CN116208019A - 一种适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路 - Google Patents

一种适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路 Download PDF

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赵子豪
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Abstract

本发明公开了一种适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路。本发明提出的双极性脉冲电流源型驱动电路，由直流储能回路和电流脉冲生成回路构成，通过控制驱动电路中的三个功率开关管的导通时序，从而为介质阻挡负载提供脉冲激励。本发明公开的驱动电路不仅能在介质阻挡负载上生成双极性脉冲激励波形还具有结构简单和控制简便的优点。

Description

一种适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路
技术领域
本发明涉及电力电子的供电电源领域，特别涉及一种适用于介质阻挡放电的供电电源。
背景技术
介质阻挡放电(DBD)是指将绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态的气体放电。现阶段，介质阻挡放电技术目前已广泛应用于臭氧合成、特定波长的光源生成、材料表面改性及有害气体处理等领域。实验结果表明，当DBD负载的结构参数以及放电气体特性(气体种类、气压和流量等)确定后，DBD负载的激励电压波形就成为DBD负载放电性能的主要影响因素。研究结果表明，相对于工业上常用的正弦激励波形，脉冲型激励不仅可以提高DBD负载的放电效率、确保DBD放电均匀性，而且有效地降低DBD负载的温升。然而现有的脉冲式驱动电路大多为电压行驱动电路，当其直接给DBD负载这类电容性负载供电式，不仅会在负载上出现不受控制的电流尖峰而且难以生成DBD负载所需的双极性激励波形。此外，现有的脉冲式驱动电路普遍存在电路结构负载、所需器件数目多及功率开关管触发以及隔离技术非常复杂。
因此，有必要设计一种适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是设计一种适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路，该驱动电路不仅具有电路结构简单、开关管控制简便的优点，还能根据负载情况对驱动电路的工作频率的要求进行调节，确保介质阻挡放电负载工作在最优状态。
发明的技术解决方案如下：
一种适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路，其主要特征在于包括直流电源、第一功率开关管、储能电感、第二功率开关管、第一二极管、第三功率开关管、第二二极管、带中间抽头的高频变压器；所述直流电源的正极与所述第一功率开关管的第一端连接；所述第一功率开关管的第二端分别与所述储能电感的第二端、所述带中间抽头的高频变压器的第一原边线圈的第一端连接及所述带中间抽头的高频变压器的第二原边线圈的第二端连接；所述第二功率开关管的第二端与所述第一二极管的阴极相连；所述第三功率开关管的第二端与所述第二二极管的阴极相连；所述第一二极管的阳极与所述高频变压器的第一原边线圈的第二端连接；所述第二二极管的阳极与所述高频变压器的第二原边线圈的第一端连接；所述直流电源的负极与所述储能电感的第一端、所述第二功率开关管的第一端、所述第三功率开关管的第一端连接；所述高频变压器的副边线圈直接与介质阻挡放电负载相连。可选的，直流电压回路由直流电压源Vdc、第一功率开关管S1、第一电感L1构成，其中：所述直流电压源Vdc的阴极与所述第一电感L1下端相连、所述第一电感L1上端与所述第一功率开关管S1源极相连、所述第一功率开关管S1漏极与所述直流电压源Vdc阳极相连。
可选的，所述带中间抽头的高频变压器的第一原边线圈匝数和第二原边线圈匝数相等，且第一原边线圈和第二原边线圈的同名端都位于所述高频变压器的第一原边线圈和第二原边线圈的第一端。
可选的，所述第二功率开关管和第三功率开关管的工作频率相等且为第一功率开关管的工作频率的一半；第二功率开关管和第三功率开关管的占空比相等；在第一功率开关管的相邻两个工作周期的第一个周期中，第三功率开关管驱动信号的下降沿与第一功率开关管的上升沿同步；第二功率开关管驱动信号的上升沿与第一功率开关管的下升沿同步；在第一功率开关管的相邻两个工作周期的第二个周期中，第二功率开关管驱动信号的下降沿与第一功率开关管的上升沿同步；第三功率开关管驱动信号的上升沿与第一功率开关管的下升沿同步。
可选的，所述第一功率开关管、所述第二功率开关管及所述第三功率开关管均为NMOS，其中所述第一功率开关管的第一端、所述第二功率开关管的第一端及所述第三功率开关管的第一端均为NMOS的漏极，所述第一功率开关管的第二端、所述第二功率开关管的第二端及所述第三功率开关管的第二端均为NMOS的源极。
可选的，所述的高频变压器的原边线圈和副边线圈的匝比，可根据介质阻挡负载参数及所需电压峰值进行调整。
有益效果：
本发明的适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路，在施加在DBD负载上的激励为双极性电流脉冲激励时，不会在负载上出现不受控制的电流尖峰；与现有DBD负载驱动电路相比，本发明提出的驱动电路具有结构简单，开关管控制简便的优点，还能根据负载情况对驱动电路工作频率的要求进行调节。
附图说明
图1为本发明的驱动电路结构图。
其中，Vdc为直流电源，S1为第一功率开关器件，S2为第二功率开关器件，S3为第三功率开关器件，D1为第一二极管，D2为第二二极管，T为带中间抽头的高频变压器，L1为储能电感。
图2为介质阻挡放电负载的RC等效模型图。
图3为功率开关管驱动信号工作时序图。
图4为稳态情况下，介质阻挡放电负载上的电压和流过的电流波形图。
图5为模态1下的工作电路。
图6为模态2下的工作电路。
图7为模态3下的工作电路
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于一下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例1：
电路实施的具体步骤为：
步骤1：利用附图2所示的介质阻挡放电负载的等效电路，离线测量出介质阻挡放电负载的气隙等效电容Cd、介质阻挡层等效电容Cg以及介质阻挡放电负载的放电维持电压Vth；
步骤2：根据介质阻挡负载的要求确定驱动电路工作频率ω，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N1/N2/N、直流电压源Vdc的电压值；
步骤3：根据驱动电路提供的额定功率，计算流过储能电感L1的电流数值，并由此确定电感L1的数值；
步骤4：根据介质阻挡放电的工作电压和储能电感的电流数值确定高频变压器的原、副边匝数比；
步骤5：根据附图3所述的三个功率开关管的工作时序，形成驱动信号。
根据上述的设计步骤，下面给出了一组驱动电路典型参数：
直流电压源Vdc：150V
电感L1：30uH；
变压器T：额定频率120kHz，原、副边匝数比为1：1：11.5；励磁电感300uH；折算到变压器副边的漏抗值1.5uH。
第一功率开关管工作频率：200kHz；
第二功率开关管、第三功率开关管工作频率：100kHz；
第一功率开关管占空比：30％；
第二功率开关管、第三功率开关管占空比：35％；
这组参数下DBD负载的电流和电压稳态波形如附图4所示。
模态分析：
图4给出了本文工作模态下，DBD负载电压V_DBD和DBD负载电流I_DBD与功率开关管驱动信号的关系图。由图4可以看出，一个完整的工作周期由3个工作模态构成，即模态1(t0-t1)、模态1(t1-t2)和模态1(t3-t4)。电路工作过程如下：
工作模态1(t0-t1)：
此时，如图5所示，图5为第一开关管S1开通，第二开关管S2及第三开关管S3关断时的工作过程示意图。t0时刻第一开关管S1开通，其余开关管关断，这里形成了直流电压-储能电感的充能回路，由图5可得模态1约束方程：
Figure SMS_1
式中，L1为储能电感，Vdc为直流电压。
流过储能电感的电流初始值与上一个周期结束有关，即iL(t0)，流过储能电感的电流的表达式为：
Figure SMS_2
工作模态2(t1-t2)：
此时，如图6所示，图6为第二开关管S2开通，第一开关管S1及第三开关管S3关断时的工作过程示意图。t1时刻第二开关管S2开通，其余开关管关断。由图5可得模态2约束方程：
Figure SMS_3
式中，N1：N为高频变压器第一原边和副边的匝数比，Cd和Cg为介质阻挡放电负载的气隙等效电容和介质阻挡层等效电容。
对方程组(3)进行简化可得二阶微分方程：
Figure SMS_4
通过求解uDBD可的iL、u1和iDBD。
由特征方程：
Figure SMS_5
其中N1、L1、N、CDBD都大于0，因此可以判断uDBD的波形存在震荡，正好符合双极性的特点。
工作模态3(t3-t4)：
此时，如图7所示，图7为第三开关管S3开通，第一开关管S1及第二开关管S2关断时的工作过程示意图。t3时刻第三开关管S3开通，其余开关管关断。由图7可得模态3约束方程：
Figure SMS_6
式中，N2：N为高频变压器第二原边和副边的匝数比，Cd和Cg为介质阻挡放电负载的气隙等效电容和介质阻挡层等效电容。
对方程组(6)进行简化可得二阶微分方程：
Figure SMS_7
通过求解uDBD可的iL、u2和iDBD。
通过观察微分方程，模态2和模态3所取得的方程非常相似，差别在于N1和N2。当N1＝N2时，两个模态内的uDBD的波形函数是相同的，对于两个模态的研究结果具有一致性。

Claims (5)

1.一种适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路，其主要特征在于包括直流电源、第一功率开关管、储能电感、第二功率开关管、第一二极管、第三功率开关管、第二二极管、带中间抽头的高频变压器；所述直流电源的正极与所述第一功率开关管的第一端连接；所述第一功率开关管的第二端分别与所述储能电感的第二端、所述带中间抽头的高频变压器的第一原边线圈的第一端连接及所述带中间抽头的高频变压器的第二原边线圈的第二端连接；所述第二功率开关管的第二端与所述第一二极管的阴极相连；所述第三功率开关管的第二端与所述第二二极管的阴极相连；所述第一二极管的阳极与所述高频变压器的第一原边线圈的第二端连接；所述第二二极管的阳极与所述高频变压器的第二原边线圈的第一端连接；所述直流电源的负极与所述储能电感的第一端、所述第二功率开关管的第一端、所述第三功率开关管的第一端连接；所述高频变压器的副边线圈直接与介质阻挡放电负载相连。
2.根据权利要求1所述的一种适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路，其特征在于，所述带中间抽头的高频变压器的第一原边线圈匝数和第二原边线圈匝数相等，且第一原边线圈和第二原边线圈的同名端都位于所述高频变压器的第一原边线圈和第二原边线圈的第一端。
3.根据权利要求2所述的一种适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路，其特征在于，所述第二功率开关管和第三功率开关管的工作频率相等且为第一功率开关管的工作频率的一半；第二功率开关管和第三功率开关管的占空比相等；在第一功率开关管的相邻两个工作周期的第一个周期中，第三功率开关管驱动信号的下降沿与第一功率开关管的上升沿同步；第二功率开关管驱动信号的上升沿与第一功率开关管的下升沿同步；在第一功率开关管的相邻两个工作周期的第二个周期中，第二功率开关管驱动信号的下降沿与第一功率开关管的上升沿同步；第三功率开关管驱动信号的上升沿与第一功率开关管的下升沿同步。
4.根据权利要求3所述的一种适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路，其特征在于，所述第一功率开关管、所述第二功率开关管及所述第三功率开关管均为NMOS，其中所述第一功率开关管的第一端、所述第二功率开关管的第一端及所述第三功率开关管的第一端均为NMOS的漏极，所述第一功率开关管的第二端、所述第二功率开关管的第二端及所述第三功率开关管的第二端均为NMOS的源极。
5.根据权利要求4所述的一种适用于介质阻挡放电的双极性脉冲电流源型驱动电路，其特征在于，所述的高频变压器的原边线圈和副边线圈的匝比，可根据介质阻挡负载参数及所需电压峰值进行调整。
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