CN113037125B - 一种用于产生低温等离子体的谐振重频高压脉冲电源 - 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谐振重频高压脉冲电源，涉及低温等离子体领域，包括：整流滤波模块、谐振模块、脉冲变压器和控制模块，谐振模块包括谐振电感、谐振电容和半导体开关，谐振电感的一端连接到整流滤波模块的输出正极端、另一端连接到谐振电容的一端和脉冲变压器的初级线圈的一端的公共端，谐振电容的另一端和脉冲变压器的初级线圈的另一端的公共端通过半导体开关连接到整流滤波模块的输出负极端，控制模块通过控制半导体开关的通断形成谐振脉冲电压并提供给脉冲变压器，脉冲变压器升压得到高压脉冲电压并输出给低温等离子体反应器，减少了半导体开关的使用数量，提高了稳定性和可靠性。

Description

一种用于产生低温等离子体的谐振重频高压脉冲电源
技术领域
本发明涉及低温等离子体领域，尤其是一种用于产生低温等离子体的谐振重频高压脉冲电源。
背景技术
低温等离子体是继固态、液态和气态之后的物质第四态，低温等离子体中的电子温度远高于离子和中性粒子温度，电子足以使反应物分子激发、离解和电离，而整个反应体系保持常温，因而低温等离子体在材料表面改性、废气处理、流体控制和生物医学等领域具有广阔的应用前景。
目前，产生低温等离子体的方法包括电晕放电、介质阻挡放电和辉光放电等，常用的低温等离子体的激励电源包括正弦交流高压电源和高压脉冲电源，与正弦交流高压电源相比，高压脉冲电源放电产生的低温等离子体更加均匀，能量效率也更高。
现有技术中通常采用两种高压脉冲电源，第一种是将多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)串联起来作为高压脉冲电源的高压开关，由此组成推挽电路产生高压脉冲，这种方法对于开关的同步性要求较高，同时还需要复杂的均压电路。
在另一种方案中，高压脉冲电源使用半导体开关代替触痛Marx发生器的气体开关，用二极管或半导体开关代替充电电阻，形成全固态Marx发生器，虽然该高压脉冲电源在放电可控性、重复频率、寿命和效率等方面均有较大提升，但由于半导体开关的耐压限制，为了输出高压脉冲，这两种高压脉冲电源都需要大量的半导体开关，不仅增加了成本还由于其复杂程度较高降低了可靠性。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种用于产生低温等离子体的谐振重频高压脉冲电源，本发明的技术方案如下：
一种用于产生低温等离子体的谐振重频高压脉冲电源，其特征在于，包括整流滤波模块、谐振模块、脉冲变压器和控制模块，所述整流滤波模块对外部电源进行整流滤波后提供给所述谐振模块，所述谐振模块包括谐振电感、谐振电容和半导体开关，所述谐振电感的一端连接到所述整流滤波模块的输出正极端、另一端连接到所述谐振电容的一端和所述脉冲变压器的初级线圈的一端的公共端，所述谐振电容的另一端和所述脉冲变压器的初级线圈的另一端的公共端通过所述半导体开关连接到所述整流滤波模块的输出负极端，所述脉冲变压器的次级线圈用于连接到外部的低温等离子体反应器，所述控制模块通过控制所述半导体开关的通断形成谐振脉冲电压并提供给所述脉冲变压器，所述脉冲变压器升压得到高压脉冲电压并输出给所述低温等离子体反应器。
其进一步的技术方案为，当所述控制模块控制所述半导体开关导通后，所述谐振电感的电流信号为随时间变化的正弦曲线，所述正弦曲线包括正电流区间和负电流区间；当所述谐振电感的电流信号处于所述正弦曲线的负电流区间中时，所述控制模块控制所述半导体开关断开。
其进一步的技术方案为，所述半导体开关包括开关晶体管和开关二极管，所述谐振电容连接到所述开关晶体管的第一端和所述开关二极管的负极的公共端，所述开关晶体管的第二端和所述开关二极管的正极的公共端连接到所述整流滤波模块的输出负极端，所述开关晶体管的控制端连接到所述控制模块，则所述控制模块控制所述半导体开关断开，包括：
所述开关二极管导通，所述控制模块控制所述开关晶体管在零电流、零电压状态下断开。
其进一步的技术方案为，所述开关晶体管包括绝缘栅双极晶体管、晶闸管、门极可关断晶闸管、电力场效应晶体管、集成门极换流可关断晶闸管中的任意一种。
其进一步的技术方案为，所述谐振电感的电流信号由零电流值启动，则所述半导体开关由零电流值导通。
其进一步的技术方案为，所述控制模块包括控制芯片、开关控制电路、过零检测电路和峰值电压检测电路，所述开关控制电路、所述过零检测电路、所述峰值电压检测电路分别连接到所述控制芯片，所述控制芯片通过所述开关控制电路连接到所述半导体开关，所述过零检测电路获取所述谐振电感的电流值并传输给所述控制芯片，所述峰值电压检测电路获取所述脉冲变压器的输出电压并传输给所述控制芯片。
其进一步的技术方案为，所述开关控制电路包括施密特触发器、光耦隔离驱动芯片和第一电阻，所述控制芯片输出驱动信号经过施密特触发器整形后通过所述第一电阻输出给所述光耦隔离驱动芯片，所述光耦隔离驱动芯片的第一电压输出端和第二电压输出端连接到所述半导体开关。
其进一步的技术方案为，所述开关控制电路还包括抗干扰电路，所述抗干扰电路包括稳压二极管、两个电容和第二电阻，所述光耦隔离驱动芯片的电源端连接到供电电源、所述第二电阻的一端和第一电容的一端，所述光耦隔离驱动芯片的接地端连接到所述第一电容的另一端、第二电容的一端和所述稳压二极管的正极端，所述稳压二极管的负极端连接到所述开关晶体管的第二端，所述第二电容的另一端连接到所述第二电阻的另一端。
其进一步的技术方案为，所述过零检测模块包括霍尔电流传感器、光耦合器和两个电阻，所述霍尔电流传感器获取所述谐振电感的电流，所述霍尔电流传感器的输出正极端连接到光耦合器的一个输入端，所述霍尔电流传感器的输出负极端通过第三电阻连接到所述光耦合器的另一个输入端，所述光耦合器的一个输出端连接到所述控制芯片并通过第四电阻连接到供电电源，所述光耦合器的另一个输出端连接到所述控制芯片并接地连接。
其进一步的技术方案为，所述峰值电压检测电路包括两个电阻、第一二极管、第三电容、放大器、滤波器和AD采样器，第五电阻的一端连接到所述脉冲变压器的输出端并获取输出电压、另一端连接到第六电阻的一端和所述第一二极管的正极，所述第一二极管的负极连接到所述第三电容的一端和所述放大器的输入正极端，所述第三电容的另一端连接到所述放大器的输入负极端和所述第六电阻的另一端，所述第六电阻的另一端还接地连接，所述放大器、所述滤波器、所述AD采样器和所述控制芯片依次连接。
本发明的有益技术效果是：采用脉冲变压器升压，大大减少了半导体开关的使用数量，提高了电源的稳定性；通过脉冲变压器升压，能够大大减少所需半导体开关的数量，同时次级线圈高压输出和初级线圈低压隔离，低压电路的设计；放电结束后，脉冲变压器漏感中存储的能量能够回到谐振电容中，而不是在电路中消耗；实现半导体开关的零电流导通，同时实现半导体开关的零电流、零电压断开，降低了半导体开关的损耗，减小了电磁干扰，有利于实现高频率的重复使用。
附图说明
图1是本申请的电源的结构框图。
图2是本申请的电源的电路示意图。
图3是本申请的电源的各个电压和电流的波形图。
图4是本申请的开关控制电路的电路示意图。
图5是本申请的过零检测电路的电路示意图。
图6是本申请的峰值电压检测电路的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
一种用于产生低温等离子的谐振重频高压脉冲电源，如图1和2所示，包括整流滤波模块、谐振模块、脉冲变压器和控制模块，整流滤波模块将外部电源的市电进行整流滤波后转变为直流电压提供给谐振模块，整流滤波模块采用市售的整流单元、滤波单元即可，例如如图2中所示，整流单元采用四个整流二极管进行整流，每两个整流二极管的正负极相连并连接到市电的一个输出端上，由此构成一个整流桥对交流电进行整流，滤波单元采用一个滤波电容，滤波电容连接到整流单元的输出正负极之间。
谐振模块包括谐振电感Lr、谐振电容Cr和半导体开关，谐振电感Lr的一端连接到整流滤波模块的输出正极端、另一端连接到谐振电容Cr的一端和脉冲变压器的初级线圈的一端的公共端，谐振电容Cr的另一端和脉冲变压器的初级线圈的另一端的公共端通过半导体开关连接到整流滤波模块的输出负极端，脉冲变压器的次级线圈用于连接到外部的低温等离子体反应器，控制模块通过控制半导体开关的通断形成谐振脉冲并提供给脉冲变压器，脉冲变压器升压得到高压脉冲电压并输出给低温等离子体反应器，使得低温等离子体反应器产生低温等离子体。
脉冲变压器的初级线圈和次级线圈的线圈比为1：N，则脉冲变压器的输出电压V0为谐振电容Cr两端电压VCr的N倍，且波形相同，通过脉冲变压器升压，能够大大减少所需半导体开关的数量，同时次级线圈高压输出和初级线圈低压隔离，便于低压电路的设计；放电结束后，脉冲变压器的漏感中存储的能量能够回到谐振电容中，而不是在电路中消耗。
半导体开关包括开关晶体管Qr和开关二极管Dr，开关晶体管Qr包括绝缘栅双极晶体管IGBT、晶闸管SCR、门极可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管MOSFET和集成门极换流可关断晶闸管IGCT中的任意一种，每个开关晶体管都包括第一端、第二端和控制端，以IGBT为例，第一端为集电极，第二端为发射极，控制端为门极。谐振电容Cr连接到开关晶体管Qr的第一端和开关二极管Dr的负极的公共端，开关晶体管Qr的第二端和开关二极管Dr的正极的公共端连接到整流滤波模块的输出负极端，开关晶体管Qr的控制端连接到控制模块。
本申请的谐振重频高压脉冲电源的工作过程主要包括五个时间点，如图3所示，分别记为t0、t1、t2、t3、t4，具体的工作原理为：
当开关晶体管Qr的驱动电压Vge由低电平变为高电平时，记此刻时间为t0，半导体开关导通，谐振电感Lr和谐振电容Cr形成谐振回路，该谐振回路的谐振电流即为谐振电感的电流iLr，谐振电感Lr的电流信号为随时间变化的正弦曲线，该正弦曲线包括正电流区间和负电流区间，由于谐振电感Lr本身的特性，所以谐振电感Lr的电流iLr由零缓慢上升，则半导体开关为零电流值导通。
当脉冲变压器的初级线圈电流ip由负电流变为0时，记此刻时间为t1，此时谐振电容Cr的能量传输给脉冲变压器，在t0到t1的这段时间中，脉冲变压器的初级线圈电流ip为负电流，即初级线圈电流ip的方向为流入谐振电容Cr，谐振电容Cr被充电，其两端的电压VCr快速上升。
当谐振电感的电流iLr由正电流变为0时，记此刻时间为t2，开关二极管Dr导通，开关晶体管Qr中没有电流流过。在t1到t2器件，当谐振电感的电流iLr等于脉冲变压器的初级线圈电流ip，谐振电容Cr的两端电压VCr达到最大值。
当谐振电感的电流iLr由负电流变为0时，记此刻时间为t3，在t2到t3中关断半导体开关，即在谐振电感的电流信号处于正弦曲线的负电流区间中时，则可以实现零电压零电流关断，即控制模块控制开关晶体管Qr在零电流、零电压状态下断开；谐振电感的电流iLr对谐振电容Cr反向充电，同时，谐振电容Cr对脉冲变压器放电，于是在t0到t3这段时间中，谐振电容Cr两端出现谐振脉冲电压，该谐振脉冲电压经过脉冲变压器升压后，在脉冲变压器的次级线圈得到高压脉冲电压。
在t3时刻后，谐振电感的电流iLr此后一直为零，谐振电容Cr的电压VCr继续减小，当脉冲变压器的初级线圈电流ip由正电流变为0时，谐振电容Cr的两端电压VCr达到负的最大值，此后，谐振电容Cr的两端电压VCr由负逐渐变为0。
当开关晶体管Qr再次导通，一个周期结束，记为t4，t4为上一个周期的结束时间，同时也是下一个周期的开始时间t0，由此通过调节半导体开关的关断频率达到调节输出电压频率的目的。
控制模块包括控制芯片、开关控制电路、过零检测电路和峰值电压检测电路，开关控制电路、过零检测电路、峰值电压检测电路分别连接到控制芯片，其中，控制芯片采用FPGA芯片。
如图4所示，开关控制电路包括施密特触发器、光耦隔离驱动芯片和第一电阻，控制芯片输出驱动信号经过施密特触发器整形后通过第一电阻R1输出给光耦隔离驱动芯片，光耦隔离驱动芯片的第一电压输出端6和第二电压输出端7连接到半导体开关。其中，施密特触发器的型号为74HC14，光耦隔离驱动芯片的型号为TLP250，控制芯片输出的驱动信号经过施密特触发器整形后，输出给光耦隔离驱动芯片，光耦隔离驱动芯片将驱动信号放大后输出给半导体开关的控制端，从而实现控制半导体开关通断的目的。第一电阻R1决定了光耦隔离驱动芯片的电流大小，使得电流能够使光耦隔离驱动芯片充分导通，而且电流不至于过大。
进一步的，开关控制电路还包括抗干扰电路，抗干扰电路能够增强开关控制电路的抗干扰能力，抗干扰电路包括稳压二极管Z1、两个电容和第二电阻，光耦隔离驱动芯片的电源端8连接到供电电源、第二电阻R2的一端和第一电容C1的一端，光耦隔离驱动芯片的接地端5连接到第一电容C1的另一端、第二电容C2的一端和稳压二极管Z1的正极端，稳压二极管Z1的负极端连接到开关晶体管Qr的第二端，第二电容C2的另一端连接到第二电阻R2的另一端。
如图5所示，过零检测电路包括霍尔电流传感器、光耦合器和两个电阻，霍尔电流传感器获取谐振电感Lr的电流值iLr，霍尔电流传感器的正极端连接到光耦合器的一个输入端，霍尔电流传感器的负极端通过第三电阻R3连接到光耦合器的另一个输入端，光耦合器的一个输出端连接到控制芯片并通过第四电阻R4连接到供电电源，光耦合器的另一个输出端连接到控制芯片并接地连接。其中，光耦合器的型号为6N137。谐振电感的电流iLr经过霍尔电流传感器检测后输送给光耦合器，当谐振电感的电流iLr由正变负时，光耦合器内部的发光二极管导通，进而使其内部的三极管导通，将输出给控制芯片的信号由高电平变为低电平，控制芯片检测到下降沿后，判断出谐振电感的电流iLr反向过零，输出关断信号，从而实现半导体开关的零电压零电流关断。
如图6所示，峰值电压检测电路包括两个电阻、第一二极管、第三电容、放大器、滤波器、AD采样器和控制芯片，第五电阻R5的一端连接到脉冲变压器的输出端并获取输出电压V0、另一端连接到第六电阻R6的一端和第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极连接到第三电容C3的一端和放大器的输入正极端，第三电容C3的另一端连接到放大器的输出负极端，放大器、滤波器、AD采样器和控制芯片依次连接。其中，放大器采用线性光耦隔离放大器，滤波器采用二阶巴特沃斯滤波器。输出电压V0经过第五电阻R5和第六电阻R6分压后，在第六电阻R6的两端得到第一电压V1，第一电压V1经过第一二极管D1单向整流和第三电容C3滤波后得到与输出电压V0成正比的第二电压V2，第二电压V2经过放大器隔离放大后，再经过滤波器滤波后最后通过AD采样器采样，将模拟信号变为数字信号输送给控制芯片，控制芯片可以外接显示器，将输出电压峰值显示在显示器上，并根据输出电压峰值判断过压、短路等故障，从而方便进行后续的保护工作。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于产生低温等离子体的谐振重频高压脉冲电源，其特征在于，包括整流滤波模块、谐振模块、脉冲变压器和控制模块，所述整流滤波模块对外部电源进行整流滤波后提供给所述谐振模块，所述谐振模块包括谐振电感、谐振电容和半导体开关，所述谐振电感的一端连接到所述整流滤波模块的输出正极端、另一端连接到所述谐振电容的一端和所述脉冲变压器的初级线圈的一端的公共端，所述谐振电容的另一端和所述脉冲变压器的初级线圈的另一端的公共端通过所述半导体开关连接到所述整流滤波模块的输出负极端，所述脉冲变压器的次级线圈用于连接到外部的低温等离子体反应器，所述控制模块通过控制所述半导体开关的通断形成谐振脉冲电压并提供给所述脉冲变压器，所述脉冲变压器升压得到高压脉冲电压并输出给所述低温等离子体反应器；
当所述控制模块控制所述半导体开关导通后，所述谐振电感的电流信号为随时间变化的正弦曲线，所述正弦曲线包括正电流区间和负电流区间；当所述谐振电感的电流信号处于所述正弦曲线的负电流区间中时，所述控制模块控制所述半导体开关断开。
2.根据权利要求1所述的谐振重频高压脉冲电源，其特征在于，所述半导体开关包括开关晶体管和开关二极管，所述谐振电容连接到所述开关晶体管的第一端和所述开关二极管的负极的公共端，所述开关晶体管的第二端和所述开关二极管的正极的公共端连接到所述整流滤波模块的输出负极端，所述开关晶体管的控制端连接到所述控制模块，则所述控制模块控制所述半导体开关断开，包括：
所述开关二极管导通，所述控制模块控制所述开关晶体管在零电流、零电压状态下断开。
3.根据权利要求2所述的谐振重频高压脉冲电源，其特征在于，所述开关晶体管包括绝缘栅双极晶体管、晶闸管、门极可关断晶闸管、电力场效应晶体管、集成门极换流可关断晶闸管中的任意一种。
4.根据权利要求1-3任一所述的谐振重频高压脉冲电源，其特征在于，所述谐振电感的电流信号由零电流值启动，则所述半导体开关由零电流值导通。
5.根据权利要求2或3所述的谐振重频高压脉冲电源，其特征在于，所述控制模块包括控制芯片、开关控制电路、过零检测电路和峰值电压检测电路，所述开关控制电路、所述过零检测电路、所述峰值电压检测电路分别连接到所述控制芯片，所述控制芯片通过所述开关控制电路连接到所述半导体开关，所述过零检测电路获取所述谐振电感的电流值并传输给所述控制芯片，所述峰值电压检测电路获取所述脉冲变压器的输出电压并传输给所述控制芯片。
6.根据权利要求5所述的谐振重频高压脉冲电源，其特征在于，所述开关控制电路包括施密特触发器、光耦隔离驱动芯片和第一电阻，所述控制芯片输出驱动信号经过所述施密特触发器整形后通过所述第一电阻输出给所述光耦隔离驱动芯片，所述光耦隔离驱动芯片的第一电压输出端和第二电压输出端连接到所述半导体开关。
7.根据权利要求6所述的谐振重频高压脉冲电源，其特征在于，所述开关控制电路还包括抗干扰电路，所述抗干扰电路包括稳压二极管、两个电容和第二电阻，所述光耦隔离驱动芯片的电源端连接到供电电源、所述第二电阻的一端和第一电容的一端，所述光耦隔离驱动芯片的接地端连接到所述第一电容的另一端、第二电容的一端和所述稳压二极管的正极端，所述稳压二极管的负极端连接到所述开关晶体管的第二端，所述第二电容的另一端连接到所述第二电阻的另一端。
8.根据权利要求5所述的谐振重频高压脉冲电源，其特征在于，所述过零检测模块包括霍尔电流传感器、光耦合器和两个电阻，所述霍尔电流传感器获取所述谐振电感的电流，所述霍尔电流传感器的输出正极端连接到所述光耦合器的一个输入端，所述霍尔电流传感器的输出负极端通过第三电阻连接到所述光耦合器的另一个输入端，所述光耦合器的一个输出端连接到所述控制芯片并通过第四电阻连接到供电电源，所述光耦合器的另一个输出端连接到所述控制芯片并接地连接。
9.根据权利要求5所述的谐振重频高压脉冲电源，其特征在于，所述峰值电压检测电路包括两个电阻、第一二极管、第三电容、放大器、滤波器和AD采样器，第五电阻的一端连接到所述脉冲变压器的输出端并获取输出电压、另一端连接到第六电阻的一端和所述第一二极管的正极，所述第一二极管的负极连接到所述第三电容的一端和所述放大器的输入正极端，所述第三电容的另一端连接到所述放大器的输入负极端和所述第六电阻的另一端，所述第六电阻的另一端还接地连接，所述放大器、所述滤波器、所述AD采样器和所述控制芯片依次连接。
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