介質阻擋強電離放電用IGBT逆變電源的研制 _知識百科

介質阻擋強電離放電技術是等離子體應用技術中新興的一個重要方面。它利用冶貼等方法在氣體放電間隙的兩側或一側覆蓋上一層很薄的電介質層，當在兩極間施加一定頻率的高壓交流電時，間隙內的氣體就會被電離，形成強烈的氣體放電，從而產生高濃度的等離子體。間隙內氣體的放電強度是一個與頻率、電壓、材料及結構有關的量。受大功率變頻器件及技術的限制，傳統的用于介質阻擋放電的電源裝置只能采用兩種方式實現：一是利用變壓器將工頻交流電直接升壓到所需電壓；二是利用晶閘管等器件將工頻交流電調制成相對較高頻率的交流電。采用這兩種方式供電，盡管在放電裝置的兩極間能夠施加很高的電壓，且采用晶閘管或GTR等器件的逆變電源也使放電裝置工作頻率有所提高，但仍然滿足不了高性能氣體放電的需要，放基金項目：國家自然基金資助項目（69871002）程師，研究方向為電力電子技術在等離子體工程中的應用。
電間隙內的氣體放電不夠強烈。放電裝置及逆變電源裝置的體積龐大，逆變電源的結構復雜且不穩定，滿足不了實際應用的需要，限制了介質阻擋強電離放電這一應用技術的發展。
IGBT等高頻大功率電力電子器件的出現以及相關變頻技術的發展，為介質阻擋強電離放電這一新興技術的發展提供了可靠的前提及保證。我們知道， IGBT是MOSFET和GTR的復合器件，具有MOSEFT和GTR的雙重優點。將IGBT應用于介質阻擋強電離放電的逆變電源中，不僅使介質阻擋放電裝置的性能成倍提高，同時也使放電裝置及電源裝置的體積成倍減少，逆變電源進一步簡化，使介質阻擋強電離放電技術的應用范圍越來越廣闊。
2介質阻擋放電的等效電路介質阻擋放電的原理結構如a所示， 1為高壓電極；為電介質層；3為放電間隙；4為接地電極；5為供電電源。由物理結構分析，介質阻擋放電實際上是由放電電極、電介質層、放電氣隙構成的有損耗的電容器，對供電電源來說可等效為阻容性負載。 b為介質阻擋放電的等效電路圖。其中Cg為放電氣隙的電容量；Rg為放電間隙等效電阻，它隨電極間施加的電壓變化而變化，具有很強的非線性；Cs為電介質的電容量。電介質層的插入，有效地抑制了放電電流的無限制增大，阻止了放電間隙產生火花放電或弧光放電，使間隙內形成的氣體放電更加強烈，并因此增加了一些新的特點：①介質阻擋放電裝置具有較高的初始電壓和工作電壓。當在介質阻擋放電裝置的兩電極間施加的電壓低于初始電壓時，間隙內不會形成氣體放電，通過負載的電流很小。當間隙內的電壓高于放電間隙的初始電壓時，間隙內開始發生氣體放電，放電的強度與這一電壓成正比，電壓越高放電越強烈；②要實現介質阻擋強電離放電，供電電源必須具有較高的工作頻率，介質阻擋放電的強度與電源電壓的頻率成正比。電極兩端所施加的電壓頻率越高、間隙內氣體放電越強烈，同時介質的損耗越大，發熱越嚴重；③為了達到最佳的放電效果，介質阻擋放電裝置中的電介質層一般制造得很薄，所施加的電壓常常工作在接近臨界擊穿電壓值處，放電裝置的過電壓能力很低；④介質阻擋放電裝置屬于阻容性負載，電路工作時可能會與變壓器及電路的漏感形成LC振蕩，從而使負載兩端形成過電壓，特別是在啟動時更容易形成諧振過電壓，危及放電裝置及電源自身的安全，因此電路的設計必須保證施加到負載上的電壓能夠快速地越過起始電壓，又不會形成過電壓。
3介質阻擋放電用IGBT逆變電源的基本結構按照介質阻擋放電技術要求設計的IGBT逆變電源的框圖如所示。三相交流電經EMC濾波后由整流濾波電路整流成平滑直流電。 IGBT全橋逆變器將這一直流電轉換成占空比在一定范圍內均勻可調的單相交流電，再經過高頻高壓變壓器升壓后輸出給介質阻擋放電裝置。系統的所有調節都是通過IGBT全橋逆變器實現的。電源系統中采用EMC濾波電路的目的是為了有效地抑制逆變電路及高頻高壓氣體放電產生的電磁噪聲和傳導噪聲，從而防止逆變電源及高頻高壓氣體放電對市電網絡、電源系統本身以及周圍的其他儀器設備產生干擾。系統中整流濾波部分采用三相全橋不可控整流及LC濾波，可使電路簡化，成本降低。 IGBT逆變器采用全橋PWM技米既滿足了介質阻擋放電技術的要求，又使逆變電源系統結構簡化。高頻高壓變壓器采用的是適合于高頻工作的鐵氧體磁芯，繞組繞制時盡量采用絕緣性能好且較薄的絕緣材料，同時將線圈匝數小的一次線圈繞在二次線圈中間，減少漏感。