CN111358966A - 基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置，包括：高压直流电源、限流电阻、限流电感、MOSFET及驱动器、信号发生器、缓冲吸收电路、第一二极管、脉冲变压器和储能电容器，限流电阻的一端与高压直流电源的正极相连，另一端与限流电感的一端相连；漏极与限流电感的另一端、储能电容器的一端相连，源极与高压直流电源的负极相连且接地，栅极与驱动器的第一端相连，驱动器的第二端与信号发生器相连；缓冲吸收电路、MOSFET、第一二极管、脉冲变压器并联，第一二极管的负极接地，正极与储能电容器的另一端相连，在产生低压脉冲后，结合脉冲变压器实现高脉冲电压输出进行杀菌消毒。该装置采用一种低成本的纳秒高压脉冲电源来实现杀菌消毒。

Description

基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置
技术领域
本发明涉及高压脉冲电源技术领域，特别涉及一种基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置。
背景技术
相关技术中，高压脉冲电源应用于杀菌消毒使用的电路拓扑结构是基于高压开关的脉冲电源，一种是单独使用一个高压开关，这种方案对高压开关技术的要求特别高，因此成本也特别高，技术难度大，且开关电压等级不是很高，因此限制了应用范围，多在实验室使用；另外一种是以半导体开关串联的方式作为高压开关，这种方式开关器件众多，且由于器件的生产工艺，这些器件的开关特性可能会存在比较大的差异，很容易出现开关损坏的故障，影响电源的可靠运行。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置，该装置采用一种低成本的纳秒高压脉冲电源来实现杀菌消毒。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置，包括：高压直流电源；限流电阻，所述限流电阻的一端与所述高压直流电源的正极相连；限流电感，所述电流电感的一端与所述电流电阻的另一端相连；MOSFET(Mental-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，基于场效应晶体管)，所述MOSFET的漏极与所述限流电感的另一端相连，所述MOSFET的源极与所述高压直流电源的负极相连且接地；MOSFET开关驱动器，所述MOSFET开关驱动器的第一端与所述MOSFET的栅极相连；信号发生器，所述信号发生器与所述MOSFET开关驱动器的第二端相连；缓冲吸收电路，所述缓冲吸收电路与所述MOSFET并联；第一二极管，所述第一二极管与所述缓冲吸收电路并联，所述第一二极管的负极接地；脉冲变压器，所述脉冲变压器与所述第一二极管并联；储能电容器，所述储能电容器的一端与所述限流电感的另一端相连，所述储能电容器的另一端与所述第一二极管的正极相连，以在产生低压脉冲后，结合所述脉冲变压器实现高脉冲电压输出进行杀菌消毒。
本发明实施例的基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置，采用一种低成本的纳秒高压脉冲电源来实现杀菌消毒，采用的纳秒脉冲电源是采用低压半导体开关产生低压脉冲，结合脉冲变压器实现高脉冲电压输出，不需要使用高成本、高技术难度的高压开关，因此具有成本低、结构简单、可靠性高、输出电压高的优势。
另外，根据本发明上述实施例的基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述缓冲吸收电路包括：缓冲吸收电阻；缓冲吸收二极管，所述缓冲吸收二极管与所述缓冲吸收电阻并联，所述缓冲吸收二极管的正极与所述限流电感的另一端相连；缓冲吸收电容，所述缓冲吸收电容的一端与所述缓冲吸收二极管的负极相连，所述缓冲吸收电容的另一端接地。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述高压直流电源为额定电压为1000V且额定功率为1kW的直流电源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述MOSFET开关驱动器的电压等级为1000V，且运行电压为电压等级的一半。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述脉冲变压器的电压变比0.5kV/40kV，重复频率1kHz，脉冲宽度为亚微秒。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述储能电容器为脉冲电容器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述储能电容器为脉冲电容器，且电容大小为4μF，电容最高电压为3kV。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：第二二极管，所述第二二级管的正极与所述MOSFET的漏极相连，所述第二二级管的负极与所述MOSFET的源极相连。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述脉冲变压器原边侧的一端与所述储能电容器的另一端相连，所述原边侧的另一端接地。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述脉冲变压器副边侧的一端与负载电容的一端相连，所述负载电容的另一端与负载的一端相连，所述副边侧的另一端与所述负载的另一端均接地。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
纳秒高压脉冲电源驱动DBD(Dielectric Barrier Discharge，介质阻挡放电)均匀放电对于实现高效杀菌消毒具有良好的工业化应用前景，但是各类纳秒脉冲电源的高成本限制了其推广应用。为了解决现有技术中的不足，本发明实施例的目的是提供采用一种低成本的纳秒高压脉冲电源来实现杀菌消毒。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置。
图1是本发明一个实施例的基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置的结构示意图。
如图1所示，该基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置10包括：高压直流电源DC、限流电阻R、限流电感L、基于场效应晶体管MOSFET、MOSFET开关驱动器Driver、信号发生器100、缓冲吸收电路200、第一二极管Dc、脉冲变压器Tp和储能电容器Cs。
其中，限流电阻R的一端与高压直流电源DC的正极相连；限流电感L的一端与限流电阻R的另一端相连；MOSFET的漏极与限流电感L的另一端相连，MOSFET的源极与高压直流电源DC的负极相连且接地；MOSFET开关驱动器Driver的第一端与MOSFET的栅极相连；信号发生器100与MOSFET开关驱动器Driver的第二端相连；缓冲吸收电路200与MOSFET并联；第一二极管Dc与缓冲吸收电路200并联，第一二极管Dc的负极接地；脉冲变压器Tp与第一二极管Dc并联；储能电容器Cs的一端与限流电感L的另一端相连，储能电容器Cs的另一端与第一二极管Dc的正极相连，以在产生低压脉冲后，结合脉冲变压器Tp实现高脉冲电压输出进行杀菌消毒。
可以理解的是，本发明实施例采用一种低成本的纳秒高压脉冲电源来实现杀菌消毒，涉及的纳秒高压脉冲电源的特点是MOSFET半导体开关和脉冲变压器的高压纳秒电源应用于杀菌消毒，具有成本低、结构简单、可靠性高等优势。本发明实施例涉及的纳秒高压脉冲电源的原理是采用仅一个低电压等级的MOSFET半导体开关，MOSFET具有开关速度快(纳秒级)，峰值电流大等优点，在原边侧产生低压脉冲结合脉冲变压器升压输出高压脉冲，主要包括高压直流电源、限流电阻、限流电感、MOSFET开关及驱动器、信号发生器、缓冲吸收电路、储能电容器、二极管以及脉冲变压器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图1所示，缓冲吸收电路200包括：缓冲吸收电阻Rd、缓冲吸收二极管Cd和缓冲吸收电容Dd。
其中，缓冲吸收二极管Cd与缓冲吸收电阻Rd并联，缓冲吸收二极管Cd的正极与限流电感L的另一端相连；缓冲吸收电容Dd的一端与缓冲吸收二极管Cd的负极相连，缓冲吸收电容Dd的另一端接地。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图1所示，本发明实施例的装置10还包括：第二二极管Df。其中，第二二级管Df的正极与MOSFET的漏极相连，第二二级管Df的负极与MOSFET的源极相连。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图1所示，脉冲变压器Tp原边侧的一端与储能电容器Cs的另一端相连，原边侧的另一端接地，脉冲变压器Tp副边侧的一端与负载电容的一端相连，负载电容Cc的另一端与负载Load的一端相连，副边侧的另一端与负载Load的另一端均接地。
进一步地，在本发明的一个实施例中，纳秒高压脉冲电源驱动DBD均匀放电应用于杀菌消毒对脉冲电压的要求约为30～40kV，脉冲宽度为纳秒级，重复频率为1kHz，小型的杀菌消毒装置功率约为数百瓦，具体实施例如下：
高压直流电源DC：选用的参数为额定电压1000V，额定功率1kW的直流电源。
MOSFET开关：MOSFET开关器件电压等级为1000V，价格较低廉，且可靠性高，考虑MOSFET开关电压裕量，其运行电压为电压等级的一半，即500V。
脉冲变压器Tp：电压变比0.5kV/40kV，重复频率1kHz，脉冲宽度为亚微秒。
储能电容Cs：选择脉冲电容器，电容大小为4μF，电容最高电压为3kV。
根据本发明实施例提出的基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置，采用一种低成本的纳秒高压脉冲电源来实现杀菌消毒，采用的纳秒脉冲电源是采用低压半导体开关产生低压脉冲，结合脉冲变压器实现高脉冲电压输出，不需要使用高成本、高技术难度的高压开关，因此具有成本低、结构简单、可靠性高、输出电压高的优势。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于纳秒高压脉冲电源的杀菌消毒装置，其特征在于，包括：
高压直流电源；
限流电阻，所述限流电阻的一端与所述高压直流电源的正极相连；
限流电感，所述电流电感的一端与所述电流电阻的另一端相连；
基于场效应晶体管MOSFET，所述MOSFET的漏极与所述限流电感的另一端相连，所述MOSFET的源极与所述高压直流电源的负极相连且接地；
MOSFET开关驱动器，所述MOSFET开关驱动器的第一端与所述MOSFET的栅极相连；
信号发生器，所述信号发生器与所述MOSFET开关驱动器的第二端相连；
缓冲吸收电路，所述缓冲吸收电路与所述MOSFET并联；
第一二极管，所述第一二极管与所述缓冲吸收电路并联，所述第一二极管的负极接地；
脉冲变压器，所述脉冲变压器与所述第一二极管并联；
储能电容器，所述储能电容器的一端与所述限流电感的另一端相连，所述储能电容器的另一端与所述第一二极管的正极相连，以在产生低压脉冲后，结合所述脉冲变压器实现高脉冲电压输出进行杀菌消毒。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述缓冲吸收电路包括：
缓冲吸收电阻；
缓冲吸收二极管，所述缓冲吸收二极管与所述缓冲吸收电阻并联，所述缓冲吸收二极管的正极与所述限流电感的另一端相连；
缓冲吸收电容，所述缓冲吸收电容的一端与所述缓冲吸收二极管的负极相连，所述缓冲吸收电容的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压直流电源为额定电压为1000V且额定功率为1kW的直流电源。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述MOSFET开关驱动器的电压等级为1000V，且运行电压为电压等级的一半。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲变压器的电压变比0.5kV/40kV，重复频率1kHz，脉冲宽度为亚微秒。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能电容器为脉冲电容器。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能电容器为脉冲电容器，且电容大小为4μF，电容最高电压为3kV。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
第二二极管，所述第二二级管的正极与所述MOSFET的漏极相连，所述第二二级管的负极与所述MOSFET的源极相连。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲变压器原边侧的一端与所述储能电容器的另一端相连，所述原边侧的另一端接地。
10.根据权利要求1或9所述的装置，其特征在于，所述脉冲变压器副边侧的一端与负载电容的一端相连，所述负载电容的另一端与负载的一端相连，所述副边侧的另一端与所述负载的另一端均接地。
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