一种介质阻挡放电高压电源的设计与仿真Word

　　一种介质阻挡放电高 压电源的设计与仿真2016-2-23

　　高压电源的广泛应用高压电源在电源领域中属于特种电源，它的应用是 非常广泛的，其应用领域主要在以下方面： 高压放电类：模拟雷击、打耐压的仪器、等离子发 生器、电晕设备、臭氧发生器、激光器等 高压电场类：各类电子离子加速器、X射线源、静电 除尘、静电喷涂、矿石高压电选等

　　高压电源的输出特性及 重要参数按照高压电源的输出特性，一般主要分为三种类型： 直流高压输出：重点关注的指标是输出电压的精度、 电压纹波、重复性、温飘等 脉冲高压输出：重点关注的指标是输出脉冲的上升 下降速度、重复频率、脉冲宽度等 交流高压输出：重点关注的指标是输出的波形、频 率、峰值电压等

　　高压电源的负载特性静电场类应用的高压电源的负载一般相当于电阻， 但是考虑到变压器次级以及负载的分布电容，一般 相当于电阻与电容的并联。 放电类的高压电源，大多数应用范围都是气体放电 领域的应用，负载是负阻特性，同时还有分布电容 存在。所以负载特性很复杂。 可以说，不把负载的特性搞清楚，针对负载特性来 设计高压电源，是很难设计出优秀的产品的。

　　气体放电类型气体放电种类很多，特性也很复杂，常见放电类型 主要有电晕放电、辉光放电、电弧放电、火花放电传统的电晕放电太弱，等离子数量少，效率低。 辉光放电通常在低气压下容易实现，大气压下很难 实现且易进入电弧放电状态，应用上有局限性。

　　电弧放电极不均匀，局部功率密度太高，产生高温 损坏设备。介质阻挡放电的实质是改良型的电晕放电，放电比 较均匀，功率密度适中，可在大气压下稳定放电。

　　介质阻挡放电的应用介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge) 顾名思义， 就是在放电电极与放电气体之间插入绝缘介质。所 以只能采用交流高压电源来驱动。这样既能够产生 足够的等离子密度，又可以避免放电进入电弧放电 的状态。主要的应用有臭氧发生器、低温等离子发生器、挥 发性有机化合物(VOC)废气处理、材料表面处理等领 域。

　　DBD放电负载结构

　　DBD放电器的微观模型

　　有无介质阻挡放电对比

　　有介质阻挡

　　无介质阻挡

　　DBD放电器的宏观 电气模型

　　DBD放电器的放电功率

　　高压变压器频率特性

　　高压变压器等效模型

　　高压变压器绕组结构

　　LCLC型串并联谐振 DBD高压电源拓扑

　　LCLC-DBD拓扑简化一

　　LCLC-DBD拓扑简化二

　　负载部分采用了RC-FMA近似法

　　LCLC-DBD拓扑最简结构

　　DBD放电器负载参数计算

　　圆柱电极电容计算公式：

　　DBD放电器负载参数计算已知绝缘介质的相对介电常数为3.7,根

　　据上面电容的计算 公式，代入参数。可以求得放电单元的各电容数据：

　　DBD放电器负载参数计算已知空气的击穿电压强度为3kV/mm 可以求得反应器放电起始电压为：

　　已知该反应器共有48个单元并联，电源驱动频率1.6KHz而反应器的放电功率约为1200W,根据求功率公式：

　　可求得高压变压器次级输出峰值电压应为Um=21.88kV

　　变压器参数计算与测量输入电压为直流500V,谐振电压增益暂定为2,那么可以求 得变压器的匝比为：

　　实际经过实验过程的调整，最终变压器的匝比为： n=3200/180=17.78 实测变压器的参数如下： 初级电感为125mH,初级漏感为536uH,次级绕组分布电容 为71.34pF 实际测得负载电极对地的附加分布电容Cp为567.5pF

　　谐振元件参数计算

　　未知参数仅剩下Lr与Cs待确定了。先进行RC-FMA近似计 算，把拓扑结构简化为最简结构。

　　谐振元件参数计算

　　根据前面的公式和数据，通过RC-FMA近似计算，可得到 最简结构拓扑中各原件参数：

　　Lm=125mH,Ctpp=201.9nF,Cdp=681.6nF, Cgpe=201.6nF,Re=254.3Ω,Lr与Cs待求解。

　　谐振元件参数计算事实上，Lr与Cs有很多种组合方案，都是可行的。但是 一般Cs的值不能选的太小。否则电容的电压应力很大， 容易击穿。在本例中，Cs的取值是10uF,那么只剩下一 个未知数Lr,根据每个元件的复阻抗，按照输入输出电压 的增益要求，我们可以求出Lr的值，在本例中，最终求得 Lr的值为30mH。

　　同时我们还求出，Cs的电压应力为45.7V,这是比较合适 的，若Cs峰值电压太高，我们应该增大Cs的数值重新进 行计算。Lr的峰值电流为4.6A。H桥的电压相位超前电流 相位34.9度，H桥工作于零电压开关状态。

　　仿真验证

　　仿真验证

　　仿真波形，兰色为原边电流， 橙色为输出电压。

　　实测波形，兰色为原边电流， 橙色为输出电压。

　　仿真与真实值的误差原因1,模型的准确性。真实的气体放电过程是非常复杂的， 用电压源或TVS的模型来模拟太过简单，误差较大。 2,材料参数的准确性。例如尺寸的差异，介电常数的 真实值以及温度系数等。 3,空气击穿强度的变化，真实的空气击穿电压受很多 因素，例如湿度、气压、温度等的影响。 4,某些参数是通过实测得到的。其准确性也是需要存 疑的。例如在存在分布电容的情况下，LCR表测量变压 器的绕组电感量会随着频率变化，那么究竟在哪个点测 试的值才是比较接近真实的值？

　　总结1,介绍了DBD放电的原理与特点以及应用。 2,介绍了一种DBD反应器参数的计算方法。

　　3,介绍了一种LCLC-DBD高压电源参数的计算方法。4,对通过计算得到的结果通过PSPICE仿真，并与实际 测量的波形进行对比。

　　5,分析模型偏

　　离真实值的可能原因。

　　谢 谢！