CN105553322A - 一种用于等离子体产生的电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳秒级高压脉冲功率电源，应用于VOC治理及相关环保领域，具体技术方案为：一种用于等离子体产生的电源装置，包括三相输入调压装置、三相整流变压器、脉冲发生电路、脉冲升压电路、磁脉冲压缩装置、取样电路、散热系统、脉冲电源DSP控制器。采用大功率脉冲技术和磁压缩技术，三相整流电路产生直流母线电压，经脉冲发生装置产生微秒级低压脉冲，经脉冲升压器升压为微秒级高压脉冲，再由脉冲压缩装置压缩为纳秒级高压脉冲，实现陡化脉冲前沿、缩窄脉冲宽度、提高重复频率的目的，达到了VOC治理的要求，与其他形式电源相比，降低能耗的同时提高了电能利用率和等离子体产生的效率。

Description

一种用于等离子体产生的电源装置

技术领域

本发明涉及纳秒级高压脉冲功率电源，具体是一种用于等离子体产生的电源装置，应用于VOC治理及相关环保领域。

背景技术

VOC是挥发性有机化合物（volatileorganiccompounds）的英文缩写，在环保上是指会产生危害的那一类挥发性有机物，对人体健康有巨大影响。VOC主要来自燃料燃烧，当空气中的VOC达到一定浓度时，短时间内人们会感到头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重时会出现抽搐、昏迷，并会伤害到人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统，造成记忆力减退等严重后果。

近年来，工业生产过程产生大量的VOC，导致环境污染日益严重，因此VOC的治理刻不容缓。工业VOC治理的方法很多，比较常用的有等离子体法，其关键的步骤就是通过高压脉冲放电获得低温等离子体与VOC反应。然而，在大气压下，气体放电很容易从非平衡等离子体向热平衡等离子体转换，它的转化时间非常短，为了避免这种转换，一种方法是采用脉冲激发，使放电时间比不稳定性发展所需的时间还短，从而避免不稳定的发展。

为了防止高压脉冲放电时等离子体中除电子以外的粒子不必要的加速，防止等离子体由非平衡等离子体向热平衡等离子体转变，要求供电装置具有上升沿时间小于几百纳秒的快速上升陡度以迅速产生自由基，具有小于一千纳秒的相对窄的脉冲宽度以避免不稳定的发展，具有可达数千赫兹的相对高的重复频率以提高等离子等体的产生效率，而普通的高压脉冲电源显然无法满足要求，所以需要研制一种新型脉冲电源来满足VOC治理的要求。

磁开关脉冲压缩技术能有效地陡化和压缩脉冲，而且无触点闭合动作，有利于提高脉冲重复频率，并且使用寿命长、高耐压、高耐流，所以本发明采用大功率脉冲技术和磁压缩技术，来提高脉冲上升陡度，压缩脉冲宽度、提高脉冲重复频率，以达到VOC治理的要求。

发明内容

本发明提供一种应用于VOC治理相关的纳秒级脉冲电源，用于等离子体产生的电源装置，采用大功率脉冲技术和磁压缩技术，以实现陡化脉冲前沿、缩窄脉冲宽度、提升重复频率的目的，从而达到VOC治理的要求。

本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：一种用于等离子体产生的电源装置，其特征在于，包括：

三相输入调压装置，与外部的三相电源相连、用于调节输入的三相交流电压从而调节脉冲母线电压；

三相整流变压器，用于将可调三相交流电升压并整流，产生直流母线电压；

脉冲发生电路，用于将直流电转化为微秒级低压脉冲；

脉冲升压电路，用于将微秒级低压脉冲升压为微秒级高压脉冲；

磁脉冲压缩装置，用于将微秒级高压脉冲压缩为纳秒级高压脉冲；

取样电路，用于采集输出端的脉冲电压、电流信号并反馈给脉冲电源DSP控制器；

脉冲电源DSP控制器，用于控制脉冲电源参数。

作为优选，所述三相输入调压装置为双向可控硅回路，用于调整输入三相电压大小，从而调整脉冲输出电压峰值大小；三相输入调压装置后级连接三相整流变压器。三相交流电经过由脉冲电源DSP控制器控制导通角的双向可控硅回路，调整输入三相电压大小，从而调整脉冲输出电压峰值大小。

作为优选，所述三相整流变压器包括：三相变压器，用于将三相交流电升压，提高脉冲发生单元的工作电压，减小脉冲变压器的变比；三相全桥整流电路，用于将升压过的三相交流电整流成直流；滤波电容，用于将整流过的直流电滤波；滤波电感，用于过滤后级脉冲发生电路对三相整流变压器的冲击；三相整流变压器后级连接脉冲发生电路。输入的三相交流电经主回路开关和双向可控硅回路到达三相工频变压器初级侧，经三相工频变压器升压、三相全桥整流电路整流、滤波电路滤波后产生直流母线电压。

作为优选，所述脉冲发生电路包括：开关器件，采用IGBT模块(InsulatedGateBipolarTransistor绝缘栅双极型晶体管)，或者晶闸管，或半导体器件，用于产生微秒级低压脉冲并控制脉冲宽度和脉冲重复频率；RCD吸收电路，由吸收电阻、快恢复二极管、吸收电容构成，用于吸收开关器件关断时的冲击能量、保护开关器件；脉冲发生电路后级连接脉冲升压电路。由三相整流变压器产生直流母线电压，通过开关器件产生高重复率微秒级低压脉冲，再经脉冲升压产生高重复率微秒级高压脉冲。

作为优选，所述IGBT模块采用LC谐振式软开关技术，包括吸收回路、过压保护电路、过流保护电路。

作为优选，所述脉冲升压电路包括：谐振电容，与变压器漏感形成LC谐振回路；脉冲升压电路，用于将低压脉冲升压为高压脉冲；脉冲升压电路后级连接磁脉冲压缩装置。

作为优选，所述磁脉冲压缩装置包括：无感电容，用于储能；磁开关，用于在磁饱和前阻止能量传递、在磁饱和后迅速释放无感电容中的能量；磁脉冲压缩装置后级连接取样电路。由脉冲发生和脉冲升压产生高重复率微秒级高压脉冲，经脉冲压缩装置产生脉冲前沿陡化、脉冲宽度窄、高重复率的纳秒级高压脉冲。

作为优选，所述取样电路包括：电阻分压式脉冲电压取样电路，由若干电阻组成；电流互感器式脉冲电流取样电路；取样电路后级连接负载。取样电路与DSP控制器联接，包括输出脉冲峰值电压检测电路、峰值电流检测电路，主要作用是采集输出脉冲的电压电流信号。

作为优选，所述脉冲电源DSP控制器包括主控单元、键盘、液晶显示单元、存储单元、通讯接口、模拟信号处理单元、PWM信号输出单元、故障检测及保护单元；用于控制脉冲电源所有参数，包括晶闸管驱动信号、开关器件驱动信号、模拟信号采集、数字量输出信号、数字量输入信号、故障报警信号以及通讯信号。脉冲电源DSP控制器分别与双向可控硅回路、IGBT模块、取样电路以及散热系统连接，实现对检测电路的模拟量采集、处理并在液晶显示器显示，智能调整双向可控硅导通角，从而调整输入电压大小，智能检测故障以及在发生故障时启动保护。

作为优选，还包括散热系统，用于降低脉冲电源温度，防止因温度过高而损坏器件。散热系统与DSP控制器联接，作用是控制脉冲电源的温度，防止温度过高造成的一系列不良影响。

综上所述，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明采用大功率脉冲技术和磁压缩技术，三相整流电路产生直流母线电压，经脉冲发生装置产生微秒级低压脉冲，经脉冲升压器升压为微秒级高压脉冲，再由脉冲压缩装置压缩为纳秒级高压脉冲，实现陡化脉冲前沿、缩窄脉冲宽度、提高重复频率的目的，达到了VOC治理的要求，与其他形式电源相比，降低能耗的同时提高了电能利用率和等离子体产生的效率。

附图说明

图1是本发明原理框图。

图2是本发明电路示意图。

图3是磁脉冲压缩装置的电路示意图。

图4是磁脉冲压缩装置前后波形对比示意图。

图5是本发明脉冲电源DSP控制器的系统结构框图。

图中标号为：1、配电系统；2、三相输入调压装置；

3、三相整流变压器；31、三相变压器；32、三相全桥整流电路；33、滤波电容；34、滤波电感；

4、脉冲发生电路；41、开关器件；42、吸收电阻；43、快恢复二极管；44、吸收电容；

5、脉冲升压电路；51、谐振电容；52、脉冲变压器；

6、磁脉冲压缩装置；61、感电容；62、磁开关；

7、取样电路；72、电阻分压式脉冲电压取样电路；73、电流互感器式脉冲电流取样电路；

8、负载；9、散热系统；10、脉冲电源DSP控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1所述，一种用于等离子体产生的电源装置，包括：三相输入调压装置2、三相整流变压器3、脉冲发生电路4、脉冲升压电路5、磁脉冲压缩装置6；由外部的配电系统提供三相电源，最终输出高压脉冲至负载8。

各部分的连接关系是：三相输入调压装置2与三相电源相连；三相整流变压器3与脉冲升压电路5之间由脉冲发生电路4相连；脉冲升压电路5与负载8之间由磁脉冲压缩装置6相连。

如图2所述，用于等离子体产生的电源装置，用于VOC治理，具体包括三相输入调压装置2、三相整流变压器3、脉冲发生电路4、脉冲升压电路5、磁脉冲压缩装置6、取样电路7、散热系统9、脉冲电源DSP控制器10。

配电系统1，其作用是提供三相交流380V电源，其后级与三相输入调压装置2相连。

三相输入调压装置2为双向可控硅回路，作用是调节输入的三相交流电压，从而调节脉冲母线电压；其后级与三相整流变压器3相连。

三相整流变压器3，作用是将可调三相交流电升压并整流，得到0-2500V可调的直流母线电压；其结构上包括：三相变压器31—其作用是将三相交流电升压，从而提高脉冲发生单元的工作电压，减小脉冲变压器的变比，三相全桥整流电路32—其作用是将升压过的三相交流电整流成直流，滤波电容33—其作用是将整流过的直流电滤波，滤波电感34—其作用是过滤后级脉冲发生电路对三相整流变压器的冲击；三相整流变压器3后级连接脉冲发生电路4。

脉冲发生电路4，作用是将直流电转化为微秒级低压脉冲；其结构上包括：开关器件41—其作用是产生微秒级低压脉冲并控制脉冲宽度和频率，RCD吸收电路—其作用是吸收开关器件关断时的冲击能量，保护开关器件，RCD吸收电路由吸收电阻42、快恢复二极管43、吸收电容44构成；脉冲发生电路4后级连接脉冲升压电路5。

脉冲升压电路5，作用是将微秒级低压脉冲经变压器升压为微秒级高压脉冲；结构上包括：谐振电容51—其作用是与变压器漏感形成LC谐振回路，脉冲变压器52—其作用是将低压脉冲升压为高压脉冲；脉冲升压电路5后级连接磁脉冲压缩装置6。

磁脉冲压缩装置6，作用是将微秒级高压脉冲压缩为纳秒级高压脉冲；其结构上包括无感电容61—其作用是储能，磁开关62—其作用是在磁饱和前阻止能量传递、在磁饱和后迅速释放无感电容61中的能量；磁脉冲压缩电路6后级连接取样电路7。

如图3所示，根据实际要求，脉冲压缩装置6可由多个磁脉冲压缩电路串联形成，每一磁脉冲压缩电路由一无感电容61、一磁开关62组成，能够陡化脉冲前沿、压缩脉冲宽度以满足VOC治理的要求。微秒级高压脉冲经过脉冲压缩装置压缩后得到纳秒级高压脉冲，其压缩前后的波形对比示意图如图4所示。

取样电路7，作用是采集输出端的脉冲电压、脉冲电流信号，反馈给控制器，以脉冲电源的运行参数；其结构上包括电阻分压式脉冲电压取样电路72、电流互感器式脉冲电流取样电路73；取样电路7后级连接负载8。

散热系统9，作用是降低脉冲电源温度，防止因温度过高而损坏器件。

脉冲电源DSP控制器10，作用是控制脉冲电源所有参数，包括晶闸管驱动信号、开关器件驱动信号、模拟信号采集、数字量输出信号、数字量输入信号、故障报警信号以及通讯信号等。脉冲电源DSP控制器分别与双向可控硅回路、IGBT模块、取样电路以及散热系统连接，实现对检测电路的模拟量采集、处理并在液晶显示器显示，智能调整双向可控硅导通角，从而调整输入电压大小，智能检测故障以及在发生故障时启动保护。

具体地，如图5所示，所述脉冲电源DSP控制器以TMS320F28335为主控单元，包括键盘、液晶显示单元、存储单元、通讯接口、模拟信号处理单元、PWM信号输出单元以及故障检测及保护单元等部分。CPU输出多路PWM控制信号，包括：IGBT驱动PWM控制信号、双向可控硅堆PWM控制信号、输出电压和电流峰值检测电路PWM控制信号。控制器可实现对三相输入电压的检测、输入电流的检测、直流母线电压的检测、输出电压脉冲峰值检测、输出电流脉冲峰值检测、以及变压器油温检测等。检测所得的输出峰值电压、电流，及直流母线电压，经AD转换后送给CPU处理，CPU将收集到的数据整理后，在显示单元显示，并对应调整PWM信号、数字量信号的输出，从而实现对脉冲电源的闭环智能控制。

文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种用于等离子体产生的电源装置，其特征在于，包括：

三相输入调压装置（2），与外部的三相电源相连、用于调节输入的三相交流电压从而调节脉冲母线电压；

三相整流变压器（3），用于将可调三相交流电升压并整流，产生直流母线电压；

脉冲发生电路（4），用于将直流电转化为微秒级低压脉冲；

脉冲升压电路（5），用于将微秒级低压脉冲升压为微秒级高压脉冲；

磁脉冲压缩装置（6），用于将微秒级高压脉冲压缩为纳秒级高压脉冲；

取样电路（7），用于采集输出端的脉冲电压、电流信号并反馈给脉冲电源DSP控制器；

脉冲电源DSP控制器（10），用于控制脉冲电源参数。

2.根据权利要求1所述的用于等离子体产生的电源装置，其特征在于，所述三相输入调压装置为双向可控硅回路，用于调整输入三相电压大小，从而调整脉冲输出电压峰值大小；三相输入调压装置后级连接三相整流变压器。

3.根据权利要求1所述的用于等离子体产生的电源装置，其特征在于，所述三相整流变压器包括：

三相变压器（31），用于将三相交流电升压，提高脉冲发生单元的工作电压，减小脉冲变压器的变比；

三相全桥整流电路（32），用于将升压过的三相交流电整流成直流；

滤波电容（33），用于将整流过的直流电滤波；

滤波电感（34），用于过滤后级脉冲发生电路对三相整流变压器的冲击；

三相整流变压器后级连接脉冲发生电路。

4.根据权利要求1所述的用于等离子体产生的电源装置，其特征在于，所述脉冲发生电路包括：

开关器件（41），采用IGBT模块，或者晶闸管，或半导体器件，用于产生微秒级低压脉冲并控制脉冲宽度和脉冲重复频率；

RCD吸收电路，由吸收电阻（42）、快恢复二极管（43）、吸收电容（44）构成，用于吸收开关器件关断时的冲击能量、保护开关器件；

脉冲发生电路后级连接脉冲升压电路。

5.根据权利要求4所述的用于等离子体产生的电源装置，其特征在于，所述IGBT模块采用LC谐振式软开关技术，包括吸收回路、过压保护电路、过流保护电路。

6.根据权利要求1所述的用于等离子体产生的电源装置，其特征在于，所述脉冲升压电路包括：

谐振电容（51），与变压器漏感形成LC谐振回路；

脉冲变压器（52），用于将低压脉冲升压为高压脉冲；

脉冲升压电路后级连接磁脉冲压缩装置。

7.根据权利要求1所述的用于等离子体产生的电源装置，其特征在于，所述磁脉冲压缩装置包括：

无感电容（61），用于储能；

磁开关（62），用于在磁饱和前阻止能量传递、在磁饱和后迅速释放无感电容中的能量；

磁脉冲压缩装置后级连接取样电路。

8.根据权利要求1所述的用于等离子体产生的电源装置，其特征在于，所述取样电路包括：

电阻分压式脉冲电压取样电路（72），由若干电阻组成；

电流互感器式脉冲电流取样电路（73）；

取样电路后级连接负载。

9.根据权利要求1所述的用于等离子体产生的电源装置，其特征在于，所述脉冲电源DSP控制器包括主控单元、键盘、液晶显示单元、存储单元、通讯接口、模拟信号处理单元、PWM信号输出单元、故障检测及保护单元；

用于控制脉冲电源所有参数，包括晶闸管驱动信号、开关器件驱动信号、模拟信号采集、数字量输出信号、数字量输入信号、故障报警信号以及通讯信号。

10.根据权利要求1所述的用于等离子体产生的电源装置，其特征在于，还包括散热系统（9），用于降低脉冲电源温度，防止因温度过高而损坏器件。