CN103457481A

CN103457481A - 一种驱动dbd等离子体源组的分配式高频高压电源装置

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Publication number: CN103457481A
Application number: CN2013104192970A
Authority: CN
Inventors: 田一平; 张芝涛; 俞哲; 杨海东; 李日红; 徐书婧
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2013-09-15
Filing date: 2013-09-15
Publication date: 2013-12-18

Abstract

一种驱动DBD等离子体源组的分配式高频高压电源装置，属于特种电源设备与气体放电高级氧化技术应用技术领域。该装置通过采用全桥式IGBT功率变换技术或半桥式IGBT功率变换技术设计IGBT高频功率变换控制器，将5～20kHz的高频电能输入到功率输出汇流母线，再通过配置数个至数百个高阻抗小型高频高压变压器，获得数个至数百个各自独立的高频高电压功率输出，以此构成一种分配式高频高压电源装置，用以驱动不同组成类型和放电功率的大气压DBD等离子体源组，以此提升大气压DBD放电系统的固有谐振频率，提升大气压DBD放电等离子体的化学反应效能，为高级氧化技术规模化应用提供新的技术装置。

Description

一种驱动DBD等离子体源组的分配式高频高压电源装置

技术领域

本发明属于特种电源设备与气体放电高级氧化技术应用技术领域，涉及一种高频高电压发生装置，尤其是一种驱动DBD等离子体源组的分配式高频高压电源装置。

背景技术

近年来，高级氧化技术在远洋船舶压载水处理、海洋赤潮灾害防治、饮用水净化、污水处理、化学氧化工程等领域的应用研究取得了卓有成效的进展。高级氧化技术的核心是羟自由基（·OH）的高效制备，而由活性氧粒子（如O₃、¹O₂、O、

H₂O₂等等）主导的高级氧化技术工艺最具工程可实现性。因此，规模、高效、高浓度地产生活性氧粒子成为高级氧化技术工程化应用的至关重要的技术和装备基础。

大气压介质阻挡放电是目前工业化生产活性氧粒子最为有效的方法。所谓的介质阻挡放电实际上就是将电介质绝缘材料插入放电空间的一种气体放电，电介质层可以覆盖在电极上，也可以悬挂在放电空间里。当在电极间施加一定频率、一定幅值的交流高电压时，电极间的气体就会被击穿而产生放电等离子体，进而通过氧等离子体化学反应产生活性氧粒子。介质阻挡放电主要有同轴圆管式和平行板式两种基本结构，但无论哪种结构，都可以看成是由放电电极、电介质层和放电气隙构成的电容器。因此，对于驱动电源来说，DBD等离子体源属于由放电电阻和电介质层串联组成的阻容性负载，该负载在正常工作状态下必然存在一个等效电容C，该电容能够和驱动电源中的高压变压器的漏感L_s产生谐振，其固有谐振频率为

该谐振频率严重地制约着DBD等离子体源性能的发挥。

对于工业化应用的同轴圆管式DBD等离子体源，通常是将十至数百根1～1.5m长的放电管并联装入同一冷却罐内，这种结构形成的等效电容相当大，一般仅能由一台高压电源驱动，放电系统谐振频率相当低，该放电系统仅能工作在50Hz～数百Hz的中低频范围内，加之不同放电管结构参数存在差异，实际的放电效能很低，难以满足高级氧化技术应用的需求。

近年来，平行板式DBD等离子体源及其应用技术取得了较大的发展。由于平行板式DBD可以设计成单元模块化结构，因此可以通过单元模块串联和并联的组合构成多种形式的大气压DBD等离子体源组，进而实现对大气压DBD等离子体源组中每一个单元模块的独立驱动，放电系统的谐振频率不再由系统大功率驱动变压器具有的较大漏感和放电管并联组合形成的较大等效电容决定，而是由小功率驱动变压器具有的很小漏感L_s和单元模块很小的等效电容C决定，大气压平行板式DBD等离子体源构成的放电系统的谐振频率得以大幅度提升，解决了放电单元结构参数差异引起的放电效能下降的问题，使每一单元模块均能处于优化的工作模式下。这样，不仅提高了大气压平行板式DBD等离子体源组整体的氧等离子体化学反应效能，还增加了大气压平行板式DBD等离子体源组应用的方便性和灵活性。

然而，对大气压平行板式DBD等离子体源组中的单元模块采用独立电源驱动虽然能大幅度提升单元模块的工作效能，但势必也会增加放电系统的复杂性，造成放电装置成本上升。大连海事大学发明了一种分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置（专利号ZL201110278484.2），为解决这一问题提供了一种新的方法和思路。但该装置仍然存在一些问题：①小型高频高压变压器与大气压平板式介质阻挡放电反应器结合一体，没有形成独立的高频高压电源装置，限制了在其它类型的DBD等离子体源组中的应用，应用范围过窄，缺乏通用性；②控制系统中没有设计软启动电路，工作时会造成系统启动冲击电流过大，影响装置的可靠性和安全性；③功率变换仅采用全桥逆变技术，对中小功率的电源装置来说成本较高；④小型高频高压变压器需加装快速熔断器限制故障过流；⑤放电电流传感器设置在小型高频高压变压器二次侧，电流取样信号过小，影响电源控制系统的可靠性。

基于大气压平行板式DBD等离子体源组规模化应用对驱动电源的特殊需求，采用全桥式功率变换技术和半桥式功率变换技术设计高频功率变换控制器，通过高频功率变换控制器的功率输出汇流母线，连接数个至数百个高阻抗小型高频高压变压器，以获得数十至数百个各自独立的高频高电压功率输出，依此构成一种分配式高频高压电源装置，用以驱动不同组成类型的大气压DBD等离子体源组，以此提升大气压DBD放电系统的固有谐振频率，提升大气压DBD放电等离子体的化学反应效能，为高级氧化技术应用提供新的技术装置。

发明内容

本发明克服了现有驱动大气压DBD等离子体源组的高电压发生装置的不足和缺陷，提供一种驱动DBD等离子体源组的分配式高频高压电源装置。本发明是在常规IGBT全桥式功率变换技术和半桥式功率变换技术的基础上，通过设置高频功率变换控制器功率输出汇流母线，配置数个至数百个高阻抗小型高频高压变压器，构成一种可以驱动不同组成类型大气压DBD等离子体源组的分配式高频高压电源装置，以提升大气压DBD等离子体源组的等离子体化学反应效能。

本发明的技术方案是：

一种驱动DBD等离子体源组的分配式高频高压电源装置，该高频高压电源装置包括动力电接入端子、EMC电磁兼容电路、三相全桥整流电路、启动限流电阻、可控硅模块、可控硅模块触发电路、电容储能滤波电路、IGBT高频功率变换电路、功率输出汇流母线、功率继电器、电流传感器、小型高频高压变压器、PWM微机控制器、IGBT驱动电路、辅助电源、控制键操作盘、控制参数显示仪表、可控硅模块触发控制信号输出接口、可控硅模块触发控制信号输入接口、放电电流信号输入接口。

其中，动力电接入端子用于将AC380V/50Hz动力电接入到分配式高频高压电源装置。在高频高压电源装置内，来自于动力电接入端子的AC380V/50Hz动力电被接入到EMC电磁兼容电路的输入端。EMC电磁兼容电路用来抑制和消除高频高压电源装置输入或输出的强电磁干扰和电火花干扰等，保证高频高压电源控制系统的安全可靠运行；

EMC电磁兼容电路的输出端接入到三相全桥整流电路的交流输入端，三相全桥整流电路直流输出端的“+”极接入软启动控制电路，三相全桥整流电路直流输出端的“-”极则直接连接到电容储能滤波电路的“-”极。三相全桥整流电路使用三相全桥整流模块搭建，要求使用的三相全桥整流模块的击穿电压不低于1200V；

软启动控制电路由启动限流电阻、可控硅模块、可控硅模块触发电路三部分组成。启动限流电阻与可控硅模块以并联的方式串接在三相全桥整流电路直流输出端的“+”极和电容储能滤波电路的“+”极之间。分配式高频高压电源装置启动时，首先通过启动限流电阻向储能电容充电，以降低启动浪涌电流的冲击。启动限流电阻的大小依据

选取，其中R为启动限流电阻，V为交流电网电压有效值，I_p为设计允许的启动浪涌电流最大值。可控硅模块用于高频高压电源装置进入正常运行时对启动限流电阻短接，以消除高频高压电源装置正常运行时启动限流电阻带来的不必要的功率消耗。高频高压电源装置启动20～30s后，由PWM微机控制器经由可控硅模块触发控制信号输出接口发出触发指令，触发指令经由可控硅模块触发控制信号输入接口传递给可控硅模块触发电路，触发可控硅模块，完成软启动过程；

电容储能滤波电路由2只450V/2200μF的电解电容器串联组成，用以储存直流电能和降低直流电压的脉动系数，为之后的IGBT高频功率变换电路提供脉动系数很小的直流电能。同时，每只电容器的两端均并联一只5W/51kΩ的电阻，用以均分串联电容器承载的电压和在停机时消除储能电容器中残存的电能，增加设备的安全性；

IGBT高频功率变换电路有两种形式，一种是全桥式IGBT功率变换电路，由IGBT模块中的四只IGBT高压开关管组成桥的四臂，高频高压电源装置的两条功率输出汇流母线分别连接到两组串联的IGBT高压开关管中间，通过控制相应IGBT高压开关管的交替通断，将电容储能滤波电路中的直流电转换成5～20kHz、0～500V的高频方波交流电输出到功率输出汇流母线；另一种是半桥式IGBT功率变换电路，它在结构上与全桥式功率变换电路相似，只是其中的一侧桥臂由两只容量相同的串联的电解电容器取代，电解电容器的参数为450V/2200μF，每只电解电容器的两端同样需要并联一只5W/51kΩ的电阻，高频高压电源装置的两条功率输出汇流母线则分别连接到IGBT桥臂的串联的IGBT高压开关管中间和串联电解电容器的中间，通过控制两只IGBT高压开关管的交替通断，将电容储能滤波电路中的直流电转换成5～20kHz、0～250V的高频方波交流电压输出到功率输出汇流母线，使用半桥式IGBT功率变换电路时，可以省去电容储能滤波电路；无论是全桥式IGBT功率变换电路还是半桥式IGBT功率变换电路，所使用的IGBT模块中的IGBT高压开关管的耐压均不低于1200V，同时在IGBT高压开关管的集电极和发射极间并联RC串联电路以消除开关尖峰电压，R为1W/100Ω的无感电阻，C为0.1μF/1000V的高压无感电容器；

与全桥式IGBT功率变换电路相比，半桥式IGBT功率变换电路具有很强的抗不平衡能力，且电路结构简单，IGBT高压开关管数量仅有全桥IGBT功率变换电路的一半，但开关管通过电流大，是全桥式IGBT功率变换电路的一倍，输出功率低。因此，在高功率输出时宜采用全桥式IGBT功率变换电路，在中低功率输出时宜采用半桥式IGBT功率变换电路；

动力电接入端子、EMC电磁兼容电路、三相全桥整流电路、启动限流电阻、可控硅模块、可控硅模块触发电路、电容储能滤波电路、IGBT高频功率变换电路、辅助电源等安装在同一铝质散热器上，IGBT模块应尽量布置在散热器的中心，散热器的有效散热面积不能太小，应保证在环境温度为40℃、额定功率输出时IGBT的结温不高于125℃，同时散热器应配置强力通风装置，出口端风速不低于5m/s。

其中，功率输出汇流母线用于将IGBT高频功率变换电路输出的电能分配到各个小型高频高压变压器，小型高频高压变压器配置数量可以从数个至数百个，具体数量依据大气压DBD等离子体源组中单元模块的数量决定，一般一个单元模块配置一个小型高频高压变压器，这些小型高频高压变压器的一次线圈通过功率继电器和电流传感器连接到功率输出汇流母线上，功率继电器的开闭由PWM微机控制器根据实际需要控制，电流传感器检测一次线圈电流可以获得更可靠的放电电流反馈信息，各个小型高频高压变压器的高压输出和接地端连接到各个单元模块，各个单元模块的结构、组成和运行功率可以不同，但应根据实际工作的需要利用小型高频高压变压器一次线圈的抽头调整输出；

小型高频高压变压器的参数应根据高频变压器的设计方法设计，在驱动大气压平行板式DBD等离子体单元模块时，最高驱动功率不高于300W，驱动频率为5～20kHz，最高输出电压控制在5～10kV，在包含全桥式IGBT功率变换电路的高频高压电源装置中，小型高频高压变压器的输入电压为0～500V，在包含半桥式IGBT功率变换电路的高频高压电源装置中，小型高频高压变压器的输入电压为0～250V，变压器磁芯宜选用饱和磁通密度大于0.4T的U型铁氧体磁芯，一次绕组和二次绕组分别布置在U型铁氧体磁芯的两柱上，并且在一次绕组按匝数5%、10%留有两个抽头用于调节变压器的输出电压和功率。设计时要注意单元模块的阻容性负载特性，它会将变压器的输出电压提升

倍，因此设计时小型高频高压变压器的输出电压计算值应减小至

倍，同时小型高频高压变压器应具有高阻抗特性，其短路阻抗应控制在35～50%之间，以限制短路故障发生时短路电流的大小。

其中，PWM微机控制器主要用于产生脉宽和频率可调的PWM脉冲、接收放电电流信号、发出相关控制指令等，PWM微机控制器发出的PWM脉冲经IGBT驱动电路光电隔离并进行功率放大后，驱动IGBT模块；PWM微机控制器和IGBT驱动电路由辅助电源供电；控制键操作盘连接到PWM微机控制器用于编辑控制指令；控制参数显示仪表用于显示高频高压电源装置的放电功率、放电电流、驱动电压、激励频率等；由电流传感器发出的电流反馈信号经放电电流信号输入接口输入，经综合分析后调整高频高压电源装置的控制参数。

本发明的效果和益处是通过采用全桥式IGBT功率变换技术和半桥式IGBT功率变换技术设计IGBT高频功率变换控制器，将5～20kHz的高频电能输入到功率输出汇流母线，再通过配置数个至数百个高阻抗小型高频高压变压器，获得数个至数百个各自独立的高频高电压功率输出，以此构成一种分配式高频高压电源装置，用以驱动不同组成类型和放电功率的大气压DBD等离子体源组，以此提升大气压DBD放电系统的固有谐振频率，提升大气压DBD放电等离子体的化学反应效能，为高级氧化技术规模化应用提供新的技术装置。

附图说明

附图1是采用全桥式IGBT功率变换技术的分配式高频高压电源装置。

附图2是采用半桥式IGBT功率变换技术的分配式高频高压电源装置。

图中：1动力电接入端子；2EMC电磁兼容电路；3三相全桥整流电路；4启动限流电阻；5可控硅模块；6可控硅模块触发电路；7电容储能滤波电路；8IGBT高频功率变换电路；9功率输出汇流母线；10功率继电器；11电流传感器；12小型高频高压变压器；13PWM微机控制器；14IGBT驱动电路；15辅助电源；16控制键操作盘；17控制参数显示仪表；18可控硅模块触发控制信号输出接口；19可控硅模块触发控制信号输入接口；20放电电流信号输入接口；21大气压DBD单元模块；A分配式高频高压电源装置；B大气压DBD等离子体源组。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明所述的一种驱动DBD等离子体源组的分配式高频高压电源装置，分为两种类型，一种是采用全桥式IGBT功率变换技术的分配式高频高压电源装置，另一种是采用半桥式IGBT功率变换技术的分配式高频高压电源装置。

附图1是采用全桥式IGBT功率变换技术的分配式高频高压电源装置，该分配式高频高压电源装置A包括动力电接入端子1、EMC电磁兼容电路2、三相全桥整流电路3、启动限流电阻4、可控硅模块5、可控硅模块触发电路6、电容储能滤波电路7、IGBT高频功率变换电路8、功率输出汇流母线9、功率继电器10、电流传感器11、小型高频高压变压器12、PWM微机控制器13、IGBT驱动电路14、辅助电源15、控制键操作盘16、控制参数显示仪表17、可控硅模块触发控制信号输出接口18、可控硅模块触发控制信号输入接口19、放电电流信号输入接口20。

其中，动力电接入端子1用于将AC380V/50Hz动力电接入到分配式高频高压电源装置A，在分配式高频高压电源装置A内，来自于动力电接入端子1的AC380V/50Hz动力电被接入到EMC电磁兼容电路2的输入端，EMC电磁兼容电路2用来抑制和消除分配式高频高压电源装置A输入或输出的强电磁干扰和电火花干扰等，保证高频高压电源控制系统的安全可靠运行；

EMC电磁兼容电路2的输出端接入到三相全桥整流电路3的交流输入端，三相全桥整流电路3直流输出端的“+”极接入软启动控制电路，三相全桥整流电路3直流输出端的“-”极则直接连接到电容储能滤波电路7的“-”极，三相全桥整流电路3使用三相全桥整流模块搭建，要求使用的三相全桥整流模块的击穿电压不低于1200V；

软启动控制电路由启动限流电阻4、可控硅模块5、可控硅模块触发电路6三部分组成，启动限流电阻4与可控硅模块5以并联的方式串接在三相全桥整流电路3直流输出端的“+”极和电容储能滤波电路7的“+”极之间，分配式高频高压电源装置A启动时，首先通过启动限流电阻4向储能电容充电，以降低启动浪涌电流的冲击，启动限流电阻4的大小依据

选取，其中R为启动限流电阻，V为交流电网电压有效值，I_p为设计允许的启动浪涌电流最大值，可控硅模块用于分配式高频高压电源装置A进入正常运行时对启动限流电阻4短接，以消除分配式高频高压电源装置A正常运行时启动限流电阻4带来的不必要的功率消耗，分配式高频高压电源装置A启动20～30s后，由PWM微机控制器13经由可控硅模块触发控制信号输出接口18发出触发指令，触发指令经由可控硅模块触发控制信号输入接口19传递给可控硅模块触发电路6，触发可控硅模块，完成软启动过程；

电容储能滤波电路7由2只450V/2200μF的电解电容器串联组成，用以储存直流电能和降低直流电压的脉动系数，为之后的IGBT高频功率变换电路8提供脉动系数很小的直流电能，同时，每只电容器的两端均并联一只5W/51kΩ的电阻，用以均分串联电容器承载的电压和在停机时消除储能电容器中残存的电能，增加设备的安全性；

IGBT高频功率变换电路8采用全桥式IGBT功率变换电路，由IGBT模块中的四只IGBT高压开关管组成桥的四臂，分配式高频高压电源装置A的两条功率输出汇流母线9分别连接到两组串联的IGBT高压开关管中间，通过控制相应IGBT高压开关管的交替通断，将电容储能滤波电路7中的直流电转换成5～20kHz、0～500V的高频方波交流电输出到功率输出汇流母线9；全桥式IGBT功率变换电路中使用的IGBT高压开关管的耐压不低于1200V，同时在IGBT高压开关管的集电极和发射极间并联RC串联电路以消除开关尖峰电压，R为1W/100Ω的无感电阻，C为0.1μF/1000V的高压无感电容器；

动力电接入端子1、EMC电磁兼容电路2、三相全桥整流电路3、启动限流电阻4、可控硅模块5、可控硅模块触发电路6、电容储能滤波电路7、IGBT高频功率变换电路8、辅助电源15等安装在同一铝质散热器上，IGBT模块应尽量布置在散热器的中心，散热器的有效散热面积不能太小，应保证在环境温度为40℃、额定功率输出时IGBT的结温不高于125℃，同时散热器应配置强力通风装置，出口端风速不低于5m/s。

其中，功率输出汇流母线9用于将IGBT高频功率变换电路8输出的电能分配到各个小型高频高压变压器12，小型高频高压变压器12配置数量可以从数个至数百个，具体数量依据大气压DBD等离子体源组B中单元模块21的数量决定，一般一个单元模块21配置一个小型高频高压变压器12，这些小型高频高压变压器12的一次线圈通过功率继电器10和电流传感器11连接到功率输出汇流母线9上，功率继电器10的开闭由PWM微机控制器13根据实际需要控制，电流传感器11检测一次线圈电流可以获得更可靠的放电电流反馈信息，各个小型高频高压变压器12的高压输出和接地端连接到各个单元模块21，各个单元模块21的结构、组成和运行功率可以不同，但应根据实际工作的需要利用小型高频高压变压器21一次线圈的抽头调整输出功率；

小型高频高压变压器12的参数应根据高频变压器的设计方法设计，在驱动大气压平行板式DBD等离子体单元模块21时，最高驱动功率不高于300W，驱动频率为5～20kHz，最高输出电压控制在5～10kV，小型高频高压变压器12的输入电压为0～500V，变压器磁芯宜选用饱和磁通密度大于0.4T的U型铁氧体磁芯，一次绕组和二次绕组分别布置在U型铁氧体磁芯的两柱上，并且在一次绕组按匝数5%、10%留有两个抽头用于调节变压器的输出电压和功率。设计时要注意单元模块的阻容性负载特性，它会将变压器的输出电压提升

倍，因此设计时小型高频高压变压器12的输出电压计算值应减小至

倍，同时小型高频高压变压器12应具有高阻抗特性，其短路阻抗应控制在35～50%之间，以限制短路故障发生时短路电流的大小。

其中，PWM微机控制器13主要用于产生脉宽和频率可调的PWM脉冲、接收放电电流信号、发出相关控制指令等，PWM微机控制器13发出的PWM脉冲经IGBT驱动电路14光电隔离并进行功率放大后，驱动IGBT模块；PWM微机控制器13和IGBT驱动电路14由辅助电源15供电；控制键操作盘16连接到PWM微机控制器13用于编辑控制指令；控制参数显示仪表17用于显示分配式高频高压电源装置A的放电功率、放电电流、驱动电压、激励频率等；由电流传感器11发出的电流反馈信号经放电电流信号输入接口20输入，经综合分析后调整分配式高频高压电源装置A的控制参数。

附图2是采用半桥式IGBT功率变换技术的分配式高频高压电源装置，该分配式高频高压电源装置A包括动力电接入端子1、EMC电磁兼容电路2、三相全桥整流电路3、启动限流电阻4、可控硅模块5、可控硅模块触发电路6、IGBT高频功率变换电路8、功率输出汇流母线9、功率继电器10、电流传感器11、小型高频高压变压器12、PWM微机控制器13、IGBT驱动电路14、辅助电源15、控制键操作盘16、控制参数显示仪表17、可控硅模块触发控制信号输出接口18、可控硅模块触发控制信号输入接口19、放电电流信号输入接口20。

在具体实施方式上，采用半桥式IGBT功率变换技术的分配式高频高压电源装置与采用全桥式IGBT功率变换技术的分配式高频高压电源装置的主要区别是：①省去了电容储能滤波电路7；②高频功率变换电路的一侧桥臂由两只容量相同的串联的电解电容器取代，电解电容器一方面担当功率转换器件，另一方面又担当储能滤波功能，电解电容器的参数为450V/2200μF，每只电解电容器的两端并联一只5W/51kΩ的电阻，分配式高频高压电源装置A的两条功率输出汇流母线9则分别连接到IGBT桥臂的串联的IGBT高压开关管中间和串联电解电容器的中间，通过控制两只IGBT高压开关管的交替通断，将直流电转换成5～20kHz、0～250V的高频方波交流电压输出到功率输出汇流母线9，半桥式IGBT功率变换电路中使用的IGBT高压开关管的耐压不低于1200V，同时在IGBT高压开关管的集电极和发射极间并联RC串联电路以消除开关尖峰电压，R为1W/100Ω的无感电阻，C为0.1μF/1000V的高压无感电容器，半桥式IGBT功率变换电路具有很强的抗不平衡能力，电路结构简单，IGBT高压开关管数量仅有全桥IGBT功率变换电路的一半，但开关管通过电流大，是全桥式IGBT功率变换电路的一倍，输出功率低，适用于中低功率的输出；③小型高频高压变压器12的输入电压设计参数不同，在半桥式IGBT功率变换电路中，小型高频高压变压器12的输入电压应为0～250V，仅是全桥式IGBT功率变换电路的一半。

除上述四点外，采用半桥式IGBT功率变换技术的分配式高频高压电源装置的具体实施方式均与全桥式IGBT功率变换技术的分配式高频高压电源装置相同，本部分不重复叙述。

本发明通过采用全桥式IGBT功率变换技术和半桥式IGBT功率变换技术设计IGBT高频功率变换控制器，将5～20kHz的高频电能输入到功率输出汇流母线，再通过配置数个至数百个高阻抗小型高频高压变压器，获得数个至数百个各自独立的高频高电压功率输出，以此构成一种分配式高频高压电源装置，用以驱动不同组成类型和放电功率的大气压DBD等离子体源组，以此提升大气压DBD放电系统的固有谐振频率，提升大气压DBD放电等离子体的化学反应效能，为高级氧化技术规模化应用提供新的技术装置。

Claims

1.一种驱动DBD等离子体源组的分配式高频高压电源装置，其特征在于，该分配式高频高压电源装置包括动力电接入端子（1）、EMC电磁兼容电路（2）、三相全桥整流电路（3）、启动限流电阻（4）、可控硅模块（5）、可控硅模块触发电路（6）、电容储能滤波电路（7）、IGBT高频功率变换电路（8）、功率输出汇流母线（9）、功率继电器（10）、电流传感器（11）、小型高频高压变压器（12）、PWM微机控制器（13）、IGBT驱动电路（14）、辅助电源（15）、控制键操作盘（16）、控制参数显示仪表（17）、可控硅模块触发控制信号输出接口（18）、可控硅模块触发控制信号输入接口（19）、放电电流信号输入接口（20）；

其中，来自于动力电接入端子（1）的AC380V/50Hz动力电接入到EMC电磁兼容电路（2）的输入端，EMC电磁兼容电路（2）的输出端接入到三相全桥整流电路（3）的交流输入端，三相全桥整流电路（3）的直流输出端“+”极接入软启动控制电路，三相全桥整流电路（3）的直流输出端“-”极则直接连接到电容储能滤波电路（7）的“-”极，启动限流电阻（4）与可控硅模块（5）以并联的方式串接在三相全桥整流电路（3）的直流输出端“+”极和电容储能滤波电路（7）的“+”极之间，IGBT高频功率变换电路（8）用于将电容储能滤波电路（7）中的直流电转换成5～20kHz的高频方波交流电输出到功率输出汇流母线（9），功率输出汇流母线（9）用于将IGBT高频功率变换电路（8）输出的电能分配到各个小型高频高压变压器（12），小型高频高压变压器（12）配置数量从数个至数百个，这些小型高频高压变压器（12）的一次线圈通过功率继电器（10）和电流传感器（11）连接到功率输出汇流母线（9）上，各个小型高频高压变压器（12）的高压输出和接地端连接到各个单元模块；

其中，动力电接入端子（1）、EMC电磁兼容电路（2）、三相全桥整流电路（3）、启动限流电阻（4）、可控硅模块（5）、可控硅模块触发电路（6）、电容储能滤波电路（7）、IGBT高频功率变换电路（8）、辅助电源（15）安装在同一铝质散热器上，IGBT模块布置在散热器的中心，散热器应保证在环境温度为40℃、额定功率输出时IGBT的结温不高于125℃，配置的强力通风装置出口端风速不低于5m/s；

其中，PWM微机控制器（13）主要用于产生脉宽和频率可调的PWM脉冲、接收放电电流信号、发出相关控制指令，PWM微机控制器（13）发出的PWM脉冲经IGBT驱动电路（14）光电隔离并进行功率放大后，驱动IGBT模块；PWM微机控制器（13）和IGBT驱动电路（14）由辅助电源（15）供电；控制键操作盘（16）连接到PWM微机控制器（13）用于编辑控制指令；控制参数显示仪表（17）用于显示分配式高频高压电源装置的放电功率、放电电流、驱动电压、激励频率等；由电流传感器（11）发出的电流反馈信号经放电电流信号输入接口（20）输入，经综合分析后调整分配式高频高压电源装置A的控制参数。

2.根据权利要求1所述的分配式高频高压电源装置，其特征在于，IGBT高频功率变换电路（8）采用全桥式IGBT功率变换电路，由IGBT模块中的四只IGBT高压开关管组成桥的四臂，分配式高频高压电源装置A的两条功率输出汇流母线（9）分别连接到两组串联的IGBT高压开关管中间，通过控制相应IGBT高压开关管的交替通断，将电容储能滤波电路（7）中的直流电转换成5～20kHz、0～500V的高频方波交流电输出到功率输出汇流母线（9）。

3.根据权利要求1所述的分配式高频高压电源装置，其特征在于，IGBT高频功率变换电路（8）采用半桥式IGBT功率变换电路，即利用450V/2200μF电解电容器取代一侧桥臂，电解电容器一方面担当功率转换器件，另一方面又担当储能滤波功能，省去电容储能滤波电路（7），该分配式高频高压电源装置A的两条功率输出汇流母线（9）分别连接到IGBT桥臂的串联的IGBT高压开关管中间和串联电解电容器的中间，通过控制两只IGBT高压开关管的交替通断，将电容储能滤波电路中的直流电转换成5～20kHz、0～250V的高频方波交流电压输出到功率输出汇流母线。

4.根据权利要求1所述的分配式高频高压电源装置，其特征在于，小型高频高压变压器（12）设计的最高驱动功率不高于300W，驱动频率为5～20kHz，最高输出电压控制在5～10kV，在配置全桥式IGBT功率变换电路的分配式高频高压电源装置A中，小型高频高压变压器（12）的输入电压为0～500V；变压器磁芯为饱和磁通密度大于0.4T的U型铁氧体磁芯，一次绕组和二次绕组分别布置在U型铁氧体磁芯的两柱上，并且在一次绕组按匝数5%、10%留有两个抽头用于调节变压器的输出电压和功率，同时小型高频高压变压器（12）成高阻抗特性，其短路阻抗应控制在35～50%之间。

5.根据权利要求1所述的分配式高频高压电源装置，其特征在于，小型高频高压变压器（12）设计的最高驱动功率不高于300W，驱动频率为5～20kHz，最高输出电压控制在5～10kV；在配置半桥式IGBT功率变换电路的分配式高频高压电源装置A中，小型高频高压变压器（12）的输入电压为0～250V，变压器磁芯为饱和磁通密度大于0.4T的U型铁氧体磁芯，一次绕组和二次绕组分别布置在U型铁氧体磁芯的两柱上，并且在一次绕组按匝数5%、10%留有两个抽头用于调节变压器的输出电压和功率，同时小型高频高压变压器（12）成高阻抗特性，其短路阻抗应控制在35～50%之间。