介质阻挡强电离放电用的逆变电源的研究与制造-瑞达国际集团

　　介质阻挡强电离放电用的逆变电源的研究与制造

　　介质阻挡强电离放电技术是等离子体应用技术中新兴的一个重要方面。它利用冶贴等方法在气体放电间隙的两侧或一侧覆盖上一层很薄的电介质层，当在两极间施加一定频率的高压交流电时，间隙内的气体就会被电离，形成强烈的气体放电，从而产生高浓度的等离子体。间隙内气体的放电强度是一个与频率、电压、材料及结构有关的量。受大功率变频器件及技术的限制，传统的用于介质阻挡放电的电源装置只能采用两种方式实现：一是利用变压器将工频交流电直接升压到所需电压;二是利用晶闸管等器件将工频交流电调制成相对较高频率的交流电。采用这两种方式供电，尽管在放电装置的两极间能够施加很高的电压，且采用晶闸管或GTR等器件的逆变电源也使放电装置工作频率有所提高，但仍然满足不了高性能气体放电的需要，放基金项目：国家自然基金资助项目(69871002)程师，研究方向为电力电子技术在等离子体工程中的应用。

　　电间隙内的气体放电不够强烈。放电装置及逆变电源装置的体积庞大，逆变电源的结构复杂且不稳定，满足不了实际应用的需要，限制了介质阻挡强电离放电这一应用技术的发展。

　　IGBT等高频大功率电力电子器件的出现以及相关变频技术的发展，为介质阻挡强电离放电这一新兴技术的发展提供了可靠的前提及保证。我们知道，IGBT是MOSFET和GTR的复合器件，具有MOSEFT和GTR的双重优点。将IGBT应用于介质阻挡强电离放电的逆变电源中，不仅使介质阻挡放电装置的性能成倍提高，同时也使放电装置及电源装置的体积成倍减少，逆变电源进一步简化，使介质阻挡强电离放电技术的应用范围越来越广阔。

　　2介质阻挡放电的等效电路介质阻挡放电的原理结构如a所示，1为高压电极;为电介质层;3为放电间隙;4为接地电极;5为供电电源。由物理结构分析，介质阻挡放电实际上是由放电电极、电介质层、放电气隙构成的有损耗的电容器，对供电电源来说可等效为阻容性负载。b为介质阻挡放电的等效电路图。其中Cg为放电气隙的电容量;Rg为放电间隙等效电阻，它随电极间施加的电压变化而变化，具有很强的非线性;Cs为电介质的电容量。电介质层的插入，有效地抑制了放电电流的无限制增大，阻止了放电间隙产生火花放电或弧光放电，使间隙内形成的气体放电更加强烈，并因此增加了一些新的特点：①介质阻挡放电装置具有较高的初始电压和工作电压。当在介质阻挡放电装置的两电极间施加的电压低于初始电压时，间隙内不会形成气体放电，通过负载的电流很小。当间隙内的电压高于放电间隙的初始电压时，间隙内开始发生气体放电，放电的强度与这一电压成正比，电压越高放电越强烈;②要实现介质阻挡强电离放电，供电电源必须具有较高的工作频率，介质阻挡放电的强度与电源电压的频率成正比。电极两端所施加的电压频率越高、间隙内气体放电越强烈，同时介质的损耗越大，发热越严重;③为了达到最佳的放电效果，介质阻挡放电装置中的电介质层一般制造得很薄，所施加的电压常常工作在接近临界击穿电压值处，放电装置的过电压能力很低;④介质阻挡放电装置属于阻容性负载，电路工作时可能会与变压器及电路的漏感形成LC振荡，从而使负载两端形成过电压，特别是在启动时更容易形成谐振过电压，危及放电装置及电源自身的安全，因此电路的设计必须保证施加到负载上的电压能够快速地越过起始电压，又不会形成过电压。

　　3介质阻挡放电用IGBT逆变电源的基本结构按照介质阻挡放电技术要求设计的IGBT逆变电源的框图如所示。三相交流电经EMC滤波后由整流滤波电路整流成平滑直流电。IGBT全桥逆变器将这一直流电转换成占空比在一定范围内均匀可调的单相交流电，再经过高频高压变压器升压后输出给介质阻挡放电装置。系统的所有调节都是通过IGBT全桥逆变器实现的。电源系统中采用EMC滤波电路的目的是为了有效地抑制逆变电路及高频高压气体放电产生的电磁噪声和传导噪声，从而防止逆变电源及高频高压气体放电对市电网络、电源系统本身以及周围的其他仪器设备产生干扰。系统中整流滤波部分采用三相全桥不可控整流及LC滤波，可使电路简化，成本降低。IGBT逆变器采用全桥PWM技米既满足了介质阻挡放电技术的要求，又使逆变电源系统结构简化。高频高压变压器采用的是适合于高频工作的铁氧体磁芯，绕组绕制时尽量采用绝缘性能好且较薄的绝缘材料，同时将线圈匝数小的一次线圈绕在二次线圈中间，减少漏感。

　　4控制电路控制电路是介质阻挡放电电源系统中十分重要的一个方面。介质阻挡放电的所有功能都是由控制电路控制IGBT逆变器实现的。该电源的控制电路是由信号检测电路、PWM控制电路、驱动及保护电路等几个部分组成的。

　　4.1信号检测该电源中设置了输入电压信号检测、IGBT过流信号检测、输出电压信号检测、负载电流信号检测等。输入电压信号是由辅助变压器获取的;IGBT过流检测是通过二极管由IGBT的源极获取的;输出电压检测是通过电压分压器获取的;负载电流检测是将一个测量电容器C串联到介质阻挡放电装置的低压端(见)获取的。因为：出)，又因为：C检测电容的电容量由此可以看出只要检测出电容器上的电压，就可以知道流过负载上的电流。采用测量电容器以测量负载电流的目的：一方面，介质阻挡放电装置本身就是一个电容性负载，利用测量电容检测负载电流在保证测量精度的同时会使电路简化;另一方面，它不会引起电路的损耗。

　　42PWM控制电路PWM控制电路采用的核心部件是SG3524脉宽调制组件。如所示，系统软启动电路是由运放构成的加法器及积分器组成的，连接到SG3524的9脚。系统上电时，由软启动电路控制SG3524的9脚电平使输出电压刚好处于放电的初始电压处并保持一段时间，然后由积分器按一定斜率逐渐提高9脚电平使输出电压上升到放电电压的设定值。这样就避免了启动时对负载造成冲击。输出电压的稳定是由SG3524的误差放大器(1、2脚)及外围电路实现的。当电源系统发生过压、过流、过载、欠压等故障时，经信号处理电路处理后由触发器向SG3524的10脚发出高电平并锁定输出电压20ms，之后重复软启动过程。如果故障现象在一定时间内持续存在，则完全中断电源输出并发出故障报警。

　　输出的PWM调制波可直接驱动隔离光耦。

　　PWM控制电路4.3驱动电路的改进EXB841是日本富士公司生产的IGBT专用驱动模块，由于结构和使用的原因常常出现一些问题因此在应用中对驱动电路进行了一些改进：①EXB841驱动模块是采用单+20V电源供电的，负偏电压是利用5V稳压管来形成的，因其功率很小，不能很好地抑制栅极电压的波动，容易造成IGBT的损坏。因此在电路外部并接了一个功率为1W的6V稳压管，同时将电源电压略微提高。这样就有效地防止了驱动模块的损坏，同时也能更可靠地驱动和关断IGBT;②EXB841驱动电路的过流检测引出端与IGBT漏极间串接的快恢复整流二极管对IGBT的过流保护有很重要的影响，一般要求正向导通压降为3V.但在国内市场能够买到的快恢5结论采用IGBT及PWM脉宽调制技术设计的逆变电源在介质阻挡放电技术中已经获得成功的应用。实践证明，该逆变电源系统的设计完全满足了介质阻挡放电技术的需要。该电源不但电路结构简单体积成倍减小，性能稳定可靠，而且使应用该电源的介质阻挡放电装置的体积大大减少，性能却大幅度提高。输出功率为20kW，工作频率为20kHz的电源装置在高产量、高浓度臭氧发生装置中的应用结果表明：电源装置的体积只有原来的五分之一，臭氧发生装置的体积只有原来的六分之一，在相同产量条件下，O3的浓度增加了数倍，最高浓度可达200g/m3，同时也减少了原料气的消耗。逆变电源所带来的问题是频率的提高使放电装置的能耗有所增加，效率有所下降。下一步的研制目标是改进控制方式，在保持臭氧发生装置高浓度、高产量的同时设法提高装置的效率。