介质阻挡强电离放电用IGBT逆变电源的研制 _知识百科

介质阻挡强电离放电技术是等离子体应用技术中新兴的一个重要方面。它利用冶贴等方法在气体放电间隙的两侧或一侧覆盖上一层很薄的电介质层，当在两极间施加一定频率的高压交流电时，间隙内的气体就会被电离，形成强烈的气体放电，从而产生高浓度的等离子体。间隙内气体的放电强度是一个与频率、电压、材料及结构有关的量。受大功率变频器件及技术的限制，传统的用于介质阻挡放电的电源装置只能采用两种方式实现：一是利用变压器将工频交流电直接升压到所需电压；二是利用晶闸管等器件将工频交流电调制成相对较高频率的交流电。采用这两种方式供电，尽管在放电装置的两极间能够施加很高的电压，且采用晶闸管或GTR等器件的逆变电源也使放电装置工作频率有所提高，但仍然满足不了高性能气体放电的需要，放基金项目：国家自然基金资助项目（69871002）程师，研究方向为电力电子技术在等离子体工程中的应用。
电间隙内的气体放电不够强烈。放电装置及逆变电源装置的体积庞大，逆变电源的结构复杂且不稳定，满足不了实际应用的需要，限制了介质阻挡强电离放电这一应用技术的发展。
IGBT等高频大功率电力电子器件的出现以及相关变频技术的发展，为介质阻挡强电离放电这一新兴技术的发展提供了可靠的前提及保证。我们知道， IGBT是MOSFET和GTR的复合器件，具有MOSEFT和GTR的双重优点。将IGBT应用于介质阻挡强电离放电的逆变电源中，不仅使介质阻挡放电装置的性能成倍提高，同时也使放电装置及电源装置的体积成倍减少，逆变电源进一步简化，使介质阻挡强电离放电技术的应用范围越来越广阔。
2介质阻挡放电的等效电路介质阻挡放电的原理结构如a所示， 1为高压电极；为电介质层；3为放电间隙；4为接地电极；5为供电电源。由物理结构分析，介质阻挡放电实际上是由放电电极、电介质层、放电气隙构成的有损耗的电容器，对供电电源来说可等效为阻容性负载。 b为介质阻挡放电的等效电路图。其中Cg为放电气隙的电容量；Rg为放电间隙等效电阻，它随电极间施加的电压变化而变化，具有很强的非线性；Cs为电介质的电容量。电介质层的插入，有效地抑制了放电电流的无限制增大，阻止了放电间隙产生火花放电或弧光放电，使间隙内形成的气体放电更加强烈，并因此增加了一些新的特点：①介质阻挡放电装置具有较高的初始电压和工作电压。当在介质阻挡放电装置的两电极间施加的电压低于初始电压时，间隙内不会形成气体放电，通过负载的电流很小。当间隙内的电压高于放电间隙的初始电压时，间隙内开始发生气体放电，放电的强度与这一电压成正比，电压越高放电越强烈；②要实现介质阻挡强电离放电，供电电源必须具有较高的工作频率，介质阻挡放电的强度与电源电压的频率成正比。电极两端所施加的电压频率越高、间隙内气体放电越强烈，同时介质的损耗越大，发热越严重；③为了达到最佳的放电效果，介质阻挡放电装置中的电介质层一般制造得很薄，所施加的电压常常工作在接近临界击穿电压值处，放电装置的过电压能力很低；④介质阻挡放电装置属于阻容性负载，电路工作时可能会与变压器及电路的漏感形成LC振荡，从而使负载两端形成过电压，特别是在启动时更容易形成谐振过电压，危及放电装置及电源自身的安全，因此电路的设计必须保证施加到负载上的电压能够快速地越过起始电压，又不会形成过电压。
3介质阻挡放电用IGBT逆变电源的基本结构按照介质阻挡放电技术要求设计的IGBT逆变电源的框图如所示。三相交流电经EMC滤波后由整流滤波电路整流成平滑直流电。 IGBT全桥逆变器将这一直流电转换成占空比在一定范围内均匀可调的单相交流电，再经过高频高压变压器升压后输出给介质阻挡放电装置。系统的所有调节都是通过IGBT全桥逆变器实现的。电源系统中采用EMC滤波电路的目的是为了有效地抑制逆变电路及高频高压气体放电产生的电磁噪声和传导噪声，从而防止逆变电源及高频高压气体放电对市电网络、电源系统本身以及周围的其他仪器设备产生干扰。系统中整流滤波部分采用三相全桥不可控整流及LC滤波，可使电路简化，成本降低。 IGBT逆变器采用全桥PWM技米既满足了介质阻挡放电技术的要求，又使逆变电源系统结构简化。高频高压变压器采用的是适合于高频工作的铁氧体磁芯，绕组绕制时尽量采用绝缘性能好且较薄的绝缘材料，同时将线圈匝数小的一次线圈绕在二次线圈中间，减少漏感。