同时抑制误触 发。在g s 间连接1 0 k f 2 左右的电阻如。以防止在g 极电路不良或g 极电路完全未动作 状态时，而主电路上外加电压对i g b t 造成的损坏1 3 4 舶1 。 c e 图4 8i g b t 驱动电路 f i g 4 - 8d r i v ec i r c u i ta b o u ti g b t 当输入脉冲驱动信号为高电平时高速光耦上管导通，b 点电位为高电平，q 导通， q 截止，+ 2 4 v 电源经g 、比、如、c 向i g b t 的供电，使其g e 两端电压钳位到1 8 v ， 保证其快速可靠导通。r 1 、c 1 组成的延时电路使q 保持截止状态，经约1 5 u s 的信号传 输时间后，虽然c 1 的端电压按充电规律上升，但由于i g