一種介質(zhì)阻擋放電高壓電源的設(shè)計(jì)與仿真

1、高壓電源在電源領(lǐng)域中屬于特種電源，它的應(yīng)用是非常廣泛的，其應(yīng)用領(lǐng)域主要在以下方面：高壓放電類：模擬雷擊、打耐壓的儀器、等離子發(fā)生器、電暈設(shè)備、臭氧發(fā)生器、激光器等高壓電場(chǎng)類：各類電子離子加速器、X射線源、靜電除塵、靜電噴涂、礦石高壓電選等按照高壓電源的輸出特性，一般主要分為三種類型：直流高壓輸出： 重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)是輸出電壓的精度、電壓紋波、重復(fù)性、溫飄等脈沖高壓輸出：重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)是輸出脈沖的上升下降速度、重復(fù)頻率、脈沖寬度等交流高壓輸出：重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)是輸出的波形、頻率、峰值電壓等靜電場(chǎng)類應(yīng)用的高壓電源的負(fù)載一般相當(dāng)于電阻，但是考慮到變壓器次級(jí)以及負(fù)載的分布電容，一般相當(dāng)于電阻與電容的并聯(lián)。

2、放電類的高壓電源，大多數(shù)應(yīng)用范圍都是氣體放電領(lǐng)域的應(yīng)用，負(fù)載是負(fù)阻特性，同時(shí)還有分布電容存在。所以負(fù)載特性很復(fù)雜?？梢哉f(shuō)，不把負(fù)載的特性搞清楚，針對(duì)負(fù)載特性來(lái)設(shè)計(jì)高壓電源，是很難設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的產(chǎn)品的。氣體放電種類很多，特性也很復(fù)雜，常見放電類型主要有電暈放電、輝光放電、電弧放電、火花放電傳統(tǒng)的電暈放電太弱，等離子數(shù)量少，效率低。輝光放電通常在低氣壓下容易實(shí)現(xiàn)，大氣壓下很難實(shí)現(xiàn)且易進(jìn)入電弧放電狀態(tài)，應(yīng)用上有局限性。電弧放電極不均勻，局部功率密度太高，產(chǎn)生高溫?fù)p壞設(shè)備。介質(zhì)阻擋放電的實(shí)質(zhì)是改良型的電暈放電，放電比較均勻，功率密度適中，可在大氣壓下穩(wěn)定放電。介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barr

3、ier Discharge) 顧名思義，就是在放電電極與放電氣體之間插入絕緣介質(zhì)。所以只能采用交流高壓電源來(lái)驅(qū)動(dòng)。這樣既能夠產(chǎn)生足夠的等離子密度，又可以避免放電進(jìn)入電弧放電的狀態(tài)。主要的應(yīng)用有臭氧發(fā)生器、低溫等離子發(fā)生器、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)廢氣處理、材料表面處理等領(lǐng)域。有介質(zhì)阻擋無(wú)介質(zhì)阻擋csdgdmcsdUCCCUfUCP4負(fù)載部分采用了RC-FMA近似法)2arctan(22RCng221)sincos1sin()cos1 (22sin212cosarctancos1sincos1sinarctanRnRe2212|tan2212RnCe定義如下變量：可求得RC-FMA等效參數(shù)：A

4、n RC load Model of Parallel and Series-Parallel Resonant DC-DC Converters with Capacitive Output FilterAuthor: Gregory Ivensky etc.dDlCln20圓柱電極電容計(jì)算公式：已知絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為3.7，根據(jù)上面電容的計(jì)算公式，代入?yún)?shù)?？梢郧蟮梅烹妴卧母麟娙輸?shù)據(jù)：pFdDl5 .184)2025ln(2 . 010854. 87 . 32ln2c1201外層介質(zhì)電容pFdDl4 .59)48ln(2 . 010854. 87 . 32ln2c1202內(nèi)層介質(zhì)電

5、容pFdDlg15.12)820ln(2 . 010854. 800058. 12ln2c120放電腔電容pFcc93.444 .5915 .18411111c21d總介質(zhì)電容已知空氣的擊穿電壓強(qiáng)度為3kV/mmV10995410ln43000rrlncsREU可以求得反應(yīng)器放電起始電壓為：已知該反應(yīng)器共有48個(gè)單元并聯(lián)，電源驅(qū)動(dòng)頻率1.6KHz而反應(yīng)器的放電功率約為1200W，根據(jù)求功率公式：1200448csdgdmcsdUcccUfUcP可求得高壓變壓器次級(jí)輸出峰值電壓應(yīng)為Um=21.88kV輸入電壓為直流500V，諧振電壓增益暫定為2，那么可以求得變壓器的匝比為：88.21500221

6、880NpNs實(shí)際經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的調(diào)整，最終變壓器的匝比為：n=3200/180=17.78實(shí)測(cè)變壓器的參數(shù)如下：初級(jí)電感為125mH，初級(jí)漏感為536uH，次級(jí)繞組分布電容為71.34pF實(shí)際測(cè)得負(fù)載電極對(duì)地的附加分布電容Cp為567.5pF未知參數(shù)僅剩下Lr與Cs待確定了。先進(jìn)行RC-FMA近似計(jì)算，把拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)。根據(jù)前面的公式和數(shù)據(jù)，通過(guò)RC-FMA近似計(jì)算，可得到最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)拓?fù)渲懈髟?shù)：Lm=125mH，Ctpp=201.9nF，Cdp=681.6nF，Cgpe=201.6nF，Re=254.3，Lr與Cs待求解。事實(shí)上，Lr與Cs有很多種組合方案，都是可行的。但是一般Cs

7、的值不能選的太小。否則電容的電壓應(yīng)力很大，容易擊穿。在本例中，Cs的取值是10uF，那么只剩下一個(gè)未知數(shù)Lr，根據(jù)每個(gè)元件的復(fù)阻抗，按照輸入輸出電壓的增益要求，我們可以求出Lr的值，在本例中，最終求得Lr的值為30mH。同時(shí)我們還求出，Cs的電壓應(yīng)力為45.7V，這是比較合適的，若Cs峰值電壓太高，我們應(yīng)該增大Cs的數(shù)值重新進(jìn)行計(jì)算。Lr的峰值電流為4.6A。H橋的電壓相位超前電流相位34.9度，H橋工作于零電壓開關(guān)狀態(tài)。仿真波形，蘭色為原邊電流，橙色為輸出電壓。實(shí)測(cè)波形，蘭色為原邊電流，橙色為輸出電壓。1，模型的準(zhǔn)確性。真實(shí)的氣體放電過(guò)程是非常復(fù)雜的，用電壓源或TVS的模型來(lái)模擬太過(guò)簡(jiǎn)單，誤差較大。2，材料參數(shù)的準(zhǔn)確性。例如尺寸的差異，介電常數(shù)的真實(shí)值以及溫度系數(shù)等。3，空氣擊穿強(qiáng)度的變化，真實(shí)的空氣擊穿電壓受很多因素，例如濕度、氣壓、溫度等的影響。4，某些參數(shù)是通過(guò)實(shí)測(cè)得到的。其準(zhǔn)確性也是需要存疑的。例如在存在分布電容的情況下，LCR表測(cè)量變壓器的繞組電感量會(huì)隨著頻率變化，那么究竟在哪個(gè)點(diǎn)測(cè)試的值才是比較接近真實(shí)的值？1，介紹