一种介质阻挡放电高压电源的设计与仿真
大气压下不同气体中介质阻挡放电的实验与仿真研究
大气压下不同气体中介质阻挡放电的实验与仿真研究大气压下不同气体中介质阻挡放电的实验与仿真研究是一种重要的实验科学领域,涉及到气体放电物理学、材料物理学和材料科学等多个领域。
其主要研究内容包括不同气体条件下的介质阻挡放电现象、放电机理、放电特性、放电能量损失等方面的问题。
在实验方面,可以通过不同气体的气态参数、电子密度、温度和压强等参数的变化,来模拟不同气体条件下的介质阻挡放电。
同时,还可以通过对放电过程中气体分子的碰撞、能量损失和电离等过程的计算,来进一步分析和评估不同气体条件下介质阻挡放电的特性。
在仿真方面,可以使用数值模拟方法,将实验数据与计算模型相结合,来预测不同气体条件下介质阻挡放电的特性。
通过仿真结果可以更好地理解不同气体对介质阻挡放电的影响,并为进一步的实验研究提供有价值的参考数据。
大气压下不同气体中介质阻挡放电的实验与仿真研究在材料科学、物理学等领域具有广泛的应用价值。
随着研究的不断发展,我们可以期待更多关于大气压下不同气体中介质阻挡放电的深入探究和发现。
用于等离子体发生器的高频高压脉冲电源的设计
摘要低温等离子在工业以及军事上的应用具有非常广阔的前景。
目前，研究较多的是在大气压下以介质阻挡放电产生离子体。
介质阻挡放电(DBD)是目前一种典型的可通过大气压放电产生等离子体技术，因而受到国内及国外的广泛关注。
高频高压脉冲电源是介质阻挡放电的核心部分。
介质阻挡放电产生等离子体的效果直接与电源的频率、电压以及波形相关。
频率和电压越高，放电的效果也就越好。
所以用于介质阻挡放电的高频高压脉冲电源成为研究的重点。
根据这些特点，本文将探讨用于产生等离子脉冲电源的设计方法，设计了一种基于PWM控制的高频、高压的大功率逆变电源，电源系统主要包括整流滤波电路、逆变电路、驱动以及控制电路。
对电源的整流电路、逆变电路、驱动及保护电路等进行了分析，功率电路以IGBT为主控开关功率转换器件，采用全桥逆变电路形式，同时讨论了IGBT的特性和使用注意事项，以及对关键元器件的保护措施。
电源控制电路采用以单片机AT89C51为核心，对整个电源系统进行控制，采用脉宽调制方式来控制电源输出外特性。
本文采用了Multisim10软件对各个部分进行了逐项仿真分析，通过仿真结果进一步证明脉冲电源设计的合理性，为硬件电路设计提供重要参考和依据。
设计出适用于介质阻挡放电负载的高频高压脉冲电源。
关键词：介质阻挡放电；全桥逆变电路；IGBT ；高频高压脉冲电源；仿真。
AbstractLow-temperature plasma in the industrial and military applications has a very broad prospects. At present,most studies of producing plasma are focused on those produced by Dielectric Barrier Discharge(DBD)under atmosphere. So it is paid widely attention by home and abroad．The high-frequency and high-voltage pulse power source is the core part of the dielectric barrier discharge．The effect of plasma produced by DBD correlates directly with voltage,frequency and wave-form of the power supply.The higher the voltage and the frequency of the power supply,the better the effect of discharging. Hence，to develop discharge power supply used in DBD is the main question．Base on these feathures, This article will explore the plasma used to produce the design method of pulse power, Designed a high-frequency, high voltage high power inverter which base on PWM. this power system consists of rectifier filter circuit, inverter circuit, drive and control circuits. And analyze the power of the rectifier circuit, inverter circuit, driver and protection circuits. power circuit takes the IGBT as charging switch power for changing a component, adopting full-bridge topology circuit, And the characteristic and matters needing attention of IGBT,and the protection measures of some pivotal component. Power controlling circuit takes single microchip AT89C51 as the gore to control the whole system . and adapts PWM to control the output volt-ampere character ofpower source. In this paper,use the Multisim10 software to itemize all parts with simulative analysis.Through the simulation result,it further proves the rationality of pulsed power supply design and supplies significant references and basis for hardware circuit design. Designed for high-frequency dielectric barrier discharge high-voltage pulse power load.Key words: dielectric barrier discharge; full-bridge inverter circuit; IGBT;high frequency high voltage pulse power; simulation.目录1 绪论 (1)1.1等离子体及介质阻挡放电概述 (1)1.1.1 等离子体的概念 (1)1.1.2 等离子体的应用 (2)1.1.3 介质阻挡放电概述 (2)1.1.4 介质阻档放电电路的物理结构和工作原理 (3)1.1.5负载特性及高频高压脉冲电源研制必要性 (3)1.2国内外高频高压脉冲电源的研究现状 (4)1.3高频高压电源研制的难点 (4)2 电源电路的设计 (6)2.1电源研制方案 (6)2.2整流滤波电路 (7)2.2.1 整流滤波电路设计 (7)2.2.2 本设计使用的整流电路 (7)2.2.3滤波电路 (9)2.3逆变电路原理 (10)2.4输出电路 (11)3 功率开关器件 (12)3.1功率开关器件的应用 (12)3.2绝缘栅双极晶体管（IGBT） (13)3.2.1 IGBT功率开关管应用 (13)3.2.2 IGBT的工作原理 (14)3.2.3 IGBT的主要参数 (14)3.2.4 IGBT对驱动电路的要求 (14)3.2.5 IGBT的驱动 (15)3.2.6 EXB841工作原理 (15)3.2.7 EXB841典型应用电路及引脚功能表 (16)4PWM单片机控制 (18)4.1PWM驱动电路模块 (18)4.2PWM控制系统 (18)5 高频高压脉冲电源计算机仿真 (21)5.1电源主回路仿真 (21)5.1.1 NI Multisim10仿真软件 (21)5.1.2 Multisim特点 (21)5.1.3 高频高压脉冲电源主电路的模型 (22)5.1.5 逆变电路模型和仿真 (23)5.1.6 串联谐振电路模型和仿真 (24)5.1.7 PWM信号仿真 (25)5.1.8 IGBT的开关特性的仿真 (26)6 硬件调试 (28)总结 (30)谢辞 (31)参考文献 (32)附录 (33)附录1程序 (33)附录2PWM信号发生器硬件电路原理图及其PCB图 (39)附录3电源模型电路原理图及其PCB图 (40)附录4PWM信号仿真图 (41)附录5主电路原理图 (43)附录6总电路原理图 (43)1 绪论介质阻挡放电技术可以用来产生等离子体，而等离子体在工业及军事上的应用具有十分广阔的前景。
同轴圆柱结构介质阻挡放电光电特性及仿真研究
同轴圆柱结构介质阻挡放电光电特性及仿真研究摘要：本研究通过对同轴圆柱结构介质阻挡放电光电特性的研究，探讨了其在电气工程领域中的应用潜力。
通过仿真研究，发现该结构具有较高的介质阻挡放电能力和较好的光电特性，适用于高压输电线路和电力设备的防雷防弧保护。
本文详细介绍了同轴圆柱结构的原理、特点以及其在电气工程中的应用，并通过仿真研究验证了其性能。
1. 引言同轴圆柱结构是一种常用于电力设备中的防雷防弧保护技术。
该结构由内外两个圆柱组成，两者之间通过介质隔开。
在高压电场的作用下，介质会发生击穿放电，形成阻挡放电现象。
本研究旨在探究同轴圆柱结构介质阻挡放电的光电特性，并通过仿真研究验证其性能。
2. 同轴圆柱结构的原理与特点同轴圆柱结构的内外圆柱分别作为正负极，通过介质隔开，形成一种局部电场。
当高压电场作用于该结构时，介质会发生击穿放电，将电压分布在圆柱的表面上，形成阻挡放电现象。
该结构具有较高的放电能力和较好的介质阻挡特性。
3. 同轴圆柱结构在电气工程中的应用同轴圆柱结构在电力设备中广泛应用于防雷防弧保护。
其具有以下特点：首先，结构简单紧凑，易于安装和维护；其次，具有较高的介质阻挡放电能力，可有效防止电气设备的击穿故障；最后，具有较好的光电特性，能够实现对高压设备的有效保护。
4. 仿真研究及结果分析通过COMSOL Multiphysics软件进行仿真研究，模拟了同轴圆柱结构在不同电压下的放电现象。
结果显示，随着电压的增加，放电现象逐渐增强，但仍能保持在合理范围内。
同时，光电特性也得到了验证，同轴圆柱结构能够有效抑制电气设备的电磁辐射。
5. 结论本研究通过对同轴圆柱结构介质阻挡放电光电特性的研究，发现该结构具有较好的防雷防弧保护能力。
通过仿真研究验证了其性能，结果表明同轴圆柱结构适用于高压输电线路和电力设备的防雷防弧保护。
未来的研究可以进一步优化该结构，提高其防护性能。
关键词：同轴圆柱结构；介质阻挡放电；光。
介质阻挡放电用大功率高频高压电源的思考 李达升
介质阻挡放电用大功率高频高压电源的思考李达升摘要：对介质阻挡用大功率高频高压电源进行分析和研制，有利于让装置体积得到减小，让大功率模块频率限制得到突破。
本文首先对介质阻挡放电相关概念及特点作出阐述，然后对一种可以在介质阻挡放电中使用的大功率高频高压电源进行介绍和分析，经过实验，可以发现此种电源运行具有较高稳定性，且此种装置具有较快的响应速度，希望本文可以对业内起到一定参考作用。
关键词：介质阻挡放电；大功率；高频高压电源介质阻挡放电主要指的是在放电空间中插入绝缘介质的非平衡态气体放电情况，介质阻挡放电也可以被称为无声放电与介质阻挡电晕放电。
Werner Von Siemens在1857年提出此种介质放电方法，应用此种方法可以在常压条件下产生臭氧。
现阶段，此种方法在臭氧合成、气体激光器激励、紫外光源等领域中得到了广泛应用。
一、介质阻挡放电相关概述在介质阻挡放电过程中，通常需要正弦波型交流高压电源驱动，在供给电压提高过程中，会经历从绝缘状态到放电，最后到击穿的全过程。
在传统大功率高压电源中，主要利用工频变压器进行升压，其具有简单的电路、较低的频率，较大的重量及体积，同时，在稳定性、纹波上无法达到令人满意的结果。
就目前来看，大功率高频高压开关电源技术依然处于探索阶段，随着频率的逐渐增大，开关损耗会成比例增大，这会对频率提升造成一定限制。
为让开关频率得到提升，让开关损耗得到降低，需要对电源体积进行有效减小，可以在高压电源中引入高频多谐振开关变流技术，并利用准谐振电流过零软开关技术，让高频化过程中出现损耗得到降低，让大功率模块频率限制得到突破[1]。
二、介质阻挡放电用大功率高频高压电源分析（一）介质阻挡放电用大功率高频高压电源关键技术在介质阻挡放电用电源中，主要包含四个组成系统，即高频逆变系统、初级整流系统、高频高压变压器HVT与控制系统。
介质阻挡放电电极和外接阻容性负载作用基本相同，高频高压变压器、串并联混合谐振变换器为关键技术[2]。
一种高压脉冲电源设计
一种高压脉冲电源设计彭享;叶兵;朱旗;韦靖博【摘要】为研究高压脉冲脉宽及频率对介质阻挡放电效果的影响,文章设计了一款功率1 kW、幅值5 kV、脉宽1~20μs可调、频率15~25 kHz范围可调的单向高压脉冲电源.与传统高压脉冲电源多采用工频升压加磁压缩开关或旋转火花隙获取高压脉冲能耗较大且不易控制不同,该电源主电路采用半桥式拓扑结构,以SG3525作为脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)主控芯片,利用LCC串并联谐振软开关技术,大大降低开关损耗并能有效降低高频脉冲变压器分布参数影响.测试结果表明,该脉冲高压电源满足介质阻挡放电实验要求.%In order to study the impact of high voltage pulse width and frequency on the effect of the di-electric barrier discharge ,unidirectional high voltage pulse power supply with 1 kW power ,5 kV am-plitude ,1-20μs adjustable pulse width and 15-25 kHz adjustable frequency is designed .The tradition-al high voltage pulse power supply mainly employs magnetic compression switch or rotating spark gap to obtain high voltage pulse ,but it is characterized by high energy consumption ,low reliability and poor controllability .In this design ,the main power circuit adopts the half-bridge topological struc-ture ,using SG3525 as the PWM main control chip .The LCC series and parallel resonant soft-switc-hing technology can lower the switching loss substantially and reduce the impact of distribution pa-rameters of high frequency pulse transformer .T he test results show that the presented high voltage pulse power supply satisfies the experimental requirements of dielectric barrier discharge .【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(040)011【总页数】4页(P1511-1514)【关键词】高压脉冲;介质阻挡放电;串并联谐振;软开关技术【作者】彭享;叶兵;朱旗;韦靖博【作者单位】合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TM836近年来,介质阻挡放电的应用越来越广泛,如利用介质阻挡放电方法产生臭氧或等离子体已用于灭菌消毒、废气处理、材料表面改性、等离子显示屏等各工业领域。
一种高功率因数介质阻挡放电电源的设计
一种高功率因数介质阻挡放电电源的设计史朝杨;李俊;汪辉;王其斌【摘要】DBD电源是目前获取稳定的低温等离子体的主要手段.为了解决目前网侧功率因数偏低,输入电流畸变率较大等问题,设计了一种新型DBD电源.它主要由整流级、调压级、逆变级、高频高压变压器和等离子体放电管组成.首先介绍了电源的基本原理和工作方式,详细分析了三相VSR的拓扑结构和控制策略,搭建实验平台验证了系统能够实现单位功率因数,且输入电流明显正弦化,最后DBD电源在放电管中发生了介质阻挡放电,产生了低温等离子体,证明电源设计的有效性.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2019(042)004【总页数】5页(P861-865)【关键词】DBD(DielectricBarrierDischarge)电源;单位功率因数;三相VSR;低温等离子体【作者】史朝杨;李俊;汪辉;王其斌【作者单位】南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京211816;南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京211816;南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京211816;南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京211816【正文语种】中文【中图分类】TN86低温等离子体在众多领域都有着广泛的应用,例如在材料表面处理方面[1-2],消毒杀菌方面[3-4],处理工业废气废水的环保领域等方面都有着广阔的应用前景[5-6]。
目前主要利用高频高压交流电源通过介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)的方式来获取稳定的低温等离子体。
但是目前产生低温等离子体的DBD电源整流级普遍采用二极管不控整流的方式[7],会造成网侧功率因数偏低和电网谐波污染等问题。
因此设计一种高功率因数、低输入电流畸变率的DBD电源有其必要性,本文设计了一种用于产生低温等离子体的高功率因数DBD电源,通过实验验证了设计的合理性。
1 DBD电源拓扑结构高功率因数DBD电源采用图1中拓扑,输入级通过三相VSR(电压型PWM整流器)提高系统的功率因数[8],达到单位功率因数运行的目的;并且降低输入电流波形畸变率,改善电网电能质量;通过采用电压电流双闭环的控制策略使得整流级输出动态响应较快并且稳态、误差较小的直流侧电压。
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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
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！
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
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ห้องสมุดไป่ตู้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：
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。
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。
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。
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。
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
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？
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
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。