DBD电源设计与负载等效模型的研究

摘要

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)称为无声放电，它是将绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电。应用中只要在放电电极上施加交流高电压，极板间的气体被击穿形成放电，从而在大气压下产生低温等离子体。目前，DBD已被应用于准分子灯、臭氧发生器、在环境工程、材料表面改性和农业育种等领域也有良好的应用前景。
　　近年来，随着电力电子技术的发展，DBD电源已由传统的工频升压电源和中低频逆变电源发展到具有更高效率，更高功率的高频逆变电源。高频逆变电源可以减小系统体积，提高能量密度。本文将依据宽气隙负载设计高频高压逆变电源并研究宽气隙条件下的等效模型和负载特性。本文的主要研究内容如下:
　　1、DBD电源主体结构设计。详细对比串联谐振和并联谐振的优缺点并依据实验条件选择串联拓扑结构;从负载工作模式出发，选择弱感性或者谐振模式;从调功方式出发，选择PWM脉冲宽度调制的调功方式。
　　2、DBD样机进行硬件设计及参数选择。主要介绍了整流滤波电路的参数选择，全桥逆变电路的设计，隔直电容的选择，高频变压器的选取与设计，控制部分的PWM脉冲控制电路和频率跟踪电路的设计。
　　3、负载的参数测量与等效模型的建立。该部分主要利用Lissajous图形法获取稳态时的放电负载参数，等效电容与等效电阻等电学参数。研究结果表明，稳态工作时的放电负载可等效为电容电阻相串联的等效模型，并依据负载模型对负载特性进行分析。
　　4、等效模型的研究。从等效模型的原理出发，分析了气隙电容电阻对负载特性的影响，通过matlab进行仿真，得到气隙电阻对负载特性的影响，并为负载特性研究提供新的思路。
　　最后设计了一款放电功率为2kW，谐振频率约为40kHz的DBD电源样机。并研究了不同放电条件下的负载特性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 等离子体的概念

1．2 介质阻挡放电的背景与应用

1．3 介质阻挡放电的原理概述

1．3．1 介质阻挡放电结构

1．3．2 介质阻挡放电的工作原理

1．3．3 介质阻挡放电的等效电路

1．3．4 介质阻挡放电的等效参数

1．4 介质阻挡电源现状

1．4．1 工频升压电源

1．4．2 中高频DBD电源

1．4．3 DBD电源的发展趋势

1．5 课题的主要研究内容

2 介质阻挡放电电源的主体结构

2．1 介质阻挡放电的主电路

2．1．1 介质阻挡放电的主电路框图

2．1．2 介质阻挡放电电源各电路简介

2．2 串联谐振和并联谐振的分析对比

2．2．1 串联谐振电源分析

2．2．2 并联谐振电源分析

2．3 逆变电路工作模式

2．3．1 串联谐振逆变器工作过程

2．3．2 串联谐振下的三种工作方式

2．4 介质阻挡电路的调功方式

2．4．1 脉冲频率调功(PFM)

2．4．2 脉冲密度调功(PDM)

2．4．3 脉冲宽度调制(PWM)

2．5 本章小结

3 DBD电源设计与参数选择

3．1 DBD电源整机结构和设计指标

3．2 整流滤波电路

3．2．1 整流桥的参数计算

3．2．2 滤波电容选择

3．3 全桥逆变电路的设计

3．3．1 功率开关管的选择

3．3．2 MOSFET电路的参数计算

3．4 隔直电容的选择

3．5 高频变压器的设计

3．5．1 变压器的磁芯

3．5．2 变压器匝数计算

3．5．3 变压器绕线线径计算

3．5．4 变压器窗口面积核定

3．5．5 变压器的损耗

3．6 PWM功率调节电路

3．7 频率跟踪电路设计

3．8 本章小结

4 DBD实验与参数分析

4．1 DBD等效模型的现状与简介

4．2 DBD等效参数计算

4．2．1 负载放电功率计算

4．2．2 负载电容计算

4．3 Lissajous实验

4．4 不同功率下的Lissajous图形

4．5 气隙宽度和击穿电压的影响

4．6 回路电流与输入电压关系

4．7 连续性负载等效模型建立

4．7．1 模型中等效电阻计算

4．7．2 等效电阻变化关系

4．7．3 等效电阻的误差分析

4．7．4 模型等效电容计算

4．7．5 等效电容随放电电压变化关系

4．7．6 影响等效电容的因素

4．8 谐振频率与放电电压关系

4．9 小结

5 DBD等效模型进一步探究

5．1 DBD负载的模型结构

5．2 放电负载的等效阻抗

5．3 气隙电阻对负载等效电阻的影响

5．4 气隙电阻对负载容抗的影响

5．5 气隙电阻对负载阻抗的影响

5．6 本章小结

6 总结展望

6．1 全文总结归纳

6．2 未来展望

参考文献

附录

个人简介及硕士期间发表论文

致谢