CN115664250A - 一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，包括电源DC、开关S、脉冲形成线、脉冲变压器和负载电容CDBD；所述电源DC通过开关S为脉冲形成线供电；所述脉冲形成线向脉冲变压器输出脉冲信号；所述脉冲变压器调节对脉冲信号进行调节，得到纳秒脉冲，并输出至负载电容CDBD。本发明提出了一种纳秒脉冲电源结构，该结构能够在DBD负载上维持纳秒脉冲波形同时不产生额外的电源输出消耗，消除了DBD负载对纳秒脉冲电源输出波形产生的不利影响。

Description

一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术和等离子体技术领域，具体是一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源。
背景技术
介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)，因其具有在低温大气压的条件下产生大量的活性粒子的特性而受到人们的广泛关注。目前DBD技术已经广泛应用于材料表面处理，废气和污水净化，臭氧合成紫外光生成以及生物医学等领域。
目前，用于产生DBD的激励电源主要有：高频高压正弦电源、微秒脉冲电源和纳秒脉冲电源3类，其中纳秒脉冲电源由于具有放电时间短，上升沿和下降沿陡，有利于形成均匀的稳定放电的特性，受到了广泛的关注。事实上，想要在毫米间隙中得到DBD等离子体，不仅要求脉冲幅值到达数千伏特，而且也需要较高的重复频率。
但是，由于DBD负载为容性负载，当纳秒脉冲电源直接和其相连时，输出电压波形将会发生畸变甚至振荡，不再为纳秒脉冲，从而失去纳秒脉冲驱动DBD负载的特有优势。所以，为了在DBD负载上维持纳秒脉冲，当下的纳秒脉冲电源普遍采用了在DBD负载两端并联电阻的方法。很明显，由于在电源的输出并联了额外的电阻，将会导致驱动DBD负载时电源工作效率的低下。所以，寻找一种既可以在DBD负载上保持纳秒脉冲的波形，同时不降低电源的工作效率的方法具有较高的实用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，包括电源DC、开关S、脉冲形成线、脉冲变压器和负载电容CDBD；
所述电源DC通过开关S为脉冲形成线供电；
所述脉冲形成线向脉冲变压器输出脉冲信号；
所述脉冲变压器调节对脉冲信号进行调节，得到纳秒脉冲，并输出至负载电容CDBD。
进一步，所述脉冲形成线包括为Blumlein脉冲形成线，包括同轴线T1和同轴线T2。
进一步，同轴线T1和同轴线T2为双导体传输线，包括电介质、同轴的芯线和地线；其中，电介质填充在芯线和地线之间；地线包裹在芯线外。
进一步，所述同轴线T1和同轴线T2的长度相等。
进一步，用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源的电路拓扑包括以下内容：
记电源正极所在一端为A，负极所在一端为B，同轴线T1的四个端子分别为F11、F12、F13、F14，同轴线T2的三个端子分别为F21、F22、F23，脉冲变压器一次侧的两个端子为G1、G2；
电源A端串联电阻R、开关S后连接电源B端；
电源A端串联电阻R后连接同轴线T1的F11端；同轴线T1的F12端、F13端分别连接电源B端；
同轴线T1的F14端连接脉冲变压器一次侧的G1端；
脉冲变压器一次侧的G2端连接同轴线T2的F21端；脉冲变压器二次侧并联负载电容CDBD；
同轴线T2的F22端、F23端分别连接电源B端。
进一步，所述脉冲变压器调节对脉冲信号进行调节的步骤包括：对脉冲信号进行升压处理。
进一步，纳秒脉冲电源放电时，S域中负载电容CDBD两端的电压
Figure BDA0003846745670000021
如下所示：
Figure BDA0003846745670000022
式中，k为脉冲变压器二次侧线圈匝数；UDC为电源电压；τ表示脉冲在传输线中的传播时间；Z为传输线的特征阻抗；电容C′＝k2(CDBD+C4)；C4表示脉冲变压器二次侧杂散电容；电感
Figure BDA0003846745670000023
L3、L4为脉冲变压器一次侧、二次侧的泄露电感；电阻R1＝R3；R3为一次侧的绕组电阻；s表示s域参数。
进一步，所述开关S为高频固态开关，包括MOSFET开关。
进一步，所述纳秒脉冲包括双极性纳秒脉冲，其最大幅值为5kV，最大脉冲重复频率为20kHz。
进一步，所述电源DC包括高压直流电源。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了一种纳秒脉冲电源结构，该结构能够在DBD负载上维持纳秒脉冲波形同时不产生额外的电源输出消耗，消除了DBD负载对纳秒脉冲电源输出波形产生的不利影响。能够消除DBD负载对纳秒脉冲电源输出波形的不利影响，提高电源工作的效率。
本发明避免了在DBD负载两端并联电阻来维持脉冲波形，能够很好地提高电源的工作效率。
相比于其他纳秒脉冲电源，如基于Marx，本发明具有更加简单的结构，避免了复杂的控制，可靠性更高。
附图说明
图1为电路拓扑图；
图2为折算到1次侧后的电路拓扑；
图3为时域的DBD负载电压波形；
图4为发生气体放电时的DBD负载电压波形。
图5(a)-(b)为不同充电电压时的输出电压波形图；
图6为不同重复频率时的放电图；
图7为原型机结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1至图7，一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，包括电源DC、开关S、脉冲形成线、脉冲变压器和负载电容CDBD；
所述电源DC通过开关S为脉冲形成线供电；
所述脉冲形成线向脉冲变压器输出脉冲信号；
所述脉冲变压器调节对脉冲信号进行调节，得到纳秒脉冲，并输出至负载电容CDBD。
所述脉冲形成线包括为Blumlein脉冲形成线，包括同轴线T1和同轴线T2。
同轴线T1和同轴线T2为双导体传输线，包括电介质、同轴的芯线和地线；其中，电介质填充在芯线和地线之间；地线包裹在芯线外。
所述同轴线T1和同轴线T2的长度相等。
用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源的电路拓扑包括以下内容：
记电源正极所在一端为A，负极所在一端为B，同轴线T1的四个端子分别为F11、F12、F13、F14，同轴线T2的三个端子分别为F21、F22、F23，脉冲变压器一次侧的两个端子为G1、G2；
电源A端串联电阻R、开关S后连接电源B端；
电源A端串联电阻R后连接同轴线T1的F11端；同轴线T1的F12端、F13端分别连接电源B端；
同轴线T1的F14端连接脉冲变压器一次侧的G1端；
脉冲变压器一次侧的G2端连接同轴线T2的F21端；脉冲变压器二次侧并联负载电容CDBD；
同轴线T2的F22端、F23端分别连接电源B端。
所述脉冲变压器调节对脉冲信号进行调节的步骤包括：对脉冲信号进行升压处理。
纳秒脉冲电源放电时，S域中负载电容CDBD两端的电压uCDBD如下所示：
Figure BDA0003846745670000041
式中，k为脉冲变压器二次侧线圈匝数；UDC为电源电压；τ表示脉冲在传输线中的传播时间；Z为传输线的特征阻抗；电容C′＝k2(CDBD+C4)；C4表示脉冲变压器二次侧杂散电容；电感
Figure BDA0003846745670000042
L3、L4为脉冲变压器一次侧、二次侧的泄露电感；电阻R1＝R3；R3为一次侧的绕组电阻；s表示s域参数。
所述开关S为高频固态开关，包括MOSFET开关。
所述纳秒脉冲包括双极性纳秒脉冲，其最大幅值为5kV，最大脉冲重复频率为20kHz。
所述电源DC包括高压直流电源。
实施例2：
一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，内容如下：
基于Blumlein脉冲形成线和脉冲变压器完成电源结构的设计。利用Laplace变换和传输线理论，分析本发明所提出的电路结构，如图1所示，证明其能够在DBD负载上得到纳秒脉冲波形。
其中C3，L3为一次侧的杂散电容，泄露电感，R3为一次侧的绕组电阻，C4，L4为二次侧的杂散电容，泄露电感，R4为二次侧的绕组电阻，变比为1:k，CDBD为脉冲变压器二次侧负载。
将二次侧的参数归算到一次侧，并忽略一次侧的杂散电容和绕组电阻，等效电路如图2所示。
其中：
Figure BDA0003846745670000051
当传输线充电完成后，开关闭合，对传输线由电报方程和拉普拉斯变换有：
Figure BDA0003846745670000052
其中，i1,i2,u1,u2分别是传输线T1,T2上的电流和电压，L1,C1,L2,C2分别是两传输线的分布电感和分布电容，UDC为充电电压。
得到S域中DBD负载的电压：
Figure BDA0003846745670000053
其中Z为传输线的特征阻抗，将各参数实际值带入上式，并假设充电电压UDC为1V，经过Laplace逆变换得到其时域电压波形为纳秒脉冲波形如图3所示，其中τ表示传输线的传播时间。
当发生气体放电时，DBD负载可以等价为电阻和电容的串联结构，此时DBD负载上的电压波形为图4所示。
依照对电源输出的要求，完成元件的选型和控制电路的设计：
首先依照实际实验的需求，要求了电源能够输出双极性的纳秒脉冲，且最大幅值为5kV，最大脉冲重复频率为20kHz。
选定脉冲变压器的升压比为1:5，从而确定一次侧的最高电压为1kV，考虑裕量，选择耐压1.5kV的SYU-50同轴线作为脉冲形成线，选择耐压1.5kV的MOSFET作为高频固态开关，控制脉冲的生成。利用光纤收发头HFBR-1414TZ和HFBR-2412TZ及其驱动芯片构成光电隔离电路，再基于栅极驱动芯片TF2190设计了驱动电路。
依照设计图纸搭建原型机。
利用原型机和测试仪器搭建实验平台，实测电源的工作过程。
基于原型机的实验平台开展的实验结果如图5、图6所示。图7为本发明所述电源的结构图。
实施例3：
一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，包括电源DC、开关S、脉冲形成线、脉冲变压器和负载电容CDBD；
所述电源DC通过开关S为脉冲形成线供电；
所述脉冲形成线向脉冲变压器输出脉冲信号；
所述脉冲变压器调节对脉冲信号进行调节，得到纳秒脉冲，并输出至负载电容CDBD。
实施例4：
一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，主要内容见实施例3，其中，所述脉冲形成线包括为Blumlein脉冲形成线，包括同轴线T1和同轴线T2。
实施例5：
一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，主要内容见实施例3，其中，同轴线T1和同轴线T2为双导体传输线，包括电介质、同轴的芯线和地线；其中，电介质填充在芯线和地线之间；地线包裹在芯线外。
实施例6：
一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，主要内容见实施例3，其中，所述同轴线T1和同轴线T2的长度相等。
实施例7：
一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，主要内容见实施例3，其中，用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源的电路拓扑包括以下内容：
记电源正极所在一端为A，负极所在一端为B，同轴线T1的四个端子分别为F11、F12、F13、F14，同轴线T2的三个端子分别为F21、F22、F23，脉冲变压器一次侧的两个端子为G1、G2；
电源A端串联电阻R、开关S后连接电源B端；
电源A端串联电阻R后连接同轴线T1的F11端；同轴线T1的F12端、F13端分别连接电源B端；
同轴线T1的F14端连接脉冲变压器一次侧的G1端；
脉冲变压器一次侧的G2端连接同轴线T2的F21端；脉冲变压器二次侧并联负载电容CDBD；
同轴线T2的F22端、F23端分别连接电源B端。
实施例8：
一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，主要内容见实施例3，其中，所述脉冲变压器调节对脉冲信号进行调节的步骤包括：对脉冲信号进行升压处理。
实施例9：
一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，主要内容见实施例3，其中，纳秒脉冲电源放电时，S域中负载电容CDBD两端的电压
Figure BDA0003846745670000071
如下所示：
Figure BDA0003846745670000072
式中，k为脉冲变压器二次侧线圈匝数；UDC为电源电压；τ表示脉冲在传输线中的传播时间；Z为传输线的特征阻抗；电容C′＝k2(CDBD+C4)；C4表示脉冲变压器二次侧杂散电容；电感
Figure BDA0003846745670000073
L3、L4为脉冲变压器一次侧、二次侧的泄露电感；电阻R1＝R3；R3为一次侧的绕组电阻。
实施例10：
一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，主要内容见实施例3，其中，所述开关S为高频固态开关，包括MOSFET开关。
实施例11：
一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，主要内容见实施例3，其中，所述纳秒脉冲包括双极性纳秒脉冲，其最大幅值为5kV，最大脉冲重复频率为20kHz。
实施例12：
一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，主要内容见实施例3，其中，所述电源DC包括高压直流电源。

Claims (10)

1.一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，其特征在于，包括电源DC、开关S、脉冲形成线、所述脉冲变压器和负载电容CDBD；
所述电源DC通过开关S为脉冲形成线供电；
所述脉冲形成线向脉冲变压器输出脉冲信号。
所述脉冲变压器调节对脉冲信号进行调节，得到纳秒脉冲，并输出至负载电容CDBD。
2.根据权利要求1所述的一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，其特征在于，所述脉冲形成线包括为Blumlein脉冲形成线，包括同轴线T1和同轴线T2。
3.根据权利要求2所述的一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，其特征在于，同轴线T1和同轴线T2为双导体传输线，包括电介质、同轴的芯线和地线；其中，电介质填充在芯线和地线之间；地线包裹在芯线外。
4.根据权利要求2所述的一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，其特征在于，所述同轴线T1和同轴线T2的长度相等。
5.根据权利要求1所述的一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，其特征在于，用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源的电路拓扑包括以下内容：
记电源正极所在一端为A，负极所在一端为B，同轴线T1的四个端子分别为F11、F12、F13、F14，同轴线T2的三个端子分别为F21、F22、F23，脉冲变压器一次侧的两个端子为G1、G2；
电源A端串联电阻R、开关S后连接电源B端；
电源A端串联电阻R后连接同轴线T1的F11端；同轴线T1的F12端、F13端分别连接电源B端；
同轴线T1的F14端连接脉冲变压器一次侧的G1端；
脉冲变压器一次侧的G2端连接同轴线T2的F21端；脉冲变压器二次侧并联负载电容CDBD；
同轴线T2的F22端、F23端分别连接电源B端。
6.根据权利要求1所述的一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，其特征在于，所述脉冲变压器调节对脉冲信号进行调节的步骤包括：对脉冲信号进行升压处理。
7.根据权利要求1所述的一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，其特征在于，纳秒脉冲电源放电时，S域中负载电容CDBD两端的电压
Figure FDA0003846745660000011
如下所示：
Figure FDA0003846745660000021
式中，k为脉冲变压器二次侧线圈匝数；UDC为电源电压；τ表示脉冲在传输线中的传播时间；Z为传输线的特征阻抗；电容C′＝k2(CDBD+C4)；C4表示脉冲变压器二次侧杂散电容；电感
Figure FDA0003846745660000022
L3、L4为脉冲变压器一次侧、二次侧的泄露电感；电阻R1＝R3；R3为一次侧的绕组电阻；s表示s域参数。
8.根据权利要求1所述的一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，其特征在于，所述开关S为高频固态开关，包括MOSFET开关。
9.根据权利要求1所述的一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，其特征在于，所述纳秒脉冲包括双极性纳秒脉冲，其最大幅值为5kV，最大脉冲重复频率为20kHz。
10.根据权利要求1所述的一种用于介质阻挡放电的纳秒脉冲电源，其特征在于，所述电源DC包括高压直流电源。
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