CN219458924U - 适用于dbd负载的双极性间歇型脉冲供电电源 - Google Patents

适用于dbd负载的双极性间歇型脉冲供电电源 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种适用于介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，以下简称DBD)负载的双极性间歇型脉冲供电电源。本实用新型利用外接电感和变压器励磁电感与外接电容及DBD负载的谐振，不仅在DBD负载上生成了双极性间歇型脉冲激励电压，而且实现了对变压器寄生参数的高效利用和确保所有的功率器件工作在软开关状态下。与其他类型的供电电源相比，本实用新型公开的供电电源具有能充分发挥DBD负载特性、效率高及结构紧凑的优点。

Description

适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源
技术领域
本实用新型涉及电力电子的特种电源领域，特别涉及一种适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源。
背景技术
DBD放电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。研究表明，当DBD负载的物理结构和放电气体的特性(放电气体类型、流量和气压等)确定后，DBD负载的放电情况就取决于供电电源生成的激励波形。为了充分发挥DBD负载的性能，国内外研究人员测试了多种激励波形，并得出了结论：同时具有高电压上升率和间歇时间的激励波形能充分发挥DBD负载的性能。然而现阶段很难用结构简单的供电电源来实现这一目标。
基于磁压缩技术的供电电源，能在DBD负载上生成同时具有高电压上升率和间歇时间的单极性激励波形，但存在磁性元件数目多、磁性元件设计难度大及生成的单极性的激励波形难以充分利用DBD负载的潜力等问题；
基于反激(正激)电路的供电也能生成具有高电压上升率和间歇时间的单极性激励波形，并且具有结构简单的优点，但是存在难以避免在DBD负载上出现激励电压震荡、单相励磁造成变压器磁饱和及难以充分利用DBD负载的潜力的缺陷；
基于Marx电路的供电电源能在DBD负载上生成同时具有高电压上升率和间歇时间的双极性激励波形，但存在元器件数目多和驱动电路复杂等不足；
基于级联式多电平供电电源可以通过电平叠加的方式来生成高电压上升率和间歇时间的双极性激励波形，但与缺陷与基于Marx电路的供电电源类似；
负载谐振式供电电源虽然能用成熟的拓扑结构生成双极性激励，但电源运行易受DBD负载参数变化的影响，难以确保DBD负载长期处于最优工作点。
综上，目前应用在DBD型负载的供电电源存在元器件数目众多、驱动电路复杂、电源运行状况易受DBD负载参数变化的影响、不能充分发挥DBD负载特性等问题。
因此，有必要设计一种适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源，用于适应不同的DBD负载，充分发挥DBD负载特性。
实用新型的技术解决方案如下：
直流电源E、谐振电感L、第一谐振电容C1、变压器第一绕组、第一开关管Q1、第一二极管D1、第二谐振电容C2、变压器第二绕组、第二开关管Q2、第二二极管D2、变压器第三绕组及DBD负载：
所述直流电源E的正极与所述谐振电感L的第一端连接；
所述谐振电感L的第二端与所述第一谐振电容C1的第一端、所述变压器第一绕组非同名端、所述第二谐振电容C2的第一端及所述变压器第二绕组同名端连接；
所述第一谐振电容C1的第二端与所述变压器第一绕组同名端、所述第一开关管Q1的第一端及所述第一二极管D1的阴极连接；
所述第一开关管Q1的第二端与所述第一二极管D1的阳极、所述直流电源E的负极、所述第二开关管Q2的第二端及所述第二二极管D2的阳极连接；
所述第二谐振电容C2的第二端与所述变压器第二绕组非同名端、所述第二开关管Q2的第一端及所述第二二极管D2的阴极连接；
所述DBD负载的第一端与所述变压器第三绕组非同名端相连；
所述DBD负载的第二端与所述变压器第三绕组同名端相连。
可选地，所述第一谐振电容C1的电容值与所述第二谐振电容C2的参数一致。
可选地，所述变压器第一绕组和所述变压器第二绕组的参数一致。
可选地，所述第一开关管Q1和第二开关管Q2的参数一致。
可选地，所述第一二极管D1和第二二极管D2的参数一致。
可选地，所述第一开关管Q1及第二开关管Q2的开关频率f相同，小于谐振频率f1/2，即：f1/2＞f。
可选地，所述第一开关管Q1及第二开关管Q2的驱动信号宽度Tpulse相等，且驱动宽度Tpulse大于谐振周期T1/2，小于谐振周期T1，即
T1/2＜Tpulse＜T1。
可选地，所述第一开关管Q1的驱动脉冲比第二开关管Q2的驱动脉冲超前或滞后半个周期。
可选地，所述第一开关管Q1及所述第二开关管Q2均为IGBT；
所述第一开关管Q1的第一端及所述第二开关管Q2的第一端均为IGBT的集电极，所述第一开关管Q1的第二端及所述第二开关管Q2的第二端均为IGBT的发射极。
可选地，所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器。
可选地，所述处理器用于根据所述程序代码中的指令产生所述的开关管Q1～Q2的脉冲信号。
有益效果：
本实用新型提出的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源与现有技术相比的优点在于：
(1)本实用新型提出的供电电源在DBD负载上生成的双极性激励电压具有更陡峭的上升沿和下降沿，且激励电压波形中包含空闲时间，有助于发挥DBD型负载的性能；
(2)本实用新型提出的供电电源的电气量的变化主要受外接参数影响，可以保证DBD负载处于良好的工作状态；
(3)本实用新型提出的供电电源中的两个开关管Q1和Q2具有相同的地电位，驱动回路电路简单；
(4)本实用新型提出的供电电源的谐振电感电流的波形接近正弦，这使得变压器能得到充分利用，并且由于供电电源的独特结构使得变压器不会存在偏磁问题；
(5)通过改变外接谐振电感和谐振电容的数值，本实用新型提出的供电电源可在很宽的频率范围内工作。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对现有技术和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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源的拓扑结构图；
图2为本实用新型提供的DBD负载的等效电路图；
图3为本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源在工作模态1的工作过程示意图；
图4为本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源在工作模态1的时域等效电路图；
图5为本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源在工作模态2的工作过程示意图；
图6为本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源在工作模态3的工作过程示意图；
图7为本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源的仿真工作波形图；
图8为本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源的实验工作波形图。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文实用新型做更全面、细致地描述，但本实用新型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，并不是旨在限制本实用新型的保护范围。
实施例：
本申请提供了一种适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源，用于适应不同的DBD负载特性，发挥不同DBD负载的性能，提高供电效率。
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1和图2。图1为本实用新型提供的一种适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源的拓扑结构图，包括直流电源E、谐振电感L、第一谐振电容C1、变压器第一绕组、第一开关管Q1、第一二极管D1、第二谐振电容C2、变压器第二绕组、第二开关管Q2、第二二极管D2、变压器第三绕组及DBD负载，图2为本实用新型提供的DBD负载的等效电路图，包括等效电容Cd及等效电阻Rd，其中图1：
所述直流电源E的正极与所述谐振电感L的第一端连接；
所述谐振电感L的第二端与所述第一谐振电容C1的第一端、所述变压器第一绕组非同名端、所述第二谐振电容C2的第一端及所述变压器第二绕组同名端连接；
所述第一谐振电容C1的第二端与所述变压器第一绕组同名端、所述第一开关管Q1的第一端及所述第一二极管D1的阴极连接；
所述第一开关管Q1的第二端与所述第一二极管D1的阳极、所述直流电源E的负极、所述第二开关管Q2的第二端及所述第二二极管D2的阳极连接；
所述第二谐振电容C2的第二端与所述变压器第二绕组非同名端、所述第二开关管Q2的第一端及所述第二二极管D2的阴极连接；
所述DBD负载的第一端与所述变压器第三绕组非同名端相连；
所述DBD负载的第二端与所述变压器第三绕组同名端相连。
本实用新型利用电感与电容谐振的原理，实现了在DBD负载上生成具有高上升率和间歇时间的双极性脉冲电压。通过适应不同的DBD负载特性，发挥不同DBD负载的性能，提高供电效率。
具体地，本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源有4个工作模态，下面对本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源的工作模态作介绍：
这里设定第一开关管Q1及第二开关管Q2的开关周期为T，第一开关管Q1和第二开关管Q2的驱动信号宽度相等。另外，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1及第二二极管D2均视为理想开关器件。
电路工作在稳态时，本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源在一个工作周期内主要有4个工作模态，图7和图8为实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源的仿真工作波形图和实验波形图。
本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源的工作过程如下：
工作模态1：t0～t1
此时，如图3所示，图3为本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源在工作模态1的工作过程示意图。供电电源在工作模态1时，第一开关管Q1或第一二极管D1开通，第二开关管Q2和第二二极管D2关断(实线表示电源电路中有电流流过的部分，虚线表示电源电路中没有电流流过的部分，下面图5和图6同理)，由于第一开关管Q1或第一二极管D1开通，形成由直流电压源E、谐振电感L、第一谐振电容C1、第一开关管Q1或第一二极管D1、变压器第一绕组、变压器第三绕组及DBD负载构成的谐振回路。变压器第二绕组通过第二谐振电容C2形成的电容充放电回路，与DBD负载的脉冲激励波形生成无关，故这里只对第一个电路回路进行分析。在第一开关管Q1开通后，形成由直流电压源E、谐振电感L、第一谐振电容C1、第一开关管Q1及DBD负载构成的谐振回路，此时流过谐振电感L的电流iL和DBD负载上的电压uDBD从零开始逐渐增大。当谐振电流iL的数值由正变负时，第一开关管Q1关断，第一二极管D1开通，形成由直流电压源E、谐振电感L、第一谐振电容C1和与第一二极管D1构成的谐振回路，此时uDBD从最大值逐渐下降。当谐振电流iL的数值由负变零时，第一二极管D1关断，工作模态1结束，模态时长为T1。在这一阶段中，DBD负载上形成正极性脉冲激励电压。
工作模态2：t1～t2
此时，如图5所示，图5为本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源在工作模态2的工作过程示意图。供电电源在工作模态2时，第一开关管Q1和第一二极管D1关断，第二开关管Q2和第二二极管D2关断，由于第一开关管Q1和第一二极管D1关断，第二功率Q2的触发信号还没到来，流经电感L的电流iL为零，变压器将内部未能完全释放的能量通过变压器第一绕组、变压器第二绕组和变压器第三绕组分别向第一谐振电容C1、第二谐振电容C2和DBD负载进行释放。当第二开关管Q2的触发信号到来，工作模态2结束，模态时长为TL。
工作模态3：t2～t3
此时，如图6所示，图6为本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源在工作模态3的工作过程示意图。供电电源在工作模态3时，第一开关管Q1和第一二极管D1关断，第二开关管Q2或第二二极管D2开通，由于第二开关管Q2或第二二极管D2开通，形成由直流电压源E、谐振电感L、第二谐振电容C2、第二开关管Q2或第二二极管D2、变压器第二绕组、变压器第三绕组及DBD负载构成的谐振回路。变压器第一绕组通过第一谐振电容C1形成的电容充放电回路，与DBD负载的脉冲激励波形生成无关，故这里只对第一个电路回路进行分析。在第二开关管Q2开通后，形成由直流电压源E、谐振电感L、第二谐振电容C2、第二开关管Q2及DBD负载构成的谐振回路，此时流过电感L的电流iL从0开始逐渐增大，DBD负载上的电压uDBD从0开始逐渐减小。当谐振电流iL的数值由正变负时，第二开关管Q2关断，第二二极管D2开通，形成由直流电压源E、谐振电感L、第二谐振电容C2和与第二二极管D2构成的谐振回路，此时uDBD从最小值逐渐上升。当谐振电流iL的数值由负变零时，第二二极管D2关断，工作模态3结束，模态时长为T1。在这一阶段中，DBD负载上形成负极性脉冲激励电压。
工作模态4：t3～t4
此时，如图5所示，图5为本实用新型提供的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源在工作模态4的工作过程示意图。供电电源在工作模态4时，第一开关管Q1和第一二极管D1关断，第二开关管Q2和第二二极管D2关断，由于第二开关管Q2和第二二极管D2关断，第一开关管Q1的触发信号还没到来，流经电感L的电流iL为零，变压器将内部未能完全释放的能量通过变压器第一绕组、变压器第二绕组和变压器第三绕组分别向第一谐振电容C1、第二谐振电容C2和DBD负载进行释放。当第一开关管Q1的触发信号到来，工作模态4结束，模态时长为TL。
为分析回路的运行状况，需要对回路的电气量进行分析，由于电源工作波形的对称性，在这里只对供电电源在工作模态1和工作模态2进行分析。
供电电源在工作模态1中，由于第一开关管Q1或第一二极管D1开通，形成由直流电压源E、谐振电感L、第一谐振电容C1、第一开关管Q1或第一二极管D1、变压器第一绕组、变压器第三绕组及DBD负载构成的谐振回路。由于DBD负载等效电阻Rd折算到变压器第一绕组侧的数值和变压器一次绕组的漏感Lr1都很小，所以忽略这两者对电路的影响，图3给出了谐振电路的复频域等效电路图。在图3中，电容C为DBD负载等效电容Cd折算到变压器第一绕组侧与第一谐振电容C1并联后形成的等效电容，其表达式为
C＝N2Cd+C1 (1)
其中N表示变压器第三绕组与变压器第一绕组与变压器第二绕组的变比。
等效电路在频域下满足：
其中UC1为第一谐振电容C1电压，Lm1为变压器第一绕组励磁电感。
求解得到：
其中，由于变压器第一绕组励磁电感远远大于谐振电感L，故有/>
对(3)进行拉氏反变换可得：
对(4)第二项进行求导，由基尔霍夫电流定律，可以得到第一谐振电容C1的电流iC1和电流iP1的表达式为：
由式(4)的第二项和式(5)的第二项可得到负载电压uDBD和负载电流iDBD的表达式为：
将该模态结束时的约束条件iL(t1)＝0代入式(4)的第一项可得供电电源在工作模态1的模态时长T1：
供电电源在工作模态2中，第一开关管Q1和第一二极管D1关断，第二开关管Q2的触发信号未来，流经谐振电感L的电流iL为零，变压器将内部未能完全释放的能量通过变压器第一绕组、变压器第二绕组和变压器第三绕组分别向第一谐振电容C1、第二谐振电容C2和DBD负载进行释放。在这阶段中有：
根据DBD负载的双极性供电电源的工作模态的电气量求解结果，电路元件参数的确定及电路拓扑的控制的实现步骤如下，其中电路元件标号参见图1：
1、通过离线方式获得DBD负载等效电容Cd和等效电阻Rd，根据DBD负载能承受电压的极限电压，在考虑安全裕量的基础上确定DBD负载峰值电压Upeak
2、根据直流电压源E的生成电路确定E的数值；
3、根据已确定参数(Upeak、E)，计算变压器变比N，并由此选择合适的变压器磁芯材料以及绕线方式；
4、根据DBD负载电压上升率、开关管开关频率、iP1、iP2和电感电流iL确定L、C1和C2的值；
5、根据已确定参数，计算工作模态1和工作模态3的模态时长T1；
6、根据T1选择合适的间歇时间TL和驱动信号的脉冲宽度Tpulse，得到开关管的工作周期T为2(TL+T1)，以及占空比D为Tpulse/T；
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E：55V；
电感L：5μH；
电容C1：1nF；
电容C2：1nF；
变压器变比N：50；
DBD负载等效电容Cd：38pF；
DBD负载等效电容Rd：271Ω；
开关管Q1驱动信号频率为100kHz，占空比25％；
开关管Q2相对Q1的驱动信号滞后半周期，驱动信号频率为100kHz，占空比25％；
这组参数下电路仿真波形和实验波形如图7、图8所示。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源，其特征在于，包括：直流电源E、谐振电感L、第一谐振电容C1、变压器第一绕组、第一开关管Q1、第一二极管D1、第二谐振电容C2、变压器第二绕组、第二开关管Q2、第二二极管D2、变压器第三绕组及DBD负载；
所述直流电源E的正极与所述谐振电感L的第一端连接；
所述谐振电感L的第二端与所述第一谐振电容C1的第一端、所述变压器第一绕组非同名端、所述第二谐振电容C2的第一端及所述变压器第二绕组同名端连接；
所述第一谐振电容C1的第二端与所述变压器第一绕组同名端、所述第一开关管Q1的第一端及所述第一二极管D1的阴极连接；
所述第一开关管Q1的第二端与所述第一二极管D1的阳极、所述直流电源E的负极、所述第二开关管Q2的第二端及所述第二二极管D2的阳极连接；
所述第二谐振电容C2的第二端与所述变压器第二绕组非同名端、所述第二开关管Q2的第一端及所述第二二极管D2的阴极连接；
所述DBD负载的第一端与所述变压器第三绕组非同名端相连；
所述DBD负载的第二端与所述变压器第三绕组同名端相连。
2.根据权利要求1所述的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源，其特征在于，所述第一谐振电容C1的电容值与所述第二谐振电容C2的参数一致。
3.根据权利要求2所述的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源，其特征在于，所述变压器第一绕组和所述变压器第二绕组的参数一致。
4.根据权利要求3所述的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源，其特征在于，所述第一开关管Q1和第二开关管Q2的参数一致。
5.根据权利要求4所述的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源，其特征在于，所述第一二极管D1和第二二极管D2的参数一致。
6.根据权利要求5所述的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源，其特征在于，所述第一开关管Q1及第二开关管Q2的开关频率f相同，小于谐振频率f1/2，即：
f1/2＞f。
7.根据权利要求6所述的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源，其特征在于，所述第一开关管Q1及第二开关管Q2的驱动信号宽度Tpulse相等，且驱动宽度Tpulse大于谐振周期T1/2，小于谐振周期T1，即：
T1/2＜Tpulse＜T1。
8.根据权利要求7所述的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源，其特征在于，所述第一开关管Q1的驱动脉冲比第二开关管Q2的驱动脉冲超前或滞后半个周期。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源，其特征在于，所述第一开关管Q1及所述第二开关管Q2均为IGBT，其中，所述第一开关管Q1的第一端及所述第二开关管Q2的第一端均为IGBT的集电极，所述第一开关管Q1的第二端及所述第二开关管Q2的第二端均为IGBT的发射极。
10.根据权利要求9所述的适用于DBD负载的双极性间歇型脉冲供电电源，其特征在于，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令产生所述的第一开关管Q1和及所述第二开关管Q2的脉冲信号。
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