（电工理论与新技术专业论文）dbd等离子体发生器激励电源相关问题的研究.pdf

d b d 等离子体发生器激励电源相关问题的研究 r e s e a r c ho fr e l a t e dp r o b l e m so fd b dp l a s m ag e n e r a t o r p o w e r a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r a lp r i n c i p l eo fv a r i o u sc o m p o n e n t so ft h ed b d p l a s m a g e n e r a t o rf o ri t sl o we f f i c i e n c ya n das e r i o u sp r o b l e mo fe l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e i ta l s o e x p l o r e st h er e l a t e di s s u e si nd e t a i la n do p t i m i z e sd e v i c ep a r a m e t e r s t h i sp a p e rc o n s i s t so f6 p a r t s a sf o l l o w s 1 t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f t h ed b dp l a s m ap r o d u c e ra r ea n a l y z e d 2 t h ec i r c u i ts t r u c t u r eo ft h ed b dp l a s m ap r o d u c e ri ss e l e c t e d t h ei n t e g r a t e dc i r c u i ti s d e s i g n e d a n dt h es h o w p i e c ei sp r o d u c e d 3 t h ea t t e n t i v eq u e s t i o no fd r i v i n gc i r c u i t s n u b b e rc i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i to ft h e p r o d u c e rp o w e r i sd e e p l ya n a l y z e di nt h ep a p e r t h ep a r a m e t e ri ss e l e c t e db y e x p e r i m e n t s 4 t h et h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sp o w e rc u r v ea n dl i s s a j o u sf i g u r et h a tf o rt h em e a s u r eo f p o w e ra r ei n t r o d u c e d t h e nc o m p a r et h e s et w om e a t h o d sb ye x p e r i m e n t s 5 t h ef a c t o rt h a ta f f e c t st h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c e ri sa n a l y z e d t h e nb yl a r g en u m b e r so f e x p e r i m e n t t h ep a r a m e t e ri se n a c t m e n t 6 t h er e a s o no ft h eh a r m o n i ci sa n a l y z e d t h e nt h es u p p r e s s i o nm e a s u r ei sd i s c u s s e d a c c o r d i n g t ot h ep r a c t i c e s t h ed b d p l a s m ap r o d u c e rc a l lw o r ki nas t a b l ye s t a t e h i g h e f f i c i e n c y l o wc o s ta n ds m a l l e rs i z e a l lt h e s es a t i s f yt h er e q u e s to fp r o d u c e e c o n o m i cg a i ni s a c h i e v e da n dt h ep o w e rs u p p l i e sh a v eaw e l la p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e d b d d i s c h a r g ep o w e rs u p p i y e 仟i c i e n c y h a r m o n i c i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用内容和致谢的地方外 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果 也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 若有不实之处 本人愿意承担相关法律责任 学位论文题目 旦星旦鲎盏歪壁签笙量兰邋塑重丞担羞逊塑鱼塑塾 作者签名 4 啤 二魄皿年上月 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定 在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学 允许论文被查阅和借阅 学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 可以将 本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和汇编本学位论文 学位论文题目 作者签名 导师签名 旦星旦墨垫王鱼篁垒塞塑塑鱼盟塑苤塑塑鱼塑垫 日期 翌z 年上月笪日 日期 咩年手月号日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 等离子体概述 随着温度的变化 物质会存在固态 液态和气态三种物态的转化过程 我们把这三 种基本形态称为物质的三态 在固态中 粒子之间的结合最紧密 液态中次之 气态中 则最为松散 对于气态物质 在任意不等于零的温度下 气体中必然有若干粒子是自然 电离的 但数量太少 还不会使气体的性质发生质的改变 当由于某种自然或人为的原 因 使带电粒子的浓度超过一定的数量 通常约大于千分之一 以后 气体的行为在许 多方面虽然仍与通常流体相似 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 通常称为等离子体n 1 它是除固态 液态和气态外物质的第 四态口 4 1 由于电离过程中正离子和电子总是成对出现的 所以整体来看属于准电中性 等离子体在自然界中是普遍存在的 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 夏日雷雨时出现的闪电 绚丽的霓虹灯 蜡烛火焰 极光等都属于等离子体 现象 等离子体p l a s m a 这个词是1 9 2 8 年朗谬尔 l a n g m u i r 最早采用的 我国曾译为 等 离子区 现在译为 等离子体 实际上更早应该追溯到1 8 7 9 年不列颠协会的威廉 克鲁克斯 w i l l i a nc r o o k s 他在做气体导电实验时确认放电管中存在物质的第四态 5 等离子体按温度可以划分为低温等离子体和高温等离子体 高温等离子体又称热平衡等 离子体 t h e r m a lp l a s m a 一般指1 0 s 1 0 9 k 高温受控核聚变而产生的等离子 低温等 离子体又称非平衡等离子体 n o n t h e r m a le q u i l i b r i u mp l a s m a 是指在实验室和工业设备 中通过气体放电或高温燃烧而产生的低于几十万度的部分电离气体 又可分为热等离子 体 燃烧等离子体和非平衡等离子体三种 1 2 d b d 等离子体的研究与应用 介质阻挡放电 d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e d b d 等离子体是一种典型的非平衡等 离子体 对于d b d 的应用与研究可以追溯到十九世纪 主要得益于臭氧的发现 s i e m e n s 在1 8 5 7 年报到了最早的关于d b d 的实验研究 是在两个同轴的玻璃管之间留有一个环 形气隙 并在玻璃管外部安置放电电极 这个玻璃管式的放电电极也就是最早的介质阻 挡放电等离子体装置 6 r l 电气工程师k b u s s 第一次获得了关于两个电极间微放电细丝 的相片资料和电压电流示波器波形 这是介质阻挡放电历史的一个重要的里程碑 随后 k l e m e n c s u z u k i 等许多的学者对电流细丝做了大量的研究瞄j 1 9 4 0 年r a e t h e r l o e b 9 和 d b d 等离子体发生器激励电源相关问题的研究 m e e k 1 0 提出了高气压下气体放电击穿的流柱理论 1 9 7 6 年m i t s u b i s h i 利用宽度为4 5 c m 的介质覆盖在电极之间 利用均匀辉光放电的方法产生等离子体来实现无声二氧化碳激 光f l l 从1 9 8 7 年开始 日本东京s o p h i a 大学的o k a z a k i 研究小组1 1 2 1 3 法国图卢兹的 m a s s i n e s l l 4 1 5 美国纳什维尔的田纳西大学的r o t h 研究小组唧均开始从事这一领域的研 究 使得介质阻挡放电从早期单一的臭氧发生器转变成了系统的实验研究 近年来 随 着相关学科的快速发展 d b d 等离子体技术的研究也成为热点 它的应用领域也越来 越广泛 d b d 等离子体的应用主要有以下几个方面 1 等离子体在表面处理方面的应用 等离子体处理作为一种新的表面修饰手段 能高效 快速 无污染地改变各类材料 的表面性能 放电过程中产生的等离子体 在电场中得到一定的能量以后 再以不同的 方式将其能量转移到某些物质的表面 产生多种物理 化学反应 使表面薄层达到改性 的目的 利用等离子体处理多种有机或无机材料表面以获得或增进某些物理或化学的性 能 如某种特定的光 电特性 增强膜层的气密性或渗气性 疏水性或亲水性 提高材 料的稳定性等 是一种经济而有效的方法 可广泛用于高分子材料 金属等固定表面改 性 1 7 1 d b d 等离子体用于高分子材料表面改性方面的研究在制备大面积聚合物薄膜工业 化生产方面可以节约费用 有很大的潜在的应用价值 等离子体技术可以改善材料的粘 接性能 增加表面粗糙程度 提高表面能 从而改善表面润湿性 粘接性等 刘际伟等 采用氧等离子体处理聚乙烯 聚丙烯 聚四氟乙烯等材料表面 可使它们的粘接强度分 别比原来的样品提高十倍 1 8 1 等离子体还可以用于改善金属材料的表面硬度 耐腐蚀等 特性 w a n gw 等对轴承钢采用氮等离子注入 结果表明在轴承钢表面形成了铁的氮化 物 提高了表面耐腐蚀性 l 引 由于d b d 等离子体的特性 用其进行杀菌 分离薄膜的 等离子体改性 1 9 1 用于降低蛋白质的吸附解决薄膜的污染问题 在钛金属上形成含羟基 磷灰石来研究骨移植 2 0 1 研究可用作生物材料的金属 聚合物等材料的生物相容性 2 1 1 2 等离子体在化学合成方面的应用 在等离子体中 正负离子是完全自由的 并且表现出相当高的化学活性 这些不能 用其他方法产生的活性粒子是等离子体化学的优势 等离子体合成是利用等离子体的这 一特殊性质进行化学合成的一种新技术 具有越来越广泛的应用前景 b a i 等人在o 1 m p a 条件下 采用d b d 方法成功将n 2 h 2 合成n h 3 其浓度达到3 7 9 5 m g m 3 2 引 f i n l a y s o n 等人也采用d b d 法合成了含氧的碳氢化合物醛 2 3 1 l u ky a n o v 等人采用介质阻挡放电 大连理工大学硕士学位论文 方法 在高气压下把c 0 2 和c h 4 合成含氧的碳氢化合物醇和醛 2 4 d b d 等离子体还可 以用于臭氧的合成 含氧气体在放电反应器内所形成的低温等离子体氛围中 一定能量 的自由电子分解氧分子而形成氧原子 之后通过三体碰撞反应形成臭氧分子 同时也发 生臭氧的分解反应 2 臭氧因具有强氧化性和良好的生态效应而得到越来越广泛的应用 而d b d 等离子体放电是目前应用最广泛 能耗相对较低的臭氧发生器装置 3 等离子体在环境保护方面的应用 近年来 环境问题越来越严重 已经成为影响人类生存和发展的全球性问题 由于 环境污染的污染物成分复杂 毒性大 不易分解 传统的填埋 化学处理等方法不但处 理效率低 而且容易产生二次污染 等离子体污染处理技术作为一种新型的处理技术 具有效率高 能耗低 无二次污染等优点 已经成为国内外的热门研究之一瞄 2 6 j 等离子技术可以消除汽车尾气 工业废气中的氮氧化物和硫氧化物 它产生的强氧 化自由基与氮氧化物和硫氧化物发生氧化反应 在n h 3 或h 2 0 存在的前提下生成硫酸 盐或硝酸盐 另外 在富氧的条件下 等离子体和催化剂结合 可以通过还原反应脱除 氮氧化物 等离子体产生的高能电子与有机挥发性气体污染物 v o c 分子碰撞 使其 激发到更高的能级 形成激发态分子 内能增加 促使化学键断裂形成活性物种并与其 他物质发生化学反应 最终分解成c 0 2 h 2 0 和其他小分子化合物 1 7 若将等离子技术 与催化技术相结合能更加有效的利用能量 在反应中 催化剂能有效降低反应物的活化 能 加速化学反应速度 o d a 利用介质阻挡放电结合催化剂对降解三氯乙烯 t c e 进 行研究 对其降解率可达到9 8 f 2 7 1 另外 利用等离子体技术产生的臭氧由于具有强氧 化性而且易溶于水的优点 无论在处理液体污染物还是气体污染物方面均可达到很好的 效果 此外 介质阻挡放电等离子体在制作紫外光源 2 8 大功率二氧化碳激光 器r 2 9 3 0 和等 离子体平板显示器 3 1 等方面也具有广阔的应用前景 随着科学技术的发展 d b d 等离 子体将在国民生产的各个领域发挥重要的作用 1 3 d b d 等离子体激励电源的发展现状 d b d 等离子体最早的工业应用是产生臭氧 所以早期的d b d 等离子体激励电源一 般是针对臭氧发生器而设计的 最早的d b d 等离子体激励电源工作在工频下 通过高 压升压变压器产生高压供给放电反应器 这种电源的优点是结构简单 但存在效率低 体积大而且成本较高的缺点 并且随着功率的增大 对变压器的电压等级和绕组的绝缘 性要求越来越高 变压器的绕制越来越困难 随着变频器的出现 人们开始考虑将其应 用到d b d 等离子体激励电源上 在上述电路的基础上增加一台变频器 频率可达几百 d b d 等离子体发生器激励电源相关问题的研究 赫兹 由于电源工作频率变大 效率也有所提高 但存在发热严重 价格昂贵的缺点 目前该方案已经基本被淘汰 7 0 年代后期8 0 年代初期 以门极可关断晶闸管 g t o 电力双极型晶闸管 b j t 和电力场效应管 p o w e rm o s f e t 为代表的全控型器件迅速发展 3 2 1 其特点是通过门 极的控制既可以使其开通又可以使其关断 开关频率普遍高于晶闸管 它们的发展使 d b d 等离子体电源发生了质的变化 开始出现中频桥式逆变电源 整流器将工频交流 电整流为直流电 逆变器将直流电压逆变为中频单相电压 经变压器升压至放电反应器 工作电压 但逆变器的开关频率较低 输出电压波形改善以多重叠加法为主 体积重量 较大 逆变效率较低 8 0 年代后期 以绝缘栅双极型晶体管 i g b t 为代表的复合型器件异军突起 i g b t 是m o s f e t 和b j t 的复合体 它把m o s f e t 的驱动功率小 开关速度快的优点和b j t 通态压降低 载流能力大的优点集于一身 性能十分优越 成为现代电力电子技术的主 导器件 3 2 这一时期脉宽调制 p w m 技术也有了迅速发展 电源出现调节频率和调 节占空比两种工作方式 为了使设备结构紧凑 体积减少 把驱动 控制 保护电路和 功率器件集成在一起 构成功率集成电路即p i c 电源的体积比之前减少了许多 但功 率集成电路的功率都比较小 所以这一时期的d b d 等离子体电源普遍处于中小功率阶 段 9 0 年代初高频开关电源开始迅速发展 使用m o s f e t 和i g b t 高频大功率器件作 为逆变器 电源的整体功率也越来越大 新型磁性材料的发展也促进了高频变压器的发 展 开关频率也越来越高 形成新一代中高频d b d 等离子体激励电源 早期的开关电源的开关频率仅为数千赫 随着开关器件及磁性材料的不断改进 开 关频率也逐步提高 但当频率达到1 0 k h z 左右时 变压器 电感等磁性元件发出的噪 声就变得很刺耳 2 0 世纪7 0 年代 开关频率终于突破了人耳听觉的极限2 0 k h z 后来 随着m o s f e t 的应用 等离子体激励电源的开关频率迸一步提高 使电源体积更小 重量更轻 功率密度也得到进一步的提高 开关频率提高的同时 开关损耗却逐渐增大 电源效率降低 也使电源的电磁干扰问题越来越突出 为了减少开关损耗 降低开关管开关过程中的电磁干扰 出现了准谐振技术的零电 压开关电路和零电流开关电路 即软开关技术 它将软开关技术引进到p w m 逆变器中 为此必须把电感 电容与开关器件组成一个谐振网络 使逆变器只在开关转换过程中才 产生谐振 实现软开关转换 采用软开关技术 理想情况下 可以使开关损耗降为零 提高电源的效率 同时使电磁干扰大大减少 因此是当今电力电子学比较活跃的研究之 一 各种谐波标准的制定也使功率校正 p f c 技术迅速发展起来 p f c 技术分为两大 大连理工大学硕士学位论文 类 一类是无源p f c 技术 它是利用电阻 电容 电感等无源元器件来改善输入功率因 数 减少电流谐波 结构简单 但体积庞大 另一类是有源p f c 技术 它一般采用集成 芯片来调整电流波形 对电压电流间的相位差进行补偿 我国在这方面技术与国外有很 大的差距 是目前研究的热点 p f c 技术提高了电源的功率因数 既减少了谐波污染 又提高了整体效率 提高了e m c 性能 e m i 滤波器和各种集成控制器件的研制也使d b d 等离子体电源的电磁干扰有所降低 电磁兼容性增强 d b d 等离子体激励电源经过几十年的发展已经基本实现重量轻 性能稳定 大功 率 小型化 集成化 智能化 高可靠性等 但目前我国在d b d 等离子体激励电源方 面与发达国家还是存在一定的差距 普遍存在效率较低 电磁干扰问题严重的现象 因 此提高d b d 等离子体激励电源的工作效率 减少电磁干扰 实现 绿色电源 是目前 迫切需要解决的问题 1 4 论文的选题及研究内容 综上所述 d b d 等离子体广泛应用在表面处理 化学合成 环境保护等许多领域 有着巨大的社会需求 因此对d b d 等离子体激励电源的要求也越来越高 而我国的等 离子体技术尚处于发展阶段 产品还没有广泛的应用到各个行业 与发达国家存在较大 差距 而且我国的d b d 等离子体激励电源普遍存在效率低 e m i 现象严重 近年来为 解决这些问题 主要集中在研发新型的开关器件 集成功率模块 新型高频电磁元件 新型软开关拓扑和控制等基础研究上 本文针对目前我国等离子体激励电源普遍存在的 工作效率较低 开关损耗较大 电磁干扰较大的缺点 研制了一款小功率d b d 等离子 体反应器激励电源 并对其效率和电磁兼容问题进行了详细的探讨 通过改变工作参数 使电源工作在较高的效率下 本论文的主要研究内容如下 1 查阅相关文献 掌握d b d 等离子体及其激励电源的概况 2 介绍了d b d 等离子体的放电原理 特性和装置 3 详细介绍了d b d 等离子体电源的主电路 吸收电路 控制电路 驱动电路和保 护电路 并对其中部分参数的选取作了详细分析 4 分析激励电源效率的影响因素 提出了一种较好的设定电源工作状态的方法 5 对激励电源的电磁兼容和谐波问题作了详细介绍 并对谐波问题提出了解决措施 d b d 等离子体发生器激励电源相关问题的研究 2 d b d 等离子体放电原理及装置 2 1 介质阻挡放电 介质阻挡放电 d b d d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e 是一种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 属于典型的非平衡态 的交流气体放电 是实现大气压低温等离子体的一个较好的途径 3 3 3 4 1 2 1 1 介质阻挡放电的结构 介质阻挡放电的结构特征之一是至少有一个电极是被介质绝缘层所覆盖 介质板的 存在 使气体在较高的外加电压作用下击穿后 电流的增长受到限制 以避免产生火花 放电或电弧放电 这种放电只能工作在交流电源的情况下 当在放电电极间施加一定频 率的足够高的交流电压时 在放电空间产生微放电 这些微放电中产生非平衡等离子体 介质阻挡放电能够在很大的气压和频率范围内工作 通常的工作气压是1 0 4 1 0 6 p a 工 作频率是5 0 h z i m h z 气体放电间隙较小 通常在数十微米和几厘米范围内变化 所 以这种放电属于高气压下的非热平衡放电 它不像空气中的火花放电那样会发出巨大的 击穿响声 因此又称为无声放电 s i l e n td i s c h a r g e 介质阻挡放电的装置主要由气隙 介质阻挡层和电极组成 根据气隙和介质阻挡层 在空间中的不同位置 可将其分为三种结构形式 翻 如图2 1 所示 图 a 是很实用 的放电构型 介质阻挡放电反应发生在电介质与接地电极间的区域 接地电极和介质可 以与反应气体之间发生相互作用 这种构型常用于制造臭氧发生器 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 图 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的放电或者 获得高纯度等离子体 这种构型具有独特的优点有利于电荷的沉积与扩散 从而形成貌 似辉光的相对均匀的放电形貌 适合应用于电光源 材料表面处理等应用领域 图 c 可以在介质两边同时生成两种成分不同的等离子体 在电极间安插介质可以防止在放电 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的稳定的气体放电 大连理工大学硕士学位论文 高频高压电 a b e 图2 1 介质阻挡放电的结构类型 f i g 2 1 t h es t r u c t u r eo f d b dr e a c t o r 当装置外加交流电场e 时 气体中的电子被加速 如果获得足够的能量就产生电离 当e 达到某一值e n 时就产生电子雪崩 空气被击穿 空间产生大量电子和离子 这些 带电粒子在电极表面的绝缘层沉积下来并建立一内电场e 1 该内电场的方向与外电场 的方向相反 若忽略空间电荷的场 则放电空间的总电场由 e e 1 决定 当随着放电的 发展 电极上积累的电荷足够多时 总电场低到不能再使电子加速到足够的能量而使放 电熄灭 这样从放电到熄灭形成一个电流脉冲 由于外加电场是交流电场 则反向的外 电场又重复上述过程而形成一个反向的电流脉冲 连续的交流电场产生一连串交替反射 的电流脉冲 所以这是一个放电着火又熄灭的暂态过程 2 1 2 介质阻挡放电的特性 介质阻挡放电表现为均匀 散漫和稳定 貌似低气压下的辉光放电 由于介质层的 存在 介质阻挡放电必须工作在交流电压下 工作的频率和电压等参数是影响放电电流 大小的重要因素 为了发生d b d 放电现象 激励电压必须超过放电临界电压 也称击 穿电压 当激励电压高于临界电压时 放电间隙中的气体被击穿产生放电现象 在常压 下 气体的击穿是以大量的电流细丝通道形式存在 每一个微小的电流通道称为微放电 d b d 等离子体茇生器澈励电源相关问腰的研究 每个微放电的持续时间都非常短促 寿命一般在1 1 0 n s 而电流密度却可高达i i c l j e m 2 微放电丝的半径约0 1 毫米 很高的微放电电流造成了介质上高密度局部电荷积累 导 致微放电在介质表面形成沿面放电 这些沿面放电发散成明亮的斑点 其直径可达几个 毫米 图2 2 为不同放电间距下空气中微放电在介质表面上的斑点照片 照片是通过透 明电极拍摄的 藤 图2 2 1 q 空气中微放电的照相 f i g 22 u 卅v i e wo f m i e r o d i s c h a r g e s i n d b d p l a s m a 微放电是在气体间隙里某一个位置上发生的 同时在其它位置上也会发生另外的微 放电 j 下是由于介质的绝缘性质 这种微放电能够彼此独立地发生在很多位置上 由于 介质上的电荷积累 从而形成反向电场 并导致微放电通道问隙两端的屯压下降 当该 电压稍小于气体击穿电压时 电流就会截止 在同一位置上只有当电压重新升高到原来 的击穿电压数值时才会发生再击穿和在原地产生第二个微放电 这样就会在电源电压半 周期内出现大量时间短促的电流脉冲群 在整个放电时间和空间内这些微放电是无规则 地分布着的 微放电的形成和微放电丝中形成的瞬时的高电流密度主要与大气压下较高 的气体密度有关 如果降低压力 微放电通道半径将成反比例增大 进一步降低气体压 力 甚至可以使介质阻挡放电变成大面积均匀的放电形式 图2 3 所示为微放电的电流 波形 大连理工大学硕士学位论文 图2 3 啪1 微放电波形 f i g 2 3 拍1 t h ew a v e f o r mo fm i c r o d i s c h a r g e 当加在两个电极间的电压达到一定值 即放电空间内单位时间单位体积内的电离数 大于消失数时 电子向阳极运动过程中才有明显的电子繁流 从而使外电路电流迅速增 长 构成了图2 3 中微放电脉冲的前沿 从带电粒子的沉积情况来看 金属电极表面不 会沉积电荷 电荷只会沉积在电介质表面 形成壁面电荷 这些壁面电荷与在放电空间 的正电荷共同产生了一个与外加电场的相反的附加电场 随着电介质上壁面电荷数量的 增加 附加电场的作用也越来越强 这样在外加电场与附加电场的相互作用下放电空间 中总的空间电场强度就会下降 从而使电子电离系数下降 电子繁流减弱 当气隙内空 间电场强度下降到小于气体击穿场强时 放电中断 也就构成了图2 3 中微放电脉冲的 后沿 3 6 1 2 1 3 介质阻挡放电的等效电路 介质阻挡放电电路包含放电气隙和介质阻挡层 其等效电路为非线性的容性负载 如图2 4 1 3 7 1 所示 当电路处于稳定状态时 一个完整的周期包含未放电和放电两种状态 当外加电压v o 没有达到击穿电压v s 时 放电空间内的气体介质的电导率相对较小 此 时放电反应器可以等效为介质电容c d 和放电气隙电容c 的串联 通常c g 远小于c d 随着所加电压的增大 当电压达到击穿电压v s 时 电极间的气体被击穿 开始发生微 放电 出现放电电流 此时 放电间隙的电阻性远大于电容性且两端电压基本不变 因 此放电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或一个两端电压保持不变的电阻 两端电压即气隙击穿电压又 称为放电维持电压 3 5 3 7 3 8 1 d b d 等离子体发生器激励电源相关问题的研究 高频高压电 c d c g 图2 4d b d 放电反应器等效电路 f i g 2 4e q u i v a l e n tc i r c u i to f ad b dr e a c t o r 由d b d 放电反应器的等效电路可以得出放电平均功率p s l 为 尸 4 c d v f v o 一 鞲圪 2 1 l d 从公式可以看出 对于一定几何形状 间隙宽度和气压来说 放电所产生的功率可 以通过下列三种方式嗍来提高 1 提高运行频率 2 采用较薄的高介电常数的电介质 3 提高激励电压 因此 对于某一固定的反应器 提高电源频率和激励电压是提高功率的一种非常有 效的方法 本论文第四章将对这两种提高功率的方法进行详细的分析 2 2d b d 等离子体放电装置 d b d 等离子体反应器主要由激励电源 高频变压器和放电反应器三部分组成 整 体结构框图如图2 5 所示 大连理工大学硕士学位论文 高频升压变压器 图2 5d b d 等离子体反应器的整体结构图 f i g 2 5s t r u c t u r e0 fd b d r e a c t o r 1 激励电源 激励电源是整个装置的关键部分 直接影响整个装置的成本 体 积和可靠性等性能 本课题所研制的d b d 等离子体激励电源采用半导体器件m o s 管作 为开关元器件 采用t l 4 9 4 为控制芯片的小功率半桥高频高压电源 通过调节t l 4 9 4 的输出频率和占空比来调节m o s 管栅极输入波形的频率和占空比来控制其导通关断的 频率和时间 从而改变整个电源输出波形的频率和占空比 再经过高频变压器将低压转 换为高压供给放电反应器工作 整个电源包括整流电路 逆变电路 p w m 控制电路 驱动电路 吸收电路 过压过流保护电路及保护锁定电路等 a c d c 变换电路将工频 市电整流滤波变为直流电 d c a c 变换电路是整个电源的核心部分 进行功率变换 将直流电变换成交流方波输出 控制电路控制整个电源输出波形的频率和占空比 驱动 电路将控制电路产生的波形信号放大 用以控制开关管的导通和关断 过压过流保护电 路及保护锁定电路时刻检测主回路中的电压电流 当发生过压过流现象时 使开关管停 止工作并维持在此种状态 直到人工排除故障后手动恢复 使电源恢复正常工作状态 整个装置的效率基本由电源的效率来决定 详细的电源电路介绍见第三章 2 高频变压器1 3 9 1 高频功率变压器是激励电源中非常重要的部件 它和普通变 压器一样也是通过磁耦合来传输能量的 不同的是高频变压器不是采用硅钢片来实现磁 耦合 而是选用在高频下导磁性较高的铁氧体磁芯等磁性材料 为了确保变压器在磁化曲线的线性区工作 可用式2 2 计算最大磁通密度 r 1n 4 曰 兰竺 2 2 均np s c 其中 u p 变压器一次绕组上所加电压 v 厂 脉冲变压器工作频率 h z 变压器一次绕组匝数 匝 d b d 等离子体发生器激励电源相关问题的研究 研 磁芯有效截面积 c m 2 k 系数 对正弦波为4 4 4 对矩形波为4 0 一般情况下开关电源变压器的 值应选在比饱和磁通密度e 低一些 在设计绕制高频变压器时要注意以下几点 变压器的漏感要小 漏感储能会引起开关管关断时电压尖峰变大 易导致关关管 损坏 避免瞬态饱和 如果变压器的磁通密度较大 则在通电瞬间就会磁饱和 会导致 开关管损坏 要考虑温度影响 铁氧体磁芯的口 值易受温度影响 因此在选择时要注意其温 度特性 3 放电反应器 放电反应器中的电介质应具有良好的绝缘和导热性能 常用的 有玻璃 石英 搪瓷和陶瓷四种 不同的电介质材料或者材料不同的厚度均会对放电特 性产生影响 4 0 l 放电反应器电极和气隙结构有平行板式和同心管式两种形式 如图2 6 所示 a 乎板式 b 同心警式 图2 6 放电反应器结构 f i g 2 6t h es t r u c t u r eo fd b d r e a c t o r 本课题采用图2 6 b 所示的同心管式结构 选择玻璃作为电介质 在设计反应器 时 放电管介质阻挡层和内电极之间的环形放电气隙是一个非常重要的设计参数 一般 在其他参数相同的情况下 放电间隙越小 放电的强度就越大 产生等离子体的浓度也 越高 但如果间隙过小 在放电瞬间产生的冲击会使玻璃炸裂 所以放电间隙的设计一 定要合理 大连理工大学硕士学位论文 3 d b d 等离子体激励电源的研制 d b d 等离子体激励电源是等离子体产生装置中的一个重要的组成部分 它与放电 反应器共同影响整个系统的等离子体的产量 效率 体积和成本等性能 电源的激励电 压 频率等条件的改变都将影响放电反应器的运行状态 图3 1 为激励电源的整体结构 框图 图3 1d b d 等离子体放电反应器激励电源结构图 f i g 3 1 s t r u c t u r ed i a g r a mo f d b d p o w e rs u p p l y 3 1 主电路和控制电路 3 1 1 主电路 激励电源主电路包括整流电路和逆变电路两部分 它的功能是将2 2 0 v 交流电整流 滤波变为直流电 然后通过功率开关器件逆变为可变频的方波交流电 输出供给高频变 压器 其电路原理图如图3 2 所示 d b d 等离子体发生器激励电源相关问题的研究 上 土a q 土0 一 a il 市电il 岱 6 l i 厂 了 1 广1 銮垦墨i 说3 口陀 l c 7 士 i o 图3 2电源主电路原理图 f i g 3 2 c i r c u i td i a g r a mo f m a i nc i r c u i t 整流电路按电路结构可分为桥式电路和零式电路 其中桥式电路又可分为全桥整流 电路和半桥整流电路 本电源采用全桥整流和电容滤波稳压相结合的电路 全桥整流后 通过电容的滤波稳压作用使整流电路输出平稳可靠的直流电压 主电路中的关键部分是 逆变电路 常用的逆变电路的拓扑结构有半桥逆变电路和全桥逆变电路两种 全桥逆变 电路由四个功率管组成 控制电路较复杂 工作时负载上的电压为半桥时的一倍 因此 常常用于大功率逆变电路 半桥逆变电路结构简单 使用器件少 而且可以自动校正变 压器磁芯偏磁 避免变压器产生磁心饱和现象 常用于小功率逆变电源中 本课题研制 的电源功率为5 0 0 w 以下 属于小功率电源 综合考虑各种因素 选用半桥形式的逆变 电路 在图3 2 中 电容c 3 c 4 串联分压 理想情况下可以认为坼 u c 2 开关管q l q 2 控制流经负载的电流方向 它们分别由驱动电路供给相差1 8 0 0 的方波轮 流导通 任何情况下都不可能出现q 1 q 2 同时导通的现象 q 1 q 2 导通的时间和频 率由驱动电路来控制 详见3 2 节 功率开关管是整个逆变电路的核心器件 常用的开关电源功率管为i g b t 和 m o s f e t m o s f e t 是用栅极电压来控制漏极电流的 因此它的驱动电路简单 需要的 驱动功率小 开关速度快 工作频率高 但电流容量小 耐压低 适用于功率不超过1 0 k w 的电力电子装置 i g b t 开关损耗较小 通态压降低 电流容量大 耐压高 但关断时 需要负压 因此驱动电路比较复杂 成本较高 综合考虑各种因素 本电源选用m o s f e t 作为开关管 大连理工大学硕士学位论文 3 1 2 控制电路 控制电路是开关电源的核心部分 开关电源控制电路一般应具有以下功能 固定频 率振荡器可在较宽范围内预调 占空比可调节的脉宽调制功能 死区时间校准 一路或 两路具有一定驱动功率的输出图腾式电路 禁止 软启动和电流 电压保护功能等 4 l 脉冲频率调制p f m p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n 是一种通过调节输出电压频率来 调节电路功率的一种调节方式 它不需要调压环节 控制简单 但电路的工作频率变化 较大 当输出功率较小时 功率因数较低 脉冲宽度调制p w m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 是开关管工作频率不变 通过改变其开通时间占空比来调节输出的一种调节方式 本电 源采用p w m 和p f m 混合调节的方式来调节激励电源的工作状态 采用德州仪器的 t l 4 9 4 作为控制芯片 t l 4 9 4 是一种典型的脉冲宽度调制型的开关电源集成控制器 通 过外接电阻电容可以控制其输出波形的频率和占空比 内部结构如图3 3 所示 图3 3t l 4 9 4 内部结构图 f i g 3 3 i n s i d es t r u c t u r eo ft l 4 9 4 t l 4 9 4 t 4 2 的工作频率为1 3 0 0 k h z 输出电压达4 0 v 输出电流为2 0 0 m a 内设两 个误差放大器 可构成电压反馈调节器和电流反馈调节器 分别控制输出电压的稳定和 输出过流的保护 两个比较器分别为死区时间比较器和p w m 比较器 控制信号均由外 部输入 p w m 比较器用来由误差放大器的输出信号去控制脉宽 设置了5 v 的基准电 压源 死区时间可调 输出形式可为单端 也可为双端 输出脉冲的宽度是通过电容 d b d 等离子体发生器激励电源相关问题的研究 c r 上的正极性锯齿波电压与其他两个控制信号电压进行比较来实现的 内置了线性锯齿 波振荡器 振荡频率由两个外接元件r 丁和c 7 来调节 其振荡频率为 厂 芸 k h z 3 1 吩g 本电源的控制电路采用t i a 9 4 为控制芯片 工作在双端输出状态 9 脚和1 0 脚分 别输出互差1 8 0 度的方波 来控制m o s 管的工作状态 控制电路输出波形的频率和占 空比通过对t l 4 9 4 外接电位器来调节 实现p w m 和p f m 混合控制方式 t i a 9 4 的1 脚与保护电路的输出相连 通过内置的比较器来实现过流过压保护 3 2 驱动电路 驱动电路的主要功能是将控制电路输出的可变宽度脉冲进行功率放大 转换为加在 电力电子器件控制端和公共端之间 可以使其开通或关断的驱动信号 同时驱动电路还 通常具有电气隔离及电力电子器件的保护等功能 电气隔离主要是实现主电路和控制电 路之间的电量隔离 电气隔离可以减少主电路开关噪声对控制电路的影响 提高控制电 路的安全性 性能良好的驱动电路可以使开关管工作在较为理想的状态下 缩短开关时间 减少 开关损耗 对装置的运行效率 可靠性和安全性都有重要的意义 此外驱动电路还有电 气隔离的作用 因此驱动电路的设计一定要合理 本电源采用的m o s f e t 属于压控元件 静态栅极输入阻抗很大 基本上是纯容性 的 不需要驱动电流 所以需要的驱动功率比较小 但由于栅源间 栅射间存在输入电 容 当器件高频通断时 电容频繁充放电 为快速建立驱动电压 要求驱动电路输出电 阻小 且具有一定的驱动功犁矧 驱动电路的负载为容性 由于m o s f e t 的栅源间输入电容的存在 导通后即不再 需要驱动电流 理想的驱动电路的等效电路m 如图3 4 所示 大连理工大学硕士学位论文 图3 4 驱动电路等效电路图 f i g 3 4e q u i v a l e n tc i r c u i to f d r i v e rc i r c u i t 图中s l 为等效开通开关 s 1 闭合后接通充电回路 s 2 为等效关断开关 s 2 控制 输入电容c i 站的放电过程 s 1 和s 2 在任一时刻总是处在一个闭合另一个断开的相反状 态 由于工作速度与驱动源内阻抗有关 同一只管子如希望开关时间越短则所需的驱动 电流峰值越大 为了能提供大的峰值电流 就要求驱动源内阻抗小 如果开关时间相同 寄生电容越大 所需的驱动电流也越大 图3 5 所示为本电源的驱动电路原理图 采用光耦进行电气隔离 图腾柱式的放大 电路 本驱动电路结构简单 成本低 而且性能良好 当输入波形为高电平时 v t l 导 通 v t 2 截止 输出高电平 驱动m o s f e t 导通 当输入波形为低电平时 v t l 截止 v t 2 导通 输出低电平 使m o s f e t 迅速截止 r 图3 5 驱动电路原理图 f i g 3 5 d r i v e rc i r c u i td i a g r a m d b d 等离子体发生器激励电源相关问题的研究 电路中元器件参数的选择一定要遵循内阻小的原则 尤其是电阻r 3 的选择 电阻 r 3 主要是减小寄生震洌4 3 1 抑制浪涌电流 但其阻值一定不能太大 太大会消耗一定的 功率 导致驱动功率不足 而且r 3 阻值太大会使栅源间电容的充电电流变小 当工作 频率过高时 在导通时电容还未充满电 关断时电容放电也不彻底 在下一周期重复此 过程 最终导致逆变电路的输出频率无法按照控制电路的输出频率来变化 整个电路处 于一种震荡状态 无法正常工作 所以此电阻应该随着工作频率的增大而减小 也应该 随着开关管额定电流值的增大而减小 在实际选择时要按照电路工作的最大频率来选择 其阻值 通常情况下此电阻值为几欧姆 3 3吸收电路 吸收电路主要是吸收功率管在开关过程中产生的过电压或过电流 减轻功率开关管 的负担 吸收电路有开通吸收电路和关断吸收电路 开通吸收电路主要是吸收功率管在 导通瞬间产生的较大的d i 西 关断吸收回路主要是吸收功率管在关断瞬间产生的较大 的以 d m o s 管在关断瞬间吐 z 很大 而且会出现很高的过电压 增大m o s 管的关断损 耗 很可能使m o s 烧毁 因此必须要加一吸收电路 吸收其关断过电压 常用的吸收 回路有三种 c 型吸收回路 r c 型吸收回路和r c d 型吸收回路 它们的电路原理图如 图3 6 所示 a c 型吸收回路 上 b r c 型吸收回路 c r c d 型吸收回路 图3 6 三种吸收回路的原理图 f i g 3 6 t h r e ek i n d sc i r c u i to fs n u b b e rc i r c u i t 本电源采用r c d 型吸收电路 当开关管关断时 电流通过二极管d 给电容c 充电 从而分担一部分电流 当开关管开通时 电容c 通过r 向开关管放电 释放掉之前储 大连理工大学硕士学位论文 存的能量 所以吸收回路消耗了开关管关断时的一部分功率 如果没有吸收回路 那么 这部分功率将由开关管来承担 c l i c e 图3 7 开关管关断时的负载曲线 f i 9 3 7 t u m o f fl o a dl i n eo fs w i t c ht u b e 图3 7 所示为开关管关断时的负载曲线 关断前的工作点在a 点 无缓冲电路时 开关管的漏极电压甜f e 迅速上升 在负载上的