KR20230104885A - 유전체 장벽 방전 장치의 구동 회로 및 유전체 장벽 방전에서의 방전 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
유전체 장벽 방전 장치용 구동 회로가 제공된다. 구동 회로는: 유전체 방전 갭에 걸쳐 사용 시 연결 가능한 전원 공급 장치, 유전체 방전 갭은 커패시턴스를 제공함; 및 연결될 때 사용 중인 공진 탱크를 설정하는 전원 공급 장치와 유전체 방전 갭 사이의 인덕턴스를 포함하고, 전력은 펄스-트레인에서 그리고 펄스-트레인 동안에만 사용 시 탱크에 제공되며, 각 펄스-트레인의 펄스 주파수는 탱크의 공진 주파수에 사용 시 조정 가능하고, 각 펄스-트레인이 제공하는 전력은 방전 점화가 발생하는 임계 값으로 탱크를 충전하고 유지하며, 펄스-트레인당 방전 점화 이벤트는 최대 횟수가 발생한 후 공진 탱크로 전력을 전송하는 각 펄스-트레인을 금지하기 위해 사용 중인 구동 회로에 기초하여 최대 횟수로 제한된다.
Description
본 발명은 유전체 장벽 방전 장치와 함께 사용되는 공진 회로와 같은 공진 회로에 관한 것이다.
유전체 장벽 방전(Dielectric barrier discharge, DBD) 유형 반응기와 같은 유전체 장벽 방전(DBD) 장치는 반응기를 통과하는 가스 또는 액체와 같은 유체에서 원하지 않는 물질을 제거하는 데 사용할 수 있다. 이러한 물질에는 탄화수소, 질소 산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)이 포함된다.
DBD 장치의 한 가지 응용 분야는 배기 가스에서 물질을 제거하는 것이다. 이러한 응용에서, 뿐만 아니라 다른 응용에서, 장치를 통과하는 가스는 대략 대기압의 압력을 가진다. 대략 대기압에서 DBD 장치는 일반적으로 몇 킬로-볼트(kV)에서 수십 kV의 점화/파괴 전압을 보인다.
전기적으로, DBD 장치는 산업-규모의 가스 정화 시스템에 대해 약 10nF에서 약 100nF 사이의 커패시턴스를 부과한다. 이러한 장치는 전극 사이에서 플라즈마 점화(유전체 장벽 전기 방전이라고도 함)를 시작하거나 트리거하기 위해 전극에 걸쳐 펄스형 고전압을 수신하거나 수용할 수 있다.
고전압 슬루율(높은 dV/dt)과 짧은 펄스-폭(약 100나노초(ns)에서 약 10마이크로초(μs)까지) 장치의 여기(excitation)는 더 높은 반응기 효율을 가져온다. 이를 통해 주어진 전력량에 대해 반응기를 통과하는 가스의 오염 물질을 더 많이 줄일 수 있다. 그러나, 실제 전력(P) 대 피상 전력(S)의 비율로 제공되는 DBD 장치의 낮은 역률(power factor, PF) 때문에, 높은 전력 전송을 효율적으로 달성하는 것은 어려운 일이다. 높은 전력 전송 효율이란 높은 변환 효율과 같은 높은 효율을 의미하고자 한다.
산업-규모 시스템에 사용할 수 있는 고-전압 펄스-전력 장비는 일반적으로 약 400V ~ 약 1000V 피크 출력 펄스 전압의 저-전압 펄스 생성 장치와 플라즈마 점화 전압 수준을 충족하기 위해 약 1:20 ~ 약 1:40의 권선비를 갖는 후속 승압 변압기를 사용한다.
DBD 장치의 낮은 PF로 인해, 장치에서 전압을 반복적으로 순환하려면 많은 양의 무효 전력을 필요로 한다. 이로 인해 실질적으로 플라즈마로 전달되는 실제 전력의 양은 상대적으로 낮아 고효율을 달성하기 위한 근본적인 문제가 발생한다.
이러한 어려움을 예시하기 위해, 유전체 장벽 전기 방전을 위해 최소 1μs의 전압 상승 시간을 달성하기 위해 5nF의 등가 커패시턴스 및 20kV 점화 전압을 갖는 DBD 장치, 충전/방전 100암페어(A)의 전류가 필요하다. 결과적으로, 1:20 승압 변압기의 경우 DBD 장치에 사용되는 펄스 생성 장치의 전력 전자 장치에서 2kA 피크 전류를 처리해야 한다.
또 다른 문제는 이러한 상황에서 유전체 장벽 전기 방전을 제공하기 위한 점화가 달성 가능하더라도 플라즈마 점화 후 DBD 반응기의 커패시턴스에 저장된 나머지 에너지가 복구되지 않는다는 것이다. 대신 이 에너지는 펄스 생성 장치 또는 DBD 반응기 자체에서 소산된다. 펄스 생성 장치에 사용된 전력 반도체의 손실과 승압 변압기의 권선 손실은 전력 변환 효율이 만족스럽지 못하며 전력 전자 장치를 안전한 작동 온도 내에서 유지할 때 가능한 최대 펄스 반복률을 제한한다. 이 문제를 해결하려면 펄스 반복 주파수(pulse repetition frequency, PRF)를 수백 Hz 값으로 제한해야 한다. 그러나 이는 궁극적으로 플라즈마로 전달되는 평균 전력을 제한하므로 바람직하지 않고 비효율적이다.
반복되는 사이클링을 사용하는 장치와 대조적으로, 연속 고주파 교류 전류 AC(펄스 아님)로 DBD 장치를 구동하는 데 자주 사용되는 공진 전력 변환기 장비가 알려져 있다.
실제로, 이러한 시스템은 공진 주파수에 가깝게 작동할 때 우수한 전력 변환 효율과 높은 출력 전압 이득으로 알려져 있다. 그러나 과학 문헌에서 논의되고 실험적 증거에 기반한 바와 같이 DBD 원자로의 연속적인 고주파 AC 여기(excitation) 는 일반적으로 오염 물질 감소 효과가 떨어진다. 이러한 효과의 결여는 여기로 인한 고장으로 인해 생성되는 반응성이 적고 연도 가스가 가열되어 전력을 소산시키는 대신 전력을 사용하여 반응성 종(species)을 추가로 생성하기 때문이다.
따라서, 높은 피크 전류로 인한 손상으로부터 회로를 보호하면서 DBD 장치의 낮은 전체 효율과 제한된 평균 전력 전송 능력을 해결할 필요가 있다.
제1 측면에 따르면, 유전체 장벽 방전 장치를 위한(즉, 그에 적합한) 구동 회로가 제공되며, 회로는: 커패시턴스를 제공하는 유전체 방전 갭에 걸쳐 사용시 연결 가능한 전원 공급 장치; 및 연결될 때 전원 공급 장치와 유전체 방전 갭 사이의 인덕턴스를 포함하여 사용 중인 공진 탱크를 설정하고, 전력은 펄스-트레인에서 그리고 펄스-트레인 동안에만 사용 시 탱크에 제공되며, 각 펄스의 펄스 주파수는 트레인은 탱크의 공진 주파수에 사용 시 조정 가능하고, 각 펄스-트레인에 의해 제공되는 전력은 방전 점화가 발생하는 임계 값(유전체 방전 갭에서)으로 탱크를 충전 및 유지하고, 펄스-트레인당 방전 점화 이벤트(예: 하나의 펄스-트레인 기간 동안 발생하는 방전 점화 이벤트로) 최대 횟수가 발생한 후 각 펄스-트레인이 공진 탱크로 전력을 전송하는 것을 금지하기 위해 사용 중인 구동 회로에 기초하여 최대 횟수로 제한된다.
공진 탱크에 전력의 펄스-트레인을 제공함으로써 각 펄스-트레인이 지속되는 동안 공진 탱크에 저장된 에너지의 양이 증가하며 이를 공진 탱크의 "충전"이라고도 한다. 유전체 장벽 전기 방전은 갭 양단의 전위차가 임계 값(Vth)에 도달할 때 유전체 방전 갭 양단에서 발생한다. 펄스-트레인의 펄스 주파수(개별 펄스 사이의 기간 또는 펄스-트레인 내 펄스 주기의 역수를 의미함)를 탱크의 공진 주파수로 조정하면 전위차의 진폭에서 충전 프로세스가 급격히 증가한다. 이는 전위차 진폭을 예를 들어 10 사이클 미만의 임계 값으로 증가시켜 유전체 장벽 전기 방전이 발생하는 임계 값("점화 임계 값"이라고도 함)에 도달한다.
현재 부과된 응력에 대한 제한은 제1 측면의 장치를 사용함으로써 제공된다. 전류 부과 스트레스에 대한 제한은 공진 탱크 전압 게인을 통해 펄스-트레인 동안 여러 사이클(즉, 개별 펄스)에 걸쳐 발생하는 임계 값에 대한 전위차까지 축적함으로써 구동 회로 장치를 사용하여 달성된다. 기존의 펄스 플라즈마 시스템에서 플라즈마 방전은 단일 펄스를 사용하여 제공되며 높은 승압 변압기가 필요하므로 더 높은 전류가 발생하므로 1차 권선 측에 전류가 가해지는 스트레스가 높아진다.
또한 전원 공급 장치는 과전류 감지 없이 단락으로부터 보호된다. 이는 예를 들어 유전체 장벽의 단락 회로 고장으로 인해 전원 공급 장치의 출력 단자가 단락된 경우 전류를 제한하기에 충분한 임피던스를 제공하는 공진 탱크의 인덕턴스 때문이다.
또한 방전 점화 이벤트의 수를 제한함으로써 단순히 열 또는 덜 반응적인 종의 생성으로 인한 에너지 소실이 감소한다. 실제로 우리는 공진 AC와 제한된 펄스 여기의 하이브리드를 구현함으로써 효과적인 오염 물질 감소가 제공되는 동시에 높은 전력 변환 효율을 제공할 수 있음을 발견했다.
따라서, 전반적으로, 제1 측면에 따른 장치에서, (공진 동작으로 인해) 고효율로 유전체 장벽 방전 장치로의 전력 전송이 달성되는 동시에 전류가 가하는 스트레스를 제한하고 단락으로부터 회로 부품을 보호한다.
유전체 방전 갭은 유전체 방전 장치의 전극 사이의 갭을 의미한다. 이것은 전형적으로 갭으로 인한 커패시턴스를 제공하며, 유전체에 의해 추가 커패시턴스가 제공된다. 물론, 제1 측면에 따른 구동 회로가 방전 갭에 걸쳐 연결될 때, 이 갭의 가장자리/측면이 전극에 의해 제공되기 때문에, 구동 회로는 적어도 구동 회로가 전극에 전류를 제공하고 전극 간에 전위차를 설정하도록 허용하는 방식으로 전극을 연결한다. 다양한 예에서, 구동 회로는 구동 회로 및 유전체 방전 갭을 포함하는 폐쇄 회로를 형성하는 전극에 연결된 와이어 또는 케이블에 연결됨으로써 유전체 방전 갭에 걸쳐 여전히 연결될 수 있다.
공진형 탱크에 의해 공급되는 전력의 사이클 주기는 주파수에 의해 결정되는 단일 발진 주기(오직)를 통과하는 전류 및/또는 전압에 걸리는 주기를 의미한다. 즉, 전류 및/또는 전압이 단일 파장(단지)을 통과하는 데 걸리는 시간을 의미한다.
또한 "방전"이라는 용어는 플라즈마 생성 방전과 같은 일부 형태의 전기 방전을 의미한다. 일반적으로 이것은 가스와 같은 매체를 통해 적용된 전기장에서 전기의 방출 및 전달을 의미한다. 일반적으로 한 위치에서 다른 위치로 또는 두 지점 사이를 통과하는 필라멘트 형태의 전자 흐름이 이를 달성한다. 전자의 흐름은 일반적으로 필라멘트 형태의 일시적인 전자 흐름이다. 이것은 전기 방전 동안 미세 방전/필라멘트의 전자 흐름이 개별 방전 점화 이벤트당 짧은 시간 동안만 지속됨을 의미한다. 물론 적절한 조건이 유지된다면 시간이 지남에 따라 많은 필라멘트가 있을 수 있다. 전기 방전은 가스를 통해 적용된 전기장에서 전기 전송을 허용한다.
유전체 방전 갭에서 유전체의 존재는 일반적으로 아크 또는 스파크가 발생하는 것을 허용하지 않는다(즉, 전극 사이에 지속적인 전류를 생성하는 방전). 대신 일반적으로 마이크로초 동안만 지속되는 마이크로 방전만 발생하도록 허용한다. 이것은 지속적인 방전을 제공하는 데 필요한 전력량을 제한하면서 방전이 통과하는 매체에서 화합물을 분해하는 화학 반응 경로에 기여하는 데 필요한 에너지와 구성 요소를 제공한다.
이러한 방전을 제공함으로써 유체와 상호 작용하는 고에너지 전자를 생성하여 매체에 실제 전력을 전달할 수 있다. 이는 실제 전력이 매체로 전달될 때 전기 에너지가 화학 에너지로 변환되어 매체 또는 매체의 구성 요소가 분해될 수 있기 때문이다. 이 변환은 회로, 전극, 유전체 및/또는 매체 가열과 같은 여러 요인으로 인해 손실을 유발할 수 있다. 이러한 손실은 일반적으로 원하지 않지만 프로세스에서 피할 수 없다. 이와 같이 손실을 최소화하여 고에너지 전자의 최대 생산율을 가질 수 있다.
제1 측면에 따른 구동 회로에 의해 방전이 발생하는 프로세스로 돌아가면, 점화 임계 값에 도달하기 전에 초기에 방전이 발생하지 않는 것으로 생각할 수 있다. 이는 방전 갭(예: 전극 사이)의 가스가 이온화되지 않았으며 전기 방전이 없으며 특히 관련하여 전력이 가스에 전달되지 않음을 의미한다. 그러나 임계 값에 도달하면 방전이 발생한다. 이는 단일 지점(예: 방전 갭의 측면을 정의하는 전극 표면의 일부 형태의 서브-매크로스코픽 구조)에서 수많은 과도 필라멘트(각각 미세 방전을 나타냄)가 형성되는 결과이다. 각 필라멘트의 수명(즉, 각 필라멘트가 존재하는 기간)은 수십 나노초 정도이다. 고에너지 전자가 방전 갭에 형성되어 갭의 매체에 전력이 전달되는 것은 이러한 일시적인 미세 방전의 수명 동안에만 가능하다. 생성된 고에너지 전자에 의해 전달되는 전력은 화학 반응을 시작하기에 충분한 양의 에너지 수준으로 인해 오염 물질 분해를 시작할 수 있다.
전압 임계 값에서 방전 갭을 무한정 유지하면 DBD 장치의 유전체 방전 갭의 전극 표면과 유전체 장벽에 전하 축적이 발생한다. 이것은 펄스를 사용하여 피할 수 있다. 펄스는 펄스에 의해 제공되는 교번 극성으로 인해 방전 갭의 순간 전압이 점화 임계 값에서 유지되는 시간을 수 마이크로초 정도의 기간으로 제한하는 것으로 생각할 수 있다. 즉, 과도 필라멘트는 이 기간 동안에만 생산될 수 있다. 이와 같이 미세 방전이 발생할 수 있는 기간은 방전 갭에서의 순간 전압이 점화 임계 값에서 유지되는 시간의 양으로 제한되는 것으로 생각할 수 있으며 이러한 과도 필라멘트의 합은 "매크로-방전" 또는 "방전 이벤트"로 간주될 수 있다.
따라서 앞의 네 단락을 고려하여 "방전 점화 이벤트"라는 용어는 매크로 방전 또는 방전 이벤트의 시작을 의미한다. 즉, 과도 필라멘트 형태의 미세 방전이 발생할 수 있는 기간의 시작, 즉 임계 값에 도달했을 때이다. 이 임계 값은 전형적으로 전압 임계 값, 예를 들어 전극/유전체층과 갭의 범위를 정하는 전극 사이의 전위차(예를 들어, ΔV)의 형태인 유전체 방전 갭에서의 전압 임계 값과 같은 것이다.
사용 시 탱크의 공진 주파수("공진 주파수"라고도 함)로 조정 가능한 펄스-트레인의 펄스 주파수는 펄스 주파수가 공진 주파수로 간주될 수 있는 주파수의 수 중 하나 이상으로 조정될 수 있음을 의미한다. 여기에는 이론적인 공진 주파수(즉, 실제 효과를 고려하지 않을 때 공진 주파수로 계산되는 주파수) 또는 실제 효과를 고려하는 주파수와 같이 실제로 적용 가능한 공진 주파수가 포함된다. 배선 및/또는 기타 부품의 인덕턴스 및/또는 저항, 댐핑 또는 임피던스 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 따라서 아래에서 자세히 설명하는 것처럼 제로 전압 스위칭 주파수이다.
방전 점화 이벤트의 최대 횟수는 (오직) 1개 이벤트, 2개 이벤트 또는 3개 이벤트를 포함하는 1개 내지 3개 이벤트와 같이 전형적으로 1개 내지 5개 이벤트일 수 있다. 매우 적은 수의 배출 이벤트로 제한함으로써 우리는 이것이 가장 에너지 효율적이고 효과적인 오염 물질 분해를 생성한다는 것을 발견했다. 이는 방전 갭에서 매체로의 전달을 제한하는 방전 점화 이벤트(들)로 인해 발생하는 에너지 전달로 인해 더 높은 비율의 에너지가 매체에서 화합물의 분해를 유발하기 때문이다.
구동 회로는 탱크와 통신하고 각각의 펄스-트레인 동안 탱크에 제공되는 전력의 위상 시프트를 식별하기 위해(예를 들어 모니터링에 의해) 배열되는 위상계를 더 포함할 수 있으며, 위상 시프트는 방전 점화의 발생에 대응한다 구동 회로는 각각의 개별 방전 점화 이벤트 이후 각각의 펄스-트레인의 펄스 수에 기초하여 방전 점화 이벤트의 최대 횟수가 언제 발생했는지를 결정하기 위해 사용 중에 더 배열될 수 있다.
우리는 이러한 위상 변화가 방전 시작을 나타내는 것을 발견했으며, 따라서 해당 지점에서 발생하는 방전 점화 이벤트의 수를 식별할 수 있다(예: 그 지점부터 펄스-트레인). 이것은 더 이상 발생하는 방전 점화 이벤트를 중지하기 위해 방전 점화 이벤트의 최대 횟수에 도달한 때를 결정할 수 있음을 의미한다. 예를 들어 공진 탱크에 대한 입력에서 전압-전류 위상 시프트를 모니터링함으로써(예: H-브리지 단자에서 측정된 전압-전류 위상 시프트, H-브리지의 관련성은 아래에서 자세히 설명) 첫 번째 방전 점화 이벤트가 감지될 수 있다. 공진 탱크를 충전하는 동안(예: 급속한 전압 구축) 일반적으로 0에 가까운 위상 시프트(공진에서 여기됨)가 있다. 그러나 플라즈마가 방전 점화 이벤트의 일부로 점화되면 일반적으로 "점화된" 방전 갭에 의해 부과된 커패시턴스의 증가로 인해 공진 주파수에 변화가 있다. 모니터링 시 이 공진 주파수 편이는 위상 시프트를 모니터링하여 즉시 감지할 수 있다.
위에서 언급한 위상 측정기(예: 위상 검출 장치)는 컨트롤러, 프로세서, 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러 또는 적어도 두 신호의 위상을 모니터링할 수 있는 다른 장치에 의해 제공될 수 있다.
위상 모니터링 또는 위상계 사용에 추가로 또는 대안적으로 각 펄스-트레인은 미리 조정되거나 최적화된 펄스 수(즉, 펄스-트레인 내의 펄스 수)를 가질 수 있다. 일반적으로 공진 탱크를 충전하는 데 필요한 펄스 수를 계산하거나 모델링할 수 있으며, 일반적으로 펄스당 단일 방전 점화 이벤트가 (단지) 있거나 적어도 방전 점화 이벤트가 펄스당 몇 번 발생할지 계산할 수 있다. 이를 통해 펄스-트레인의 펄스 수를 최소한 원하는 최대 방전 점화 이벤트 수에 탱크를 충전하는 데 필요한 펄스 수를 더한 값으로 설정할 수 있다. 그러한 접근 방식이 사용되는 경우, 공진 탱크를 방전하기 위해 펄스가 사용되는 경우와 같이 각각의 펄스-트레인에 포함된 추가 펄스가 있을 수 있다. 이 접근 방식을 사용하는 경우 펄스-트레인당 필요한 펄스 수 계산에 포함될 수도 있다.
회로는 각각의 펄스-트레인 이후(또는 최대 방전 점화 이벤트 발생 후)에 탱크로부터의 전력 방전(즉, 소모된 전력)을 수용하고 저장하기 위해 사용 중에 배열된 전원에 걸쳐 연결된 전력 저장 장치를 더 포함할 수 있다. 이는 공진 탱크의 에너지 소산으로 인해 손실될 수 있는 전력을 회로 내에서 저장/회수하는 수단을 제공한다. 이는 펄스-트레인 사이의 에너지 손실을 줄이고 저장된 에너지가 다음 고전압 펄스-트레인 형성에 기여할 수 있도록 하여 효율성을 높인다.
에너지 또는 전력 회복은 수동적 또는 능동적 수단을 통해 달성할 수 있다. 일반적으로, 방전 점화 이벤트의 최대 횟수가 발생한 후 펄스-트레인의 위상(펄스 인)을 180도(°) 시프트하기 위해 일반적으로 사용되는 구동 회로와 같은 능동 수단이 사용된다. 이 메커니즘을 구현하면 느슨하게 결합된 공심 변압기를 사용하는 경우와 같이 에너지 회수를 위한 수동 수단(및 잠재적으로 다른 능동 수단)이 불가능할 때 에너지 회수를 달성할 수 있다. 이를 통해 에너지 회수에서 달성할 수 있는 효율성 이득을 여전히 달성할 수 있다. 공진 탱크를 임계 값으로 충전하기 위해 펄스-트레인에 사용된 펄스 수와 동일한 펄스 수에 대해 위상 시프트가 있을 수 있다. 다른 수의 펄스에 대해 위상 시프트를 적용할 수 있다. 이는 공진 탱크를 충전 및 방전할 때 유사한 전력 흐름을 유지한다.
회로는 전원 공급 장치와 탱크 사이에 인버터를 더 포함할 수 있으며, 인버터는 전원 공급 장치로부터 탱크로의 전원 공급을 조절하기 위해 사용 중에 배열된다. 이를 통해 공진 탱크에 제공되는 전력의 특성과 속성이 회로에 대한 입력이 아닌 회로 내의 구성 요소에 의해 결정될 수 있다. 이는 회로 입력에서 제공되는 전원에 의해 결정될 때보다 많은 양의 맞춤화 및 변경을 제공한다.
인버터는 임의의 적절한 유형의 인버터일 수 있다. 일반적으로 인버터는 H 브리지 또는 하프 브리지이다. 이는 인버터 기능을 제공하는 간단한 메커니즘을 제공하는 동시에 인버터의 출력을 직접적이고 쉽게 제어하여 모든 펄스-트레인의 끝에서 탱크에 저장된 에너지의 수동적 및/또는 능동적 회복을 달성한다.
H 브리지 또는 하프 브리지가 사용되는 경우 브리지 인버터에 사용되는 스위치는 기계적 스위치 또는 전력 트랜지스터 스위치와 같은 적절한 스위치일 수 있다. 일반적으로 인버터의 각 스위치는 실리콘 또는 실리콘 카바이드(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터, MOSFET) 스위치, 실리콘 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 스위치 또는 질화 갈륨 전력 트랜지스터(FET) 스위치일 수 있다. 실리콘 MOSFET 스위치는 일반적으로 약 650V의 차단 전압을 가진다. 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET 스위치는 일반적으로 약 1.2kV의 차단 전압을 가진다. 실리콘 IGBT 스위치는 일반적으로 약 650V 또는 약 1.2kV의 차단 전압을 갖고; 질화 갈륨 FET 스위치는 일반적으로 약 650V의 차단 전압을 가진다. 높은 차단 전압 브리지 레그를 달성하기 위해 직렬로 연결된 여러 저전압 장치와 함께 다중 레벨 브리지 레그를 사용할 수도 있다. 그러나 일반적으로 전압이 스위치 간에 균등하게 공유되도록 하는 메커니즘이 필요하므로 상황이 복잡해지고 덜 견고해진다. 이것이 첫 번째 측면에 따라 구동 회로에 2레벨 H-브리지가 일반적으로 사용되는 이유이다. 인버터에서 위의 스위치를 사용하면 구성 요소를 단순하게 유지할 수도 있다. SiC 및 GaN과 같은 WBG(Wide Bandgap) 반도체는 Si 기반 전력 반도체보다 우수한 성능 때문에 일반적으로 사용된다.
공진 탱크에 공급되는 펄스 주파수(예: 펄스-트레인으로 제공되는 경우 전압 파형의 주파수)는 1차 고조파의 주파수(즉, 기본 주파수 또는 자연 주파수), 또는 공진 주파수 범위 내와 같은 공진 주파수와 같은 탱크의 공진 주파수일 수 있다. 고차 고조파가 사용되는 경우, 일반적으로 저역 통과 특성을 갖는 공진 탱크로 인해 1차 고조파보다 고차 고조파가 감쇠되거나 감쇠된다. 여기가 일반적으로 사각 파형으로 제공되더라도 유전체 방전 갭을 가로지르는 결과적인 전류 및 전압이 거의 완벽하게 정현파인 이유이다.
H-브리지 또는 하프 브리지 인버터와 같이 스위치를 사용하는 인버터를 사용하는 경우 각 펄스-트레인의 펄스 주파수는 ZVS(Zero Voltage Switching) 주파수일 수 있다. 이것은 일반적으로 탱크의 정확한 공진 주파수보다 약간 높으며, 예를 들어 정확한 공진 주파수보다 약 5%에서 약 10% 높으며 회로의 품질(Q) 요소에 따라 약 10%를 넘지 않는다. 이는 스위칭으로 인한 손실을 줄이고 스위칭으로 인한 전자파 장해(EMI)를 줄여 인버터의 효율을 높이고 인버터에서 발생하는 노이즈를 줄인다.
회로는 공진 탱크의 일부를 형성하는 2차 권선인 변압기를 더 포함할 수 있으며, 변압기는 승압 변압기이다. 이는 전압 입력 레벨을 높여 유전체 장벽 전기 방전 전압 레벨(즉, Vth)을 달성하기 위해 공진 탱크에 필요한 최소 전압 이득을 낮춘다. 또한 변압기를 사용하면 접지 전류(DBD 장치의 전극과 주변 금속 하우징 사이의 기생 커패시턴스에 흐르는 전류)를 줄여 EMI를 줄인다. 변압기는 2차 권선 대신 공진 탱크의 일부를 형성하는 1차 권선이 있는 회로 내에 위치할 수 있지만 2차 권선이 공진 탱크의 일부를 형성하는 배열에서 변압기의 킬로볼트 암페어(kVA) 정격을 줄일 수 있다. 이 경우 DBD 장치의 무효 전력을 보상할 수 있다.
변압기가 사용될 때 회로는 각 펄스-트레인 후에 1차 변압기 권선을 단락시키기 위해 사용 중에 배열될 수 있다. 에너지가 탱크에서 회수/회수될 때 1차 권선의 단락은 일반적으로 에너지가 회수된 후(예: 각 펄스-트레인이 경과한 후)에 적용된다. 1차 권선을 단락시키면 공진 탱크를 구성하는 부품으로 인해 발생할 수 있는 울림(ringing)이 줄어든다. 인버터를 사용하는 경우 변압기 1차 권선의 단락은 인버터의 로우 사이드 또는 하이 사이드를 켜서 사용할 수 있다. 이렇게 하면 회로에 추가 구성 요소를 포함할 필요가 없어 구성 요소 수를 제한할 수 있다.
공진 탱크의 인덕턴스는 하나 이상의 구성 요소에 의해 제공되거나 기여될 수 있으며 회로 내의 구성 요소 사이의 배선 또는 케이블링의 인덕턴스에 의해 제공될 수 있다. 인덕턴스의 적어도 일부(인덕턴스의 일부 또는 전부)는 변압기에 의해 제공될 수 있다. 이것은 변압기의 일반적으로 바람직하지 않은 속성을 사용하여 해당 속성을 회로 기능에 대한 기여로 사용할 수 있도록 한다. 변압기에 의해 제공되는 모든 인덕턴스는 변압기의 누설 인덕턴스(스트레이 인덕턴스라고도 함)일 수 있다. 어떤 상황에서는 공진 탱크가 인덕터를 특정 구성 요소로 포함할 필요가 없도록 할 수 있다.
아래에 자세히 설명된 대로 변압기는 공심 변압기일 수 있다. 공심 변압기를 사용하는 경우 권선 사이에 최대 60%의 마그네틱 커플링이 있을 수 있다. 권선 사이에 60% 마그네틱 커플링이 있는 공심 변압기와 같은 공심 변압기를 사용하면 변압기에서 제공할 수 있는 인덕턴스가 향상되어 공진 탱크가 추가 인덕턴스를 가질 필요가 줄어든다. 또한, 공진 인덕턴스 및 공진 탱크의 공진 주파수는 공심 변압기를 사용하는 경우에 1차 권선(전송 코일이라고도 함)과 2차 권선(수신 코일이라고도 함) 사이의 거리를 조정하여 조정할 수 있다. 이는 기존 시스템에서 수행되는 것으로 알려진 추가 커패시터를 회로에 배열할 필요성을 줄여 부품 수를 줄인다. 이는 공심 변압기를 사용할 때 발생하는 평면 유도 전력 전송으로 인해 달성할 수 있다. 공심 변압기를 구현할 수 있는 다른 배열도 가능하다.
공심 변압기 권선은 다른 변압기(즉, 비공심 또는 솔리드 코어 변압기)에 비해 결합이 낮다. 이를 통해 변압기의 2차(즉, 고전압) 측은 1차 측에서 전압이 인가되지 않을 때(예: 모든 스위치가 꺼져 있고 바디 다이오드가 전도되지 않는 경우) 자유롭게 진동할 수 있다. 위에 자세히 설명된 활성 에너지 회수 수단(즉, 일부 펄스의 180° 위상 시프트)은 이러한 진동을 제거하고 공심 변압기를 사용할 때 전력 손실을 방지한다.
변압기는 약 1:1 내지 약 1:10, 예컨대 약 1:5의 1차 변압기 권선 대 2차 변압기 권선의 승압비를 가질 수 있다. 이 배열을 적용하면 일반적으로 알려진 시스템에는 적용되지 않는 다음 방정식이 유지된다.
여기서 Vdc는 DC 링크 전원에 의해 제공되는 전압이고, n은 변압기의 권선비(즉, N1/N2, 1차 권선 수를 2차 권선 수로 나눈 값에 해당), Vth는 점화 전압이다. 또는 DBD 장치의 방전 임계 값. 다음 단락에 설명된 대로 이것은 이득 요구를 줄인다.
약 20kV의 DBD 장치에서 유전체 장벽 전기 방전 점화 전압 임계 값의 경우 이는 약 5배의 최소 공진 탱크 전압 이득이 약 1:5의 승압 비율에 필요함을 의미한다. 구동 회로는 약 800V이다. 이것은 변압기 승압과 공진 탱크 전압 게인 사이의 최적화된 균형을 달성하여 필요한 방전 전압 수준에 도달하기 위해 최대 변압기(1:20 이상)에 의존하는 기존의 펄스 전력 및 공진 컨버터 시스템과 비교하여 구동 회로의 전류 스트레스를 크게 줄인다.
방전 임계 값에 도달할 때까지 공진 탱크에는 최소 댐핑이 있다. 이는 충전 중 공진 탱크에 부하(방전 갭에서 매체로의 전력 전송 등)가 없기 때문이다. 알려진 공진 시스템과 비교할 때, 이러한 시스템에서는 부하를 생성하는 연속적 또는 장기간 방전이 있기 때문에 일반적으로 항상 부하가 있다.
제1 측면에 따른 구동 회로의 공진 탱크에 대한 부하 부족은 알려진 시스템에 비해 매우 높은 전압 이득(Q 값이 50보다 큰 이득과 같은)을 초래한다. 알려진 시스템과 달리 공진 탱크의 달성 가능한 전압 이득은 부하에 의존하지 않는다(지시한 바와 같이 일반적으로 유전체 방전이 발생할 때 가스로 전달되는 전력에 해당함). 대신, (오직) 공진 탱크의 기생 저항(예: 자기 및 전극의 저항에 의해 생성된 저항)에만 의존한다.
또한 부하가 부족하기 때문에 더 빠른 충전이 가능하고 펄스-트레인의 펄스 주파수가 탱크의 실제 공진 주파수에 최대한 가까워진다(예: 이론적 공진 주파수는 일반적으로 현실에 존재하는 감쇠 효과를 고려한다). 이는 감쇠량이 너무 낮아 펄스 주파수를 설정할 때 감쇠를 최소한으로 고려해야 하기 때문이다. 이것은 에너지 전달 능력을 향상시켜 구동 회로를 보다 효율적으로 만든다.
변압기가 있는 경우 변압기 승압 권선비에 필요한 치수(즉, 변압기 승압 권선비에 대해 설정된 사양)도 공진 탱크의 기생 저항에만 의존한다. 고려해야 할 부하가 있는 경우 변압기 승압 권선비의 치수도 이를 고려해야 한다. 이를 통해 변압기의 손실을 최소화할 수 있으므로 부하를 고려해야 할 때와 비교하여 구동 회로의 효율에 대한 변압기 사용의 영향을 줄일 수 있다.
인덕턴스를 제공하는 변압기에 대안적으로 또는 추가적으로, 인덕턴스의 적어도 일부(예를 들어, 인덕턴스의 일부 또는 전부)는 인덕터에 의해 제공될 수 있다. 이것은 사용할 인덕턴스를 제공하도록 설계된 구성 요소를 제공하여 회로를 최적화한다. 인덕턴스가 부분적으로 또는 전체적으로 인덕터와 변압기에 의해 제공되는 상황에서 각각은 전원과 유전체 방전 갭 사이의 인덕턴스에 기여하여 공진 탱크의 인덕턴스에 기여한다.
별도의 변압기와 인덕터가 제공되는 경우 여러 회로 구성이 가능하다. 한 가지 배열은 인덕터가 공진 탱크의 입력(인버터 출력과 같은)에 연결되도록 하는 것이며, 이것은 차례로 변압기의 1차 권선에 연결된다. 그런 다음 변압기의 2차 권선이 유전체 방전 갭에 걸쳐 연결된다. 추가 배열은 공진 탱크에 대한 입력이 변압기의 1차 권선에 연결되도록 하는 것이다. 2차 권선은 유전체 방전 갭과 직렬로 연결된 인덕터에 연결된다. 이러한 배열 각각에서 변압기의 누설 또는 부유 인덕턴스는 공진 탱크의 공진 인덕턴스 값(즉, 인덕턴스)에 기여한다. 당연히 변압기 뒤에 공진탱크를 배열하면 유전체 방전장치의 진동무효전력이 변압기를 통과하지 못하기 때문에 변압기의 kVA 정격은 낮아진다.
또 다른 배열은 공진 탱크에 대한 입력이 변압기의 1차 권선에 연결되는 것이다. 변압기의 2차 권선은 유전체 방전 갭에 걸쳐 연결된다. 이 배열에서는 별도의 인덕터 구성 요소가 제공되지 않기 때문에 변압기의 누설 또는 표유 인덕턴스는 원하는 공진 주파수에서 유전체 방전 갭에 걸친 부하를 보상할 수 있을 만큼 충분히 커야 한다. 이것은 아래에서 더 자세히 언급되는 공심 변압기(즉, 자기 코어가 없는)의 경우와 같이 권선 사이의 결합이 매우 낮은 변압기를 통해 달성할 수 있다.
제2 측면에 따르면, 유전체 장벽 방전을 제공하기 위한 시스템이 제공되며, 이 시스템은 유전체 방전 갭을 정의하는 사이에 유체용 갭을 갖는 적어도 두 개의 전극을 갖는 유전체 장벽 방전 장치를 포함하고, 유전체층은 전극 사이에 위치한다. 적어도 두 개의 전극; 및 제1 측면에 따른 구동 회로를 포함하고, 구동 회로의 전원은 유전체 방전 갭에 걸쳐 연결된다.
유전층은 방전 갭과 같이 전극 사이에 위치할 수 있지만 전극에 닿지는 않는다. 전형적으로, 적어도 하나의 전극은 유전체층(또는 단일 유전체층만이 존재하는 경우, 유전체층)이 장착될 수 있다.
서브-매크로스코픽 구조는 적어도 하나의 전극 상에 장착될 수 있다. 전극 또는 유전체 부분에 서브-매크로스코픽 구조를 적용하는 것은(유전체/층이 전극에 장착된 경우) 구조 내에서 질서를 유지해야 하고 구조를 전극 또는 유전체 부분의 표면 전극에 부착하는 것이 어렵기 때문에 기술적으로 어려운 공정이다. 또한, 서브-매크로스코픽 구조를 사용하면 "플레이트 투 포인트(plate to point)" 구조를 구현하여 구조의 끝에서 전계 강도가 일반적으로 전극보다 높기 때문에 전계 강도의 균질성에 불균형이 발생한다. 필드가 퍼져있는 더 넓은 영역. 그러나 유전체 장벽 전기 방전 장치에서 서브-매크로스코픽 구조를 사용하면 전력을 덜 사용할 수 있다는 사실을 발견했다. 이는 사용시 양극과 음극 사이에 전계가 형성되면 구조 전계가 전자를 방출하기 때문이다. 전계 방출은 애노드와 캐소드 사이의 갭이 증가된 전자 밀도를 갖도록 한다. 이것은 화학 반응을 시작하기 위해 더 많은 전자가 존재하므로 전력을 절약한다. 이것은 유전 장벽 전기 방전의 고전적인 정전기 현상과 전계 방출의 형태로 터널링의 양자 현상을 결합함으로써 달성되며, 일반적으로 고전적 프로세스와 양자 프로세스는 물리적 응용에서 사용될 때 서로 분리되어 유지된다.
전극 또는 유전체 부분/층 중 적어도 하나에 연결되는 구조에 의해, 우리는 적어도 하나의 구조가 적어도 하나의 전극 또는 유전체에 연결된다는 것을 의미하고자 한다. 이는 하나 이상의 전극 및/또는 유전체 부분이 하나 이상의 구조를 가질 수 있음을 의미한다.
물론 복수의 구조가 있을 수 있으며, 각각의 구조는 전극 또는 유전체 부분 중 하나에 연결되며, 모든 구조는 단일 전극 또는 유전체 부분에만 연결되거나 하나 이상의 전극 및/또는 연결된 하나 이상의 구조를 갖는 유전체 부분에 연결된다. 구조가 전극 또는 유전체 부분에 연결될 때 해당 구조는 해당 전극 또는 유전체 부분에만 연결되고 하나 또는 다른 전극 또는 유전체 부분(전극에 연결되는 경우)에도 연결되지 않는 것으로 의도된다.
서브-매크로스코픽 구조는 나노구조일 수 있다. 나노구조는 탄소, 실리콘, 산화티타늄 또는 산화망간 나노와이어, 나노튜브 또는 나노혼, 스테인리스강, 알루미늄 또는 티타늄 마이크로니들일 수 있다. 나노구조는 전형적으로 탄소 나노튜브(CNT)일 수 있다. CNT는 전기장에 노출되었을 때 전자의 매우 우수한 전계 방출기인 것으로 밝혀졌다. CNT 및 기타 재료는 종횡비가 매우 높기 때문에 상대적으로 낮은 인가 전압에서 많은 수의 전자를 생성할 수 있다(일반적으로 50~200나노미터, nm, 직경 대 1~2밀리미터, 길이, 즉 5,000~40,000 종횡비). 낮은 일함수(일반적으로 약 4전자볼트, eV). 높은 종횡비는 낮은 인가 전압에서 달성할 수 있는 마이크로미터당 수 볼트(미크론이라고도 함)(V/μm)로 CNT 팁에서 큰 필드 향상을 유발한다. CNT의 전계 방출에 필요한 최소 전계 강도는 일반적으로 약 30V/μm이다. 이는 CNT의 길이, CNT의 직경, 전기장을 생성하는 데 사용되는 전극 사이의 거리 및 전기장을 생성하는 데 사용되는 인가 전압 중 하나 이상을 변경하여 달성할 수 있다. CNT 어레이를 사용하는 경우 CNT가 서로를 차폐하는 경향이 있으므로 어레이의 밀도를 변경하여 전계 강도를 변경할 수도 있다.
나노구조는 다중벽 CNT(MWNT) 또는 금속성 단일벽 CNT(금속성 SWNT)일 수 있다.
구조체는 적어도 하나의 전극과 전기적으로 연결될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 또는 각각의 구조가 전기적으로 연결되는 각각의 전극은 캐소드를 제공하기 위해 사용 중에 배열될 수 있다.
나노구조는 적어도 1,000(즉, 1,000 대 1)의 폭에 대한 길이의 종횡비를 가질 수 있다. 종횡비가 1,000 이상인 나노구조는 종횡비가 낮은 것보다 더 효율적인 전계 방출을 제공한다. 종횡비는 적어도 5,000 또는 적어도 10,000일 수 있다. 종횡비를 높이면 전계 방출 효율이 더 증가하는 것으로 밝혀졌다.
전극은 전극 사이에 전기장이 형성되도록 하는 전극을 제공하기 위한 임의의 적합한 재료일 수 있다. 전형적으로, 전극은 전기 전도성 금속으로 만들어질 수 있다.
유전체 부분은 (애노드와 같은) 제1 전극에 연결될 수 있고 구조는 (캐소드와 같은) 제2 전극에 연결될 수 있다. 이것은 각각의 전극에 대한 유전체 부분 및 구조의 적용이 독립적일 수 있도록 하여, 유전체 부분을 전극에 적용하고 구조를 전극에 적용하는 공정이 각각 구조 또는 유전체를 손상시킬 가능성을 방지한다. 따라서, 이는 장치 제조 공정을 단순화하고 제조 불량률을 감소시킨다.
유전체 부분과 구조의 사용은 유전체 장벽 전기 방전을 확립하는 데 필요한 전력과 전압을 낮추는 시너지 효과를 제공한다. 또한, 유전체 부분을 사용하면 스파크의 양을 감소시켜 유전체 장벽 전기 방전으로 인한 마모 및 손상의 양을 줄임으로써 유전체 장벽 전기 방전을 보다 제어할 수 있다. 구조가 유전체 부분 없이 사용된다면, 더 많은 양의 스파크는 일반적으로 장치의 다른 부분보다 스파크 형태의 손상에 더 민감하기 때문에 구조의 유용성을 제한할 것이다. 반대로, 구조 없이 유전체를 사용하면 전극 사이를 통과하는 유체에서 파괴를 시작하는 전자 밀도가 낮아져 동일한 감소 효율을 달성하기 위해 더 높은 에너지가 필요하다. 이와 같이 유전체와 구조를 함께 사용하는 효과는 각각을 독립적으로 사용하는 것보다 더 큰 이점이 있다.
유전체 부분은 운모, 석영, 알루미나(즉, Al2O3), 티타니아, 티탄산바륨, 용융 실리카, 규산티타니아, 질화규소, 산화하프늄 또는 세라믹 중 하나 이상일 수 있다. 이 경우 "하나 이상"이라는 문구는 명명된 재료 중 둘 이상이 사용될 때 둘 이상의 재료의 조합을 의미한다.
일반적으로 유전체 부분은 석영이다. 석영은 쉽게 구할 수 있고 저렴하며 대량으로 처리할 수 있고 열 응력에 대한 높은 저항성을 가질 수 있기 때문이다. 유전체 부분은 대안적으로 운모일 수 있다. 운모는 유리와 같은 다른 유전 물질보다 유전 상수가 약간 더 높기 때문에 유리하다.
시스템은 구동 회로에 연결된 컨트롤러를 더 포함할 수 있으며, 컨트롤러는 컨트롤러에 제공된 입력에 기초하여 구동 회로의 탱크에 공급되는 전력을 조정하기 위해 사용 중에 배열된다. 이를 통해 사용 중에 시스템 내의 매개변수가 변경되어 시스템 내의 속성이 변경될 때 변경할 수 있는 기능을 제공하는 공명 탱크에 사용 중인 전력을 수정할 수 있다. 예를 들어, 전극 사이를 통과하는 유체의 변화는 공진 탱크의 커패시턴스를 변화시켜 공진 주파수를 변경할 수 있다. 그런 다음 컨트롤러를 사용하여 펄스-트레인 동안 공진 탱크에 제공되는 펄스 주파수를 조정할 수 있다.
컨트롤러는 펄스 주파수(전압 파형 또는 전류 파형의 주파수와 같은), 및/또는 펄스-트레인 주파수 및/또는 펄스-트레인의 펄스 수 및/또는 펄스-트레인의 수 및/또는 펄스-트레인 반복 주파수를 조정하기 위해 사용하도록 배열될 수 있다. 이는 시스템을 사용하는 동안 최적의 유전체 장벽 전기 방전 발생을 제공하도록 제공되는 전력을 조정할 수 있도록 광범위한 조정을 제공한다.
컨트롤러에 제공되는 입력에는 하나 이상의 관련 매개변수가 포함될 수 있다. 전형적으로, 입력은 인버터의 출력과 같은 구동 회로의 출력에서의 전압 및 전류를 포함한다. 이를 통해 공급된 전압과 전류 사이의 위상각과 펄스-트레인 평균 위상을 계산할 수 있다.
이것은 펄스-트레인 동안 제공되는 펄스 주파수를 최적화하는 데 사용할 수 있다. 이와 같이, 컨트롤러는 전압과 전류 사이의 위상 차이를 결정(여기서 "계산"을 의미함)하기 위해 사용하도록 배열될 수 있다. 이것은 물론 추가 구성 요소에 의해 결정될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 이 위상 차이는 유전체 장벽 방전 발생의 시작을 감지하는 데에도 사용할 수 있다. 이를 감지하면 예를 들어 정의된 수의 방전 점화 이벤트 후 펄스-트레인이 에너지 제공에서 에너지 회수로 전환할 때 이를 식별할 수 있다. 위에서도 언급했듯이 방전 갭에서 유전체 장벽 방전이 발생하면 유효 커패시턴스가 증가한다. 그 결과 공진 주파수가 감소하고 따라서 주어진 구동 주파수(예: 펄스-트레인의 펄스 주파수)에 대해 측정 가능한 위상 차이가 증가한다. 이를 감안하면 구동회로의 위상계와 컨트롤러는 서로 동일한 부품일 수 있음을 알 수 있다. 대안적으로 컨트롤러와 위상계는 서로 통신할 수 있거나, 위상계가 컨트롤러의 구성요소인 것과 같이 컨트롤러가 위상계를 통합할 수 있다.
구동 회로는 전원 공급 장치와 구동 회로의 공진 탱크 사이에 인버터를 포함할 수 있다. 이 경우 전압과 전류는 인버터의 출력에서 제공될 수 있다. 이는 인버터를 사용하여 달성할 수 있는 더 높은 주파수로 인해 AC 전원 공급 장치가 단순히 공진 탱크에 연결되어 전력을 공급하는 경우 달성할 수 있는 것보다 공진 탱크에 제공되는 출력의 더 세분화된(즉, 더 정확한) 수준의 제어를 허용한다. 또한 인버터를 사용하여 달성할 수 있는 더 높은 AC 주파수는 더 짧은 유전체 장벽 전기 방전을 제공할 수 있다. 이는 표준 AC 전원 공급 장치를 사용하여 방전 점화 이벤트 수를 제한하여 달성한 효율성 향상을 유지하는 경우보다 최대 방전 점화 이벤트 수를 더 간단하게 제한하고 더 빠르게 제어할 수 있게 한다.
컨트롤러는 유전체 장벽 방전 장치에 추가로 연결될 수 있으며, 입력은 사용 중인 장치를 통과하는 유체의 하나 이상의 속성을 포함한다. 이를 통해 시스템 성능을 최적화할 때 유체의 특성을 고려할 수 있다.
시스템은 복수의 유전체 장벽 방전 장치 및 복수의 구동 회로를 포함할 수 있으며, 각각의 구동 회로는 하나 이상의 유전체 장벽 방전 장치의 유전체 방전 갭에 걸쳐 연결되며, 선택적으로 단일 전원 공급 장치가 사용에 배열된다. 모든 구동 회로에 전원을 공급한다. 이를 통해 정화할 배기 가스를 통과하는 다양한 크기의 엔진과 같이 시스템을 통과하는 다양한 체적의 유체를 수용할 수 있도록 시스템을 확장할 수 있다.
제3 측면에 따르면, 유전체 방전 장치에서 유전체 장벽 전기 방전을 제어하는 방법이 제공되며, 이 방법은 일련의 전기 펄스-트레인으로 공진 탱크에 전력을 제공하는 단계; 각 펄스-트레인의 펄스 주파수는 탱크의 공진 주파수에 동조되고, 공진 탱크는 유전체 방전 장치의 전극 사이의 갭에 걸쳐 연결되고, 탱크의 커패시턴스는 유전체 방전 장치에 의해 제공되는 단계, 각 펄스-트레인에 의해 제공되는 전력은 방전 점화가 발생하는 임계 값까지의 탱크임; 최대 횟수의 방전 점화 이벤트가 발생한 후 각 펄스-트레인이 공진 탱크로 전력을 전송하는 것을 금지함으로써 펄스-트레인당 최대 방전 점화 이벤트 수를 제공하는 단계; 및 펄스-트레인 간 탱크로의 동력 전달을 금지하는 단계를 포함한다.
"금지"라는 용어는 전력이 탱크로 전달될 수 있는 경로를 제공하지 않거나 각각 대체 회로로 경로를 전환하는 것과 같이 탱크로의 전력 전송을 수동적으로 또는 능동적으로 금지하는 것을 의미한다.
전술한 바와 같이, 방전 점화 이벤트의 최대 횟수는 1(1) 내지 5(5) 이벤트 사이일 수 있다.
방법은 각각의 펄스-트레인 동안 탱크에 제공되는 전력의 위상 시프트를 식별하는 단계 - 위상 시프트는 방전 점화 이벤트의 발생에 대응함 - 을 식별하는 단계; 및 각각의 방전 점화 이벤트 이후 펄스-트레인의 펄스 수에 기초하여 방전 점화 이벤트의 최대 횟수가 언제 발생했는지를 결정하는 단계를 포함한다. 이렇게 하면 최대 이벤트 수가 초과되는 것을 방지할 수 있는 정확한 방법이 제공된다.
각각의 전기 펄스-트레인은 전압 펄스-트레인일 수 있다. 이로써 우리는 전기 펄스-트레인이 공진 탱크의 여기 파형으로 사용될 수 있고 공진 탱크에 전류 파형을 유도할 수 있는 전압 파형과 같은 전압 펄스-트레인에 의해 제공될 수 있음을 의미한다.
방법은 펄스 주파수, 및/또는 펄스-트레인의 주파수, 및/또는 일련의 전기 펄스-트레인에서 펄스-트레인의 수, 및/또는 각각의 펄스-트레인에서 펄스의 수를 변조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 전압 및/또는 전류와 같은 전력 또는 전력의 구성 요소를 변조하여 전력 주파수를 변조할 수 있다는 점은 주목할 가치가 있다. 전력의 주파수는 전력에 기여하는 전압 파형 주파수(펄스 주파수가 나타내는 주파수)의 두 배이며, 일반적으로 전력 시스템의 경우이다. 전압과 전류가 각각 정현파인 경우 전력은 정현파의 제곱(즉, Sin^2)이 되고 스펙트럼 분해는 여기(즉, 전압) 주파수의 두 배에서 기본 주파수를 표시한다.
변조는 공진 탱크에 제공되는 전력 특성의 위상 차이 및/또는 장치를 통과하는 유체의 하나 이상의 특성을 기반으로 할 수 있다.
전력은 변압기를 통해 공진 탱크에 제공될 수 있으며, 이 방법은 반복되는 펄스-트레인 사이에서 변압기 1차 권선을 단락시키는 단계를 더 포함한다. 이는 변압기의 자화 인덕턴스와 DBD 반응기의 커패시턴스 사이의 원치 않는 진동을 방지(즉, 완화)한다.
공진 탱크에 제공되는 각 펄스-트레인의 펄스 주파수는 전원 공급 장치와 공진 탱크 사이의 회로를 전환하여 설정할 수 있다.
각 펄스-트레인에 대해 공진 탱크는 방전 점화 이벤트의 최대 횟수가 발생한 후 방전(즉, 배수)될 수 있다. 이는 능동적 회복 또는 수동적 회복에 의해 달성될 수 있다. 이러한 상황에서, 방법은 방전에 의해 공진 탱크 밖으로 통과된 에너지를 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 에너지를 회수하면 방법의 에너지 효율성이 크게 증가한다.
일반적으로 하나의 펄스-트레인의 종료 시간과 다음 펄스-트레인의 시작 사이에는 시간적 차이가 있다. 다시 말해, 일반적으로 하나의 펄스-트레인의 끝과 다음 펄스-트레인의 시작 사이에 펄스가 없는 기간이 있을 수 있으며, 이는 하나의 펄스-트레인을 다음 펄스-트레인과 구별되도록 하고 연속적인 펄스-트레인 사이의 동시 부분 또는 중첩을 방지한다.
예시적인 회로 및 예시적인 회로를 작동하는 방법은 첨부된 도면을 참조하여 아래에 자세히 설명되어 있다.
도 1은 종래 장치에 따른 펄스-트레인의 전압 및 전류의 예시 플롯을 도시한다.
도 2는 예시적인 유전체 장벽 방전 장치에서 전자 조사 및 유전체 장벽 전기 방전 스크러빙 기술의 원리를 설명하는 개략도를 도시한다.
도 3은 예시 회로에 적용된 전압, 전류 및 전력의 예시 플롯을 도시한다.
도 4는 적용된 갭 전압과 출력 전압을 비교하는 시간에 대한 전압의 예시 플롯과 시간에 대한 출력 전류의 확대된 부분이 있는 해당 구성을 도시한다.
도 5는 예시 회로를 도시한다.
도 6은 추가 예시 회로를 도시한다.
도 7은 또 다른 예시 회로를 도시한다.
도 8은 예시 회로를 작동하는 예시 방법을 도시한다.
도 9는 시간 경과에 따른 스위칭 시퀀스와 시간 경과에 따른 결과 전압의 예시 플롯을 도시한다.
도 10은 전력 전송 속도에 대한 시간 경과에 따른 전압의 예시 플롯을 도시한다.
도 11은 예시 회로에 대한 예시 컨트롤러를 도시한다.
도 12는 예시 펄스-트레인 동안 시간 경과에 따른 전압 및 전류의 추가 예시 플롯을 도시한다.
도 13은 추가 예시 컨트롤러를 도시한다.
도 14a 및 14b는 시간 경과에 따른 스위칭 시퀀스와 시간 경과에 따른 결과 전압의 예시 플롯을 도시한다.
도 15는 공진 탱크 입력 전압 및 전류와 에너지 회수 없이 시간에 대한 결과 DBD 장치 전압의 예시 플롯을 도시한다.
도 16은 공진 탱크 입력 전압 및 전류와 에너지 회수를 통해 시간에 따른 결과 DBD 장치 전압의 예시 플롯을 도시한다.
도 1은 종래 장치에 따른 펄스-트레인의 전압 및 전류의 예시 플롯을 도시한다.
도 2는 예시적인 유전체 장벽 방전 장치에서 전자 조사 및 유전체 장벽 전기 방전 스크러빙 기술의 원리를 설명하는 개략도를 도시한다.
도 3은 예시 회로에 적용된 전압, 전류 및 전력의 예시 플롯을 도시한다.
도 4는 적용된 갭 전압과 출력 전압을 비교하는 시간에 대한 전압의 예시 플롯과 시간에 대한 출력 전류의 확대된 부분이 있는 해당 구성을 도시한다.
도 5는 예시 회로를 도시한다.
도 6은 추가 예시 회로를 도시한다.
도 7은 또 다른 예시 회로를 도시한다.
도 8은 예시 회로를 작동하는 예시 방법을 도시한다.
도 9는 시간 경과에 따른 스위칭 시퀀스와 시간 경과에 따른 결과 전압의 예시 플롯을 도시한다.
도 10은 전력 전송 속도에 대한 시간 경과에 따른 전압의 예시 플롯을 도시한다.
도 11은 예시 회로에 대한 예시 컨트롤러를 도시한다.
도 12는 예시 펄스-트레인 동안 시간 경과에 따른 전압 및 전류의 추가 예시 플롯을 도시한다.
도 13은 추가 예시 컨트롤러를 도시한다.
도 14a 및 14b는 시간 경과에 따른 스위칭 시퀀스와 시간 경과에 따른 결과 전압의 예시 플롯을 도시한다.
도 15는 공진 탱크 입력 전압 및 전류와 에너지 회수 없이 시간에 대한 결과 DBD 장치 전압의 예시 플롯을 도시한다.
도 16은 공진 탱크 입력 전압 및 전류와 에너지 회수를 통해 시간에 따른 결과 DBD 장치 전압의 예시 플롯을 도시한다.
DBD 장치를 사용할 때 펄스 시스템을 사용하여 장치의 전극 사이에서 유전체 장벽 전기 방전을 점화할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이 산업용 규모의 DBD 시스템에 사용할 수 있는 고전압 펄스 전력 장비는 일반적으로 400V ~ 1000V 피크 출력 펄스 전압을 갖는 저전압 펄스 생성 장치와 필요한 유전체 장벽 전기 방전 전압 수준을 충족하기 위한 1:20 ~ 1:40 권선비를 갖는 후속 승압 변압기를 사용한다.
기존의 고전압 펄스 발생기를 사용한 단일 펄스의 특성 전압 및 전류 파형이 도 1에 나와 있다. 이것은 두 개의 구성을 도시한다. 대형 DBD 장치를 충전하는 데 사용되는 전압 펄스 변조기 시스템을 사용하여 생성된 종래 기술의 단일 펄스에 대해, 하나는 시간에 대한 전압이고 다른 하나는 시간에 대한 전류이다.
전압 플롯은 0V에서 시작한 다음 펄스가 약 1마이크로초(μs)에 걸쳐 약 22kV의 피크로 상승하는 것을 볼 수 있다. 그런 다음 전압은 피크에서 약 1.5μs 동안 약 12kV 수준으로 떨어진다. 그런 다음 전압 감소는 약 21μs에 걸쳐 0V로 선형 감소로 느려진다.
피크에서 떨어지는 것은 DBD 장치와 변압기 기생 사이의 자연 공진으로 인해 발생한다. 공진으로 인해 발진이 시작되는데, 이는 정점에서 떨어지는 지점에서 발생하는 것으로 볼 수 있다. 그런 다음 펄스 정지에 의해 공진이 정지되어 제공되는 전압이 차단된다. 따라서 그 지점부터 선형 방전이 발생한다. 맥박이 정지되지 않은 경우 주기적인 파형이 대신 표시된다.
해당 전류 플롯은 약 0.5μs 동안 0A에서 약 90A의 피크까지 전류가 증가하는 것을 도시한다. 그런 다음 약 1μs에 걸쳐 약 -40A(음의 40A)로 떨어지고 약 1μs에 걸쳐 다시 0A로 떨어진다.
전류의 변화는 전압이 피크를 통과하고 다시 12kV로 돌아가는 데 걸리는 시간과 동일하게 발생한다. 유전체 장벽 전기 방전은 전압이 피크에 도달하는 지점 부근에서 시작되고 전압이 피크에서 12kV로 돌아올 때 종료된다. 이 시점에서 다시 0V로 선형 기울기는 유전체 장벽 전기 방전이 발생한 후 DBD 장치의 커패시턴스에 저장된 에너지에서 펄스 생성 장치의 에너지 소실로 인한 것이다.
위에서 설명한 바와 같이 DBD 장치의 유효 전력 대 피상 전력의 비율에서 결정되는 낮은 역률 PF로 인해, 즉 반응기에서 전압을 반복적으로 순환시키는 데 필요한 많은 양의 무효 전력과 비교적 적은 양의 유효 전력이 필요하다. 실제로 플라즈마로 전달되는 전력은 높은 전력 전송 효율을 달성하기 위한 근본적인 문제를 부과한다.
예를 들어, 수학식 1에 따라, 최소 1μs의 전압 상승 시간을 달성하기 위해서는 100A의 충방전 전류가 필요하다. 1:20 승압 변압기를 사용하는 경우 2kA 피크 입력 전류가 필요하며 변압기를 통과하기 전에 다양한 전자 부품 및 펄스 생성 장치에서 처리해야 한다.
이것의 부정적인 측면을 극복하기 위해 우리는 아래에 자세히 설명된 예시 장치, 시스템 및 방법을 개발했다. 이러한 장치는 여기에 참조로 포함된 GB 2010415.4에 개시된 장치와 같이 배기 가스를 스크러빙하는 데 사용될 수 있다. 이 장치는 서브-매크로스코픽 특징, 탄소 나노튜브(CNT) 및 유전체 부분을 가진 기능화된 전극을 사용한다. 서브-매크로스코픽 특징은 전기장에 노출되어 CNT에서 전자의 전계 방출과 유전체와 대향 전극 사이의 유전체 장벽 전기 방전을 초래한다. 그런 다음 스크러빙할 가스가 이러한 전자에 노출된다.
"기능화된 전극"이라는 문구는 전극(즉, 애노드 및/또는 캐소드)으로 작용하는 것 외에도 기능적 측면을 갖는 코팅과 같은 구조 또는 구조를 갖는 전극을 의미하고자 한다.
DBD device
도 2는 이러한 전자 조사 및 유전체 장벽 전기 방전 스크러빙 기술의 원리를 개략적으로 도시한다. 애노드(110)와 캐소드(120)의 두 전극은 서로 마주보도록 위치한다. 이 예에서, 유전체 부분(125)은 애노드 상에 위치된다. 이 유전체 부분은 애노드의 전체 표면에 코팅을 제공한다.
도 2의 예는 또한 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 위치한 CNT(130)를 포함한다. 이 예에서, CNT는 캐소드에 전기적으로 연결된다. 다른 예에서, 마이크로 니들 또는 마이크로 니들 어레이와 같은 다른 서브-매크로스코픽 특징부가 하나 이상의 CNT 대신에 또는 그에 더하여 사용될 수 있다. 이들은 CNT가 아래에서 기능하는 것으로 설명된 방식과 동일하거나 유사한 방식으로 기능하고 작동할 수 있다.
사용 시, CNT(130) 또는 다른 서브-매크로스코픽 특징은 양극(110)과 음극(120) 사이에 전위차가 형성될 때 양극(110)과 음극(120) 사이의 전기장의 존재에 응답하여 전자(e-, e-)를 전계 방출한다. 애노드와 캐소드 사이의 전기장은 또한 유전체 부분(125)과 캐소드(120) 사이에 유전체 장벽 전기 방전(유전체 장벽 전기 방전의 형태로)을 야기한다.
용기의 내부가 전계 방출 전자 및 유전체 장벽 전기 방전에 노출될 수 있도록 스크럽될 가스(g)를 함유하는 용기(140) 부근에 유전체 부분(125) 및 CNT(130)를 위치시키기 위해 전극이 하우징에 결합된다.
콤팩트한 배열을 위해, 애노드(110) 및/또는 캐소드(120)는 각각의 유전체 부분(125), CNT(130) 및 캐소드의 표면이 굴뚝 내로 연장되도록 용기(굴뚝과 같은)의 내부에 부착될 수 있다. 유전체 장벽 전기 방전과 전자는 그 단면을 횡단한다. 그러나 많은 다른 배열들이 예상될 수 있다. 예를 들어, 캐소드의 유전체 부분 및/또는 CNT 및 표면은 전자 액세스를 허용하는 용기 측면의 창(개구) 및 유전체 장벽 전기 방전이 시작/종료될 수 있는 표면을 갖는 용기 외부에 위치할 수 있지만 가까이에 위치할 수 있다. 이러한 배열은 예를 들어 기존 굴뚝에 대한 장치의 개조를 더 쉽게 하거나 장치의 유전체 부분 및/또는 CNT 부분의 유지 관리를 용이하게 하기 위해 선택될 수 있다. 음극과 하우징은 같은 위치에 있을 필요가 없다.
개별 CNT보다 CNT 어레이를 사용하는 것이 산업 환경과 같이 더 실용적일 수 있다. 애노드-유전체-캐소드-CNT 장치의 다중 세트를 제공하는 것이 또한 유익할 수 있다. 이러한 더 큰 규모의 배열은 굴뚝에 있을 수 있으며, 여러 세트의 양극-유전체-음극-단일 CNT 또는 단일 세트의 양극-유전체-음극-CNT 어레이로 구상될 수도 있다.
웨이블릿 펄스-트레인
도 2에 표시된 장치를 구현하는 것과 같은 DBD 장치를 사용할 때 웨이블릿 유형 파형과 유사한 다양한 진폭을 가진 고주파 정현파를 구현하는 프로세스를 개발했다. 다양한 예들에서, 웨이블릿은 커패시턴스를 제공하는 DBD 장치와 직렬로 인덕터를 연결함으로써 생성된다. 이는 공진 주파수에서 여기될 수 있는 직렬 공진 탱크라고도 하는 직렬 공진 회로를 형성한다. 바이폴라 전압 펄스를 사용하여 여러 주기 동안 공진 주파수에서 반복적으로 여기되면 DBD 장치가 높은 전압 슬루율로 여기될 수 있으며 동시에 전류 스트레스가 크게 감소하고 전력 전자 장치에서 처리되는 피크 전력이 낮아진다. 이와 같이 공진 탱크에서 달성된 전압 이득은 전압 이득을 제공하기 위해 높은 권선비를 갖는 펄스 변환기를 사용하는 대신 DBD 장치에 높은 점화 전압 레벨을 제공한다. 따라서 공진 탱크의 관련 속성은 달성 가능한 전압 이득과 DBD 장치의 무효 전력을 보상하는 기능이다.
펄스-트레인을 형성하기 위해 몇 개의 연속적인 바이폴라 전압 펄스를 적용하면 낮은 전력 손실(아래에 언급된 높은 효율로 입증됨)과 더 높은 펄스 반복 주파수가 적용될 수 있으므로 평균 전력 전송 능력은 단일 펄스를 사용하는 시스템에서 상당히 증가한다. 예를 들어, 이 프로세스를 적용하면 이러한 시스템보다 펄스 반복 주파수를 최소 10배 증가시킬 수 있다. 이는 아래에서 자세히 설명하는 바와 같이 실리콘 카바이드 반도체 기술의 사용과 결합하여 달성할 수 있다.
펄스-트레인의 반복 주파수는 전력 전자 장치의 최대 작동 온도에 의해 제한된다. 일반적으로 펄스 전력 변환기 설계는 느린 열 반응을 이용한다. 즉, 기존의 펄스 시스템에서 높은 펄스 반복 주파수를 사용하는 경우 소실되는 피크 전력이 너무 커서 전력 전자 장치의 안전한 작동 온도 내에 머물 수 없다. 이는 아래에 설명된 펄스-트레인 변조를 사용하여 여기에 설명된 예에서 방지된다. 또한 단일 펄스-트레인에서 생성된 방전 점화 이벤트의 최대 횟수를 제한하고 다음 펄스-트레인 이전에 냉각이 발생할 수 있는 기간을 가짐으로써 이를 방지할 수 있다.
여기에 설명된 예와 관련하여 설명된 여러 연속 양극 전압 펄스의 펄스-트레인을 구현함으로써 방전 점화 이벤트의 수가 1에서 5 사이로 제한되더라도 매우 높은 효율, 예를 들어, 약 90% 이상의 효율로 에너지 전달을 제공하면서 달성된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 연속적인 바이폴라 전압 펄스를 사용하면 DBD 장치에서 유도되는 세 가지 작동 모드가 생성된다. 도 3에서 0 μs와 시간 A 사이에 발생하는 첫 번째 모드는 공진 회로의 충전이다. 이것은 DBD 장치의 전극 사이에 전위차를 형성한다. 위에서 설명한 바와 같이 이것은 공진 탱크의 공진 주파수에서 연속적인 바이폴라 전압 펄스를 적용하여 달성된다.
도 3에 표시된 도표에서 이것은 전압과 전류 모두에 대해 진폭이 꾸준히 증가하는 일관된 주파수의 정현파임을 볼 수 있다. 그 결과 진폭이 꾸준히 증가하는 정류 사인파(직사각형 전압과 사인파 인덕터 전류의 곱)의 순간 전력 레벨이 생성된다. 도 3에 표시된 예에서 모드의 지속 시간은 약 2.5 전압 주기, 2.5 전류 주기 및 5 전원 주기이다(1 전원 주기는 0에서 피크로 전환되고 다시 0으로 전환됨). 이 예에서 전류 파형은 전압 파형보다 약 90° 앞서 있다.
두 번째 모드는 도 3의 예시 플롯에서 시간 A와 시간 B 사이에 발생한다. 이 모드는 전압이 점화 또는 항복 전압(Vth)에 도달하여 DBD의 전극 사이에서 유전체 장벽 전기 방전을 일으킬 때 도달한다. 이것은 플라즈마에 전력을 공급하고 가장 효율적인 오염 물질 감소를 위해 몇 번의 방전 주기만 지속되어야 한다. 이 모드 동안 전압 진폭은 공진 주파수에서 공진 탱크의 지속적인 여기로 인해 Vth 레벨 이상으로 유지된다. 플롯에서 전압과 전류가 일정한 주파수를 갖는 정현파에서 계속되는 것을 볼 수 있다. 파동의 진폭은 이 기간 동안 약간씩 변한다(모드 기간의 대략 중간 지점까지 증가한 다음 감소하기 시작함).
도 3에 표시된 예는 약 3.0nF의 커패시턴스를 갖는 DBD 장치를 기반으로 한다. 전압은 약 ±24kV(양극-음극 24kV)에서 피크를 가지며 전류는 ±80A이다. 다른 예에서 커패시턴스는 약 1.0nF이지만 약 45.0nF 이상이 될 수도 있다.
전압 및 전류 진폭 패턴은 순시 전력에 대해 동일하며 계속해서 정류된 정현파이다. 피크 순간 전력은 도 3에 표시된 예에서 약 180킬로와트(kW)이다.
두 번째 모드의 기간은 약 1.5 전압 주기, 약 1.5 전류 주기 및 약 3 전원 주기이다.
첫 번째 및 두 번째 모드 동안 공진 탱크는 전원이 공급됨으로써 여기 된다. 세 번째 모드에서는 여기가 중지되고 공진 탱크가 배수를 통해 방전된다. 일부 예에서 탱크는 탱크에서 에너지를 회수하여 능동적으로 방전된다. 수동 방전도 가능하다.
여기가 중지되고 방전 경로가 제공되기 때문에 세 번째 모드에서는 전압, 전류 및 전력이 0으로 감소한다. 도 3의 예시 플롯에서 세 번째 모드는 시간 B부터 계속 표시된다. 전압 및 전류는 첫 번째 및 두 번째 모드에서와 같이 일정한 주파수를 갖는 정현파를 따른다. 전력은 계속해서 정류된 사인파이다. 전압과 전류의 진폭은 전압의 경우 약 2.5주기, 전류의 경우 약 2.5주기 동안 0으로 감소한다.
도 3에 표시된 전력 플롯은 공진 탱크가 수동 방전되는 예와 일치한다. 이것은 순시 전력이 반전되어 정류된 정현파가 되지만 피크가 첫 번째 및 두 번째 모드에서와 같이 양수가 아닌 음수 값이 되는 것으로 볼 수 있다. 전력 진폭은 약 5주기에 걸쳐 0으로 감소한다.
세 가지 모드는 공진 탱크의 여기에 의해 구현되는 펄스-트레인의 형태로 웨이블릿 펄스 전력 프로세스를 형성한다. 이 프로세스를 사용하여 달성된 전력 전송 기간은 이 여기 펄스-트레인이 공진 탱크에 제공되는 시간 길이에 의해 결정된다. 이것은 펄스-트레인이 구현되는 회로에 의해 결정되는 여기 펄스-트레인의 한 매개변수일 뿐이다. 도 5, 6 및 7은 하나 이상의 펄스-트레인을 구현하는 데 사용할 수 있는 예시 회로를 도시한다.
공진 탱크에 적용되는 여기의 예는 아래 도 12에 나와 있다. 그 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 다양한 예들에서 여기(excitation)는 구형파 전압 파형의 형태를 취하며, 이 파형은 함께 펄스-트레인을 형성하는 다수의 연속 개별 펄스를 포함한다. 이는 공진 탱크(도 12에 표시된 전류 파형)에 정현파 전류를 유도하고 도 3에 표시된 DBD 장치에 파형을 제공한다.
도 12는 유전체 장벽 전기 방전 임계 값을 나타내지 않거나 첫 번째, 두 번째 및 세 번째 모드를 구분하는 특정 표시를 포함하지 않지만 이 도에서 세 번째 모드가 시작되는 위치를 볼 수 있다. 도 12의 시간 D에서 전압 파형은 파형의 다른 피크보다 짧은 지속 시간을 갖는 최대 양의 값에서 피크를 가짐을 알 수 있다. 이는 두 번째 모드에서 세 번째 모드로의 전환으로 인해 발생한다. 이 시점에서 여기가 중지되며 이는 공진 탱크와 DBD 장치에 전압이 더 이상 능동적으로 제공되지 않음을 의미한다.
능동 또는 수동 에너지 회수가 사용되는지 여부와 같이 해당 단계에서 취한 조치에 따라 전압 파형의 위상 시프트가 발생한다. 수동 에너지 회수는 도 12를 생성하는 데 사용되는 시뮬레이션에서 사용되며, 적용된 파형의 변화는 H-브리지 다이오드에서 전류의 프리휠링을 통해 발생한다. 일부 예에서 적용되는 대체 능동 에너지 회수 수단은 180도 위상 시프트로, 대신 전력이 소모된다. 이러한 프로세스는 H-브리지를 제공하는 예시적인 인버터와 함께 아래에서 더 자세히 설명된다.
다양한 예에서, 본 명세서에 개시된 측면에 따른 예에서 제3 모드로의 전환은 최대 횟수의 방전 점화 이벤트 후에 적용된다. 많은 예에서 방전 점화 이벤트의 최대 횟수를 단일 방전 점화 이벤트 또는 최대 약 5개의 방전 점화 이벤트로 제한한다. 단일 방전 점화 이벤트만 최대 횟수로 사용되거나 마지막 방전 점화 이벤트가 더 큰 최대 횟수로 사용된 경우, 세 번째 모드는 최대 방전 점화 이벤트 발생 직후(예: 직후)에 전환된다.
DBD 장치에 적용되는 예시 여기가 어떻게 방전으로 변환되는지에 관해서는 도 4에 표시된 플롯에 의해 입증된다. 이것은 상단 플롯과 하단 구성을 도시한다. 상단 플롯은 시간에 대한 전압 플롯이고 하단 플롯은 시간에 대한 전류 플롯이다.
도 4의 위쪽 플롯은 실선과 파선을 도시한다. 실선은 시간 0에서 최소인 정현파 형태이다. 이 예에서 이 선은 DBD 장치에 적용되는 전압에 해당한다. 파선은 최대 및 최소 피크가 고원으로 잘린 정현파의 형태이다. 인가된 전압 곡선과 마찬가지로 이것은 시간 0에서 최소이며, 이 예에서는 방전 갭 양단의 전압에 해당한다.
갭 전압의 진폭은 적용된 전압 진폭보다 작다. 인가 전압이 양의 쪽으로 천이함에 따라 갭 전압이 증가한다. 인가된 전압의 약 8분의 1 주기 후에 갭 전압이 양으로 바뀐다. 상기 사이클의 두 번째 8분의 1이 끝나기 직전에 갭 전압의 진폭이 임계 값에 도달한다. 도 4에서 이것은 시간 α에서 발생한다. 이 안정기는 도 4의 시간 γ에서 인가 전압이 최대값에 도달할 때까지 유지된다. 시간 γ에서 프로세스가 반복되지만 극성이 반전되고 계속해서 양의 방향과 인가된 전압이 지속되는 한 음의 방향으로 이동 간에 전환된다.
위에서 제시된 제1, 제2 및 제3 모드와 비교하여, 갭 전압의 상승은 예를 들어 제2 모드 동안의 전압의 첫 번째 하강 후 제2 모드 동안의 전압 상승에 대응한다. 이로부터 이 기간 동안 방전이 발생할 수 있으며, 이와 같이 갭 전압 곡선의 안정기는 임계 전압에 도달했기 때문에 발생한다는 것을 이해할 수 있다.
도 4의 전류 플롯은 갭 전압에 의해 유도된 갭에서의 전류를 도시한다. 시간 0에서 진폭은 대략 0이다. 이것은 정현파 형태로 증가한다. 갭 전압이 임계 전압에 도달하지 않으면(예: 도 4의 플롯이 첫 번째 또는 세 번째 모드 동안의 전압 및 전류를 나타내는 경우) 도 4의 전류 플롯에서 점선으로 표시된 것처럼 사인파는 중단 없이 진행한다. 그러나 시간 α에서는 문턱 전압에 도달하여 점화가 발생한다. 이로 인해 방전 갭에서 매체의 이온화가 시작되고 전기 방전이 시작된다.
시간 α부터 갭 전류는 인가된 전압의 영교차점에 해당하는 시간 β에서 피크까지 급격히 증가한다. 시간 α는 거의 인가 전압 주기의 1/4주기 끝에 있기 때문에 이것은 전류 곡선의 주기에 비해 매우 짧은 주기이다. 시간 β에서 전류는 정현파 방식으로 시간 γ에서 0으로 감소하고 이 시점에서 원래 형태와 진폭 범위로 돌아갑니다. 이 주기는 갭 전압 및 인가 전압과 병렬로 계속된다.
이것에서 알 수 있듯이 전류의 진폭은 단순히 증폭된 수준으로 증가한다.
도 4의 주요 전류 플롯은 시간 α와 시간 γ 사이의 연속 곡선을 도시한다. 위에서 언급했듯이 이것은 방전이 발생하는 시간이다. 따라서 이 기간은 매크로 방전 기간으로 간주될 수 있으며 시간 α는 방전 점화 이벤트가 발생하는 시점이다. 도 4의 전류 플롯의 확대된 부분에서 볼 수 있듯이 전류 곡선은 연속적인 형태를 갖지 않는다. 대신, 곡선은 서로 너무 가까워서 곡선이 연속적으로 나타나게 하는 많은 전류 스파이크로 구성된다. 각각의 스파이크는 (도 2에 도시된 전극(120) 상의 서브-매크로스코픽 피처(130)로부터와 같이) 전극 중 하나의 단일 지점에서 시작되는 마이크로-방전 또는 과도 필라멘트를 나타낸다. 필라멘트가 방전 갭을 가로지르는 전류 경로를 제공하기 때문에 전류 스파이크를 일으키는 것은 대향 전극(물론 하나의 전극(110)은 그 위에 유전체층(125)을 가짐), 도 2에 도시됨) 사이에 제공되는 이들 필라멘트 각각의 연결이다. 갭에서 매질을 이온화하고 고에너지 전자를 매질로 통과시키는 이러한 미세 방전으로 인해, 예를 들어 매질에서 오염 물질을 분해하는 화학 반응을 구동하기에 충분한 에너지가 존재한다.
구동 회로 구조
일반적으로 도 5, 도 6 및 도 7 각각에서 1로 도시된 것은 유전체 장벽 방전을 제공하기에 적합한 예시적인 시스템의 회로도이다. 이 시스템은 DBD 반응기라고도 하는 DBD 장치(10)를 포함한다.
DBD 반응기(10)는 모델에 의해 도 5, 6 및 7 각각에 표현된다. 이 모델은 사용 중인 전압 Vth를 제공하는 전원 입력(전원이라고도 함)이 있는 다이오드 브리지이다. DBD 장치의 전극은 모델에서 다이오드 브리지를 통해 연결된 것으로 표시된다.
전극(특히 "유전체 방전 갭"으로 지칭될 수 있는 전극 사이의 갭) 및 전극 중 하나에 장착된 유전체 장벽은 커패시터(12)로 도 5, 6 및 7에 표시되어 있다. 회로로 나타낼 때 갭 및 유전체 장벽이 시스템에 제공하는 전기적 기능은 커패시턴스이다.
유전체 방전 갭에 의해 제공되는 커패시턴스는 다이오드 브리지에 걸쳐 직접 연결된 것으로 표시된다. 유전체 장벽 자체에 의해 제공되는 커패시턴스는 갭에 의해 제공되는 커패시턴스와 병렬로 한쪽 끝에서 다이오드 브리지에 연결되는 것으로 표시된다. 유전체 장벽에 의해 제공되는 커패시턴스의 다른 쪽 끝은 다이오드 브리지에 연결되지 않는다. 대신 이것은 전극 사이의 갭에 걸쳐 유전체 장벽 전기 방전을 구동하도록 배열된 구동 회로에 연결된다.
도 5, 6 및 7에 모델로 나타내어져 있지만, DBD 장치(10) 커패시턴스는 주로 유전체 방전 갭에서 매질(일반적으로 공기와 같은 가스)의 커패시턴스에 의해 결정된다. 이것은 일반적으로 매체의 유전 상수가 약 1이고 유전 물질이 약 3과 6 사이와 같이 1보다 훨씬 더 높기 때문이다(약 1kHz에서 약 20℃에서 측정할 때). 매체와 유전체가 직렬로 연결되어 있기 때문에 지배적인 것은 더 작은 커패시턴스이며 따라서 이러한 상대 유전 상수로 인해 DBD 장치의 유효 커패시턴스는 매체에 의해 좌우된다.
또한, 갭에서 매질의 커패시턴스로부터의 기여도는 대략 일정하며 갭에서 매질의 조성 온도에 의존하지 않는다. 따라서 이 "에어 갭" 커패시턴스는 대략 일정하며, 그 이유는 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이 본 명세서에 개시된 측면에 따른 예에서 사용된 펄스-트레인이 이 커패시턴스에 최소 변화가 발생하는 정도로 방전 점화 이벤트의 수를 제한하기 때문이다. 그러나 알려진 공진 시스템에 대해서도 마찬가지이다. 이는 방전의 확장된 특성으로 인해 매체의 커패시턴스 이동을 유발하거나 표면 유전체 장벽 방전 장치가 사용되는 경우와 같이 매체가 다른 특성을 갖기 때문이다.
구동 회로는 도 5, 6 및 7에서 각각 20, 20' 및 20"로 도시되어 있다. 구동 회로는 인버터(30)에 연결된 전원(22)을 갖는다. 전원은 다음의 예에서 DC 전원에 의해 제공된다. 이 수치. 이것은 표시된 예에서 DC 링크 전압 공급 장치 Vdc이다.
도 5 및 도 6에 도시된 예에서, 인버터(30)는 그 양단에 연결된 회로 루프를 갖는다. 이 회로 루프는 유전체 방전 갭과 유전체 장벽에 의해 제공되는 커패시턴스에 걸쳐 직렬로 연결되는 DBD 장치(10)의 전극에 연결된다. 이렇게 하면 인버터에 연결된 회로 루프가 닫힌다.
도 7에 도시된 예에서 인버터(30)는 그 양단에 연결된 변압기(50)를 갖는다. 이 배열에서 인버터 양단에 연결된 것은 변압기의 1차측(52)이다. 변압기의 2차측(54)은 유전체 방전 갭 및 유전체 장벽에 의해 제공되는 커패시턴스에 걸쳐 직렬로 연결되는 DBD 장치(10)의 전극에 대한 연결부를 갖는다.
DBD 장치(10)의 커패시턴스에 걸친 연결 및 도 5, 6 및 7의 각각의 예에서 이 커패시턴스에 걸쳐 연결하는 능력은 구동 회로(20)가 별도의 회로가 되게 하고, 일부 예에서는 DBD 장치에서 회로를 분리할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 예에서, 구동 회로(20, 20')가 위에서 설명한 바와 같이 DBD 장치(10)에 연결될 때, 인버터(30)와 유전체 방전 갭에 의해 제공되는 커패시터(12) 사이에 공진 탱크(40)가 형성된다. 및 유전체 장벽. 공진 탱크의 인덕턴스는 이 예에서 커패시턴스와 직렬로 연결된 인덕터(42)에 의해 제공된다. 일부 인덕턴스는 공진 탱크의 배선에 의해서도 제공된다. 인버터는 공진 탱크의 전원을 제공한다.
도 7에 도시된 예에서, 구동 회로(20")가 위에서 설명한 바와 같이 DBD 장치(10)에 연결될 때, 공진 탱크(40)가 변압기(50)와 유전체 방전 갭에 의해 제공된 커패시턴스(12) 사이에 형성되고 유전체 장벽. 공진 탱크의 인덕턴스는 변압기의 2차측(54)과 직렬로 연결된 인덕터(42)에 의해 제공되며, 커패시턴스는 참조 번호 56에서 인덕터 Lσ로 도 7에 나타낸 변압기의 부유/누설 인덕턴스와 조합된다. 인버터(30)로부터의 출력과 변압기의 1차측(52)으로의 입력 사이에 변압기와 직렬로 연결된 것으로 도 7에 도시되어 있다.
도 7의 예에 도시된 변압기(50)는 또한 변압기의 1차측(52)과 병렬로 연결된 참조 번호(58)의 인덕터(Lm)에 의해 도면에 표시된 자화 유도를 갖는다.
변압기(50)의 권선비에 기초하여 전압 및 전류의 단계적 변화를 제공하는 것 외에, 변압기는 갈바닉 절연도 제공한다. 이는 인버터(30)에서 공진 탱크까지 변압기를 가로지르는 전자기 간섭을 억제한다. 종래의 자기 코어 변압기는 다양한 예에서 사용될 수 있다. 다른 예에서는 공심 변압기(ACT)를 사용할 수 있다. 일반(예: 자기 코어) 변압기와 비교하여 ACT는 권선 사이에 매우 낮은 결합(예: 일반적으로 자기 코어 변압기에서와 같이 98% 대신 40%)을 가질 수 있다.
이로 인해 일반 변압기보다 누설 인덕턴스가 높아진다. 그러나 이것은 구동 회로 전체에 대해, 즉 안전 및 EMI 억제를 위한 갈바닉 절연(변압기가 잡음 장벽을 제공하기 때문에), 전압 승압 및 공진 인덕턴스(아래에서 자세히 설명)와 같이 여러 바람직한 기능을 단일 구성 요소에 통합될 수 있기 때문에 일부 예에서는 바람직하다.
인버터(30)를 더 자세히 살펴보면, 도 5 및 도 7에 도시된 예에서 인버터는 H-브리지에 의해 제공된다. H-브리지는 2개의 하이 측 스위치(S1+ 및 S2+)와 2개의 로우 측 스위치(S1- 및 S2-)를 제공하는 4개의 스위치(32)를 갖는다. 도 6에 표시된 예에서 인버터는 하프 브리지로 제공된다. 이것은 2개의 스위치(32) 및 2개의 커패시터(34)를 가지며, 스위치는 하나의 하이 사이드(S1+) 및 하나의 로우 사이드(S1-) 스위치를 제공한다.
인버터(30)의 스위치(32)는 도 5 내지 도 7에 도시된 예에서 트랜지스터에 의해 제공된다. 이들은 이 도에 표시된 예의 실리콘 카바이드 MOSFET이다. 다른 예에서, 각 스위치는 n형 MOSFET, 실리콘 MOSFET, 또는 실리콘 IGBT와 같은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), IFET(Junction Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor) 또는 HEMT(High Electron-Mobility Transistor)와 같은 다른 유형의 전자 스위치 질화갈륨(GaN) HEMT과 같은 MOSFET에 의해 제공될 수 있다.
도 5 및 도 7에 도시된 예에서 커패시터(24)는 인버터(30) 및 전압 공급기(22)와 병렬로 연결된다. 이것은 구동 회로(20)에 대한 DC 링크 커패시턴스를 제공한다. 도 6에 도시된 예에서, 이 커패시턴스는 하프 브리지 인버터의 커패시터(34)에 의해 제공된다.
구동 회로 기능
도 8에서 볼 수 있듯이 시스템은 공진 탱크에 전기 펄스-트레인을 제공하고 펄스-트레인 이후 공진 탱크로의 전력 전송을 금지하는 데 사용된다. 추가 펄스-트레인이 제공되기 전에 펄스-트레인을 수정하고 방전 점화 이벤트(들) 후에 공진 탱크로부터 에너지를 회수하고 에너지를 저장하기 위해 전력 속성을 변조하는 단계도 있다. 이 프로세스에 에너지 회수가 포함되지 않은 예가 있지만 일반적으로 에너지 회수가 이 프로세스에 포함된다. 그러나 전력 속성을 변조하는 단계는 선택 사항이다. 프로세스의 세부 사항은 전력 변조 및 에너지 복구 프로세스에 대한 추가 세부 사항과 함께 아래에 자세히 설명되어 있다.
시스템(1)을 사용하는 동안 DBD 장치(10)에 공급되는 전력은 적어도 유전체 장벽 방전 전압 레벨(Vth)에 도달해야 한다. 이는 방전 갭에 걸쳐 유전체 장벽 전기 방전을 자극하기 위해 필요하다. DBD 장치에 대한 도 5, 6 및 7에 표시된 모델 회로는 Vth에 도달했을 때 갭에서 전력 및 전압 클램핑을 허용하는 장치의 기능을 도시한다. 이 도에 표시된 DBD 전압 소스에 의해 흡수된 전력은 Vth와 공진 탱크에 인가된 전류(다이오드가 전도될 때)의 곱으로 제공된다. 이와 같이 갭 양단의 전압이 Vth를 초과하면 DBD 장치의 모델 회로에 있는 해당 다이오드 쌍이 전도되고 전력이 도에 표시된 (모델) Vth 전압원으로 플라즈마에 전달되어 전력 전송을 나타낸다. 이 모델에서 갭 양단의 전압은 유전체 장벽 전기 방전이 발생할 때마다 Vth로 고정된다.
유전체 장벽 전기 방전 전압을 제공하기 위한 전력은 구동 회로(20)에 의해 펄스-트레인으로서 제공된다. 펄스-트레인에 의해 제공되는 전력은 약 800V의 레벨에서 DC 링크 전압원(22)으로부터 인출된다. 이것은 인버터(30)에 공급된다. 다른 예에서, DC 링크 전압원에 의해 제공되는 전압은 최대 900V이다. V는 실리콘 카바이드 MOSFET을 사용할 때, 그리고 1.7kV 정격 실리콘 카바이드 트랜지스터를 사용할 때 1.2kV ~ 1.3kV와 같이 더 높을 수 있다.
펄스-트레인을 개시하기 위해, 도 5에 도시된 예에서 시스템을 사용할 때, DC 링크 전압 소스(22)로부터 전력이 인출됨에 따라 H-브리지가 공진 탱크(40)를 여기시키는데 사용된다. 이 예에서 이것은 펄스-트레인의 처음 두 모드 기간 동안 100% 듀티 사이클 구형파 전압을 출력하는 H 브리지에 의해 달성된다(도 3과 관련하여 위에서 설명한 대로).
H-브리지의 스위치(32)는 탱크의 공진 주파수에서 공진 탱크(40)를 여기시키도록 조정된 스위칭 주파수에서 출력을 제공하도록 배열된다. 이로 인해 실제 전력만 H-브리지에서 처리된다. 스위칭 손실을 최소화하기 위해 공진 주파수보다 약간 높은 동작으로 스위치의 ZVS를 달성할 수 있다.
도 3과 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 공진 탱크(40)의 여기는 공진 탱크(40)의 전압 레벨이 Vth에 도달하면 유전체 장벽 전기 방전을 야기한다. 이는 DBD 장치(10)의 전극 사이에서 플라즈마로 전력을 전달한다.
펄스-트레인의 제2 모드가 종료될 때, 스위치(32)는 꺼진다. 도 5~7에 표시된 예에서와 같이 트랜지스터를 사용할 때 이는 활성 상태로 남아 있는 트랜지스터 바디 다이오드(또는 외부 역병렬 다이오드)와 별도로 트랜지스터를 끄거나 브리지 전압(vFB) 공진 탱크(40)에 저장된 나머지 에너지를 각각 수동적으로 또는 능동적으로 회수하기 위해 인버터(30)에 걸쳐 위상이 180도(°) 이동된다.
회수된 에너지는 DC 링크 커패시터(24)로 전달된다(이것은 도 5에 도시된 예시적인 구동 회로(20) 또는 예시적인 드라이브 대신에 도 6에 도시된 예시적인 구동 회로(20')가 사용될 때 인버터(30)의 커패시터(34)에 해당한다. 회로 20” 도 7 참조). 이것은 이전 단락에서 설명한 수동 또는 능동 복구를 통한 전력 흐름의 반전에 의해 달성된다. 이를 통해 이 에너지가 다음 펄스-트레인에 사용되는 에너지에 기여할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이 인버터(30)의 트랜지스터가 제2 모드의 종료 시(즉, 유전체 장벽 전기 방전이 종료될 때) 단순히 스위치 오프됨으로써 수동 전력 복구가 달성된다. H-브리지 또는 하프 브리지의 회로 배열로 인해 트랜지스터를 통과하는 모든 회로 경로가 제거되고 트랜지스터 본체 다이오드를 통과하는 경로가 남는다(도 5, 6 및 7에 표시된 것처럼 트랜지스터). 다이오드에 대해 도 5, 6 및 7에 도시된 바와 같이 인버터를 가로지르는 공진 탱크의 연결은 트랜지스터가 스위치 오프될 때 에너지가 다이오드를 통해 DC 링크 커패시터(24, 34)로 흐를 수 있게 한다.
유효 전력 복구는 제2 모드에서 출력의 위상으로부터 인버터(30)의 출력에서 180° 위상 시프트를 제공하기 위해 트랜지스터를 사용함으로써 대신 달성된다. 수동 전력 복구 중에 발생하는 것처럼 에너지가 DC 링크 커패시터(24, 34)로 흐르도록 허용하는 대신, 이는 DC 링크 커패시터로 에너지를 구동한다.
공진 탱크의 품질 계수(Q)는 공진 주파수에서 브리지 전압(즉, Q = vdbd/vFB)에 대한 유전체 방전 갭(vdbd) 양단 전압의 전압 이득과 같다(변압기 또는 단일 권선비 없음 그러면 Q = vdbd/(vFB/n)과 같은 품질 계수가 생성된다. 여기서 n은 변압기의 권선비이다). 공진 탱크의 유효 전압 이득은 회로에 댐핑을 제공하는 DBD 장치의 전극을 연결하는 와이어와 자기 부품의 기생 저항에 의해 부과되는 전력 손실에 의해 결정된다. 공진 변환기를 사용하는 알려진 시스템과 달리, 본 명세서에 개시된 측면에 따른 예에서 유효 전압 이득은 공진 탱크의 충전 동안 발생하는 방전이 없기 때문에 플라즈마로 전달되는 실제 전력에 의해 결정되지 않는다. 이러한 이유로 40보다 큰 실제 Q 값은 승압 변압기 없이도 800V DC 링크 입력 전압에서 30kV 이상의 유전체 장벽 전기 방전 전압을 허용한다.
따라서 DBD 장치에서 방전 점화 이벤트의 시작에 의해 전력이 흡수되면 낮은 전압 이득이 이로 인해 발생하는 댐핑 및 Q 값 이동으로 인해 자체 소산 효과를 유발할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 각 펄스-트레인에서 소수의 방전 점화 이벤트(예: 1~5개의 방전 점화 이벤트)만 필요하고 공진 탱크에 충분한 운동량이 있기 때문에(저장된 에너지는 전기 방전에 의해 흡수된 에너지보다 훨씬 큼), 이것은 본 명세서에 개시된 측면에 따른 예에 대한 임의의 실질적인 도전을 부과하지 않는다. 한편, 공지된 공진 변환기는 플라즈마에 의한 연속적인 전력 흡수로 인한 비교적 낮은 전압 이득을 위해 구성되므로 높은 승압 변압기 권선비를 필요로 하고 설계된다.
유전체 방전 갭 양단의 전압은 유전체 방전 갭의 커패시턴스에 의해 결정된다. 이것은 유전체의 커패시턴스와 갭 자체의 커패시턴스로 구성된다. 도 5, 6, 7의 예에서 유전체의 커패시턴스(Cdiel)는 일반적으로 갭의 커패시턴스(Cgap)보다 훨씬 크다. 예를 들어 Cdiel은 일반적으로 Cgap보다 10배 이상 크다. 이것은 또한 적어도 10의 유전체 양단 전압(Vdiel)과 비교하여 갭 양단 전압(Vgap)의 전압 비율을 제공한다.
에너지를 회수하는 과정은 도 6에 도시된 예의 구동 회로(20')를 사용하여 상응하는 방식으로 적용될 수 있다. 도 7에 도시된 예의 구동 회로(20')를 사용할 때, 동일한 프로세스가 적용될 수 있다. 도 5에 도시된 예의 구동 회로(20)가 사용될 수 있다.
DC 링크 전원 공급 장치에 의해 제공되는 전력은 펄스-트레인 반복 간격에 걸쳐 평균화된 구동 회로에 제공되는 전력이다. 공진 탱크 충전, 유전체 장벽 전기 방전 중 전력 전송 및 공진 탱크 방전 중에 DC 링크 커패시터와 공진 탱크 사이에서 교환되는 에너지는 일반적으로 DC 링크 커패시터에서 전압 리플을 발생시킨다. 유전체 장벽 전기 방전에 의해 전력이 플라즈마로 전달되는 간격도 DC 링크 전압 리플에 기여한다.
도 7에 도시된 예에서, 변압기(50)는 약 1:1과 1:10 사이의 승압비를 제공한다. 종래의 펄스 전력 회로의 것보다 낮은 승압비(예시적인 승압비는 위에서 설명됨)는 변압기의 1차측(52)을 통과하는 전류가 제한되도록 한다.
1:1의 비율이 사용되면 갈바닉 절연을 제공하는 대신 갈바닉 절연만 제공하고 1:10의 승압 비율과 같이 더 높은 승압 비율이 사용될 때 전압이 승압된다.
도 7의 구동 회로(20")에 사용되는 인덕터(42)는 변압기(50)의 1차측 또는 2차측에 위치할 수 있다. , 변압기의 kVA 정격을 줄일 수 있다. 그러면 DBD 장치(10)의 무효 전력이 직접 보상될 수 있다. 이러한 무효 부하 정합 조건에서는 실제 전력만 변압기에서 처리된다.
변압기(50)에 의해 부과된 갈바닉 절연은 DBD 장치(10)의 전극과 임의의 주변 금속 하우징 사이의 기생 커패시턴스에 흐르는 전류인 접지 전류를 감소시킨다. 이는 전자파 적합성(EMC) 제한을 충족하는 데 도움이 된다.
각 웨이블릿 펄스-트레인의 지속 시간은 유전체 장벽 전기 방전 점화 이벤트의 수를 결정한다. 도 9에서 볼 수 있듯이 주어진 Vdc에 대해 여기 기간 np(즉, 주파수 주기)의 수는 웨이블릿 펄스-트레인의 유효 지속 시간과 Vth에 도달한 후 공명 탱크 유전체 장벽 전기 방전 점화 이벤트의 수를 정의한다. 따라서 이것은 펄스-트레인당 플라즈마로 전달되는 에너지의 양을 결정한다.
유효 전력은 브리지-레그 스위칭 주파수를 공진 주파수에서 멀리 이동하여 조정한다. 이는 공진 주파수 이상으로 스위칭 주파수를 높이거나 공진 주파수 이하로 스위칭 주파수를 낮춤으로써 달성할 수 있다. 이는 vFB와 브리지 전류 iFB 사이의 위상 시프트를 유발하여 DBD 반응기로 전달되는 실제 전력을 낮춘다.
이 접근 방식을 취함으로써 고전압 이득이 낮아지고 무효 전력 처리가 증가한다. 고전압 이득을 유지하고 무효 전력의 처리를 최소화하기 위해, 대신에, 본 발명의 측면에 따라, 인버터(30)는 공진 주파수에 가까운 여기를 제공하도록 사용 중에 배열될 수 있다. 이는 vFB와 iFB 사이의 위상 시프트를 0에 가깝게 유지함으로써 달성된다. 평균 전력은 웨이블릿 펄스-트레인의 반복 주파수(즉, 얼마나 자주 웨이블릿 펄스-트레인이 공진 탱크를 여기하여 유전체 장벽 전기 방전을 유발하는 데 사용되는지)를 변경하여 조정된다. 공진 탱크가 항상 공진 상태에서 작동하므로 무효 전력 처리가 거의 또는 전혀 없기 때문에 이를 통해 매우 높은 부분 부하 효율을 달성할 수 있다.
위에서 언급했듯이 펄스-트레인의 길이는 가변적이다. 하나의 기간의 펄스-트레인은 도 9에서 볼 수 있다. 도 9에 도시된 펄스-트레인은 짧은 펄스-트레인이며, 예를 들어 여기에 개시된 측면에 따른 예와 함께 사용될 수 있다. 2~4개의 방전 점화 이벤트를 생성한다.
도 9에서 펄스-트레인은 도 5 또는 도 7에 도시된 것과 같은 예시적인 구동 회로에 의해 생성된다. 이 도면에 도시된 2개의 플롯 중 하나의 플롯은 H-브리지 인버터(30) 내의 스위치(32)의 상태를 도시한다. 이들은 오프 상태("0" 상태) 또는 온 상태("1" 상태)이다. 이들 스위치를 쌍으로 동작시키면, 도의 아래쪽 플롯에 표시된 파형 패턴이 DBD 장치에서 생성될 수 있다.
스위치 쌍은 S2- 스위치와 쌍을 이루는 S1+ 스위치와 S2+ 스위치와 쌍을 이루는 S1- 스위치이다. 펄스-트레인의 처음 두 모드 동안 각 쌍의 스위치(즉, 각 쌍 내의 두 스위치)는 동위상으로 작동되어 각 스위치가 쌍의 다른 스위치와 동일한 상태가 된다. 펄스-트레인의 처음 두 모드에서 쌍은 위상이 다르게 작동한다. 즉, 한 쌍의 스위치가 한 상태에 있을 때 다른 쌍의 스위치는 다른 상태에 있다.
일반적인 인버터와 마찬가지로 한 상태에서 반대 상태로 전환되는 스위치 S1+ 및 S1- 사이에 "데드 타임" 또는 "인터록 시간"이 있다. 이 불감 시간은 두 스위치가 모두 꺼져 있는 시간이다.
이 기간은 일반적으로 수백 나노초이다. 이 기간은 DC 링크 전원 공급 장치가 우발적으로 단락되는 것을 방지하기 위한 안전 간격으로 제공된다. 이로 인해 시스템 내에서 심각한 오류가 발생할 수 있기 때문이다.
스위치 쌍 S1+ 및 S2-를 온 상태로 하고 스위치 쌍 S1- 및 S2+를 오프 상태로 함으로써 양의 전압이 증가한다. 상태를 반전시켜 스위치 쌍 S1+ 및 S2-를 오프 상태로 하고 스위치 쌍 S1- 및 S2+를 온 상태로 함으로써 음의 전압 증가를 야기한다. 이 배열을 번갈아 가며 도 9의 아래쪽 플롯에 표시된 것과 같은 사인파형 파형이 생성되며 파형의 주파수는 각 스위치 쌍이 켜짐 및 꺼짐 상태에 있는 시간 길이에 의해 결정된다.
도 9에서 각 스위치 쌍은 7개의 온-오프 주기 동안 작동하며 S1+ 및 S2- 쌍은 온 상태에 있는 첫 번째 쌍이다. 이것은 약 40 μs의 지속 시간과 약 1.75 사이클 동안 최소 Vth의 전압을 갖는 펄스-트레인을 생성한다. 스위치 쌍의 온-오프 주기가 중지되면 전압이 0V로 돌아올 때까지 펄스-트레인의 세 번째 모드가 발생한다. 또한 도 9에 표시된 펄스-트레인에서 각 펄스-트레인의 첫 번째 모드와 세 번째 모드는 거의 동일한 지속 시간을 갖는다.
도 10은 플라즈마로 전달되는 전력의 양을 변화시키는 메커니즘을 도시한다. 위에서 언급한 바와 같이, 플라즈마로 전달되는 전력량을 변경하기 위한 추가 메커니즘은 펄스-트레인의 주파수(즉, 단위 시간당 펄스-트레인의 수)를 변경하는 것이다. 이를 반복 주파수(fr)라고 한다. 세 가지 다른 전력 전송 수준이 도 10의 세 가지 플롯에 표시되어 있다.
도 10의 각 플롯은 약 200μs 주기를 도시한다. 도 10의 하단 플롯과 같은 낮은 전력 전송 속도에서 하나의 펄스-트레인이 있을 수 있으므로 약 5kHz의 fr을 정의할 수 있다(200μs의 역수에 해당). 약 40μs. 도 10의 위 플롯에서 fr은 약 10kHz(100μs의 역수에 해당)이고 펄스-트레인 지속 시간은 약 40μs이다. 이 두 번째 플롯은 중간 전력 전송률을 제공한다. (매우) 높은 전력 전송률은 도 10 상단의 도표(세 번째 도표)에 예시되어 있다. 이 세 번째 플롯에서 fr은 약 18kHz(55μs의 역수에 해당)이고 펄스-트레인 지속 시간은 약 40μs이다. 이 3개의 플롯 각각에서 펄스-트레인은 결정 가능한 각 펄스-트레인의 전압 진폭의 증가 및 감소로 인해 서로 구별할 수 있다. 각 펄스-트레인에서 유전체 장벽 전기 방전은 전압이 Vth 이상으로 증가할 때 발생한다. 그런 다음 전압이 Vth 미만으로 감소하면 유전체 장벽 전기 방전이 중지된다.
제어 및 피드백
시스템(1) 내의 매개변수는 시간에 따라 및/또는 사용 중에 변할 수 있다. 예를 들어 반응기의 유효 커패시턴스는 프로세스 매개변수(예: 온도, 습도, 가스 유량 및 기타 특성)의 영향을 받는다. 따라서, DBD 반응기(10) 및 구동 회로(20, 20', 20")와 함께 모니터링 및 응답을 위한 피드백 메커니즘이 사용된다. 이것은 도 11의 200으로 일반적으로 도시된 바와 같이 컨트롤러의 형태로 제공되며, 사용시 구동 회로에 연결된다.
다양한 예에 따르면, 컨트롤러는 DBD 반응기(10)에 전달되는 평균 전력을 조정할 수 있다. 이는 펄스-트레인의 펄스 수 및/또는 펄스 반복 주파수(즉, 펄스 내 펄스의 반복 주파수), 및/또는 펄스-트레인 반복 주파수를 변경함으로써 달성될 수 있다. 일부 예에서 컨트롤러는 공진 탱크의 공진 주파수를 추적할 수 있다. 언급한 바와 같이, 공진 주파수는 반응기를 통과하는 유체의 조건으로 인해 변경될 수 있으며 전력이 가스로 전달될 때도 변경된다. 고유 주파수는 감쇠되거나 감쇠되지 않은 고유 주파수일 수도 있으며 추적된 주파수를 비교할 수 있는 모든 주파수에 영향을 미친다. 공진 탱크에 대한 입력 주파수가 펄스-트레인의 각 개별 펄스 후 주파수를 업데이트하는 것과 같이 펄스-트레인의 지속 시간 내에서 조정될 수 있는 예가 있다. 공진 탱크에 대한 입력 주파수는 펄스-트레인 내에서 일정하게 유지되고 연속 펄스-트레인 사이에서만 조정될 수 있다.
컨트롤러(200)를 사용하는 예시적인 모니터링 및 응답 프로세스가 아래에 설명되어 있다. 컨트롤러(200)는 위상 검출 유닛(210)을 갖는다. 위상 검출 유닛은 인버터(30)의 출력에 연결된다. 이것은 위상 검출 유닛이 vFB- 및 iFB를 측정할 수 있게 하여 이들 파라미터를 모니터링함으로써 피드백을 얻는다. 이러한 측정에서 위상각(φ)은 위상 검출 장치에 의해 계산될 수 있다. 그런 다음 장치는 펄스-트레인 평균 위상의 출력을 제공하기 위해 펄스-트레인의 np 여기 기간 동안 위상각을 평균화할 수 있다(
).
일부 예에서, φ의 측정은 음에서 양으로 전환하는 전압 vFB의 지점에 대한 전류 iFB의 제로 크로싱(ZC) 지점(예: 시간)을 감지하여 달성된다. 전류에 대한 전압에 대해 ZC를 사용하는 것이 가능하지만 전압은 컨트롤러(200)에 의해 결정되는 인버터(30)의 스위칭 동작에 의해 생성되기 때문에 그러한 전압 ZC 측정은 필요하지 않을 수 있고, 재구성할 수 있다. 피드백 수단으로 직접 사용할 수 있는 현재 ZC 사용과 밀접하게 관련된 다른 방법이 있다. 이와 같이, 본 명세서에 제시된 것과 같은 위상 제어 접근법은 ZC 검출에 의존할 수 있지만, 이에 의존할 필요는 없다.
도 12에서와 같이 vFB의 제로 크로스 포인트의 X 시점에서 시작 시간의 차이(구형 파형으로 표시됨)와 현재 iFB의 Y 시점에서 제로 크로스 시점의 시간 차이로부터 φ를 계산할 수 있다. 시간 C와 시간 D 사이의 시간 창으로 도 12에 표시된 펄스-트레인 평균화 창(
)은 위상각이 평균화되는 기간이다. 시간 C에서 시간 D까지의 기간은 펄스-트레인 시작 시(즉, 공진 탱크의 여기가 시작될 때) 시작한다. 이 기간은 공진 탱크가 다음 지점까지 충전되는 기간을 통해 확장된다. 점화 전압 진폭(Vth)에 도달하면(즉, 유전체 장벽 전기 방전이 시작될 때) 전력 전송이 발생할 수 있다. 이 기간은 여기가 중지될 때 종료된다.
발생하는 방전 점화 이벤트를 중지하기 위해 여기가 중지된다. 이는 방전 점화 이벤트의 수를 원하는 방전 점화 이벤트의 최대 횟수로 제한한다. 일부 예에서 여기를 중지할 지점은 펄스-트레인 동안의 여기 기간 동안 미리 설정된 펄스 수와 비교한 펄스-트레인의 펄스 수를 기반으로 결정된다. 그러나 다수의 다른 예에서, 다수의 펄스 배열에 기초하여 동작하는 대신에, 방전 점화 이벤트가 발생하는 때를 검출하는 배열이 사용된다. 첫 번째(및 잠재적으로 후속 방전 점화 이벤트)의 감지가 발생하면 다음 기간 동안 발생하는 방전 점화 이벤트의 수를 알고, 계산하거나 예측할 수 있다. 이는 하나, 둘, 셋, 넷, 다섯 또는 다른 수의 방전 점화 이벤트이든 간에 방전 점화 이벤트의 최대 횟수에 도달했을 때 여기가 중지되도록 한다.
방전 점화 이벤트가 발생하는 시기를 감지하기 위해 위상 시프트 감지가 발생한다. 다양한 예에서, 이는 도 11과 관련하여 위와 아래에 설명된 바와 같이 공진 주파수를 추적하기 위해 펄스-트레인에서 펄스의 주파수를 변조할 때 일반적으로 사용되는 평균 위상 대신에 순간 위상에 대한 검출이다. 위상 시프트는 H-브리지 단자에서 측정된 전압-전류 위상 시프트이다. 공진 탱크를 충전하는 동안 단자에서 전압과 전류 사이의 위상 차이는 0에 가깝다. 그러나 일단 방전 점화 이벤트가 발생하면(즉, 플라즈마 점화) "점화된" DBD 장치에 의해 부과된 커패시턴스의 증가로 인해 공진 주파수가 이동한다. 이 공진 주파수 편이는 해당 위상 시프트를 모니터링하여 즉시 감지할 수 있다.
이러한 모니터링은 많은 예에서 위상 검출 유닛(210)을 사용하는 것과 같이 컨트롤러(200)를 사용하여 수행될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 예에서 이것은 인버터 단자에 연결된다.
방전 점화 이벤트의 최대 횟수가 하나의 방전 점화 이벤트인 예에서, 첫 번째 방전 점화 이벤트가 감지되면 여기가 중지된다. 방전 점화 이벤트의 최대 횟수가 더 높은 예에서(예를 들어 최대 약 5개), 다음 펄스의 수를 세고 각 펄스를 예를 들어 하나의 방전 점화 이벤트와 동일시함으로써 여기를 중지할 수 있다. 또는 위상을 계속 모니터링하고 각 방전 점화 이벤트가 인버터 단자에서 전압-전류 위상에 미치는 영향으로 언제 발생하는지 식별하여 추가 방전 점화 이벤트를 식별할 수 있다.
다양한 예에서, 위상 검출 유닛(210)은 아날로그 회로에 의해 제공된다. 다른 예에서 위상 검출 장치는 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 사용하여 디지털 방식으로 구현된다.
FPGA 또는 위상 검출 유닛(210)의 다른 (이러한) 디지털 구현을 사용하면, 아날로그 회로가 사용되는 경우보다 더 큰 유연성이 달성될 수 있으며, 이러한 유연성에는 소프트웨어를 업그레이드하여 컨트롤러를 변경하고 새로운 물리적 장치를 설계할 필요가 없음이 포함된다. 업그레이드가 필요한 경우 회로를 교체하고 기존 회로를 교체한다.
FPGA 또는 아날로그 회로를 사용하면 위상각이 계산되어 펄스-트레인의 각 펄스 주기 후에 컨트롤러(200)를 통해 공급될 수 있다. 도 12를 예로 사용하면 이러한 주기는 vFB 구형파의 단일 주기 및/또는 iFB 파형의 단일 주기이다. 이것은 더 높은 성능의 시스템을 제공하는데, 그 이유는 도 11에 도시된 PI 컨트롤러(230)가 새로운 주파수 설정점을 결정하기 위해 아래에 더 자세히 제공되는 것을 허용하고, 조정이 펄스-트레인의 지속 기간 동안 펄스-트레인이 이루어지도록 허용하기 때문이다. 대조적으로, 펄스-트레인 평균화 창을 사용하면 PI 컨트롤러가 현재 진행 중인 펄스-트레인이 아닌 다음 펄스-트레인의 속성 조정을 위한 입력을 제공하는 것만 가능하다.
〈φ〉w가 계산되면 컨트롤러(200)는 이를 위상 기준값(φ*)과 비교한다. φ*는 컨트롤러(200)의 도 11에서 220으로 도시된 프로세스 제어 유닛으로부터 제공된다. 이것은 DBD 장치(10)를 통과하는 가스의 특성으로부터 유도된다. 도 11에 도시된 특성은 NOx의 양, SOx, CH4의 양, 습도 비율(% H2O), 유속(분당 리터, l/min) 및 온도(°C)이다. 이 예에서는 공정 제어 장치에 대한 입력으로 제공된다. 이것은 DBD 장치를 통과하는 가스의 속성과 내용을 모니터링하여 추가 피드백을 제공한다. 도 11에 도시되지는 않았지만, 아산화질소(N2O)의 양이 공정 제어 유닛에 대한 입력으로서 포함될 수도 있다.
이 예에서 도 11의 프로세스 제어 유닛(220)에 대한 입력량(NOx, SOx, CH4 및/또는 N2O의 양과 같은)은 ppm(parts per million) 단위로 제공된다. 측정을 위한 다른 단위는 다른 예에서 사용될 수 있다.
도 11의 공정 제어 장치에 대한 입력으로 "??" 표시로 표시된 것처럼 가스의 다른 구성 요소의 양도 모니터링하고 입력으로 제공할 수 있다.
가스에 존재할 것으로 예상되는 구성 화학물질의 일부 또는 각각의 원하는 양이 공정 제어 유닛(200)에 제공된다. 이것은 양 입력이 각각의 관련 화학물질의 원하는 양과 비교될 수 있게 한다. 입력량과 원하는 양 사이의 차이 및/또는 입력량 및/또는 다른 가스 특성 중 하나 이상이 프로세스 제어 유닛의 출력을 결정하는 데 사용된다.
도 11의 예에서 출력에는 최적의 위상각을 나타내는 φ*가 포함된다. 이것은 일반적으로 0에 가깝거나(예: 약 0°), 제로 전압 스위칭(ZVS)이 적용되는 경우 약 +5°에서 약 +15°의 위상각이다.
〈φ〉w와 φ* 사이의 비교 출력은 모니터링된 인버터(30)의 출력으로부터 계산된 위상각의 오차(eφ)이다. 이 오차는 도 11에서 PI(Proportional Integral) 컨트롤러(230)로 도시된 보상기에 입력된다. PI 컨트롤러는 eφ에 기초하여 주파수 변동(
)을 계산한다.
eφ를 결정하는 데 사용할 수 있는 기여 요인은 위상각에 따라 얻을 수 있는 이득과 공진 주파수에 대한 인버터 출력 주파수가 위상각을 어떻게 이동시키는지이다.
본 명세서에 기술된 다양한 예에 따른 구동 시스템에서, 달성되는 이득 계수(단순 배수)는 일반적으로 약 30배 내지 약 50배 사이이다. 이것은 유전체 방전 갭에서 유전체 장벽 전기 방전 임계 값에 대해 DC-링크 전원 공급 장치(22)에서 약 800V 입력으로부터 약 30kV까지의 이득에 대응한다. 이것은 약 30에서 약 34데시벨(dB)의 이득에 해당한다.
컨트롤러(200)는 공정 제어 장치(120)에 대한 입력에 기초하여 공정 제어 장치(120)로부터 출력되는 공칭 공진 주파수 피드포워드 항(fs, ff)에 Δfs를 더한다. 이는 주파수 설정점(fs*)을 제공한다.
공정 제어 유닛(220)은 또한 공정 제어 유닛에 의해 수행된 단위 입력 및 처리에 기초하여 fr 설정 포인트(fr*) 및 np 설정 포인트(np*)를 출력한다. fs*, fr* 및 np*는 컨트롤러(200)에 의해 변조기 유닛(240)에 제공된다. 변조기 유닛은 공진 탱크(40)에 제공된 여기를 변조하기 위해 인버터(30)의 스위치에 대한 스위칭 신호를 생성하기 위해 이들을 사용한다. 인버터는 H-브리지이며 이는 4개의 스위치 각각에 대한 스위칭 신호이다(도 11의 예시 컨트롤러에 표시됨). 인버터가 하프 브리지인 경우 두 스위치 각각에 대한 스위칭 신호이다.
예시적인 시스템에 일반적으로 적용되는 스위칭 주파수는 약 100kHz와 약 10MHz 사이이다. fr*은 일반적으로 약 100Hz ~ 50kHz 범위이다. 이 후자의 파라미터는 또한 다양한 예에서 컨트롤러(200)가 작동되는 속도(즉, 다양한 파라미터가 컨트롤러에 의해 사용되고 업데이트되는 속도)이다. 이는 더 높은 작동 속도를 사용하는 경우보다 컨트롤러의 성능 요구 사항을 낮춘다.
시스템(1)은 다양한 크기의 엔진 및 보일러와 같은 다양한 크기의 가스 흐름과 함께 사용할 수 있다. 이와 같이, 전술한 구동 회로(20, 20', 20") 및 컨트롤러(200)를 적용한 배기 가스 정화 시스템 또는 다른 시스템이 모듈 방식으로 구현되는 예가 있다.
그러한 예에서, 가스 흐름을 따라 직렬로 연결된 복수의 DBD 장치(10)가 있다. 구동 회로(20, 20', 20")는 일반적으로 각 DBD 장치에 제공된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 글로벌 컨트롤러(1000)가 구현될 수 있다. 이는 도 11과 관련하여 설명한 바와 같이 컨트롤러(200)와 동일한 프로세스를 적용하고 동일한 구성요소를 사용한다. 위상 검출을 위한 입력은 각 구동 회로에서 제공된다. 가스의 특성은 전역 프로세스 제어 유닛(1020)에 입력된다. 모듈레이터 유닛(240)은 각 구동 회로의 인버터용 스위치를 구동하기 위해 각 구동 회로에 제공된다. 이와 같이, 도 11에 도시된 변조기 유닛(240)에 제공되는 것과 동일한 유형의 개별 설정 포인트가 전역 컨트롤러로부터 각각의 구동 회로에 제공된다. 이것은 각 구동 회로의 맞춤형 제어를 제공한다. 모듈레이터 유닛(240)의 수는 구동 회로의 수에 의해 결정된다. 따라서 처리 중인 가스 흐름의 크기에 따라 숫자가 달라진다.
여러 구동 회로를 사용하는 경우 모든 구동 회로에 전원을 공급하기 위해 단일 DC 전원 공급 장치를 배열하는 예가 있다. 다른 예에서 각 구동 회로에는 자체 DC 전원 공급 장치가 있다. 단일 DC 전원 공급 장치의 예에서 단일 AC/DC 정류기는 각각의 개별 드라이브에 DC 전원을 공급하여 하나의 DC 링크 전원 공급 장치를 제공할 수 있다. 자체 DC 전원 공급 장치가 있는 각 구동 회로의 구현 예로서 각 구동 회로에는 개별 AC/DC 정류기와 3상 AC 전압 공급 장치가 장착될 수 있다. 이러한 예에서, DBD 장치(10)는 일반적으로 가스 흐름에서 직렬로(즉, 가스 흐름 경로를 따라 순차적으로) 연결되는 동안 전기적으로 병렬로 연결된다.
물론 여러 개의 구동 회로를 가짐으로써 다양한 예에서 여러 개의 DBD 장치가 있다. 이들은 병렬로 배열되기 때문에 시스템(1)의 전체 커패시턴스는 각 DBD 장치의 커패시턴스의 합으로 증가한다. 이를 통해 예를 들어 최대 45.0nF, 가능하면 1.0nF의 커패시턴스를 달성할 수 있다.
최적화
도 7에 도시된 예와 같이 승압 변압기를 사용하는 예를 적용하여 시스템(1)이 사용될 때, 변압기(50)의 자화 인덕턴스(58)와 DBD 장치(10) 사이에 울림이 발생할 수 있다.
울림은 펄스-트레인 사이의 타이머 간격에서 발생한다. 이것은 도 14a에서 아래쪽 플롯의 두 펄스 사이의 파동으로 볼 수 있다. 이는 회로 내에서 확립될 수 있는 정재파 때문이다.
울림을 최소화하기 위해 펄스-트레인의 두 번째 모드 끝과 다음 펄스-트레인 시작 사이에 모든 스위치를 꺼짐 상태로 두는 대신 일부 예에서 "프리휠링" 간격이 도입된다.
이러한 프리휠링 간격은 도 14b의 위쪽 플롯에 나와 있다. 이 플롯에서 하이 사이드 스위치 S1+ 및 S2+는 도에 표시된 첫 번째 펄스-트레인의 세 번째 모드(즉, 공진 탱크가 방전되는 모드)가 끝난 후 도 14b의 아래쪽 플롯과 같이 다음 펄스가 시작될 때까지 온 상태에 놓이는 것을 볼 수 있다. 이렇게 하면 변압기 권선이 단락된다(즉, 약 0V의 전압 적용). 시스템(1)에서 이것에 대한 응답은 도 14b의 아래쪽 플롯에 도시된 2개의 펄스 사이에 울림이 없음에 의해 알 수 있는 바와 같이 울림이 최소화/감쇠된다는 것이며, 여기서 도 14a의 플롯 아래쪽에 도시된 2개의 펄스 사이에 울림이 있다.
프리휠링 간격은 공진 탱크의 전원이 차단된 후 시작된다(즉, 펄스-트레인이 발생한 후 공진 탱크에 남아 있는 에너지가 공진 탱크에서 멀리 전달된 후). 위에서 설명한 바와 같이, 이는 오프 단계에서 로우 사이드 스위치 S1- 및 S2-를 갖는 동안 하이 사이드 스위치를 온 상태로 둠으로써 달성된다. 대신 로우 사이드 스위치를 온 상태로 놓고 하이 사이드 스위치를 오프 스테이지에 배열하여 동일한 결과를 얻을 수 있다.
공심 변압기를 사용하는 예에서는 능동 에너지 회수를 적용하지 않으면 울림도 발생한다. 예를 들어 도 15에 표시된 도표에서 이를 확인할 수 있다.
도 15에는 세 개의 플롯이 나와 있다. 모든 플롯의 x축은 시간(밀리초)이다. 상단 플롯은 시간에 따른 인버터 단자 Vfb(즉, 변압기 1차 권선에 연결된 단자)의 전압을 도시한다. 중간 플롯은 시간에 대한 인버터 단자 Ifb의 해당 전류를 도시한다. 하단 플롯은 시간에 대한 도의 다른 두 플롯에 표시된 전압 및 전류에서 발생하는 방전 갭 양단의 전압을 도시한다.
도 15는 인버터가 제공하는 두 개의 펄스-트레인을 도시한다. 첫 번째 펄스-트레인은 약 9.00ms에서 시작한다. 펄스-트레인은 정사각형 Vfb 파형 여기의 형태로 제공된다(본 명세서에 개시된 측면에 따른 전형적인 예임). 펄스-트레인의 시작은 인버터 단자 전류 및 방전 갭 전압의 진폭 증가로 알 수 있는 것처럼 공진 탱크에서 충전을 유발한다.
공진 탱크가 임계 전압까지 충전되면 방전 갭에서 방전 점화 이벤트가 발생한다. 도 15에 표시된 예에서 이 임계 값은 약 10kV이다.
여기(excitation)는 원하는 방전 점화 이벤트의 최대 횟수에 따라 그 직후에 중단된다. 도 15에 표시된 예에서 이 숫자는 1~3개의 방전 점화 이벤트 사이이다. 여기가 중지되는 시간은 인버터 단자 전류 플롯에서 가장 명확하게 볼 수 있다. 이는 방전 점화 이벤트(들) 동안 약 800A에서 다음 사이클의 최대 피크에서 약 200A로 전류 진폭이 갑자기 떨어지는 것을 도시한다. 이는 약 9.02ms 시간에 발생하며 임계 전압까지 충전하는 데 약 9.01ms 시간이 소요된다.
인버터 단자 전압 및 전류 플롯에서 볼 수 있듯이 다음 펄스-트레인은 약 9.11ms에서 시작된다. 그러나 인버터 단자의 전압과 방전 갭은 계속 진동하는 것으로 도 15에서 볼 수 있다. 실제로 방전 갭에서의 전압 진폭은 방전 임계 값 진폭의 약 절반, 즉 약 5kV로 감소된다.
그러나 이것은 첫 번째 펄스-트레인의 여기 종료와 다음 펄스-트레인 시작 사이의 기간에서 약 1~2kV 감소한다.
도 16으로 돌아가면 도 15와 동일한 인버터 단자 전압, 인버터 단자 전류 및 시간에 대한 방전 갭 전압의 세 가지 플롯이 표시된다. 도 16에 표시된 예에서 인버터 터미널 플롯에서 펄스-트레인이 시간 8.00ms에서 시작하는 것을 볼 수 있다. 인버터 단자 전류 및 방전 갭 플롯에서 알 수 있듯이 공진 탱크는 이 시간부터 약 8.01ms 시간까지 충전된다. 이 시점에서 방전 임계 값에 도달하고 방전 점화 이벤트가 발생한다.
최대 횟수의 방전 점화 이벤트가 발생한 후(도 16의 예에서 다시 1 내지 3개의 방전 점화 이벤트 사이), 여기가 중지된다. 이것은 약 8.02ms 시간에 발생한다. 이 시점에서 약 0.01ms의 기간 동안 약 8.03ms의 시간 동안 인버터 단자 전압에 180°의 위상 시프트가 적용된다. 이것은 충전된 공진 탱크의 에너지를 공진 탱크 밖으로 몰아냅니다. 위에서 언급한 바와 같이 다양한 예에서 이 에너지는 저장된다. 공진 탱크 밖으로 에너지를 구동하는 것은 인버터 단자 전류 플롯에서도 볼 수 있다. 이는 0A를 중심으로 정현파(진폭 변화)로 전류를 표시하는 대신 전류 파형이 전압 위상 이동 기간이 끝날 때까지 음으로 이동한다.
공심 변압기를 사용할 때 이러한 능동적 에너지 회수로 인해, 도 16에서 약 8.03ms 시간의 위상 시프트 기간 종료와 약 8.11ms 시간의 다음 펄스-트레인 시작 사이의 울림이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 이 감소는 방전 갭에서 약 1kV의 진폭으로, 인버터 단자에서 약 50V로 감소한다.
Claims (40)
- 유전체 장벽 방전 장치용 구동 회로로서,
유전체 방전 갭에 걸쳐 사용 시 연결 가능한 전원 공급 장치, 상기 유전체 방전 갭은 커패시턴스를 제공함; 및
연결될 때 사용 중인 공진 탱크를 설정하는 상기 전원 공급 장치와 상기 유전체 방전 갭 사이의 인덕턴스를 포함하고,
전력은 펄스-트레인에서 및 펄스-트레인 동안에만 상기 탱크에 제공되며, 각 펄스-트레인의 펄스 주파수는 상기 탱크의 공진 주파수에 사용 시 조정 가능하며, 각 펄스-트레인에 의해 제공되는 전력은 방전 점화가 발생하는 임계 값까지 상기 탱크를 충전하고 유지하며, 펄스-트레인당 방전 점화 이벤트는 최대 횟수가 발생한 후 각 펄스-트레인이 상기 공진 탱크로 전력을 전송하는 것을 금지하기 위해 사용하도록 배열되는 상기 구동 회로에 기초하여 상기 최대 횟수로 제한되는, 구동 회로. - 제1항에 있어서, 방전 점화 이벤트의 상기 최대 횟수는 1에서 5 이벤트 사이인, 구동 회로.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탱크와 통신하고 각각의 펄스-트레인 동안 상기 탱크에 제공되는 전력의 위상 시프트를 식별하기 위해 사용하도록 배열되는 위상계를 더 포함하며, 상기 위상 시프트는 방전 점화 이벤트의 발생에 대응하고, 상기 구동 회로는 각각의 방전 점화 이벤트 이후 상기 각각의 펄스-트레인의 펄스 수에 기초하여 방전 점화 이벤트의 최대 횟수가 언제 발생했는지를 결정하기 위해 사용 중에 더 배열되는, 구동 회로.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전원 공급 장치에 걸쳐 연결되고 각각의 펄스-트레인 이후에 상기 탱크로부터의 전력 방전을 수용하고 저장하도록 사용 중에 배열된 전력 저장 장치를 더 포함하는, 구동 회로.
- 제4항에 있어서, 상기 구동 회로는 방전 점화 이벤트의 상기 최대 횟수가 발생한 후에 상기 펄스-트레인의 위상을 180도(°) 시프트시키기 위해 사용하도록 배열되는, 구동 회로.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전원 공급 장치와 상기 탱크 사이에 인버터를 더 포함하고, 상기 인버터는 상기 전원 공급 장치로부터 상기 탱크로의 전력의 공급을 조정하기 위해 사용하도록 배열되는, 구동 회로.
- 제6항에 있어서, 상기 인버터는 H-브리지 또는 하프 브리지인, 구동 회로.
- 제7항에 있어서, 상기 인버터의 각 스위치는 실리콘 카바이드 스위치인, 구동 회로.
- 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 각 펄스-트레인의 상기 펄스 주파수는 제로 전압 스위칭 주파수인, 구동 회로.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진 탱크의 일부를 형성하는 2차 권선인 변압기를 더 포함하고, 상기 변압기는 승압 변압기인, 구동 회로.
- 제10항에 있어서, 상기 회로는 각각의 펄스-트레인 이후에 상기 1차 변압기 권선을 단락시키기 위해 사용하도록 배열되는, 구동 회로.
- 제7항에 종속된 제11항에 있어서, 상기 1차 변압기 권선은 상기 인버터의 로우 사이드 또는 하이 사이드를 스위칭 온함으로써 사용 중에 단락되는, 구동 회로.
- 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인덕턴스의 적어도 일부는 상기 변압기에 의해 제공되는, 구동 회로.
- 제13항에 있어서, 상기 변압기에 의해 제공되는 상기 인덕턴스는 상기 변압기의 누설 인덕턴스인, 구동 회로.
- 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 변압기는 공심 변압기인, 구동 회로.
- 제15항에 있어서, 상기 공심 변압기는 권선 사이에 최대 60%의 마그네틱 커플링을 갖는, 구동 회로.
- 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변압기는 약 1:1 내지 약 1:10의 1차 변압기 권선 대 2차 변압기 권선의 승압비를 갖는, 구동 회로.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인덕턴스의 적어도 일부는 인덕터에 의해 제공되는, 구동 회로.
- 유전체 장벽 방전을 제공하기 위한 시스템으로서,
유전체 방전 갭을 정의하는 사이에 유체용 갭을 갖는 적어도 두 개의 전극을 갖고, 유전체 층이 상기 적어도 두 개의 전극 사이에 위치하는 유전체 장벽 방전 장치; 및
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 구동 회로를 포함하고, 상기 구동 회로의 상기 전원 공급 장치는 상기 유전체 방전 갭에 걸쳐 연결되는, 시스템. - 제19항에 있어서, 서브-매크로스코픽 구조가 적어도 하나의 전극 상에 장착되는, 시스템.
- 제20항에 있어서, 상기 서브-매크로스코픽 구조는 나노구조인, 시스템.
- 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전층은 제1 전극에 연결되고 상기 서브-매크로스코픽 구조는 제2 전극에 연결되는, 시스템.
- 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 회로에 연결된 컨트롤러를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 컨트롤러에 제공된 입력에 기초하여 상기 구동 회로의 상기 탱크에 공급되는 상기 전력을 조정하기 위해 사용되도록 배열되는, 시스템.
- 제23항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 펄스 주파수, 및/또는 상기 펄스-트레인 반복 주파수, 및/또는 상기 펄스-트레인의 수, 및/또는 상기 펄스-트레인의 펄스의 수를 조정하기 위해 사용하도록 배열되는, 시스템.
- 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 입력은 상기 구동 회로의 출력에서의 전압 및 전류를 포함하는, 시스템.
- 제25항에 있어서, 상기 구동 회로는 전원 공급 장치와 상기 구동 회로의 공진 탱크 사이에 인버터를 포함하고, 상기 전압 및 전류는 상기 인버터의 출력으로부터 제공되는, 시스템.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 전압과 전류 사이의 위상 차이를 결정하기 위해 사용되도록 배열되는, 시스템.
- 제23항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 유전체 장벽 방전 장치에 추가로 연결되고, 상기 입력은 사용 중인 상기 장치를 통과하는 유체의 하나 이상의 특성을 포함하는, 시스템.
- 제19항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 복수의 유전체 장벽 방전 장치 및 복수의 구동 회로를 포함하고, 각각의 구동 회로는 하나 이상의 유전체 장벽 방전 장치의 상기 유전체 방전 갭에 걸쳐 연결되는, 시스템.
- 제29항에 있어서, 모든 상기 구동 회로에 대한 상기 전력을 제공하기 위해 사용하도록 배열된 단일 전원 공급 장치만이 있는, 시스템.
- 유전체 방전 장치에서 방전을 제어하는 방법으로서,
일련의 전기 펄스-트레인으로 공진 탱크에 전력을 제공하는 단계, 각 펄스-트레인의 상기 펄스 주파수는 상기 탱크의 공진 주파수로 조정되며, 상기 공진 탱크는 유전체 방전 장치의 전극 사이의 갭에 걸쳐 연결되고, 상기 탱크의 커패시턴스는 상기 유전체 방전 장치에 의해 제공되며, 각각의 펄스-트레인에 의해 제공되는 전력은 방전 점화가 발생하는 임계 값까지 상기 탱크를 충전 및 유지함;
방전 점화 이벤트의 최대 횟수가 발생한 후 각 펄스-트레인이 상기 공진 탱크로 전력을 전송하는 것을 금지함으로써 펄스-트레인당 방전 점화 이벤트의 상기 최대 횟수를 제공하는 단계; 및
펄스-트레인 사이에서 상기 탱크로의 전력 전송을 금지하는 단계를 포함하는, 방법. - 제31항에 있어서, 방전 점화 이벤트의 상기 최대 횟수는 1에서 5 이벤트 사이인, 방법.
- 제31항 또는 제32항에 있어서,
각 펄스-트레인 동안 상기 탱크에 제공되는 전력의 위상 시프트를 식별하는 단계, 상기 위상 시프트는 방전 점화 이벤트의 발생에 해당함; 및
각각의 방전 점화 이벤트 이후의 펄스 수에 기초하여 방전 점화 이벤트의 상기 최대 횟수가 언제 발생했는지 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 전기 펄스-트레인은 전압 펄스-트레인인, 방법.
- 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스 주파수, 및/또는 펄스-트레인의 주파수, 및/또는 일련의 전기 펄스-트레인에서 펄스-트레인의 수, 및/또는 각 펄스-트레인의 펄스 수를 변조하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제35항에 있어서, 상기 변조는 상기 공진 탱크에 제공되는 상기 전력의 특성의 위상 차이 및/또는 상기 장치를 통과하는 유체의 하나 이상의 특성에 기초하는, 방법.
- 제31항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 전력은 변압기를 통해 상기 공진 탱크에 제공되고, 상기 방법은 펄스-트레인 사이에서 상기 변압기 1차 권선을 단락시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진 탱크에 제공된 각각의 펄스-트레인의 상기 펄스 주파수는 전원 공급 장치와 상기 공진 탱크 사이의 회로를 스위칭함으로써 설정되는, 방법.
- 제31항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 펄스-트레인에 대해, 상기 공진 탱크는 방전 점화 이벤트의 상기 최대 횟수가 발생한 후에 방전되고, 상기 방법은 상기 방전에 의해 상기 공진 탱크 밖으로 전달된 에너지를 저장하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제39항에 있어서, 상기 탱크는 상기 각각의 펄스-트레인에 의해 제공되는 상기 전력의 상기 위상을 180°로 변경함으로써 방전되는, 방법.
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