用于介质阻挡放电的串联谐振电源的研究

摘要

利用介质阻挡放电的方法在大气压下产生低温等离子体，是当前等离子体学科研究的热点，因此用于介质阻挡放电的高频高压脉冲电源成为研究的重点。 本课题以串联谐振型高频脉冲电源为研究对象，采用容性移相PWM控制和频率跟踪技术，设计出适合于介质阻挡放电负载的高频高压电源，解决了电源在高频率下功率因数低、开关应力大的问题。利用电源专用的数字信号控制芯片dsPIC30F2020实现了数字化控制系统的设计，并对影响介质阻挡放电的因素进行了试验研究。本文的主要工作内容为： 1.通过对介质阻挡放电负载特性分析的基础上，选择串联谐振电路作为主电路，采用移相PWM和频率跟踪的控制方案。重点比较了基于电流频率跟踪的移相PWM控制下的三种工作方式即感性、容性和谐振状态下电路的负载特性和换流过程，得到容性移相PWM控制适合于使用IGBT为开关器件的串联谐振电路，易于实现软开关技术。在频率跟踪环节选择上，对比传统的模拟锁相环技术，提出采用数字化的频率跟踪技术，并设计了基于数字控制芯片的频率跟踪方案。 2.在理论分析的基础上，设计了介质阻挡供电电源的主电路参数，重点研究了容性移相PWM控制策略和电流频率跟踪的数字化实现，并设计了基于dsPIC30F2020的电流频率跟踪的容性移相PWM控制的数字化控制系统，包括电压电流采样电路、电流过零采样电路、发生器端电压PID控制等环节。通过对电流的频率跟踪，结合发生器端电压的PID闭环控制，实现了容性移相PWM控制策略和功率调节。 3.在实验室组建了介质阻挡放电实验系统，研究了施加电压幅值、气隙距离、阻挡介质的厚度和介电常数、添加筛网、电极的结构等因素对DBD放电特性的影响，结果表明，DBD的放电功率随施加电压幅值和介质的介电常数的增加而增加，随气隙距离和介质厚度的增加而减小。在阻挡介质与电极间添加金属筛网能使放电更均匀，针-板电极比板-板电极在同样条件下能使放电更稳定。

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第一章绪论

1.1等离子体与气体放电

1.2介质阻挡放电

1.2.1介质阻挡放电的物理机理及特点

1.2.2介质阻挡放电的等效电路及负载特性分析

1.2.3介质阻挡放电参数的测量

1.3国内外供电电源的研究状况

1.4介质阻挡供电电源的发展趋势

1.5课题研究的意义和主要内容

第二章DBD供电电源主电路拓扑和控制策略

2.1主电路拓扑结构分析

2.1.1串联谐振逆变器分析

2.1.2并联谐振逆变器分析

2.1.3串并联谐振逆变器比较

2.1.4串联谐振电路负载特性分析

2.2串联谐振DBD电源调功控制方式分析

2.2.1直流调功

2.2.2逆变调功

2.3移相脉冲宽度调制方式

2.3.1容性移相PWM方式

2.3.2感性移相PWM方式

2.3.4谐振式PWM方式

2.4频率跟踪技术

2.4.1模拟锁相技术

2.4.2数字锁相技术及其实现

2.5本章小结

第三章主电路及控制电路的设计

3.1主电路基本结构

3.1.1主电路的参数设计

3.2电源控制系统的结构

3.2.1电源控制系统的硬件设计

3.2.2电源控制系统的软件设计

3.4本章小结

第四章影响介质阻挡放电特性的实验研究

4.1试验装置

4.2电压幅值的影响

4.3间隙距离对DBD影响

4.4介质材料对放电的影响

4.5阻挡材料的厚度对放电的影响

4.6筛网对放电的影响

4.7极板结构对放电的影响

第五章结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文