CN109600896A - 一种微小型介质阻隔放电等离子体激励装置 - Google Patents

一种微小型介质阻隔放电等离子体激励装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微小型介质阻隔放电等离子体激励装置，属于等离子体流动控制技术领域。等离子体激励装置包括高频高压激励电路和DBD激励器，所述高频高压激励电路包括H桥电路、ZVS电路和升压变压器，H桥电路的输入端分别与直流电源的输出端和控制信号源的输出端相连，H桥电路的输出端与ZVS电路的输入端相连，ZVS电路的输出端与升压变压器的输入端相连，升压变压器的输出端与DBD激励器的输入端相连。本发明所提供的微小型介质阻隔放电等离子体激励装置使用低压前级占空比控制，有利于减轻重量、提高功率和可靠性；同时使用自激振荡，提高了高频高压激励电路的可靠性和鲁棒性，具有质量轻、低压输入、输出功率调节便利的特点。

Description

一种微小型介质阻隔放电等离子体激励装置
技术领域
本发明属于等离子体流动控制技术领域，具体是指一种微小型介质阻隔放电等离子体激励装置。
背景技术
流动控制技术是指通过被动或主动的方式给绕过各种载运工具外表面的空气气流施加一定形式的扰动、从而提高载运工具空气动力学性能的控制技术。等离子体控制是流动控制技术的一种，通过在电极之间进行高压放电、击穿空气介质产生等离子的方式给气流施加激励。相比于舵面控制、微吹气控制等传统的流动控制方法，等离子体控制具有无机械作动部件、功耗小、可靠性高等优点，在抑制气流分离、增升减阻、控制载运器运行姿态等方面具有较高的应用潜力。
等离子体控制的核心部件是DBD(介质阻隔放电Dielectric BarrierDischarges)等离子体激励装置，一般包括DBD激励电源和DBD激励器两个部分。DBD激励器由掩埋电极、裸露电极和绝缘介质组成，掩埋电极、裸露电极与绝缘介质均为片状结构，掩埋电极嵌入绝缘介质中，裸露电极贴附在绝缘介质一侧表面的特定位置，激励器主要使用聚酰亚胺、特氟龙、电木等作为绝缘介质，铜或铝作为电极材料。DBD激励电源一般输出周期为微秒级别的连续正弦波、方波或锯齿波等波形的高压电，其频率为O(103)Hz、峰峰值电压为O(104)V。激励装置工作时，DBD激励电源向DBD激励器的电极上施加交变的高压电流，从而在两个电极之间产生强电场，强电场电离空气产生电子和正离子，电子和正离子分别向两个电极定向移动，与空气中的中性粒子发生碰撞并传递动量。由于电极的非对称布置方式以及电子和正离子的不同质量与自由程，电子和正离子具有不同的传递动量的能力，在宏观上表现出动量传递具有确定的方向性，从而激励电极间和电极周围的空气定向流动、以实现特定的流动控制效果。
现有DBD等离子体激励装置产生的诱导流速还较低，控制能力有限，不适合用于大中型高速运载工具；此外，高频高压激励电路结构比较复杂、质量较大，难以满足在微小型和轻型运载工具上应用的需求。
发明内容
本发明的目的在于设计一种微小型介质阻隔放电等离子体激励装置，质量在百克级别、使用低压直流驱动、通过占空比调节实现激励强度控制，可应用于微小型飞行器，代替传统机械式舵面进行飞行姿态控制。
传统DBD激励器的升压电路依赖强制频率控制系统，导致体积大、结构重，因此实现升压电路的小型化和轻量化是核心技术难点；本发明提供一种微小型介质阻隔放电等离子体激励装置，包括高频高压激励电路和DBD激励器，所述高频高压激励电路包括H桥电路、ZVS(零电压开关Zero Voltage Switch)电路和升压变压器，其中H桥电路是高频高压激励电路中的控制部分，通过控制H桥电路的占空比改变输出的功率PWM波，从而改变等离子体激励装置诱导产生的定向流动的流速；ZVS电路和升压变压器是升压部件；DBD激励器是放电部件，同时参与升压过程。
H桥电路的输入端分别与直流电源和控制信号源相连，H桥电路的输出端与ZVS电路的输入端相连，ZVS电路的输出端与升压变压器的输入端相连，升压变压器的输出端与DBD激励器的输入端相连。其中直流电源为H桥电路提供电能，控制信号源为H桥电路输入控制信号，控制信号将直流电源输入到H桥电路的低压直流电转变为功率PWM(脉冲宽度调制，Pulse Width Modulation)波，H桥电路输出的功率PWM波输入到ZVS电路，ZVS电路对功率PWM波进行初步升压，进而对与ZVS电路相连的升压变压器的输出和DBD激励器的工作进行控制，其中ZVS电路、升压变压器和DBD激励器组成自激振荡电路，当自激振荡电路的振荡频率高于输入到ZVS电路的功率PWM波的频率时，自激振荡电路将功率PWM波转化为正弦波，升压变压器将正弦波的电压提升至十千伏量级，从而通过DBD激励器进行介质阻隔放电产生等离子体流动，实现定向流动控制。
本发明的有益效果包括：
1、本发明所提供的微小型介质阻隔放电等离子体激励装置使用低压前级占空比控制，有利于减轻重量、提高功率和可靠性。
2、本发明所提供的微小型介质阻隔放电等离子体激励装置使用ZVS电路、升压变压器和DBD激励器组成自激振荡电路，自激振荡电路本身具有一定的升压能力，提供了输出电压，有效提高了电路谐振频率，电路谐振频率可随DBD激励器特性和工况自动调整，具有频率自适应性，有利于减轻升压变压器重量；同时使用自激振荡，无需驱动电路，提高了高频高压激励电路的可靠性和鲁棒性，实现相同升压比的前提下，具有质量轻、低压输入、输出功率调节便利的特点。
附图说明
图1为本发明激励装置的一个具体实施例的结构图；
图2为本发明激励装置的一个具体实施例的DBD激励器的布局示意图；
图3为本发明实施例1中激励装置输入功率随占空比变化示意图；
图4为本发明实施例1中激励装置的诱导流速随水平位置变化示意图；
图5为本发明实施例1中激励装置的诱导流速随电压和占空比的变化示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所提供的一种微小型介质阻隔放电等离子体激励装置，包括高频高压激励电路和DBD激励器，所述高频高压激励电路包括H桥电路、ZVS电路和升压变压器，其中H桥电路是高频高压激励电路中的控制部分，通过控制H桥电路的占空比改变输出的功率PWM波，从而改变DBD放电等离子体激励装置诱导产生的定向流动的流速；ZVS电路和升压变压器是升压部件；DBD激励器是放电部件，同时参与升压过程。
H桥电路的输入端分别与直流电源和控制信号源相连，H桥电路的输出端与ZVS电路的输入端相连，ZVS电路的输出端与升压变压器的输入端相连，升压变压器的输出端与DBD激励器的输入端相连，其中直流电源为H桥电路提供电能，控制信号源为H桥电路输入控制信号，控制信号将直流电源输入到H桥电路的低压直流电转变为功率PWM波，H桥电路输出的功率PWM波输入到ZVS电路，ZVS电路对功率PWM波进行初步升压，进而对与ZVS电路相连的升压变压器的输出和激励器的工作进行控制，其中ZVS电路、升压变压器和DBD激励器组成自激振荡电路，当自激振荡电路的振荡频率高于输入到ZVS电路的功率PWM波的频率时，自激振荡电路将功率PWM波转化为正弦波，升压变压器将正弦波的电压提升至十千伏量级，从而通过DBD激励器进行介质阻隔放电产生等离子体流动，实现定向流动控制。
本发明中高频高压激励电路使用H桥电路、ZVS电路以及升压变压器组合的方式，充分利用ZVS电路大功率、高频率和高效率的特点和H桥电路控制简单的特点，通过ZVS电路、升压变压器和DBD激励器组成自激振荡电路，适当选择ZVS电路参数可以调整自激振荡电路的振荡频率范围，当自激振荡电路的振荡频率高于输入到ZVS电路的功率PWM波的频率时，使用H桥电路直接改变功率PWM波占空比控制高频高压激励电路的输出功率。使用H桥电路与ZVS电路以及升压变压器组合的方式省去了ZVS中复杂的反馈控制电路；在功率PWM波占空比可调的情况下尽可能提高了高频高压激励电路的工作频率。此外，本发明充分利用DBD激励器的电学特性，使其参与到ZVS电路的谐振中，在不增加重量的情况下，大幅度提高了升压比和稳定性。大升压比显著降低了高频高压激励电路中低压部分的绝缘需求，同时降低了对应用目标(如微小型飞行器等)供电系统的要求。
实施例1
图1为本发明提供的一种微小型介质阻隔放电等离子体激励装置的一个具体实例的电路结构示意图，其中，直流电源使用3S1P2200mah锂电池，直流电源最大输出电压为12.6V，直流电源最大输出电流为120A；H桥电路输出频率为2kHz；ZVS电路为双管自激构型，使用IRF1407的场效应管，震荡频率为50kHz；升压变压器选用磁芯为PC40的EE35高频升压变压器；DBD激励器的电极使用铜箔，其中裸露电极宽3mm，掩埋电极宽6mm，两电极无间距，绝缘介质为0.25mm厚度的聚酰亚胺膜，DBD激励器长40mm。DBD激励器和高频高压激励电路(不含锂电池)的重量约为120克左右，加载到DBD激励器上的最大输出电压24kV，最大输出功率60W，最大输出频率50kHz。与之相比，在相同输出参数下，基于强制频率控制系统的传统DBD激励器的重量一般在500g以上。
通过调节H桥电路改变功率PWM波占空比调节高频高压激励电路的输出功率，进而调整激励性能。高频高压激励电路输入功率的测量结果如图3所示，加载在DBD激励器上的输出电压为23.8kv情况下，通过调节H桥电路改变功率PWM波占空比可以有效控制高频高压激励电路输入功率(高频高压激励电路的输出功率测量存在困难，因此通过测量高频高压激励电路输入功率直接反映其输出功率)，当功率PWM波占空比达到0.8后，高频高压激励电路输入功率提高到210w以上，此后继续增加占空比，高频高压激励电路输入功率提升有限。
使用激光多普勒测速仪(LDV)对上述微小型介质阻隔放电等离子体激励装置诱导产生的定向流动的流速(诱导流速)进行了测量，测点位置在图2中标出，建立X、Y坐标系，其中1、2点为DBD激励器中电极端点坐标，3-10为测点坐标，坐标参数如图2中所示，坐标系原点在裸露电极和掩埋电极交界处，紧贴绝缘介质，单位为毫米，裸露电极和掩埋电极通过高频高压电源连接，图中示意性画出距电极一定距离的流场分布图。由图4为诱导流速随水平位置变化示意图，加载在DBD激励器上输出电压为23.8kv，占空比为90％的情况下，诱导流速在裸露电极附近(距放电处水平距离x＝5mm处)较小，在掩埋电极下游快速增加至最大值(出现在距放电处水平距离x＝10mm处)，最大诱导流速在1m/s的量级，这与基于强制频率控制系统的传统DBD激励器的最大诱导速度相当；此后，诱导流速随着距离的增加逐渐减小。
由图5可见，通过调节输出电压(加载到DBD激励器上的电压)和占空比，本发明可以灵活调节DBD激励器的激励性能(以能够产生的最大诱导速度作为量度)。当应用场合对电压或占空比二者之一有实际限制时，本发明可通过改变另一参数实现所需的控制能力。由此可以验证本发明使用前级占空比控制的有效性和实用性。

Claims (2)

1.一种微小型介质阻隔放电等离子体激励装置，其特征在于，包括高频高压激励电路和DBD激励器，所述高频高压激励电路包括H桥电路、ZVS电路和升压变压器，其中H桥电路是高频高压激励电路中的控制部分，通过控制H桥电路的占空比改变输出的功率PWM波，从而改变等离子体激励装置诱导产生的定向流动的流速；H桥电路的输入端分别与直流电源和控制信号源相连，H桥电路的输出端与ZVS电路的输入端相连，ZVS电路的输出端与升压变压器的输入端相连，升压变压器的输出端与DBD激励器的输入端相连，其中直流电源为H桥电路提供电能，控制信号源为H桥电路输入控制信号，控制信号将直流电源输入到H桥电路的低压直流电转变为功率PWM波，H桥电路输出的功率PWM波输入到ZVS电路，ZVS电路对功率PWM波进行初步升压，进而对与ZVS电路相连的升压变压器的输出和激励器的工作进行控制，其中ZVS电路、升压变压器和DBD激励器组成自激振荡电路，当自激振荡电路的振荡频率高于输入到ZVS电路的功率PWM波的频率时，自激振荡电路将功率PWM波转化为正弦波，升压变压器将正弦波的电压提升至十千伏量级，从而通过DBD激励器进行介质阻隔放电产生等离子体流动，实现定向流动控制。
2.如权利要求1所述的一种微小型介质阻隔放电等离子体激励装置，其特征在于，直流电源使用3S1P2200mah锂电池，直流电源最大输出电压为12.6V，直流电源最大输出电流为120A；H桥电路输出频率为2kHz；ZVS电路为双管自激构型，使用IRF1407的场效应管，震荡频率为50kHz；升压变压器选用磁芯为PC40的EE35高频升压变压器；DBD激励器的电极使用铜箔，其中裸露电极宽3mm，掩埋电极宽6mm，两电极无间距，绝缘介质为0.25mm厚度的聚酰亚胺膜，DBD激励器长40mm，DBD激励器和高频高压激励电路的重量为120克，加载到DBD激励器上的最大输出电压24kV，最大输出功率60W，最大输出频率50kHz。
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