一种介质阻挡放电高压电源的设计与仿真

1、高压电源在电源领域中属于特种电源，它的应用是非常广泛的，其应用领域主要在以下方面：高压放电类：模拟雷击、打耐压的仪器、等离子发生器、电晕设备、臭氧发生器、激光器等高压电场类：各类电子离子加速器、X射线源、静电除尘、静电喷涂、矿石高压电选等按照高压电源的输出特性，一般主要分为三种类型：直流高压输出： 重点关注的指标是输出电压的精度、电压纹波、重复性、温飘等脉冲高压输出：重点关注的指标是输出脉冲的上升下降速度、重复频率、脉冲宽度等交流高压输出：重点关注的指标是输出的波形、频率、峰值电压等静电场类应用的高压电源的负载一般相当于电阻，但是考虑到变压器次级以及负载的分布电容，一般相当于电阻与电容的并联。

2、放电类的高压电源，大多数应用范围都是气体放电领域的应用，负载是负阻特性，同时还有分布电容存在。所以负载特性很复杂。可以说，不把负载的特性搞清楚，针对负载特性来设计高压电源，是很难设计出优秀的产品的。气体放电种类很多，特性也很复杂，常见放电类型主要有电晕放电、辉光放电、电弧放电、火花放电传统的电晕放电太弱，等离子数量少，效率低。辉光放电通常在低气压下容易实现，大气压下很难实现且易进入电弧放电状态，应用上有局限性。电弧放电极不均匀，局部功率密度太高，产生高温损坏设备。介质阻挡放电的实质是改良型的电晕放电，放电比较均匀，功率密度适中，可在大气压下稳定放电。介质阻挡放电(Dielectric Barr

3、ier Discharge) 顾名思义，就是在放电电极与放电气体之间插入绝缘介质。所以只能采用交流高压电源来驱动。这样既能够产生足够的等离子密度，又可以避免放电进入电弧放电的状态。主要的应用有臭氧发生器、低温等离子发生器、挥发性有机化合物(VOC)废气处理、材料表面处理等领域。有介质阻挡无介质阻挡csdgdmcsdUCCCUfUCP4负载部分采用了RC-FMA近似法)2arctan(22RCng221)sincos1sin()cos1 (22sin212cosarctancos1sincos1sinarctanRnRe2212|tan2212RnCe定义如下变量：可求得RC-FMA等效参数：A

4、n RC load Model of Parallel and Series-Parallel Resonant DC-DC Converters with Capacitive Output FilterAuthor: Gregory Ivensky etc.dDlCln20圆柱电极电容计算公式：已知绝缘介质的相对介电常数为3.7，根据上面电容的计算公式，代入参数。可以求得放电单元的各电容数据：pFdDl5 .184)2025ln(2 . 010854. 87 . 32ln2c1201外层介质电容pFdDl4 .59)48ln(2 . 010854. 87 . 32ln2c1202内层介质电

5、容pFdDlg15.12)820ln(2 . 010854. 800058. 12ln2c120放电腔电容pFcc93.444 .5915 .18411111c21d总介质电容已知空气的击穿电压强度为3kV/mmV10995410ln43000rrlncsREU可以求得反应器放电起始电压为：已知该反应器共有48个单元并联，电源驱动频率1.6KHz而反应器的放电功率约为1200W，根据求功率公式：1200448csdgdmcsdUcccUfUcP可求得高压变压器次级输出峰值电压应为Um=21.88kV输入电压为直流500V，谐振电压增益暂定为2，那么可以求得变压器的匝比为：88.21500221

6、880NpNs实际经过实验过程的调整，最终变压器的匝比为：n=3200/180=17.78实测变压器的参数如下：初级电感为125mH，初级漏感为536uH，次级绕组分布电容为71.34pF实际测得负载电极对地的附加分布电容Cp为567.5pF未知参数仅剩下Lr与Cs待确定了。先进行RC-FMA近似计算，把拓扑结构简化为最简结构。根据前面的公式和数据，通过RC-FMA近似计算，可得到最简结构拓扑中各原件参数：Lm=125mH，Ctpp=201.9nF，Cdp=681.6nF，Cgpe=201.6nF，Re=254.3，Lr与Cs待求解。事实上，Lr与Cs有很多种组合方案，都是可行的。但是一般Cs

7、的值不能选的太小。否则电容的电压应力很大，容易击穿。在本例中，Cs的取值是10uF，那么只剩下一个未知数Lr，根据每个元件的复阻抗，按照输入输出电压的增益要求，我们可以求出Lr的值，在本例中，最终求得Lr的值为30mH。同时我们还求出，Cs的电压应力为45.7V，这是比较合适的，若Cs峰值电压太高，我们应该增大Cs的数值重新进行计算。Lr的峰值电流为4.6A。H桥的电压相位超前电流相位34.9度，H桥工作于零电压开关状态。仿真波形，兰色为原边电流，橙色为输出电压。实测波形，兰色为原边电流，橙色为输出电压。1，模型的准确性。真实的气体放电过程是非常复杂的，用电压源或TVS的模型来模拟太过简单，误差较大。2，材料参数的准确性。例如尺寸的差异，介电常数的真实值以及温度系数等。3，空气击穿强度的变化，真实的空气击穿电压受很多因素，例如湿度、气压、温度等的影响。4，某些参数是通过实测得到的。其准确性也是需要存疑的。例如在存在分布电容的情况下，LCR表测量变压器的绕组电感量会随着频率变化，那么究竟在哪个点测试的值才是比较接近真实的值？1，介绍