CN103683981A - 单极性低温等离子体电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单极性低温等离子体电源，包括依次连接的交流变换单元、波形整形单元和材料表面处理单元。本发明的有益效果是：本发明的波形整形单元采用多原边变压器，能够输出多种前沿脉冲输出，再通过方波发生器的输出方波的调节脉宽，实现了频率0-50kHZ可调、电压0-50kV可调、脉宽1-100μs可调、上升沿300ns-15μs可调的单极性脉冲；本发明的输出电压为单极性，使得两个电极板之间放电非常均匀，对工件和电极板基本没有破坏性，保证了工件或材料的完整性，延长了电极板的使用寿命。

Description

单极性低温等离子体电源

技术领域

本发明涉及到一种用于材料表面处理用电源，特别是涉及到一种单极性低温等离子体电源。

背景技术

气体放电产生的低温等离子体得到越来越广泛的应用,等离子体表面处理技术应运而生。低温等离子体可用于聚合物、纺织品和金属等的表面处理，通过表面处理来改善它们表面的吸湿性、可染性、粘接性及导电性等,从而提高它们的应用价值。常用的产生大气压空气等离子体的方法有电晕放电、介质阻挡放电和大气压辉光放电。介质阻挡放电的原理是绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电，又称介质阻挡电晕放电或无声放电，在放电过程中会将空气电离，从而产生等离子体。该种方式可以在大气压下产生低温等离子体, 并且与其他两种方法相比,介质阻挡放电设备简单、能量高,且很容易在工业环境下实现。

目前基于介质阻挡放电的低温等离子体技术用于材料表面改性方面的研究工作在国际上已经广泛地开展起来，在聚合物材料中已被用于处理聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯等的表面改性中，在纺织品中已被用于棉、麻、羊毛、化纤等的表面处理，在金属类材料中已被用于表面的辅助高能球磨处理、材料的表面金属化处理、金属材料的等离子体表面渗氮、碳处理等。低温等离子体处理是工业上非常有前途的处理材料表面的环保技术。

低温等离子改性与其他改性方法相比具有处理条件简单,耗能少,处理时间短,效率高,无污染等优点。此方法其对材料表面的作用仅涉及表面的几至几百纳米,在改善材料表面性能的同时又不影响材料的基体性能。相对于传统的表面改性方法，低温等离子体技术在显著提高聚合物材料表面能的同时，只改变材料表面的化学成分而不影响其基体结构，使得改性后的材料有着独特的物理和化学特性，并且这种无溶剂技术有助于保护环境。

现有的用于材料表面处理的低温等离子体电源，都是在两个平行的电极板上加压，预处理的材料或工件放置于两个电极板之间，通过两电极板之间的放电对工件进行处理，一般加在电极板上的电压都是双极性的，在极性变化时，电极板之间的放电不均匀，放电细丝会随机分布，导致材料或工件处理效果不佳，而且对电极板也产生很大的污染，大大降低了电极板的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种单极性低温等离子体电源，解决现有用于材料表面处理的低温等离子体电源采用双极性电压所带来的放电不均匀，材料或工件处理效果不佳和电极板污染的缺陷。

本发明的目的通过下述技术方案实现：单极性低温等离子体电源，包括依次连接的交流变换单元、波形整形单元和材料表面处理单元，所述的交流变换单元包括变压器T1和整流器D1，所述的变压器T1一端连接市电，另一端经整流器D1连接到波形整形单元，所述的波形整形单元包括变压器T3、功率开关管Q1和方波发生器T2，所述的变压器T3的原边的一个端口连接到交流变换单元，另一个端口经功率开关管Q1接地，功率开关管Q1的控制端连接到方波发生器T2，所述的材料表面处理单元包括两个平行相隔的电极板，该两个电极板分别连接到变压器T3的副边的两个端口上，两个电极板上还并联有一个放电电阻R2。本发明中，市电先输入到交流变换单元，先由变压器T1进行升压，然后经整流器整流，最后输出直流电，该直流输入到波形整形单元。波形整形单元中，功率开关管Q1由方波发生器T2驱动，功率开关管Q1断开时，变压器T3不工作，当功率开关管Q1连通时，变压器T3工作，方波发生器T2输出一个方波到功率开关管Q1的控制端，使得变压器T3输出的波形被该方波截断，形成一个有垂直上升沿和垂直下降沿的波形，该波形输入到二极管D2、二极管D3，滤掉脉冲中残留的负压部分，使得成为高压单极性的方波，再由调节电阻R1和调节电容X1整形为陡上升沿，慢下降沿的波形，最后输入到材料表面处理单元时的波形为单极性的三角波，该三角波波脉冲用于驱动材料表面处理单元，该电压加在两个电极板上，在电极板之间进行放电，因为本发明的电压为单极性，所以需要在两个电极板上并联一个放电电阻R2，由于材料表面处理单元为容性负载，在高压脉冲充电后电荷将保存，因此必须设置一放电电阻R2，放电电阻R2阻值较小，在三角波脉冲的低压间隔时间内，将材料表面处理单元的电荷全部释放，电压重新恢复到原始低电平。

进一步，上述的波形整形单元与材料表面处理单元之间设置有一个波形二次整形单元，所述的波形二次整形单元包括二极管D2、二极管D3、调节电阻R1和调节电容X1，所述的二极管D2、二极管D3、调节电阻R1依次串联后，前端接变压器T3，后端接材料表面处理单元中的高压电极板，所述的调节电容X1并联在材料表面处理单元上，即调节电容X1的两端分别接材料表面处理单元中的两个电极板。二极管D2、二极管D3用于滤掉脉冲中残留的负压部分，高压单极性脉冲顶部波形为方波，再由调节电阻R1和调节电容X1整形为陡上升沿，慢下降沿的波形，并且R1可以起到限制放电电流的作用，可以保护表面处理单元的放电击穿，最后输入到材料表面处理单元时的波形为单极性的三角波，单极放电的优越性在于放电均匀，处理工件表面的效果好。

进一步，上述变压器T3为多原边变压器，变压器T3的所有原边中的都有一端口连接到功率开关管Q1，剩下的端口各自通过一个开关连接到交流变换单元，变压器T3中通过选择各原边接入电路，从而调节输出电压的前沿，这样可以针对多种材料，减少了成本。

进一步，上述的变压器T3与交流变换单元之间还设置有一个电感L1和一个单刀双掷的开关J1，电感L1的一端连接交流变换单元，另一端连接开关J1的其中一个不动端，开关J1另一个不动端连接交流变换单元，开关J1的动端连接到变压器T3，电感L1主要用于补充变压器T3的漏感，因为变压器T3为多原边变压器，各原边的漏感不一。通过开关J1控制L1接入或不接入，调节漏感，以适应变压器不同的漏感值，同样可实现调节前沿的目的。

进一步，上述的交流变换单元与波形整形单元之间还设置有一个滤波器，所述的滤波器包括极性电容C1和非极性电容C2，主要对交流变换的单元输出的波形进行处理，获得更加稳定的直流电，减少了交变脉动波纹对电子电路的干扰，保证了电子器件的稳定工作，其中电容C1采用极性的高储能密度电容，不仅体积小而且电容量大，并设置温度传感器，实时监控电容工作状态，电容C2采用非极性的陶瓷电容，具有容量大、耐高温、适应高频工作的优点。

优选的，上述的方波发生器T2采用型号为MAX308的芯片，转换速度快、功率消耗底、采样速率高达308 ks/s点，满量程输入电压范围为±5V，功耗为210 mW。可与大多数流行的数字信号处理器的串行接口直接接口，该输入可以接收TTL或CMOS的信号电平，时钟频率为0.1-5.5MHz。通过调节MAX308的控制信号，可以选择不同的方波输出频率和方波脉宽。

优选的，上述的功率开关管Q1采用高压IGBT，IGBT具有驱动功率小、饱和压降低的优点，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的输出电压为单极性，使得两个电极板之间放电非常均匀，对工件和电极板基本没有破坏性，保证了工件或材料的完整性，延长了电极板的使用寿命；

（2）本发明的波形整形单元采用多原边变压器，能够输出多种前沿脉冲输出，再通过方波发生器的输出方波的调节脉宽，实现了频率0-50kHZ可调、电压0-50KV可调、脉宽1-100μs可调、上升沿300ns-15μs可调的单极性脉冲。

附图说明

图1 为实施例1的结构示意图；

图2 为实施例1中功率开关管输出到多原边变压器的电压波形示意图；

图3 为实施例1中材料表面处理单元的电极板A上的电压波形图；

图4 为实施例1中材料表面处理单元的电极板B上的电流波形图；

图5 为实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明：

【实施例1】

如图1所示，单极性低温等离子体电源，包括依次连接的交流变换单元、波形整形单元和材料表面处理单元，所述的交流变换单元包括变压器T1和整流器D1，所述的变压器T1一端连接市电，另一端经整流器D1连接到波形整形单元，所述的波形整形单元包括变压器T3、功率开关管Q1和方波发生器T2，所述的变压器T3的原边的一个端口连接到交流变换单元，另一个端口经功率开关管Q1接地，功率开关管Q1的控制端连接到方波发生器T2，所述的材料表面处理单元包括两个平行相隔的电极板,为电极板A和电极板B，该两个电极板分别连接到变压器T3的副边的两个端口上，材料表面处理单元上还并联有一个放电电阻R2。本发明中，220V/50HZ的市电先输入到交流变换单元，先由变压器T1进行升压，然后经整流器整流，最后输出0-1300V的直流电，该直流电为半正弦波，输入到波形整形单元，波形整形单元中，功率开关管Q1由方波发生器T2驱动，功率开关管Q1断开时，变压器T3不工作，当功率开关管Q1连通时，变压器T3工作，方波发生器T2输出一个方波到功率开关管Q1的控制端，使得变压器T3输出的波形被该方波截断，本实施例可以控制方波信号脉冲与交流变换单元输出的脉冲的频率一致，并中心对应，切割并有变压器T3放大后为0-50KV的脉冲，且有垂直上升沿和垂直下降沿的波形，这种电压方便放电处理工件，提高放电均匀性，该电压加在两个电极板上，电极板之间进行放电，而调节方波发生器的输出方波的脉宽即可调节最后输出脉冲的脉宽，本实施例中频率0-50kHZ可调、脉宽1-100μs可调。因为本发明的电压为单极性，所以需要在两个电极板上并联一个放电电阻R2，放电电阻R2为高功耗电阻，用于消耗两个电极板上的电压，方便迎接下一波脉冲。

本实施例中波形整形单元与材料表面处理单元之间设置有一个波形二次整形单元，所述的波形二次整形单元包括二极管D2、二极管D3、调节电阻R1和调节电容X1，所述的二极管D2、二极管D3、调节电阻R1依次串联后，前端接变压器T3，后端接材料表面处理单元中的高压电极板，所述的调节电容X1并联在材料表面处理单元上，即调节电容X1的两端分别接材料表面处理单元中的两个电极板。二极管D2、二极管D3用于滤掉脉冲中残留的负压部分，使得成为高压单极性的方波，调节电阻R1和调节电容X1将脉冲波形整形为陡上升沿，慢下降沿的波形，最后输入到材料表面处理单元时的波形为单极性的三角波。

本实施例中交流变换单元与波形整形单元之间还设置有一个滤波器，所述的滤波器包括电容C1和电容C2，主要交流变换的单元输出的波形进行处理，获得更加稳定的直流电，减少了交变脉动波纹对电子电路的干扰，保证了电子器件的稳定工作，其中电容C1采用极性的高储能密度电容，不仅体积小而且电容量大，并设置温度传感器，实时监控电容工作状态，电容C2采用非极性的陶瓷电容，具有容量大、耐高温、适应高频工作的优点。

本实施例中方波发生器T2采用型号为MAX308的芯片，它的转换速度快、功率消耗底、采样速率高达308 ks/s点，满量程输入电压范围为±5V，功耗为210 mW。可与大多数流行的数字信号处理器的串行接口直接接口，该输入可以接收TTL或CMOS的信号电平，时钟频率为0.1-5.5MHz。

本实施例中功率开关管Q1采用高压IGBT，IGBT具有驱动功率小、饱和压降低的优点，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

本实施例采用上述的器件后，其中，高压IGBT的C极电压波形如图2，放电装置（即材料表面处理单元），其A极板上的电压波形如图3，B极板至地回路放电电流波形如图4。

【实施例2】

如图5，本实施例的结构与实施例1基本一致，不同之处在于变压器T3为多原边变压器，变压器T3的所有原边中的都有一端口连接到功率开关管Q1，剩下的端口各自通过一个开关连接到交流变换单元，变压器T3中通过选择那些个原边接入电路，从而调节输出电压的前沿，使得脉冲的上升沿300ns-15μs可调，这样可以针对多种材料，减少了成本。

本实施例中变压器T3与交流变换单元之间还设置有一个电感L1和一个单刀双掷的开关J1，电感L1的一端连接交流变换单元，另一端连接开关J1的其中一个不动端，开关J1另一个不动端连接交流变换单元，开关J1的动端连接到变压器T3，电感L1主要用于补充变压器T3的漏感，并可实现补充调节前沿的目的，因为变压器T3为多原边变压器，各原边的漏感不一。

Claims (7)

1.单极性低温等离子体电源，其特征在于：包括依次连接的交流变换单元、波形整形单元和材料表面处理单元，所述的交流变换单元包括变压器T1和整流器D1，所述的变压器T1一端连接市电，另一端经整流器D1连接到波形整形单元，所述的波形整形单元包括变压器T3、功率开关管Q1和方波发生器T2，所述的变压器T3的原边的一个端口连接到交流变换单元，另一个端口经功率开关管Q1接地，功率开关管Q1的控制端连接到方波发生器T2，所述的材料表面处理单元包括两个平行相隔的电极板，该两个电极板分别连接到变压器T3的副边的两个端口上，两个电极板上还并联有一个放电电阻R2。

2.根据权利要求1所述的单极性低温等离子体电源，其特征在于，所述的波形整形单元与材料表面处理单元之间设置有一个波形二次整形单元，所述的波形二次整形单元包括二极管D2、二极管D3、调节电阻R1和调节电容X1，所述的二极管D2、二极管D3、调节电阻R1依次串联后，前端接变压器T3，后端接材料表面处理单元中的高压电极板，所述的调节电容X1并联在材料表面处理单元的两个电极板上。

3.根据权利要求1所述的单极性低温等离子体电源，其特征在于，所述的变压器T3为多原边变压器，变压器T3的所有原边中的都有一端口连接到功率开关管Q1，剩下的端口各自通过一个开关连接到交流变换单元。

4.根据权利要求3所述的单极性低温等离子体电源，其特征在于，所述的变压器T3与交流变换单元之间还设置有一个电感L1和一个单刀双掷的开关J1，电感L1的一端连接交流变换单元，另一端连接开关J1的其中一个不动端，开关J1另一个不动端连接交流变换单元，开关J1的动端连接到变压器T3。

5.根据权利要求1所述的单极性低温等离子体电源，其特征在于，所述的交流变换单元与波形整形单元之间还设置有一个滤波器，所述的滤波器包括极性电容C1和非极性电容C2。

6.根据权利要求1所述的单极性低温等离子体电源，其特征在于，所述方波发生器T2为MAX308。

7.根据权利要求1所述的单极性低温等离子体电源，其特征在于，所述的功率开关管Q1采用高压IGBT。

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