CN113395009A - 一种应用于dbd放电的3d阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种应用于DBD放电的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源，电源整体外部连接220V市电，其特征在于：电源整体包括直流功率输入单元、储能控制信号生成单元、脉冲功率压缩/释放单元、DBD反应器电极结构单元、3D阵列光信号采集单元、光信号处理单元、PID闭环调节单元，本发明可以直接应用于微秒脉冲电源驱动的DBD放电中提高DBD放电的均匀性和稳定性，具有工程应用价值，同时也为类似开环高压脉冲电源系统均可采用本发明所提出的反馈控制方法，本发明提出的反馈调节控制方法提供了一个简单可靠的解决方案。
Description
技术领域
本发明属于脉冲电源技术领域，具体涉及到一种应用于DBD放电的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源。
背景技术
大气压介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)是产生高活性粒子低温等离子体的有效方式，其活性粒子与放电均匀性成正相关系，而微秒脉冲电源更有利于DBD的均匀放电，但是当前应用于DBD等离子体放电领域的高压微秒脉冲电源属于开环调节控制范畴，在长时间运行过程中会存在放电功率不稳定，从而引起DBD熄火或击穿问题，并且针对高压微秒电源闭环控制方案的研究较少且无法实际应用于工程电源设备中。
DBD是产生高活性低温等离子体的常用方式，阻挡介质的存在可以有效抑制放电向电弧形式转化，使放电产生等离子体中的活性成分得以有效利用，因而在材料改性、生物医学和废气处理等多个领域具有良好的应用前景，因为产生低温等离子体需要高压脉冲电源为气体放电提供能量，为了持续稳定的产生大气压低温等离子体，这就需要高压脉冲电源持续稳定的输出脉冲功率，但是由于DBD放电特性易改变、电源长时间工作致使元器件温度过高不能稳定输出等原因都会改变DBD的放电状态，无法得到持续稳定的最佳DBD放电状态。
DBD的供电电压-电流、供电功率和能量、发光图像、光谱等电学光学参量，是低温等离子体研究和应用中极其重要的参量，在放电过程中它们相互作用，共同影响多重微放电的产生、放电的效果和等离子体的特性，由于DBD通过大量短暂的微放电来消耗能量，具有时空不确定性，故供电功率和能量很难通过电压-电荷李萨如(Lissajous)图形法准确测定，但是可通过光谱仪和ICCD等光学仪器准确测量出放电的光学参数，通过与测定的最佳放电状态的基准参数进行比较，可实现实时检测放电状态，DBD放电特性的诸多影响因素中，外施电压和频率较易调节，且对放电特性可造成较明显影响，是调控DBD特性的便捷方法之一。目前大家较多的采用调节外加电压和频率的办法得到DBD最佳放电状态
基于此，本发明设计了一种应用于DBD放电的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于设计一种应用于DBD放电领域的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源,通过光敏电阻检测DBD放电的发射光谱，将检测到的光信号处理后转换为电信号并与基准值进行比较，经PID调节器得到负反馈调节信号，用于调节微秒脉冲电源储能控制单元生成的PWM信号，通过控制脉冲变压器的储能和释放时间，调节变压器的脉冲功率输出，达到调控脉冲功率输出和DBD放电状态的目的。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：
一种应用于DBD放电的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源，电源整体外部连接220V市电，电源整体包括直流功率输入单元、储能控制信号生成单元、脉冲功率压缩/释放单元、DBD反应器电极结构单元、3D阵列光信号采集单元、光信号处理单元、PID闭环调节单元；
所述的DBD反应器电极结构单元包括DBD放电电极负载，电源整体的驱动源输出端与DBD反应器电极结构单元的放电电极负载相连；
所述的直流功率输入电源分别连接220V市电与脉冲功率压缩/释放单元；
所述的储能控制信号生成单元连接到脉冲功率压缩/释放单元，脉冲功率压缩/释放单元连接到DBD反应器电机结构单元，DBD反应器电机结构单元与3D阵列光信号采集单元相互连接，3D阵列光信号采集单元连接到光信号处理单元，光信号处理单元连接到PID闭环调节单元，PID闭环调节单元连接到储能控制信号生成单元。
作为本发明进一步的描述，所述的直流功率输入单元设置为AC-DC连续可调直流电源，市电220V经AC-DC连续可调直流电源转换为0-60V连续可调直流输出。
作为本发明进一步的描述，所述的脉冲功率压缩/释放单元一次侧接直流功率输入单元，二次侧为脉冲功率输出侧。
作为本发明进一步的描述，所述的储能控制信号生成单元控制脉冲功率压缩/释放单元的储能和释放时间，储能控制信号生成单元为高电平时脉冲功率压缩/释放单元为储存能量，储能控制信号生成单元为低电平时脉冲功率压缩/释放单元为释放能量。
作为本发明进一步的描述，所述的DBD反应器电极结构单元四周设置光敏电阻，构成光敏电阻检测阵列。
相对于现有技术，本发明的技术效果为：
本发明提供了一种应用于DBD放电的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源，通过在DBD反应器周围布置3D阵列式光敏电阻实时检测放电的发射光谱强度，将检测到的光信号进行权重滤波并转换为电信号，将检测信号与设定基准值进行对比，得出实时的DBD放电状态反馈，从而通过调节微秒脉冲电源储能控制信号PWM的占空比调节脉冲变压器的储能和释放时间，调节脉冲功率的输出，调控DBD放电状态，形成负反馈，使高压微秒脉冲电源驱动下的DBD反应器持续稳定的工作在最佳放电状态。
附图说明
图1为本发明的整体结构视图；
图2为本发明的脉冲电源拓扑图；
图3为本发明的脉冲电源二次侧工作电路图与波形图；
图4为本发明的光敏电阻阵列光信号采集与转换结构示意图；
图5为本发明的PID控制电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述：
一种应用于DBD放电的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源，参考图1-5所示，电源整体外部连接220V市电，电源整体包括直流功率输入单元、储能控制信号生成单元、脉冲功率压缩/释放单元、DBD反应器电极结构单元、3D阵列光信号采集单元、光信号处理单元、PID闭环调节单元；所述的DBD反应器电极结构单元包括DBD放电电极负载，电源整体的驱动源输出端与DBD反应器电极结构单元的放电电极负载相连；所述的直流功率输入电源分别连接220V市电与脉冲功率压缩/释放单元；所述的储能控制信号生成单元连接到脉冲功率压缩/释放单元，脉冲功率压缩/释放单元连接到DBD反应器电机结构单元，DBD反应器电机结构单元与3D阵列光信号采集单元相互连接，3D阵列光信号采集单元连接到光信号处理单元，光信号处理单元连接到PID闭环调节单元，PID闭环调节单元连接到储能控制信号生成单元。
所述的直流功率输入单元设置为AC-DC连续可调直流电源，市电220V经AC-DC连续可调直流电源转换为0-60V连续可调直流输出。
储能控制信号生成单元(PWM)产生频率、占空比可调的PWM波形，通过调节频率和占空比调节脉冲变压器的储能和释放时间，达到调节脉冲功率输出的目的。
所述的脉冲功率压缩/释放单元一次侧接直流功率输入单元，二次侧为脉冲功率输出侧。
所述的储能控制信号生成单元控制脉冲功率压缩/释放单元的储能和释放时间，储能控制信号生成单元为高电平时脉冲功率压缩/释放单元为储存能量，储能控制信号生成单元为低电平时脉冲功率压缩/释放单元为释放能量。
所述的DBD反应器电极结构单元四周设置光敏电阻，构成光敏电阻检测阵列，采集DBD反应器电极结构单元放电时的发射光谱。
DBD反应器电极结构单元为普通的实验室所使用的或工业上使用的介质阻挡电极结构。
光信号处理单元将光敏电阻检测到的DBD放电的发射光谱的光信号转换为电压信号，并将电压信号进行权重滤波综合处理，得出可以反应当前DBD反应器放电强度的反馈信号。
PID闭环调节单元将反馈信号与设定的基准值Vset比对，通过比例-积分-微分调节器输出调节信号，控制PWM的占空比。
本发明微秒脉冲电源储能PWM控制机理：
如图2所示，为实验室所使用的微秒脉冲电源电路拓扑图。
如2图所示，实验室的高压微秒脉冲电源是通过直流电源进行供电的输入电压为Udc；其中Cin为直流输入电压的稳压滤波储能电容，能够保持输入电压恒定且起到一定滤波的作用，为之后的电路提供必须的瞬态功率；T1为带储能电感的脉冲变压器，既是储能元件也是放电元件；Q1为碳化硅开关管受PWM信号控制导通与关断，PWM为高电平时Q1导通，PWM为低电平时Q1关断；Uload为DBD负载电极的电压。
如图3所示，为高压微秒脉冲电源二次侧工作电路图和波形图。
微秒脉冲电源储能PWM控制原理如下：由于变压器是反激变压器且受到开关管的控制，在t0～t1阶段，PWM为高电平Q1导通，直流电源Udc给变压器原边电感储能，T1相当于一个纯电感，电流流进变压器T1初级绕组，变压器一次侧的能量储存在变压器的储能电感上，变压器原边绕组电压Upri即为Udc，原边绕组电流呈线性上升，电流上升斜率为：
其中Lp为原边绕组电感量。一次侧绕组电流峰值Ipri_peak为:
此时变压器二次侧Usec为负压；在t1～t4阶段，PWM为低电平Q1关断，初级侧电流停止，所有绕组电压反向，储存在变压器上的能量会根据安匝守恒定律在变压器次级侧进行释放，形成高压脉冲能量波形；其中在t1～t2阶段，开关晶体管Q1在t1时刻由开通变为关断，由脉冲变压器的安匝守恒原理可以得出瞬时高压二次侧的电流峰值为Isec_peak为：
脉冲电源输出侧所带的DBD负载在放电之前可等效为电容Cload，进行能量存储，输出电压Uload逐渐升高，Isec降为0，在t2时刻，Uload达到峰值Uload_peak，同时，变压器二次侧高压会反射回原边，形成负压；在t2～t3阶段，变压器二次侧高压达到DBD负载的击穿放电电压，DBD开始放电，t3时刻放电结束，高压微秒脉冲电源完成一个周期的工作过程，t4时刻开始下一个脉冲储能放电周期。
本发明设计的微秒脉冲电源工作于断续工作模式，Q1在导通期间，变压器储存能量为：
E＝0.5Lp(Ipri)2 (4)
Q1在关断之前一次侧电流为：
Q1在关断瞬间，由于电感电流不能突变，变压器电流从初级传到次级，其次级电流幅值为：
由于一个周期T内传递的能量E即为输入功率Pin，所以Pin的值为：
所以在保持Udc恒定，根据变压器能量输入输出守恒，改变占空比
可以改变脉冲变压器输出功率Pout。设变压器效率为0.8，等效负载为R0，则有：
所以二次侧负载电压为：
所以改变占空比
可以调整输出电压。
3D阵列式光电信号采集方法：
选用波长测量在一定范围(p～q)nm的光敏电阻，其中p和q的取值根据实际DBD放电主要光谱分布范围确定，有p<q。可对大气压下DBD放电的多种原子和基团光谱谱线进行检测，如N2、Ar原子、O原子等。
如图4为光敏电阻阵列光信号采集与转换结构示意图，图4(a)为结构框图，图4(b)为光敏电阻排布示意图(实际应用根据具体情况进行设定)。
根据DBD放电电极结构，设定光敏电阻阵列排布位置，假设使用n个光敏电阻，分别排布在DBD电极周围的不同位置，对不同位置出的光谱进行检测。
图4(c)为光-电转换电路图即电压跟随器，RL为可变电阻、Rf1为光敏电阻、R为定值电阻。光敏电阻阻值随光照条件改变，当有光照时电阻很小，光照变弱时电阻变大，由图4(c)可知输出Vo1的值为：
调节RL保持不变，Rf1阻值随光谱强度改变，在Vo处得到光-电转换后的电压信号。
最终的n路光电转换信号输出的电压信息，送入硬件电路处理单元或数字控制器单元，将所有光电信息进行相应的滤波算法处理，最终得到可精确反映被控对象DBD的放电状态信息。
光电信号加权平均处理及实现方法：
经过光信号采集与光-电信号转换后，得到一组DBD放电不同位置光照强度光敏电阻检测到的电压信号，设这组电压信号分别为Vo1，Vo2，Vo3，…，Von，对应位置i的权重为xi，加权平均处理后的输出信号为Vout，n为整数，则这组测定的电压信号加权平均处理结果为：
本发明提出的加权平均处理方法，不仅可以采用硬件电路方法实现，而且可以采用编程算法的方式用单片机、DSP、FPGA等数字处理控制器来进行编程运算处理，也会更加便捷和快速。
非逐周期反馈补偿电路设计：
如图图5为PID控制电路图。
经信号采集、光-电转换、信号处理后得到加权平均处理后的输出信号为Vout，将Vout信号送到PID调节器，进行比例-积分-微分调节。
PID调节的作用是将给定值Vset与被控变量的实际量测值Vout的偏差，Vset-Vout的比例、积分和微分信号综合的控制量来对被控过程进行控制。这一控制量的表达式为：
e(t)—偏差信号(其中e(t)＝Vset-Vout)；
u(t)—控制器输出控制量；
Kp—比例系数；
Ti—积分时间常数；
Td—微分时间常数；
由图5电路可知其输入ui输出uo关系式为：
令ui＝e(t)＝Vset-Vout，
R1C2＝Ti，R2C1＝Td，得到PID调节后的uo。得到反馈调节信号uo，用于调节微秒脉冲电源储能释放控制单元PWM的占空比，实现对脉冲功率电源的非逐周期反馈补偿调节。
令微秒脉冲电源输出的脉冲频率为fs，且脉冲功率对于本发明所提出的PID闭环补偿方法为非逐周期控制，即多周期控制方法，该补偿控制方法的优势在于满足DBD放电状态的平滑控制，保证系统控制环路具有足够的稳定裕度，不追求DBD放电状态调控的即时性，保证整体放电状态调控的稳定性。具体实现方法为，将补偿控制器的积分时间Ti设定为：
Ti≥m·Ts
其中m>1，具体数值由实际工程调试结果而定，则控制器参数R1和C2的选取原则为：
故本发明针对光反馈式微秒脉冲电源反馈控制补偿器，不仅应用了电源反馈控制技术领域的常用补偿控制器，同时结合高压脉冲电源的具体应用场景，提出了非逐周期反馈补偿控制器，并给出了补偿控制器参数设计原则。
本发明提供了一种应用于DBD放电领域的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源，通过在DBD反应器周围布置3D阵列式光敏电阻实时检测放电的发射光谱强度，将检测到的光信号进行权重滤波并转换为电信号，将检测信号与设定基准值进行对比，得出实时的DBD放电状态反馈，从而通过调节微秒脉冲电源储能控制信号PWM的占空比调节脉冲变压器的储能和释放时间，调节脉冲功率的输出，调控DBD放电状态，形成负反馈，使高压微秒脉冲电源驱动下的DBD反应器持续稳定的工作在最佳放电状态。
本发明采用3D阵列式排布的光敏电阻对DBD放电光谱进行全方位多点检测，权重滤波，求加权平均值，排除了监测偶然性，对多点采集的信号进行综合分析，确保了反馈的准确性。
本发明针对多个3D光电转换单元的采样信号，采用加权平均的滤波方法，可以更精准第检测到真实DBD反应器放电状态信息，保证反馈控制的精确性。
本发明提出非逐周期式PID补偿控制器，通过设计的非逐周期反馈补偿电路的积分时间常数与放电脉冲周期的关系，给定补偿器电路参数设计原则，可以保证DBD放电状态反馈调控的系统稳定性和调控目标的可靠性。
本发明结构简单所使用的光敏电阻成本低，可在多种工况下使用，避免了因只检测DBD反应的某种产物而造成的使用单一性。
本发明反馈部分搭载在高压微秒脉冲电源上，通过调节微秒脉冲电源储能时间，从而实现输出脉冲功率大小调控的目的。
本发明设计的高压微秒脉冲电源具有负反馈调节功能，可用来长时间稳定驱动DBD放电，并监控放电状态使电源自我调节稳定输出。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种应用于DBD放电的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源，电源整体外部连接220V市电，其特征在于：电源整体包括直流功率输入单元、储能控制信号生成单元、脉冲功率压缩/释放单元、DBD反应器电极结构单元、3D阵列光信号采集单元、光信号处理单元、PID闭环调节单元；
所述的DBD反应器电极结构单元包括DBD放电电极负载，电源整体的驱动源输出端与DBD反应器电极结构单元的放电电极负载相连；
所述的直流功率输入电源分别连接220V市电与脉冲功率压缩/释放单元；
所述的储能控制信号生成单元连接到脉冲功率压缩/释放单元，脉冲功率压缩/释放单元连接到DBD反应器电机结构单元，DBD反应器电机结构单元与3D阵列光信号采集单元相互连接，3D阵列光信号采集单元连接到光信号处理单元，光信号处理单元连接到PID闭环调节单元，PID闭环调节单元连接到储能控制信号生成单元。
2.根据权利要求1所述的一种应用于DBD放电的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源，其特征在于：所述的直流功率输入单元设置为AC-DC连续可调直流电源，市电220V经AC-DC连续可调直流电源转换为0-60V连续可调直流输出。
3.根据权利要求1所述的一种应用于DBD放电的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源，其特征在于：所述的脉冲功率压缩/释放单元一次侧接直流功率输入单元，二次侧为脉冲功率输出侧。
4.根据权利要求3所述的一种应用于DBD放电的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源，其特征在于：所述的储能控制信号生成单元控制脉冲功率压缩/释放单元的储能和释放时间，储能控制信号生成单元为高电平时脉冲功率压缩/释放单元为储存能量，储能控制信号生成单元为低电平时脉冲功率压缩/释放单元为释放能量。
5.根据权利要求1所述的一种应用于DBD放电的3D阵列光电反馈式高压微秒脉冲电源，其特征在于：所述的DBD反应器电极结构单元四周设置光敏电阻，构成光敏电阻检测阵列。
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| CN112468011A (zh) * | 2020-10-28 | 2021-03-09 | 南京工业大学 | 一种应用于高压微秒脉冲电源的限压整形电路 |
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2021
- 2021-07-01 CN CN202110743894.3A patent/CN113395009B/zh active Active
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