CN102668357B - 使用脉冲电压的高电压施加装置以及相应的高电压施加方法 - Google Patents

Abstract

在使用脉冲电压的高电压施加装置中，经由脉冲变压器(4)向容性负载(1)施加具有上升陡峻的脉冲状峰的脉冲宽度τ₀的高电压，此时，容性负载(1)的电容C₁与脉冲变压器(4)的二次侧漏感L₁之间的关系满足L₁＝(τ₀/π)²×(1/C₁)。由此，能够在经由脉冲变压器向容性负载施加具有脉冲状峰的高电压时，使脉冲状峰增大，且施加任意的脉冲重复频率。

Description

使用脉冲电压的高电压施加装置以及相应的高电压施加方法

技术领域

本发明涉及作为用于臭氧生成等的等离子生成电源使用的、使用脉冲电压的高电压施加装置以及相应的高电压施加方法。 

背景技术

已知有用于臭氧生成等的等离子生成电源装置。作为此种电源装置已知有专利文献1和专利文献2。另一方面，本申请的申请人于2006年12月28日作为高电压施加装置进行了专利文献3所示的申请。 

专利文献1和专利文献2所示的结构为了向容性负载施加高电压，使用譬如被供给与正弦波对应的交变电压的变压器，并构成为对于与该变压器的二次侧连接的容性负载，在该容性负载上连接电感的形式，并向变压器供给交变电压，其中，该交变电压的频率相当于该容性负载与电感的谐振频率。 

与此相对，在专利文献3中，在经由脉冲变压器连接有容性负载的结构的基础上，生成上升陡峻、下降平缓的，譬如三角波形状的高电压，并使用具有预定重复期间的交变脉冲波电压来施加高电压。 

另外，关于该向容性负载施加高电压的高电压施加装置，例如在去除燃烧废气中的氮氧化物(NO_x)和硫氧化物(SO_x)时，考虑了流光放电和辉光放电等的采用低温等离子的方法，在该情况下用作为去除氮氧化物和硫氧化物的手段。 

现有技术文献 

专利文献1：日本特开2005-340185号公报 

专利文献2：日本特开2005-63760号公报 

专利文献3：日本特开2008-167584号公报 

发明内容

发明所要解决的问题 

在专利文献3所公开的结构中，通过使用开关元件作为电源装置，从而经由脉冲变压器施加上升陡峻的三角波电压。但是，虽说是使上升陡峻，但在电路设计上存在极限，波形的上升时间(上升所需的时间)T(rise)如图3中后述，如波形的上升时间T(rise)(图示(a)的期间)为T(rise)＝T(r·delay)+5τ(rise)所给出的，存在电路设计上的延迟，其中，T(r·delay)是PWM开关调压器IC、单触发IC、光耦合器和半导体开关元件SW的上升延迟时间的总和。τ(rise)为容性负载1的等价静电容量C与开关电路、电流限制用电感、脉冲变压器、布线等的合成电阻值Rt所确定的时间常数(由于该时间常数乘以“4.605”时成为峰值的99％的值，因此通过对时间常数乘以“5”，成为达到峰值的时间)。 

本发明的目的在于在所述专利文献3所公开的、施加具有预定期间的脉冲成分的交变电压的结构的基础上，与所述专利文献1和专利文献2所公开的譬如谐振现象无关而产生更高的电压，并向容性负载施加任意的脉冲重复频率。 

解决问题的手段 

图1示出本发明的整体的一个实施例的结构。 

图中的标号1为容性负载，且为进行放电而激励气体生成等离子的介电体阻挡放电反应器(DBD Load)，2为直流电压供给电路，并具有整流电路和平滑电路，3为开关电路，且构成使用多个开关元件SWi的逆变器，4为脉冲变压器。 

另外，开关元件SWi优选使用MOS-FET，也可为IGBT、晶体管等半导体开关元件。 

此外，5为电流检测器，6为放大电路，且取得与检测出的直流电流成分成比例的比例电压成分、以及采用预定的时间常数对该直流电流成分进行积分后的积分电压成分，7为OR电路，用于提取比例电压成分和积分电压成分之中较大的成分。 

另外，8为振荡电路，按照所设定的周期振荡出例如占空比为50％的矩形波，但是，对应所述OR电路7的输出的大小将占空比50％以下的矩形波控制为例如输出25％的矩形波，并进一步在所述OR电路7的输出大到超出极限的情况下，设定为输出占空比0％的矩形波(即，振荡停止)。 

另外，9为短脉冲发生电路，以来自振荡电路8的输出的上升点为基准，生成预定的例如占空比10％的矩形波。此外，10为选通驱动电路，接受短脉冲发生电路9的输出，生成针对所述开关元件SWi的选通控制信号。 

在开关电路3中，从原理上来讲，通过接通开关元件SW1和SW4，从而向脉冲变压器4供给图示的从上方朝向下方的电流，相反，通过接通开关元件SW2和SW3，从而向脉冲变压器4供给图示的从下方朝向上方的电流。即，与所述振荡电路8的振荡频率相对应地向容性负载1施加上升陡峻、下降较缓的正极性三角波和负极性三角波。 

换言之，由于来自短脉冲发生电路9的矩形波的占空比为50％以下的值，因此施加上述的上升陡峻、下降较缓的三角波。 

图1所示的脉冲变压器4的二次侧的电压为所述三角波电压，即具有 

(i)与陡峻的上升相对应的脉冲波成分 

(ii)与平缓的下降相对应的减衰波成分 

的交变电压，且把该交变电压施加到容性负载1。 

此时，假设容性负载1的电容为C₁时，在本发明中把脉冲变压器4的二次侧漏感L₁与脉冲波成分的脉冲宽度τ₀的关系设定为满足下式的值。 

L₁＝(τ₀/π)²×(1/C₁)......(1) 

也就是说，通过容性负载1的电容C₁，与脉冲的重复周期无关地按照所述脉冲宽度τ₀选定脉冲变压器4的二次侧漏感，或者由脉冲变压器4的二次侧漏感确定脉冲宽度τ₀。 

发明的效果 

在本发明中，能够在生成作为上升陡峻的三角波电压而得到的、脉冲宽度τ₀的脉冲重复周期的交变电压的基础上，在该交变电压中的最大功率效率和输出电压为任意重复周期的情况下，向容性负载施加高电压，其结果是，能够以较少的投入功率去除例如废气中的氮氧化物和硫氧化物。此外，能够实现向容性负载供给高电压的变压器的小型化、轻量化以及低成本。 

附图说明

图1示出本发明的整体的一个实施例的结构。(第一实施例) 

图2示出各部的波形图。(第一实施例) 

图3示出通过使开关元件接通/断开的定时向容性负载施加的高电压波形。(第一实施例) 

图4示出关于图1所示的放大电路和OR电路的原理结构图。(第一实施例) 

图5是用于说明振荡电路输出的矩形波的占空比的图。(第一实施例) 

图6是选择脉冲变压器的二次侧漏感H来测量脉冲变压器输出电压峰值kVpp并标绘成曲线的图。(第一实施例) 

图7是示出在选择了具有与图6中的点①对应的值的脉冲变压器的二次侧漏感的情况下的、施加到图1所示的容性负载1的电压波形的图。(第一实施例) 

图8是示出在选择了具有与图6中的点③对应的值的脉冲变压器的二次侧漏感的情况下的、施加到图1所示的容性负载1的电压波形的图。(第一实施例) 

图9是示出在选择了具有与图6中的点④对应的值的脉冲变压器的二次侧漏感的情况下的、施加到图1所示的容性负载1的电压波形的图。(第一实施例) 

标号说明 

1：容性负载；2：直流电压供给电路；3：开关电路；4：脉冲变压器；5：电流检测器；6：放大电路；7：OR电路；8：振荡电路；9：短脉冲发生电路；10：选通驱动电路。 

具体实施方式

以下根据附图说明本发明的实施例。 

实施例1 

本发明的高电压施加装置具有图1所示的结构，图2示出了各部的波形图。 

①、②：振荡电路8振荡出相位错开的2个矩形波。虽然图示的“振荡电路输出信号1”和“振荡电路输出信号2”之间实际上存在预定的“同时断开期间”，但是，在本说明书中为了简便起见将该情况也称作占空比50％的矩形波。 

③、④：短脉冲发生电路9与图示的“振荡电路输出信号1”和“振荡电路输出信号2”各自的上升定时相对应地生成上升的短脉冲。即，生成图示的“短脉冲发生电路输出信号1”和“短脉冲发生电路输出信号2”。 

⑤、⑥、⑦、⑧：施加到开关元件SW1至SW4的选通信号根据“短脉冲发生电路输出信号1”和“短脉冲发生电路输出信号2”变为如图所示。 

⑨：经由脉冲变压器4对容性负载施加上升陡峻、下降平缓的正极性和负极性的三角波。 

图3示出通过使开关元件接通/断开的定时向容性负载施加的高电压波形。 

例如，设开关元件SW1和SW4接通的定时为图示(a)的起点的时刻，且断开的定时是图示(b)的终点的时刻，则图3所示的波形的上升时间T(rise)(图示(a)的期间)由下式给出： 

T(rise)＝T(r·delay)+5τ(rise) 

其中，T(r·delay)为PWM开关调压器IC、单触发IC、光耦合器和半导体开关元件SW的上升延迟时间的总和。 

τ(rise)为由容性负载1的等价静电容量C与开关电路、脉冲变压器、布线等的合成电阻值Rt确定的时间常数(该时间常数乘以“4.605”时成为峰值的99％的值，因此通过对时间常数乘以“5”，成为达到峰值的时间)。 

此外，峰值电压维持时间T(peak)(图示(b)的期间)为： 

T(peak)＝T(on)-T(rise) 

其中，T(on)是由短脉冲发生电路设定的脉冲宽度(另外，将T(on)设定为T(peak)与T(rise)之和小于后述的下降时间T(fall))。 

此外，设开关元件SW1和SW4断开的定时为图示(c)的起点的时刻时，图3所示的波形的下降时间T(fall)(图示(c)的期间)为： 

T(fall)＝T(f·delay)+5τ(fall) 

其中，T(f·delay)为PWM开关调压器IC、单触发IC、光耦合器和半导体开关元件SW的下降延迟时间的总和。 

τ(fall)为由容性负载1的等价静电容量C与容性负载1的电阻RB确定的时间常数(此时也通过乘以“5”，成为达到零电平的时间)。 

图4示出关于图1所示的放大电路和OR电路的原理结构图。图中的标号6、7与图1对应，6-10和6-11表示放大器，6-20表示具有CR电路的时间常数电路且与积分电路部对应，6-21表示具有电阻电路的比例电路部，7-10和7-11表示二极管，7-2表示分压电路。 

供给到放大电路6的、通过电流检测器5检测出的直流电流成分经由比例电路部6-21输入到放大器6-11，并作为比例电压成分输出。此外，该检测出的直流电流成分经由积分电路部6-20输入到放大器6-10，并作为积分电压成分输出。 

两者的电压成分输入到由二极管7-10、7-11和分压电路7-2构成的OR电路7， 如众所周知地，选择具有任意一个较大值的成分，进行分压并输出。该分压后的输出供给到图1所示的振荡电路8。 

如上所述，上升陡峻的高电压施加到容性负载1时，向该容性负载1流入较大的突发电流。以与该突发电流对应的形式，图1所示的电流检测器5输出的直流电流成分也瞬间变大，但突发电流终将减小，该直流电流成分也随着变小。其结果是，即便在与突发电流对应的比例电压成分与积分电压成分被供给到OR电路7的情况下，来自图4所示的分压电路7-2的输出也成为譬如峰值一时增大的电压。 

与此相对，假设在容性负载1中产生短路的情况下，伴随该短路的短路电流充分变大且在时间上持续。由此，在电流检测器5检测到的与该短路电流对应的直流电流成分的情况下，来自OR电路7中的分压电路7-2的输出变成超过预定电平而持续的电压。 

图5是用于说明振荡电路输出的矩形波的占空比的图。 

在后面对振荡电路8(图1所示)的结构和振荡电路8输出的矩形波的振荡频率进行描述，如图5的左侧所示，通过振荡电路8振荡出的矩形波的占空比在从所述OR电路7供给的电压为图示v₁以下的情况下，变为占空比50％，在从OR电路7供给的电压为v₂或者v₂以上的情况下，变为占空比0％(即，振荡停止)，在从OR电路7供给的电压超过图示v₁且小于v₂的情况下，变为占空比25％。 

如前所述，在流入容性负载1的突发电流的情况下，来自OR电路7的输出如图5的左侧中作为“突发电流部分”所示地，也存在瞬间超过上述电压v₁的情况，但是，不会达到电压v₂(设计成不会达到)，而在发生短路的情况下，如图5的左侧中示为“短路电流部分”那样，来自OR电路7的输出会超过电压v₂。 

由此，在图1所示结构的情况下，产生短路时，振荡电路8停止振荡(即，占空比为0％)，另一方面，即便突发电流少许变大，振荡电路8也只是把占空比50％的矩形波暂时变为占空比25％的矩形波而继续振荡。 

如前所述，根据来自振荡电路8的输出，由于短脉冲发生电路9生成具有预定的占空比的短脉冲，因此，即便如前所述地振荡电路8的占空比从50％变为25％，供给到图示的选通驱动电路10的脉冲波的占空比也不会变化。但是，在发生短路时，振荡电路8停止振荡，短脉冲发生电路9也不再生成短脉冲，其结果是，开关电路3中的开关元件SW1至SW4的接通/断开动作停止。 

在本发明中，设容性负载1的电容为C₁时，脉冲变压器4的二次侧漏感L₁根据脉冲波成分的脉冲宽度τ₀成为L₁＝(τ₀/π)²×(1/C₁)的值。 

也就是说，通过容性负载1的电容C₁，与脉冲的重复周期无关地，按照所述脉冲宽度τ₀来选定脉冲变压器4的二次侧漏感。 

另外，本申请所说的“脉冲变压器4的二次侧漏感L₁”是指包含脉冲变压器4的二次侧的引线和在该二次侧附加插入的电感元件(未图示)的“等价电感”。 

此外，设容性负载1的电容为C₁，如果脉冲变压器4中的二次侧漏感为L₁，则调整短脉冲发生电路9，以使脉冲波成分的脉冲宽度τ₀为 

进一步说，如后述的图8所示，假设脉冲宽度τ₀＝10μs，负载的电容C₁＝200pF时，高电压脉冲变压器的二次侧漏感L₁的值为 

L₁＝(τ₀/π)²×(1/C₁) 

＝0.0507H 

＝50.7mH。 

图6是选择脉冲变压器的二次侧漏感H，并测量脉冲变压器输出电压峰值kVpp后标绘成曲线的图。 

图6中的曲线是平滑地连结所述标绘点的线。 

图7至图9是分别示出了在选择具有与图6中的点①、③、④对应的值的脉冲变压器的二次侧漏感的情况下的、施加到图1所示的容性负载1的电压波形的图。 

在图7中示出了在减小的方向上偏离了对应于图6所示虚线的被认为是最佳的脉冲变压器二次侧漏感时的波形。作为图2所示的“⑨DBD负载输出”示出的波形在现实中变成图7所示的波形而被观测到。 

在图8中示出了比较接近对应于图6所示虚线的被认为是最佳的脉冲变压器二次侧漏感时的波形。 

在图9中示出了在增大的方向上偏离了对应于图6所示虚线的被认为是最佳的脉冲变压器二次侧漏感时的波形。 

本申请的权利要求1所述的“所述脉冲变压器的二次侧漏感的值被确定为，使得由所述脉冲变压器的二次侧漏感和所述容性负载的电容产生的振荡电压的半周期成为与接通/断开所述开关元件的该接通期间的脉冲宽度对应的值”的表述中的“对应的值”是指把脉冲变压器的二次侧漏感选定为图6所示的点①到点④的范围内。选定 为该点①或点④时，输出将该电感选定为最佳值时得到的“变压器输出电压kVpp”的值的大致一半的值。 

如上所说明地，在本发明中，由脉冲变压器的二次侧漏感和容性负载的电容产生的振荡波不是与作为图2所示的“⑨DBD负载输出”示出的整个三角波状波形的重复周期共振的形式，优选设计为具有与该三角波状波形中的先头的脉冲状成分的脉冲宽度τ₀相应的半周期。因此，如图6至图9所示，施加到容性负载1的电压的峰值大幅增大。 

另外，在本发明的情况下，即便在使施加到容性负载1的正峰和负峰的重复周期变化的情况下，也不需要使上述L₁＝(τ₀/π)²×(1/C₁)中给出的条件变化。即，即便任意地改变脉冲重复周期，也可施加高峰值电压。 

这表示与图1相关地说明的、与直流电流成分的大小相对应地改变占空比的结构不会带来所不期望的影响。 

不用说，在上述专利文献1和专利文献2所示的内容中，该专利文献1和专利文献2中的电路上产生的由电容和电感产生的谐振频率的周期与施加到容性负载1的正峰和负峰的重复周期一一对应。 

Claims (3)

1.一种使用脉冲电压的高电压施加装置，该高电压施加装置向容性负载施加上升陡峻的高电压，并且具有经由脉冲变压器向容性负载供给上升陡峻的脉冲波的开关电路，其特征在于，

所述开关电路具有通过选通控制而被接通/断开的多个开关元件，

所述高电压施加装置具有振荡电路，该振荡电路能够生成预定的占空比α％、占空比0％、以及从该占空比α％到占空比0％之间的至少中间的占空比β(α＞β＞0)％的信号，

所述高电压施加装置构成为，与来自该振荡电路的矩形波的输出的上升相对应地生成仅在预定的期间产生接通电压的短脉冲，并根据该短脉冲对所述开关元件进行选通控制，同时，所述开关电路的输出端经由脉冲变压器向所述容性负载施加电压，

所述脉冲变压器的二次侧漏感的值被确定为，使得由所述脉冲变压器的二次侧漏感和所述容性负载的电容产生的振荡电压的半周期成为与接通/断开所述开关元件的该接通期间的脉冲宽度对应的值，

给定满足下式的脉冲变压器的二次侧漏感L₁和脉冲波的脉冲宽度τ₀的值，

L₁＝(τ₀/π)²×(1/C₁)

其中，C₁为容性负载的电容。

2.根据权利要求1所述的使用脉冲电压的高电压施加装置，其特征在于，

所述振荡电路能够与如下电压成分的大小相对应地，取预定的占空比α％、占空比0％、以及从该占空比α％到占空比0％之间的至少中间的占空比β(α＞β＞0)％，其中，所述电压成分为关于流入所述开关电路的直流电流成分的、与该直流电流成分成比例的比例电压成分，和按照预定时间常数对该直流电压成分进行积分而得到的积分电压成分中任意一个较大的电压成分。

3.一种使用脉冲电压的高电压施加方法，该方法向容性负载施加上升陡峻的高电压，为了使用脉冲电压，该方法通过下述装置来施加高电压：

该装置经由脉冲变压器供给上升陡峻的脉冲波，

该装置采用了具有通过选通控制而被接通/断开的多个开关元件的开关电路；以及振荡电路，其能够生成预定的占空比α％、占空比0％、以及从该占空比α％到占空比0％之间的至少中间的占空比β(α＞β＞0)％的信号，

与来自该振荡电路的矩形波的输出的上升相对应地生成仅在预定的期间产生接通电压的短脉冲，并根据该短脉冲对所述开关元件进行选通控制，同时，所述开关电路的输出端经由脉冲变压器向所述容性负载施加脉冲电压，

其特征在于，

给定满足下式的脉冲变压器的二次侧漏感L₁和脉冲波的脉冲宽度τ₀的值，

L₁＝(τ₀/π)²×(1/C₁)

其中，C₁为容性负载的电容。