CN114696640A

CN114696640A - 一种介质阻挡放电负载的双极性脉冲驱动电路及设备

Info

Publication number: CN114696640A
Application number: CN202210200773.9A
Authority: CN
Inventors: 余亚东; 周瑞敏; 董斌; 薛亚许; 郑长兵; 雷宗昌; 江天鸿; 方文睿
Original assignee: Pingdingshan University
Current assignee: Pingdingshan University
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2022-07-01

Abstract

本发明公开一种介质阻挡放电负载的双极性脉冲驱动电路及设备。本发明公开的双极性脉冲电流源型驱动电路，由直流电压回路、电流脉冲生成及能量回馈回路、介质阻挡放电负载及负载能量回馈回路构成。本发明公开的拓扑不仅具有能量回馈、电路元件耐压低和电路损耗低的优点，还能根据负载参数对电路状态进行调节，确保介质阻挡放电负载工作在最优状态。

Description

一种介质阻挡放电负载的双极性脉冲驱动电路及设备

技术领域

本发明涉及电力电子的特种电源领域，特别涉及一种介质阻挡放电的双极性脉冲驱动电路及设备。

背景技术

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge)是在放电气隙中加入绝缘介质层的一种非平衡气体放电形式，对外显容性。由于电压型逆变电源技术的成熟性，现阶段介质阻挡负载大都采用电压源供电。但在实际应用中发现，当电压型逆变电源应用于DBD负载时，DBD负载在放电瞬间会产生电流尖峰。该电流尖峰轻则造成电路保护动作，重则导致电路损坏，使整个系统崩溃。此外，近年来的研究表明，当DBD负载采用电流型逆变电源供电时，负载的效率总体优于电压型电源供电时的负载效率。但目前应用于介质阻挡负载的电流源型逆变电路存在元件承受耐压高、电路能量无法回馈等不足。为此，本发明提出一种适用于介质阻挡放电负载的双极性脉冲电流源电路拓扑。该电路拓扑不仅具有能量回馈、电路元件耐压低、和电路损耗低的优点，还能根据负载参数对电路状态进行调节，确保介质阻挡放电负载工作在最优状态。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题的基础上，公开一种双极性脉冲电流源电路。本发明公开的电路结构简单，具有能量回馈、电路元件耐压低和电路损耗低的优点。此外，该电路结构还能根据负载参数对电路状态进行调节，确保介质阻挡放电负载工作在最优状态。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种介质阻挡放电负载的双极性脉冲驱动电路及设备，其主要特征在于包括直流电压回路、电流脉冲生成及能量回馈回路、电容负载和负载能量回馈回路构成。

可选的，直流电压回路由直流电压源Vdc，由第一电感L1、第一二极管D1、第一电容C1和第二电容C2构成，其中：直流电压源Vdc的正极与第一电感L1左端相连、第一电感L1右端与第一二极管D1阳极相连、第一二极管D1阴极与第一电容C1阳极相连、第一电容C1阴极与第二电容C2阳极相连、第二电容C2阴极与直流电压源Vdc负极相连；

可选的，电流脉冲生成及能量回馈回路由第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第八二极管D8、第九二极管D9、第一功率开关管V1、第二功率开关管V2、第三功率开关管V3、第四功率开关管V4、第一变压器T1和第二变压器T2构成；第二二极管D2阳极与第一电容Cl的阳极相连、第二二极管D2阴极与第一功率开关管V1的漏极相连、第一功率开关管V1的源极与第一变压器T1的原边同名端相连、第一变压器T1的原边非同名端与第三功率开关管V3的漏极相连、第三功率开关管V3的源极与第二电容的阴极相连、第五二极管D5的阳极与第一变压器T1的原边非同名端相连、第五二极管D5的阴极与第二二极管D2阳极相连，第三二极管D3的阳极与第一变压器T1副边的非同名端相连、第二二极管D2阴极与第二功率开关管V2的漏极相连、第二功率开关管V2的源极与第二变压器T2的原边同名端相连、第二变压器T2的原边非同名端与第四功率开关管V4的漏极相连、第四功率开关管V4的源极与第二电容C2的阴极相连、第八二极管D8的阳极与第二变压器T2的原边非同名端相连、第八二极管D8的阴极与第二二极管D2阳极相连、第九二极管D9的阳极与第四功率开关管V4的源极相连、第九二极管D9的阴极与第二变压器T2的原边同名端相连、第二变压器T2副边的同名端与第四二极管D4的阴极相连；

可选的，负载能量回馈回路包括第七二极管D7、第三电容C3、第四电容C4构成；第七二极管D7的阴极与第一电容的阴极相连、第七二极管D7的阳极与第三电容C3的阳极相连、第三电容C3的阴极与第四电容C4的阳极相连、第四电容C4的阴极与第二电容C2的阴极相连、第三电容C3的阳极与第三二极管D3的阴极相连第四电容C4的阴极与第四二极管D4的阳极相连；

可选的，介质阻挡放电负载的阳极与第三电容C3的阴极相连、介质阻挡放电负载的阴极与第一变压器T1副边的同名端相连、介质阻挡放电负载的阴极与第二变压器T2副边的非同名端相连。

可选的，直流电压源Vdc的有效值可根据实际应用调节，第一电感L和第一电容C1的数值电路的参数可根据滤波要求进行调节，分压电路的第一电容C1和第二电容C2根据分压要求同时调节。

可选的，第一功率开关管V1、第二功率开关管V2、第三功率开关管V3、第四功率开关管V4参数相同，第五二极管D5、第六二极管D6、第八二极管D8、第九二极管D9参数相同，第三二极管D3、第四二极管D4参数相同，第三二极管D3、第四二极管D4耐压要求比第五二极管D5要求高，第一变压器T1和第二变压器T2参数相同。

可选的，第一功率开关管V1、第三功率开关管V3由同一占空比低于百分之五十的驱动脉冲PWM1控制，第二功率开关管V2、第四功率开关管V4由同一占空比低于百分之五十的驱动脉冲PWM2控制，驱动脉冲PWM1与驱动脉冲PWM2占空比相同且P驱动脉冲WM2滞后或者超前驱动脉冲PWM1半个周期。

可选的，第三电容C3、第四电容C4参数相同，第三电容C3、第四电容C4的数值根据介质阻挡负载的等效电路数值根据分压要求确定；

可选的，一种介质阻挡放电负载的双极性脉冲驱动设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；

处理器用于根据程序代码中的指令产生功率开关管V1-V4的脉冲信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)解决了常规供电电源在DBD负载在放电瞬间产生电流尖峰的不足；

(2)施加在DBD负载上的激励为脉冲激励，负载生成产物效率高；脉冲生成回路的高压侧二极管耐压低；

(3)DBD负载侧的剩余能量可回馈到直流储能电容，整个供电的效率高；

附图说明

图1为本发明公开的电路结构图。

图2为介质阻挡放电负载等效模型图。

图3为未放电时介质阻挡放电负载上的电压和流过的电流波形图。

图4为放电时介质阻挡放电负载上的电压和流过的电流波形图。

具体实施方式

电路元件参数确定及电路拓扑控制的具体实现步骤如下，其中电路元件标号参见图1：

1、离线测量出介质阻挡放电负载在未放电时的总电容C_DBD，以及介质阻挡放电负载的放电维持电压V_th；

2、根据变压器副边绕组所在的谐振回路确定负载回路的谐振角频率ω，确定变压器副边绕组电感、变压器的原边和副边线圈匝比n＝N1/N2、直流电压源Vdc的电压值；

3、根据电路的稳压和分压要求确定第一电容C1和第二电容C2的数值；

4、根据第一电感L1所在谐振回路所需的谐振角频率ω0，确定L1电感值；

5、根据谐振回路的谐振频率确定第三电容C3、第四电容C4的数值；

6、根据第一变压器T1副边的电压变化率，确定功率开关管V1和功率开关管V3导通时间范围；根据第二变压器T2副边的电压变化率，确定功率开关管V2和功率开关管V4导通时间范围。其中，功率开关管V1和功率开关管V3导通状态相同，功率开关管V2和功率开关管V4导通状态相同，V1与V3相互滞后半个周期，且各功率开关管导通占空比少于50％；

根据上述的设计原则，下面给出了一组电路典型参数，：

直流电压源Vdc：435V

电感L1：0.5mH；

电容C1：470uF；

电容C2：470uF；

电容C3：1254pF；

电容C4：1254pF；

电容C5：66pF；

变压器T1：额定频率50kHz，原边的额定电压435V，副边的额定电压为5000V，变比为11.5；

变压器T2：额定频率50kHz，原边的额定电压435V，副边的额定电压为5000V，变比为11.5；

功率开关管V1和V3所加驱动信号相同，驱动信号频率为50kHz、占空比30％；

功率开关管V2和V4所加驱动信号相同，相对V1的驱动信号滞后0.02ms，驱动信号频率为50kHz，占空比30％；

在这组参数下电路工作波形如附图4所示。

Claims

1.一种介质阻挡放电负载的双极性脉冲驱动电路，其主要特征在于驱动电路由直流电压回路、电流脉冲生成及能量回馈回路、负载能量回馈回路和介质阻挡负载构成。

2.根据权利要求1所述的一种介质阻挡放电负载的双极性脉冲驱动电路，其特征在于所述的直流电压回路由直流电压源Vdc、第一电感L1、第一二极管D1、第一电容C1和第二电容C2构成，其中：所述的直流电压源Vdc的正极与所述的第一电感L1左端相连、所述的第一电感L1右端与所述的第一二极管D1阳极相连、所述的第一二极管D1阴极与所述的第一电容C1阳极相连、所述的第一电容C1阴极与所述的第二电容C2阳极相连、所述的第二电容C2阴极与所述的直流电压源Vdc负极相连。

3.根据权利要求1所述的一种介质阻挡放电负载的双极性脉冲驱动电路，其特征在于所述的电流脉冲生成及能量回馈回路由第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第八二极管D8、第九二极管D9、第一功率开关管V1、第二功率开关管V2、第三功率开关管V3、第四功率开关管V4、第一变压器T1和第二变压器T2构成；所述的第二二极管D2阳极与所的述第一电容C1的阳极相连、所述的第二二极管D2阴极与所述的第一功率开关管V1的漏极相连、所述的第一功率开关管V1的源极与所述的第一变压器T1 的原边同名端相连、所述的第一变压器T1的原边非同名端与所述的第三功率开关管V3的漏极相连、所述的第三功率开关管V3的源极与所述的第二电容的阴极相连、所述的第五二极管D5的阳极与所述的第一变压器T1的原边非同名端相连、所述的第五二极管D5的阴极与所述的第二二极管D2阳极相连、所述的第三二极管D3的阳极与所述的第一变压器T1的副边非同名端相连、所述的第二二极管D2阴极与所述的第二功率开关管V2的漏极相连、所述的第二功率开关管V2的源极与所述的第二变压器T2的原边同名端相连、所述的第二变压器T2的原边非同名端与所述的第四功率开关管V4的漏极相连、所述的第四功率开关管V4的源极与所述的第二电容C2的阴极相连、所述的第八二极管D8的阳极与所述的第二变压器T2的原边非同名端相连、所述的第八二极管D8的阴极与所述的第二二极管D2阳极相连、所述的第九二极管D9的阳极与所述的第四功率开关管V4的源极相连、所述的第九二极管D9的阴极与所述的第二变压器T2的原边同名端相连、所述的第二变压器T2的副边同名端与所述的第四二极管D4的阴极相连。

4.根据权利要求1所述的一种介质阻挡放电负载的双极性脉冲驱动电路，其特征在于所述的负载能量回馈回路由第七二极管D7、第三电容C3、第四电容C4构成；所述的第七二极管D7的阴极与所述的第一电容的阴极相连、所述的第七二极管D7的阳极与所述的第三电容C3的阳极相连、所述的第三电容C3的阴极与所述的第四电容C4的阳极相连、所述的第四电容C4的阴极与所述的第二电容C2的阴极相连、所述第三电容C3的阳极与所述的第三二极管D3的阴极相连、所述的第四电容C4的阴极与所述的第四二极管D4的阳极相连。

5.根据权利要求1所述的一种介质阻挡放电负载的双极性脉冲驱动电路，其特征在于所述的介质阻挡负载的阳极与所述的第三电容C3的阴极相连、所述的介质阻挡负载的阴极与所述的第一变压器T1的副边同名端相连、所述的介质阻挡负载的阴极与所述的第二变压器T2的副边非同名端相连。

6.根据权利要求2所述的直流电压回路，其特征在于所述的直流电压源Vdc的有效值可根据实际应用调节，所述的第一电感L和所述的第一电容C1的数值可根据滤波要求进行调节，所述的第一电容C1和所述的第二电容C2可根据分压要求同时调节。

7.根据权利要求3所述的电流脉冲生成及能量回馈回路，其特征在于所述的第一功率开关管V1、所述的第二功率开关管V2、所述的第三功率开关管V3、所述的第四功率开关管V4参数相同，所述的第五二极管D5、所述的第六二极管D6、所述的第八二极管D8、所述的第九二极管D9参数相同，所述的第三二极管D3、所述的第四二极管D4参数相同，所述的第三二极管D3、所述的第四二极管D4耐压要求比所述的第五二极管D5要求高，所述的第一变压器T1和所述的第二变压器T2参数相同。

8.根据权利3要求所述的电流脉冲生成及能量回馈回路,其特征在于所述的第一功率开关管V1、所述的第三功率开关管V3由同一占空比低于百分之五十的驱动脉冲PWM1控制，所述的第二功率开关管V2、所述的第四功率开关管V4由同一占空比低于百分之五十的驱动脉冲PWM2控制，所述的驱动脉冲PWM1与所述的驱动脉冲PWM2占空比相同且所述的驱动脉冲PWM2滞后或者超前所述驱动脉冲的PWM1半个周期。

9.根据权利要求4所述的负载能量回馈回路，其特征在于所述的第三电容C3、所述的第四电容C4参数相同，所述的第三电容C3、所述的第四电容C4的数值根据介质阻挡负载的等效电路数值根据分压要求确定。

10.一种介质阻挡放电负载的双极性脉冲驱动设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；

所述的存储器用于存储程序代码，并将所述的程序代码传输给所述处理器；

所述的处理器用于根据所述的程序代码中的指令产生所述的功率开关管V1-V4的脉冲信号。