CN113315388A - 一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高功率密度‑长寿命高频脉冲交流电源，电源包括高频脉冲交流电源本体、可替换插拔底座、配电开关和寿命检测单元，将电解电容阵单元设计成可插拔替换式模块单元，无需为了保证高压脉冲电源的一定的工作寿命，而成倍扩展电解电容阵单元的容量裕度，减小了电解电容阵单元的配置裕量，提高了驱动电源的功率密度；并通过寿命检测单元检测配电开关输出的直流母线电压，将直流母线电压与寿命下限阈值进行比较，当直流母线电压小于寿命下限阈值时，控制配电开关关断，提醒用户进行电解电容阵单元替换，从而实现整个电源使用寿命的延长。

Description

一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源。
背景技术
高频脉冲交流电源是一种广泛应用于低温等离子体源的电源类型，主要输出脉冲式能量驱动不同类型的低温等离子体电极产生等离子体活性粒子，从而保证低温等离子体源装置安全、稳定、可靠地应用于不同领域。而当前低温等离子体源装置集成化、小型化是其应用发展的必然趋势，而等离子体源装置绝大部分的体积和重量均集中在驱动激励电源单元，故如何优化驱动激励电源，特别是应用最为广泛的高频脉冲交流电源，实现高频脉冲交流电源的高功率密度和长寿命是实现等离子体源装置集成化、小型化的关键核心问题。而电解电容是电容的其中一种，它的金属箔为正极(一般用铝或铛)，目前比较常用或市面上比较常见的为铝电解电容，与正极紧贴金属的氧化膜为电解质，阴极由导电材料、电解质和其他材料共同组成。电解电容是高频交流电源的重要组成部件，也是电源内部的体积最大，寿命最为薄弱的环节，其运行状态直接影响了高频交流电源的安全性与可靠性。
高频交流电源在使用时，电解电容长期承受较高频率的电压，寿命损耗非常快，所以为了及时观测到电源的使用寿命，需要对电解电容使用状况有一个监测。目前监测电解电容运行状态的方法主要分为2类：离线式监测和在线式监测。现有的方案有：(1)添加功率因数校正转换器，基于电容纹波电压的分析来监测电解电容的状态；(2)加入隔离的电流放大器在循环中的特定时间收集两个电容器的电压值，以计算ESR(Equivalent SeriesResistance，等效串联电阻)和C的值；(3)提出一种基于步进激励的DC-DC转换器的输出级电容器的在线损耗检测方法。
为了实现对电解电容寿命状态的监测，通常都是对电解电容的等效串联电阻值和电解电容容值的监测。通常采用观察电解电容在放电状态时的电压值，并通过电压值来估算等效串联电阻值与电容值，并于与设定的值进行比较，最终判断是否达到寿命年限；或者通过电解电容的功率输出、环境温度、实验时间等相关参数，测量电容变化值来计算电容寿命。
1)如专利CN110031705A所述，通过电解电容在多级放电回路下的电压值，从而确定其等效串联电阻值与电容值，最终当等效串联电阻值达到预设定的电阻值或电容值达到预设定的电容值时。可以确定电解电容的寿命不足；
2)如专利CN108663580A和专利CN206906509U所述，通过模拟电容在LED驱动电源的工作环境，加大功率输出和增高电容环境温度从而可以加速电容的老化，根据功率输出、环境温度、实验时间，通过测量电容变化值就可以计算出电容寿命；
3)如专利CN201069461Y所述，通过由电压取样检测电路、供电输入检测电路、控制处理电路组成的电解电容寿命检测装置，观察充电时充电电压曲线，计算曲线变化的斜率，再与正常曲线斜率比较。从而判断电容是否正常工作；
4)如专利CN106126876A和专利CN106126876B所述，利用二重傅里叶级数求解不同频率下的电解电容电流纹波，再结合电解电容阻抗特性和基于内部温升的电解电容的模型，进而求解出电解电容的寿命。
目前对电解电容寿命状态监测的方法主要是通过输入电流、输出电压纹波和功率输出来计算出电解电容的C和ESR值，这也是目前主流的监测电解电容寿命状态的方法。但是如专利CN110031705A所述，通过多级电压回路来测量输出电压纹波，从而来计算C和ESR的值，电路设计十分复杂；还有专利CN106126876A和专利CN106126876B，学者通过二重傅里叶级数来求解不同频率下的电解电容电流纹波，十分复杂，不具有推广性。
综合现有技术方案以及应用场景，设计复杂，成本高昂，电源体积庞大，功率密度低。同时应用于低温等离子体放电领域高频高压脉冲交流电源内部的电解电容额定工况为输出高脉冲电流式功率形式，电解电容寿命损耗更快，进而使得高频脉冲交流电源的寿命损耗更快。
发明内容
本发明的目的是提供一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，以实现高频脉冲交流电源的高功率密度和长寿命。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，所述电源包括：高频脉冲交流电源本体、可替换插拔底座、配电开关和寿命检测单元；
所述高频脉冲交流电源本体中的电解电容阵单元设置在可替换插拔底座中；
所述配电开关设置在高频脉冲交流电源本体中的电解电容阵单元和逆变电路单元之间，所述配电开关的输出端和控制端均与寿命检测单元连接；
所述寿命检测单元用于检测配电开关输出的直流母线电压，并将所述直流母线电压与寿命下限阈值进行比较，当所述直流母线电压小于寿命下限阈值时，输出开关关断指令；所述配电开关用于根据开关关断指令关断开关。
可选的，所述寿命检测单元包括：直流母线电压检测单元和滞环比较动作单元；
所述直流母线电压检测单元的输入端与配电开关的输出端连接，所述直流母线电压检测单元的输出端与滞环比较动作单元的输入端连接；所述直流母线电压检测单元用于检测配电开关输出的直流母线电压，并将所述直流母线电压传输至滞环比较动作单元；
所述滞环比较动作单元的输出端与配电开关的控制端连接，所述滞环比较动作单元用于将所述直流母线电压与寿命下限阈值进行比较，当所述直流母线电压小于寿命下限阈值时，输出开关关断指令；
所述寿命检测单元还用于将所述直流母线电压与滞环环宽上限阈值进行比较，当所述直流母线电压大于滞环环宽上限阈值时，输出开关打开指令，根据开关打开指令控制配电开关打开。
可选的，所述寿命检测单元还包括：电容老化替换指示单元；
所述电容老化替换指示单元的控制端与滞环比较动作单元的输出端连接，所述滞环比较动作单元用于根据开关关断指令控制电容老化替换指示单元进行点亮。
可选的，所述配电开关为功率开关晶体管或可控继电器。
可选的，所述直流母线电压检测单元为电阻分压网络或电压互感器；所述滞环比较动作单元包括滞环比较器。
可选的，所述电容老化替换指示单元包括：LED指示灯电路；
滞环比较动作单元的输出端与LED指示灯电路的控制端连接，所述LED指示灯电路用于根据开关关断指令进行点亮。
可选的，所述高频脉冲交流电源本体包括：整流单元、电解电容阵单元、逆变电路单元、高压变压器单元和驱动电路单元；
整流单元的输入端与市电连接，整流单元的输出端与电解电容阵单元的输入端连接，整流单元用于将220v市电整流为脉动的直流母线电压，并将脉动的直流母线电压传输至电解电容阵单元；
电解电容阵单元的输出端通过配电开关与逆变电路单元的输入端连接，所述电解电容阵单元用于将脉动的直流母线电压滤波为平稳的直流母线电压，并将平稳的直流母线电压通过配电开关传输至逆变电路单元；
逆变电路单元的输出端与高压变压器单元的输入端连接，所述逆变电路单元用于将平稳的直流母线电压逆变为交流方波电压，并将交流方波电压传输至高压变压器单元；
高压变压器单元的输出端与等离子体电极负载连接，所述高压变压器单元用于交流方波电压转换成脉冲电压，并利用所述脉冲电压为等离子体电极负载供电；
驱动电路单元与逆变电路单元连接，所述驱动电路单元用于产生方波驱动信号，并根据方波驱动信号驱动逆变电路单元的开断。
可选的，所述整流单元包括4个整流二极管，或包括4个同步开关MOS晶体管。
可选的，所述逆变电路单元包括：4个开关MOS晶体管和4个稳压管；
每个开关MOS晶体管的栅极和源极之间设置一个稳压管。
可选的，所述驱动电路单元为逆变桥式电路控制芯片或数字控制器。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，将电解电容阵单元设计成可插拔替换式模块单元，无需为了保证高压脉冲电源的一定的工作寿命，而成倍扩展电解电容阵单元的容量裕度，减小了电解电容阵单元的配置裕量，提高了驱动电源的功率密度；并通过寿命检测单元检测配电开关输出的直流母线电压，将直流母线电压与寿命下限阈值进行比较，当直流母线电压小于寿命下限阈值时，控制配电开关关断，提醒用户进行电解电容阵单元替换，从而实现整个电源使用寿命的延长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源的结构图；
图2为本发明提供的一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源的基本电路图；
图3为本发明提供的电容负载为50pF时高频脉冲交流电源中的波形图；图3(a)为PWM驱动信号波形图，图3(b)为输出脉冲电压波形图，图3(c)为输出脉冲电流波形图，图3(d)为高压变压器原边的电流波形图；
图4为本发明提供的电容负载为50pF时高频脉冲交流电源中的整体趋势波形图；图4(a)为直流母线侧滤波电解电容的电压波形趋势图，图4(b)为直流母线侧滤波电解电容的电流波形趋势图，图4(c)为高频脉冲交流电源输出的脉冲电流波形趋势图；
图5为本发明提供的电容负载为50pF时高频脉冲交流电源中稳态放大后的波形图；图5(a)为直流母线侧滤波电解电容稳态放大后的电压波形图，图5(b)为直流母线侧滤波电解电容稳态放大后的电流波形图，图5(c)为高频脉冲交流电源输出的稳态放大后的脉冲电流波形图；
图6为本发明提供的直流母线滤波电解电容阵单元老化热耗问题仿真波形图；图6(a)为直流母线电压仿真波形图，图6(b)为电容阵ESR的损耗功率曲线图，图6(c)为电容阵电流仿真波形图；
图7为本发明提供的直流母线滤波电解电容阵单元老化热耗问题稳态细节波形图；图7(a)为直流母线电压稳态细节波形图，图7(b)为寄生电阻ESR为1毫欧时电容阵ESR的损耗功率曲线图，图7(c)为寄生电阻ESR为10毫欧时电容阵ESR的损耗功率曲线图，图7(d)为寄生电阻ESR为100毫欧时电容阵ESR的损耗功率曲线图，图7(e)为电容阵电流稳态细节波形图；
图8为传统直流母线滤波电容阵并联结构图；
图9为传统电容阵并联方案的热耗仿真整体趋势波形图；图9(a)为直流母线电压热耗仿真整体趋势波形图，图9(b)为电容阵ESR的损耗功率热耗仿真整体趋势曲线图，图9(c)为电容阵电流热耗仿真整体趋势波形图；
图10为传统电容阵并联方案的热耗仿真稳态细节波形图；图10(a)为直流母线电压热耗仿真稳态细节波形图，图10(b)为1path电容支路的电容阵ESR的损耗功率热耗仿真稳态细节曲线图，图10(c)为2path电容支路的电容阵ESR的损耗功率热耗仿真稳态细节曲线图，图10(d)为3path电容支路的电容阵ESR的损耗功率热耗仿真稳态细节曲线图，图10(e)为电容阵电流热耗仿真稳态细节波形图；
图11为本发明提供的直流母线滤波电解电容老化电阻时变模拟电路图；
图12为本发明提供的可变电阻模型PWR模型图；
图13为本发明提供的saber仿真环境中母线电压波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，以实现高频脉冲交流电源的高功率密度和长寿命。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，如图1所示，电源包括：高频脉冲交流电源本体、可替换插拔底座、配电开关和寿命检测单元。
高频脉冲交流电源本体中的电解电容阵单元设置在可替换插拔底座中。
配电开关设置在高频脉冲交流电源本体中的电解电容阵单元和逆变电路单元之间，配电开关的输出端和控制端均与寿命检测单元连接。
寿命检测单元用于检测配电开关输出的直流母线电压，并将直流母线电压与寿命下限阈值进行比较，当直流母线电压小于寿命下限阈值时，输出开关关断指令。配电开关用于根据开关关断指令关断开关。
电解电容阵单元和可替换插拔底座构成可替换插拔式电解电容阵单元，该单元是将前级整流后脉动的直流电压滤波为平稳的直流母线电压，为了保证直流母线电压的脉动纹波峰峰值尽可能小，一般该单元的电容阵容值较大。同时该单元的第二个功能是为后级高频脉冲电压提供瞬时脉冲电流即脉冲功率。由于大容值和体积的限制，该单元是由大容值的电解电容构成。
寿命检测单元包括：直流母线电压检测单元和滞环比较动作单元。
直流母线电压检测单元的输入端与配电开关的输出端连接，直流母线电压检测单元的输出端与滞环比较动作单元的输入端连接。直流母线电压检测单元用于检测配电开关输出的直流母线电压，并将直流母线电压传输至滞环比较动作单元。
滞环比较动作单元的输出端与配电开关的控制端连接，滞环比较动作单元用于将直流母线电压与寿命下限阈值进行比较，当直流母线电压小于寿命下限阈值时，输出开关关断指令。
寿命检测单元还用于将直流母线电压与滞环环宽上限阈值进行比较，当直流母线电压大于滞环环宽上限阈值时，输出开关打开指令，根据开关打开指令控制配电开关打开。
寿命检测单元还包括：电容老化替换指示单元。电容老化替换指示单元的控制端与滞环比较动作单元的输出端连接，滞环比较动作单元用于根据开关关断指令控制电容老化替换指示单元进行点亮。
电容老化替换指示单元包括：LED指示灯电路。接收到逻辑信号，小灯点亮，用于提示用户当前脉冲电源的电解电容单元使用寿命已到限，请更替电解电容阵单元配件。
配电开关为功率开关晶体管或可控继电器。该单元为整机保护开关单元，主要功能是当电源出现故障异常或检测到设定的切断逻辑功能条件时，该配电开关由导通状态变为截止状态，切断直流输入功率，从而切断后级脉冲功率输出。
优选地，直流母线电压检测单元为电阻分压网络或电压互感器。
滞环比较动作单元的输出端与LED指示灯电路的控制端连接，LED指示灯电路用于根据开关关断指令进行点亮。
其中，高频脉冲交流电源本体包括：整流单元、电解电容阵单元、逆变电路单元、高压变压器单元和驱动电路单元。
整流单元的输入端与市电连接，整流单元的输出端与电解电容阵单元的输入端连接，整流单元用于将220v市电整流为脉动的直流母线电压，并将脉动的直流母线电压传输至电解电容阵单元。
电解电容阵单元的输出端通过配电开关与逆变电路单元的输入端连接，电解电容阵单元用于将脉动的直流母线电压滤波为平稳的直流母线电压，并将平稳的直流母线电压通过配电开关传输至逆变电路单元。
逆变电路单元的输出端与高压变压器单元的输入端连接，逆变电路单元用于将平稳的直流母线电压逆变为交流方波电压，并将交流方波电压传输至高压变压器单元。
高压变压器单元的输出端与等离子体电极负载连接，高压变压器单元用于交流方波电压转换成脉冲电压，并利用脉冲电压为等离子体电极负载供电。
驱动电路单元与逆变电路单元连接，驱动电路单元用于产生方波驱动信号，并根据方波驱动信号驱动逆变电路单元的开断。
整流单元包括4个整流二极管，或包括4个同步开关MOS晶体管。
逆变电路单元包括：4个开关MOS晶体管和4个稳压管。
每个开关MOS晶体管的栅极和源极之间设置一个稳压管。
驱动电路单元为逆变桥式电路控制芯片或数字控制器。
本发明通过减小滤波电容的配置裕量，无需为了保证高压脉冲电源的一定的工作寿命，而成倍扩展直流母线滤波电容阵(电解电容)的容量裕度，而造成高压脉冲电源整机体积庞大，本发明提出的解决方案则很好地解决了高压脉冲电源工作时间寿命问题，可去除额外配置的电解电容裕量，极大减小驱动电源体积，提高驱动电源的功率密度，实现低温等离子体源的集成化和小型化需求。同时，对于降低电容配置裕度所带来的电解电容老化寿命问题，将直流母线滤波电解电容设计成可插拔替换式模块单元，根据电解电容老化ESR增加，容值C减小的原理，仅通过检测直流母线电压信号，并通过滞环比较单元判断直流母线电压是否超过设定的寿命保护滞环环宽，当电解电容寿命参数达到设定阈值之后，滞环比较动作单元关断直流功率输入端的配电开关，并显示电容老化替换指示信号，告知用户进行电解电容阵模块单元替换，从而实现整个电源使用寿命延长的功能。
一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源对应的功率变换的基本仿真电路结构示意图如图2所示，对应的详细解释说明如下：
(1)交流整流仿真电路由交流源v_sin来模拟50Hz交流市电电压，送入桥式二极管整流电流，仿真电路中的二极管采用功率理想二极管构成；amplitude表示振幅，frequency表示频率。
(2)电解电容阵单元电路，是由单个电容和串联电阻模型来等效实际电解电容阵单元，电容老化的过程主要体现在电容容值的减小和等效电阻值的增加，仿真电路中通过改变这两个参数值来模拟电容老化的过程。其中
Figure BDA0003133867600000091
模型符号为saber仿真环境中测试支路电流的电流探头，两个电流探头对应的输出信号Iin为功率输入的总电流，Icap为电容阵支路的总电流，电容符号即为电解电容阵，其对应的容值仿真环境设置为4.7毫法拉(4.7m)；电感符号的电感值为0.1微亨(0.1μH)；
Figure BDA0003133867600000092
符号表示saber仿真环境中测试支路电压的电压探头。
(3)高频逆变仿真电路采用4个理想的开关晶体管idealmos来实现，每一个MOS开关晶体管的栅极和源极之间的添加了一个15V的稳压管，用来保护MOSFET的栅源电压不至于超限而烧毁。图1中的架构框图中的“配电开关”单元中的功率开关晶体管，体现在图2的接线位置，在电解电容阵单元的功率输出正线和高频逆变单元的功率输入正线之间，控制高频逆变单元的功率输入通断。
(4)高压变压器单元采用DC-DC理想变压器构成，仿真电路中设定原边与副边的变比为10:500，输出脉冲电压Upluse，变压器副边高压侧直接与容性负载相接，这里将等离子体电极负载等效为电容模型；
(5)驱动信号单元仿真电路采用理想的模型器件实现2路互补的PWM信号波形，其中PWM_A和PWM_D信号相同，产生50kHz，10us脉宽的方波驱动信号，PWM_B和PWM_C信号相同，产生与PWM_A互补的信号，分别送入具有隔离功能的vcvs模型，驱动高频逆变电路的桥式开关晶体管的开通关断。其中，在图2原理性仿真电路模型中，驱动信号单元电路中
Figure BDA0003133867600000101
符号为基本与非门，处理逻辑信号功能，vp和vm分别为压控电压源vcvs模型的正线输入端和负线输入端，对应的k为vcvs将输入电压缩放的倍率，如k:1表示将输入电压乘以1，进行输出，k:3表示输将输入电压乘以3，放大3倍后输出。
相比于传统高频脉冲交流电源，本发明将直流母线滤波电解电容阵单元设计为可插拔替换式，并添加了直流母线电压检测单元，滞环比较动作单元，配电开关单元以及电容老化替换指示单元。直流母线电压检测单元检测直流母线电压信号，当母线电压信号超过滞环比较动作单元设定的寿命设定阈值，滞环比较动作单元给出两类控制信号，其一控制配电开关关断，切断功率输入；其二控制信号送入电容老化替换指示单元，用于提醒用户母线滤波电解电容阵单元已达到寿命极限，需要进行电容配件替换。
本发明提出的方案可以极大减小母线滤波电容的数目裕量，且不会影响最终的脉冲功率输出，在保证电源寿命的前提下，很好地解决了低温等离子体源装置的集成化问题，有助于实现了低温等离子体源的小型化功能需求。同时只需简单检测直流母线电压，替换电容阵配件单元，便可实现整个驱动电源的长寿命功能，从而保障低温等离子体源的寿命和可靠性。
本发明的原理说明及实验验证：
1.1高频脉冲交流电源直流母线滤波电解电容单元寿命问题
相比于普通工业级开关电源而言，应用于低温等离子体电极放电领域的高频脉冲交流电源中所存在的直流母线滤波电解电容的使用寿命问题会更加严重。其中该寿命问题的仿真分析波形如图3-5所示，图3为高频脉冲交流电源带50pF的电容负载，输出+/-10kV脉冲电压波形Upluse，Ipluse为输出脉冲电流波形，Ipri为高压变压器原边的电流波形；图4为直流母线侧滤波电解电容的电压Ucap和电流Icap波形；图5为图4稳态放大后的波形。图3-5的横坐标均为时间t，单位为秒(s)。
由图3-5可以看出，高频脉冲交流电源输出端驱动等离子体容性负载50pF条件下，输出脉冲电流Ipluse幅值可达到2.25A级别，对应的高压变压器原边电流Ipri为112.5A。并同时观测图4和图5的电解电容阵波形，在ReginA阶段为电解电容储能阶段，ReginB阶段为电解电容放电阶段，母线电压波动峰峰值为10V，电解电容阵放电峰值电流可达131A，充电峰值电流可达-140A。该仿真结果设置电解电容的寄生电阻ESR为1毫欧，反映电解电容的寿命初期，主要可以观察到高频脉冲交流电源内部的母线滤波电解电容阵单元的额定工况，是以极高的脉冲尖峰电流功率形式，更容易加速电解电容阵的老化。
随着电解电容的老化，其内部对应的ESR值会逐渐增加，容值C会逐渐减小，由于容值C的减小直接造成母线电压波动峰峰值的增加，与本发明的方案利用的原理相同，故本发明方案更关注寄生电阻ESR的变化，所带来的老化问题分析。图6-7给出在电解电容阵容值不变，ESR变大分别为1毫欧，10毫欧，100毫欧的仿真波形，其中Ucap为直流母线电压，Pcap为电容阵ESR的损耗功率，Icap为电容阵电流。
由图6-7的电解电容ESR寄生电阻Rcap变化所对应的功率和电气波形可以看出，随着Rcap的增加，直流母线电压波动峰峰值逐渐增加，分别为9.8V，9.5V，23V；电容电流峰值逐渐减小，分别为131A，129A，112A；电容阵热耗峰值功率Pcap显著增加，分别为17W，167W，1265W。所以，随着高频脉冲交流电源内的直流母线滤波电解电容阵老化ESR的增加，电容内部的耗散功率呈指数倍率增加，从而导致电解电容单元发热严重，长时间运行可能会导致电容阵爆炸，引发安全事故问题。
1.2传统直流母线滤波电容单元结构
传统工业级开关电源为了解决电解电容老化ESR变大的问题，通常采用多个电容阵支路并联的形式来成倍减小电容单元整体的寄生电阻大小，其结构方案示意图如图8所示，保持总电容容值和单条电容支路的ESR不变的条件下，对1path电容支路，2path电容支路和3path电容支路，进行热耗叠加仿真，即Pcap＝Pcap1+Pcap2+Pcap3，仿真结果如图9-10所示。
由图9-10可以看出，随着电容阵并联支路的增加，其直流母线电压波动幅值逐渐减小，即为23V，18V，14V；电容阵峰值电流变化不大，分别为112A，120A，124A；电容阵总的耗散功率峰值逐渐减小，分别为1257W，720W，514W。综合分析可知，添加电容阵支路的方式确实可以一定的解决电容阵单元的峰值耗散功率，但是其电容体积也是成倍增加，而对耗散峰值功率的减小并非成倍减小，故这种以牺牲电源体积为代价，热耗问题也并未获得显著解决，在高频脉冲交流电源领域并不适用，同样无法解决常态运行的问题。
1.3直流母线滤波电解电容寿命检测方法原理
由已知理论研究结论，电解电容老化带来的参数变化为容值逐渐减小，寄生电阻逐渐增加，且已知电容容值的减小会导致直流母线电压波动的峰峰值增加。本发明提出的电解电容检测方法是基于ESR的增加，对直流母线电压波动峰峰值的影响程度。其原理仿真示意图如图11所示，在线逐渐变化等效寄生电阻Rcap_esr为0.001欧，0.01欧，0.05欧，0.1欧，saber仿真环境中用可变电阻模型PWR模型，如图12所示，对应的母线电压波形如图13所示，设定的电容寿命阈值寄生电阻为0.05欧。
由图13可以看出随着电解电容老化寄生电阻的增加，其母线电压波动峰峰值显著增加，且电压波动增加的幅度要大于老化电容值减小带来波动幅度，即电解电容老化过程中，不管是容值的减小还是寄生电阻值的增加，母线电压波形峰峰值都会随之正相关增加，可按照该逻辑设计电解电容阵寿命阈值判断的标准。
本发明提出可简单的采样直流母线电压，按照设定的老化寄生电阻阻值Rcap_esr(0.05欧)所对应的滞环电压门限值Uth_H和Uth_L(220V和203V)，来作为判断电解电容阵寿命阈值到达的标准，是具备理论依据，可以进行工程实际应用。
本发明的优点：
1)本发明相比于传统高频脉冲交流电源，体积更小，功率密度更高，可实现低温等离子体源装置的集成化和小型化；
2)本发明相比于传统高频脉冲交流电源，寿命薄弱环节的直流母线滤波电解电容阵设计成插拔可替换式，整机总体使用寿命增加，可靠性更高；
3)本发明相比于传统高频脉冲交流电源，在电路结构上添加简单时时监测直流母线电压环节，设计滞环比较动作单元，实现电容寿命的时时监测和指示功能；
4)本发明相比于传统工业级开关电源，其电解电容寿命监测方法更简单，通过研究直流母线滤波电容老化特性规律，即电容容值减小，老化电阻增加的特点，直接带来母线电压波动峰峰值的显著变化，提出直接通过设定母线电压波动滞环环宽值，来间接反映老化寿命阈值参数，实现寿命时时监测功能，更有利于应用实际工程应用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，其特征在于，所述电源包括：高频脉冲交流电源本体、可替换插拔底座、配电开关和寿命检测单元；
所述高频脉冲交流电源本体中的电解电容阵单元设置在可替换插拔底座中；
所述配电开关设置在高频脉冲交流电源本体中的电解电容阵单元和逆变电路单元之间，所述配电开关的输出端和控制端均与寿命检测单元连接；
所述寿命检测单元用于检测配电开关输出的直流母线电压，并将所述直流母线电压与寿命下限阈值进行比较，当所述直流母线电压小于寿命下限阈值时，输出开关关断指令；所述配电开关用于根据开关关断指令关断开关。
2.根据权利要求1所述的高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，其特征在于，所述寿命检测单元包括：直流母线电压检测单元和滞环比较动作单元；
所述直流母线电压检测单元的输入端与配电开关的输出端连接，所述直流母线电压检测单元的输出端与滞环比较动作单元的输入端连接；所述直流母线电压检测单元用于检测配电开关输出的直流母线电压，并将所述直流母线电压传输至滞环比较动作单元；
所述滞环比较动作单元的输出端与配电开关的控制端连接，所述滞环比较动作单元用于将所述直流母线电压与寿命下限阈值进行比较，当所述直流母线电压小于寿命下限阈值时，输出开关关断指令；
所述寿命检测单元还用于将所述直流母线电压与滞环环宽上限阈值进行比较，当所述直流母线电压大于滞环环宽上限阈值时，输出开关打开指令，根据开关打开指令控制配电开关打开。
3.根据权利要求1所述的高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，其特征在于，所述寿命检测单元还包括：电容老化替换指示单元；
所述电容老化替换指示单元的控制端与滞环比较动作单元的输出端连接，所述滞环比较动作单元用于根据开关关断指令控制电容老化替换指示单元进行点亮。
4.根据权利要求1所述的高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，其特征在于，所述配电开关为功率开关晶体管或可控继电器。
5.根据权利要求2所述的高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，其特征在于，所述直流母线电压检测单元为电阻分压网络或电压互感器；所述滞环比较动作单元包括滞环比较器。
6.根据权利要求3所述的高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，其特征在于，所述电容老化替换指示单元包括：LED指示灯电路；
滞环比较动作单元的输出端与LED指示灯电路的控制端连接，所述LED指示灯电路用于根据开关关断指令进行点亮。
7.根据权利要求1所述的高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，其特征在于，所述高频脉冲交流电源本体包括：整流单元、电解电容阵单元、逆变电路单元、高压变压器单元和驱动电路单元；
整流单元的输入端与市电连接，整流单元的输出端与电解电容阵单元的输入端连接，整流单元用于将220v市电整流为脉动的直流母线电压，并将脉动的直流母线电压传输至电解电容阵单元；
电解电容阵单元的输出端通过配电开关与逆变电路单元的输入端连接，所述电解电容阵单元用于将脉动的直流母线电压滤波为平稳的直流母线电压，并将平稳的直流母线电压通过配电开关传输至逆变电路单元；
逆变电路单元的输出端与高压变压器单元的输入端连接，所述逆变电路单元用于将平稳的直流母线电压逆变为交流方波电压，并将交流方波电压传输至高压变压器单元；
高压变压器单元的输出端与等离子体电极负载连接，所述高压变压器单元用于交流方波电压转换成脉冲电压，并利用所述脉冲电压为等离子体电极负载供电；
驱动电路单元与逆变电路单元连接，所述驱动电路单元用于产生方波驱动信号，并根据方波驱动信号驱动逆变电路单元的开断。
8.根据权利要求7所述的高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，其特征在于，所述整流单元包括4个整流二极管，或包括4个同步开关MOS晶体管。
9.根据权利要求7所述的高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，其特征在于，所述逆变电路单元包括：4个开关MOS晶体管和4个稳压管；
每个开关MOS晶体管的栅极和源极之间设置一个稳压管。
10.根据权利要求7所述的高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源，其特征在于，所述驱动电路单元为逆变桥式电路控制芯片或数字控制器。
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