CN103795287A - 一种用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源，用于向产生低温等离子体的低温等离子体反应器供电，包括主电路和控制电路；所述主电路由三相整流滤波电路、IGBT变换电路和升压电路组成；所述控制电路由单片机控制电路、IGBT控制电路以及操作界面组成。三相交流电压经过整流滤波电路后变为稳定的直流电压，直流电压经过IGBT变换电路后转换为双极性脉冲电压，双极性脉冲电压经过升压电路后电压放大，并向低温等离子体反应器提供电能。本发明可以有效避免传统电源大部分能量在系统中的振荡损耗，从而可以有效提高反应器的能量注入，提高能量利用效率，减小电耗。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源。
背景技术
低温等离子体在微电子、材料制备、环保、航空航天、军事等领域起着越来越重要的作用，近年来，对低温等离子体的研究逐渐成为等离子体学科的研究热点。供电电源是低温等离子体发生装置的核心和关键部分，目前多种电源已被应用到等离子体发生中，包括直流电源、交流电源、脉冲电源等。
双极性脉冲电源用于发生低温等离子体具有很大的优势。单极性电源会致使反应器上积累电荷，如果不释放会形成托尾电压，从而增强后续供电脉冲所形成的空间电场，造成了间歇火花放电，不利于能量的注入，同时，放电空间内电流分布均匀度不好。采用脉冲放电技术，可在反应器内快速建立强电场，由于脉冲窄，离子没有加速，而电子获得较大的能量，避免了直流供电时的能量浪费，快的脉冲上升前沿和高的脉冲电压峰值可以使电子在自由程内受到突发性强电场的加速而得到足够的能量，它们与中性气体分子和原子进行非弹性碰撞，使这些中性粒子的激发、分解和电离更为强烈，同时放电间隙允许加上很高的过电压而不产生火花放电。脉冲电源可以有效避免传统电源大部分能量在系统中的振荡损耗，从而可以有效提高向反应器能量注入。
发明内容
本发明是为了更有效的提高注入低温等离子体的能量效率，提供了一种用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源，可降低低温等离子体装置的运行耗电成本，提高低温等离子体的发生效率。
一种用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源，用于向产生低温等离子体的低温等离子体反应器供电，所述的双极性脉冲电源包括主电路和控制电路；
所述的主电路包括：
三相整流滤波电路，用于将三相交流电压转换为稳定的直流电压；
IGBT变换电路，用于将直流电压转化为脉冲电压；
升压电路，输出端接有所述的低温等离子体反应器，并用于对所述的脉冲电压升压；
所述的控制电路接入IGBT变换电路，并用于调节整流后的直流电压和IGBT变换电路的输出电压以及脉冲频率。
作为进一步改进，所述的三相整流滤波电路包括三相桥式全控整流电路和滤波电路。三相桥式全控整流电路把三相交流电压转换为稳定的直流电压，其包括晶闸管D1-D6；滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，滤波电路由电容C1-C2和电感L2组成。
作为进一步改进，所述的IGBT变换电路包括逆变电路和LC串联谐振电路。IGBT变换电路由绝缘栅双极型晶体管V1-V4、电感L3、和电容C3组成，把直流电压转化为脉冲电压，V1-V4受IGBT控制电路控制。LC串联谐振电路的电压为三相整流滤波电路转化得到的直流电压，谐振电路的电感为L3，谐振电路的电容为C3与低温等离子体反应器的等效电容。
作为进一步改进，所述的升压电路为变压器，变压器T1对脉冲电压升压，得到的幅值增大的脉冲电压为低温等离子反应器提供电压。
作为进一步改进，所述的三相交流电压经滤波器进入所述的三相整流滤波电路。
作为进一步改进，所述的控制电路包括单片机控制电路、控制电源和IGBT控制电路：
单片机控制电路用于为控制电源和IGBT控制电路提供电信号；
控制电源用于把单片机控制电路信号放大，调节整流后的直流电压；
IGBT控制电路调节IGBT变换电路的输出电压以及脉冲频率；
以及接入所述单片机控制电路的外部输入模块，外部输入模块包括触发输入、键盘或显示触摸屏等。
本发明的双极性脉冲电源适用于各种低温等离子体反应器，包括线筒式反应器、线板式反应器、板板式反应器、针板式反应器和介质阻挡式反应器等。
与现有技术比，本发明的有益效果是：
采用双极性脉冲电源为低温等离子体反应器供电，电源的单极性不会使反应器上积累电荷，放电空间内电流分布均匀度好，有利于能量的注入；脉冲电源可以有效避免传统电源大部分能量在系统中的振荡损耗，从而可以有效提高向反应器能量注入。因此，利用双极性脉冲电源产生等离子体可以提高能量利用效率，节约电耗。
附图说明
图1为电路系统框图。
图2为主电路电路图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源包括主电路9和控制电路10，控制电路10包括IGBT控制电路5、控制电源6、单片机控制电路7和操作界面8。
如图2所示，主电路9包括三相整流滤波电路1、IGBT变换电路2、升压电路3，升压电路的输出端接入低温等离子体反应器4。
三相整流滤波电路1由晶闸管D1-D6、电容C1-C2和电感L2组成，IGBT变换电路2由绝缘栅双极型晶体管V1-V4、电感L3、和电容C3组成，升压电路3为变压器。
三相交流电压经开关K1、滤波器L1送到三相整流滤波电路1转换成稳定的直流电压，该直流电压经IGBT变换电路2转换成脉冲电压，该脉冲电压经升压电路3升压后对低温等离子体反应器充电。
控制电路接入IGBT变换电路，并用于调节整流后的直流电压和IGBT变换电路的输出电压以及脉冲频率。控制电路包括单片机控制电路、控制电源和IGBT控制电路：单片机控制电路用于为控制电源和IGBT控制电路提供电信号；控制电源用于把单片机控制电路信号放大，调节整流后的直流电压；IGBT控制电路把单片机控制电路信号放大，调节IGBT变换电路的输出电压以及脉冲频率。
低温等离子体反应器4的放电功率由峰值电压、峰值电流、脉冲宽度和频率决定，其中峰值电压由C1、C2、T1以及C3与反应器的等效电容的比值β决定，C1、C2、T1和β越大则低温等离子体反应器4的峰值电压越大；峰值电流由峰值电压和电感L3决定，峰值电压越大、L3越小，则低温等离子体反应器4的峰值电流越大；脉冲宽度由V1-V4的导通时间d和IGBT变换电路2的谐振周期T决定，当d<T<2d时，低温等离子体反应器4输出电压波形较稳定可靠；低温等离子体反应器4的频率由V1-V4决定。
以下是采用本发明的低温等离子体反应器发生臭氧的一个具体实例：
低温等离子体反应器采用介质阻挡放电的方式发生臭氧，介质阻挡放电反应器在双极性脉冲电源的作用下产生低温等离子体，低温等离子体的自由电子、自由基和其他活性粒子与氧气反应生成臭氧。臭氧发生器采用氧气源，流量为5L/min，双极性脉冲电源的峰值电压为5kV，峰值电流为0.8A，脉冲宽度为50μs，频率为2000Hz，结果显示，采用双极性脉冲电源比采用交流电源能量效率提高10%以上，提高了臭氧产量，节约了生产成本。
以下是采用本发明的低温等离子体反应器灭菌的又一具体实例：
低温等离子体反应器采用针板式结构，针板式反应器在双极性脉冲电源的作用下发生流光放电产生大量的活性粒子、紫外线和臭氧，这些活性粒子、紫外线和臭氧会对菌类起到杀灭的作用。处理对象为大肠杆菌，处理水量2L，初始细胞浓度为2.4×106cfu/ml，溶液电导为100μs/cm，双极性脉冲电源的峰值电压为3kV，峰值电流为107A，脉冲宽度为60μs，频率为50Hz，处理2分钟后，细胞浓度约下降4个对数。结果显示，采用双极性脉冲电源可以提高灭菌效率，提高电源能量效率。
Claims (8)
1.一种用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源，用于向产生低温等离子体的低温等离子体反应器供电，其特征在于，所述的双极性脉冲电源包括主电路和控制电路；
所述的主电路包括：
三相整流滤波电路，用于将三相交流电压转换为稳定的直流电压；
IGBT变换电路，用于将直流电压转化为脉冲电压；
升压电路，输出端接有所述的低温等离子体反应器，并用于对所述的脉冲电压升压；
所述的控制电路接入IGBT变换电路，并用于调节整流后的直流电压和IGBT变换电路的输出电压以及脉冲频率。
2.如权利要求1所述的用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源，其特征在于，所述的三相整流滤波电路包括三相桥式全控整流电路和滤波电路。
3.如权利要求1所述的用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源，其特征在于，所述的IGBT变换电路包括逆变电路和LC串联谐振电路。
4.如权利要求1所述的用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源，其特征在于，所述的升压电路为变压器。
5.如权利要求1所述的用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源，其特征在于，所述的三相交流电压经滤波器进入所述的三相整流滤波电路。
6.如权利要求1所述的用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源，其特征在于，所述的控制电路包括单片机控制电路、控制电源和IGBT控制电路：
单片机控制电路用于为控制电源和IGBT控制电路提供电信号；
控制电源用于把单片机控制电路信号放大，调节整流后的直流电压；
IGBT控制电路把单片机控制电路信号放大，调节IGBT变换电路的输出电压以及脉冲频率。
7.如权利要求6所述的用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源，其特征在于，还设有接入所述单片机控制电路的外部输入模块。
8.如权利要求1所述的用于产生低温等离子体的双极性脉冲电源，其特征在于，所述的低温等离子体反应器为线筒式反应器、线板式反应器、板板式反应器、针板式反应器或介质阻挡式反应器。
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