CN108093551B - 用于激励产生均匀放电高活性等离子体的复合电源装置 - Google Patents

用于激励产生均匀放电高活性等离子体的复合电源装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于激励产生均匀放电高活性等离子体的复合电源装置，包括高压纳秒脉冲电源、低频交流电源、高通滤波器、低通滤波器和负载；高压纳秒脉冲电源的输出与高通滤波器的一端口连接，高通滤波器的另一端口接到负载两端；低频交流电源的输出与低通滤波器的一端口连接，低通滤波器的另一端口接到负载两端。本发明的复合电源装置将高压纳秒脉冲电源和低压低频交流电源的输出叠加在一起，施加于DBD电极上易于产生均匀放电高活性等离子体，且可防止电源装置被破坏。

Description

用于激励产生均匀放电高活性等离子体的复合电源装置
技术领域
本发明属于放电等离子体技术领域，特别涉及一种用于激励产生均匀放电高活性等离子体的复合电源装置。
背景技术
低温等离子体在能源化工、材料表面改性以及医学杀菌消毒等领域有广泛的应用前景。大气压介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)是产生低温等离子体的重要方法之一，但如何产生大面积、均匀DBD一直是实验研究和工业应用中的难点。此外，等离子体的高活性也是等离子体应用关注的重点，如何有效地将能量耦合到化学反应中是亟需解决的重要问题。
传统的DBD驱动电源采用频率为102～105Hz、幅值为10kV左右的交流电源，交流电源消耗的功率较大，且不利于空气中均匀DBD等离子体的形成。另外，传统低频电源容易产生激发态分子，但是很难产生均匀放电。近年来随脉冲功率技术的发展而产生的高压纳秒脉冲电源作为DBD驱动电源易于产生均匀放电，且消耗功率低，受到国内外研究人员的广泛关注。现有技术存在的问题是：纳秒脉冲电源虽然瞬时功率高，但其能量用于气体电离，不是化学反应所需的振动态、转动态等激发态分子。而传统低频电源尽管容易产生激发态分子，但是却很难产生均匀放电。
中国专利申请公告第CN103368445B号，公开一种“直流加脉冲式的金属表面处理电源电路”，设计了一种可调直流叠加可调脉冲宽度与幅度波形的处理电源形式。中国专利申请公布号第CN106900135A号，公开“一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置”，搭建了应用于等离子体点火的高能纳秒脉冲叠加高压直流的电源装置，并采用了多针阵列-板式电极结构。
上述设计都使用了大量电力电子器件，纳秒脉冲放电会对电力电子器件产生较大电磁干扰，影响电力电子器件的稳定性，破坏电源装置。另外，因为所施加的直流电压大部分作用于介质上，而不是放电间隙中，使得直流电场耦合效率下降，无法有效地产生激发态分子，无法用于介质阻挡放电。
综上所述，亟需一种易于产生均匀放电的驱动电源装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于激励产生均匀放电高活性等离子体的复合电源装置，以解决上述存在技术问题。本发明的复合电源装置将高压纳秒脉冲电源和低压低频交流电源的输出叠加在一起，施加于DBD电极上易于产生均匀放电高活性等离子体。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于激励产生均匀放电高活性等离子体的复合电源装置，包括高压纳秒脉冲电源、低频交流电源、高通滤波器、低通滤波器和负载；高压纳秒脉冲电源的输出与高通滤波器的一端口连接，高通滤波器的另一端口接到负载两端；低频交流电源的输出与低通滤波器的一端口连接，低通滤波器的另一端口接到负载两端。
进一步的，还包括延时触发器；低频交流电源设置有触发输出端，高压纳秒脉冲电源设置有触发输入端，低频交流电源的触发输出端连接到延时触发器的输入端，延时触发器的输出端连接到高压纳秒脉冲电源的触发输入端。
进一步的，延时触发器的延时设置为0。
进一步的，高通滤波器为巴特沃斯型，采用电感-电容结构；低通滤波器为巴特沃斯型，采用电感-电容结构。
进一步的，低通滤波器采用三阶巴特沃斯型构造，包括电容C2和电感L1和L3；低频交流电源的高压端与电感L3的一端相连接，电感L3的另一端与电感L1的一端相连接，电感L1的另一端与负载的一端相连接，负载的另一端与低频交流电源的接地端相连接，电容C2的一端接入电感L1和电感L3之间的电路，电容C2的另一端接地。
进一步的，低通滤波器的截止频率为1MHz，特征阻抗为2000Ω；L1和L3均为线绕电感，电感值均为318μH，C2为瓷介电容，电容值为160pF。
进一步的，高通滤波器采用三阶巴特沃斯型构造，包括电容C4、C6和电感L5；高压纳秒脉冲电源的高压端与电容C4的一端相连接，电容C4的另一端与电容C6的一端相连接，电容C6的另一端与负载的一端相连接，负载的另一端与高压纳秒脉冲电源的接地端相连接，电感L5的一端接入电容C4和电容C6之间的电路，电感L5的另一端接地。
进一步的，高通滤波器的截止频率为100kHz，特征阻抗为2000Ω；电容C4和C6均为瓷介电容，电容值均为800pF，L5为绕线电感，电感值为1.59mH。
进一步的，负载为平行平板电极结构的介质阻挡放电单元，电极为黄铜材质，阻挡介质为氮化铝(AlN)陶瓷或阳极氧化铝(AAO)。
进一步的，低频交流电源的频率为50Hz，幅值范围为0～1kV；高压纳秒脉冲电源的频率为100Hz，半高宽为20ns，幅值范围为0～10kV。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明的高压纳秒脉冲电源的输出经过高通滤波器后施加到负载上，低频交流电源的输出经过低通滤波器后施加到负载上，实现高压纳秒脉冲和交流电压的叠加；使用高压纳秒脉冲电源，易于产生均匀放电等离子体，使用低压交流电源，可以形成更多高活性激发态分子，密度大、活性强，并且降低了***的功耗。本发明的高通滤波器可保证高压纳秒脉冲电源的输出以较小的损耗施加到负载上，同时可防止低频交流电源的输出对高压纳秒脉冲电源造成损伤；低通滤波器可保证低频交流电压的输出以较小的损耗施加到负载上，同时可防止高压纳秒脉冲的输出对低频交流电源造成损伤。本发明的负载为介质阻挡放电单元或者无阻挡介质放电单元。
进一步的，本发明通过延时触发器可实现纳秒脉冲的输出相位可控。低频交流电源的触发输出端连接到延时触发器的输入端，延时触发器的输出端连接到高压纳秒脉冲电源的触发输入端。当低频交流电源产生的正弦电压过零时，输出触发信号到延时触发器，延时触发器在预先设定的延时后产生触发信号触发高压纳秒脉冲电源产生脉冲输出。纳秒脉冲源可以实现单次触发或序列触发。在高压纳秒脉冲与低频交流电压叠加的情况下高压纳秒脉冲的产生相位可控，在纳秒脉冲作用后，容易产生规则的均匀放电，相当于同时控制了均匀放电的相位。
进一步的，高通滤波器和低通滤波器都是巴特沃斯型的，具有通带衰减特性平坦、易于设计等特点，高通滤波器和低通滤波器均采用电感-电容结构，可避免阻容结构引起的能量损耗。
进一步的，低通滤波器的截止频率设计为只允许低频交流电压通过，而阻挡高压纳秒脉冲通过，保证了低频交流电压的输出以较小的损耗施加到负载上，同时防止高压纳秒脉冲的输出对低频交流电源造成损伤。
进一步的，高通滤波器的截止频率设计为只允许高压纳秒脉冲通过，而阻挡低频的交流电压通过，保证了高压纳秒脉冲电源的输出以较小的损耗施加到负载上，同时防止低频交流电源的输出对高压纳秒脉冲电源造成损伤。
进一步的，负载为平行平板电极结构的介质阻挡放电单元，其电极为黄铜材质，阻挡介质可按需更换，放电间隙距离可调。
附图说明
图1为本发明的一种用于激励产生均匀放电高活性等离子体的复合电源装置的结构示意图；
图2为图1中的低通滤波器的电路示意图；
图3为图1中的高通滤波器的电路示意图；
图4为图1中的介质阻挡放电单元结构图。
在图1中，高压纳秒脉冲电源10；低频交流电源20；延时触发器30；高通滤波器40；低通滤波器50；负载60。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明。
请参阅图1至图4所示，本发明的一种用于激励产生均匀放电高活性等离子体的复合电源装置，包括高压纳秒脉冲电源10、低频交流电源20、延时触发器30、高通滤波器40、低通滤波器50以及负载60。
高压纳秒脉冲电源10的输出与高通滤波器40的一端口连接，高通滤波器40的另一端口接到负载60两端。低频交流电源20的输出与低通滤波器50的一端口连接，低通滤波器50的另一端口接到负载60两端。
低频交流电源20的触发输出端连接到延时触发器30的输入端，延时触发器30的输出端连接到高压纳秒脉冲电源10的触发输入端。
延时触发器30的延时设置为0，即在交流电压过零的瞬间触发高频纳秒脉冲电源10产生纳秒脉冲。低频交流电源20的频率为50Hz，幅值为0～1kV可调，高压纳秒脉冲电源10的频率为100Hz；高压纳秒脉冲的半高宽为20ns，幅值为0～10kV可调。
低通滤波器50采用三阶巴特沃斯型构造，其电路图如图2所示。低通滤波器50包括电感L1、电感L3和电容C2，电感L1的一端连接负载60一端，另一端连接电感L3一端和电容C2一端，电感L3另一端连接低频交流电源20的高压端，电容C2的另一端连接低频交流电源20的接地端和负载60另一端并接地。归一化巴特沃斯型低通滤波器的各元件参数值可通过计算公式：
Figure BDA0001516455420000061
和
Figure BDA0001516455420000062
来计算。其中，k＝1,2,…,n，n为滤波器阶数，Ck为第k阶电容的电容值，Lk为第k阶电感的电感值。得到归一化低通滤波器的各元件参数值后，再进行截止频率变换和特征阻抗变换即可得到要求实现的滤波器。低通滤波器50的截止频率设计为1MHz，特征阻抗为2000Ω。其中L1和L3均为线绕电感，其电感值为318μH，C2为瓷介电容，其电容值为160pF。通过设置上述低通滤波器50可防止高压纳秒脉冲电源10的输出对低频交流电源20造成伤害。
高通滤波器40采用三阶巴特沃斯型构造，其电路图如图3所示。高通滤波器40包括电容C4、电容C6和电感L5，电容C6一端连接负载60一端，另一端连接电容C4一端和电感L5一端，电容C4另一端连接高压纳秒脉冲电源10的高压端，电感L5另一端连接高压纳秒脉冲电源10的接地端和负载60另一端；负载60另一端接地GND1。各元件参数可通过先求归一化巴特沃斯型低通滤波器参数，然后调换电容电感元件并求原归一化值的倒数，最后进行截止频率变换和特征阻抗变换的方法求得。高通滤波器40的截止频率设计为100kHz，特征阻抗为2000Ω。其中电容C4和C6为瓷介电容，电容值为800pF，L5为线绕电感，电感值为1.59mH。通过设置上述高通滤波器40可防止低频交流电源20的输出对高压纳秒脉冲电源10造成伤害。
负载60为平行平板电极结构的介质阻挡放电单元，其结构图如图4所示。其电极1为黄铜材质，阻挡介质2为氮化铝(AlN)陶瓷或阳极氧化铝(AAO)，在AlN和AAO作阻挡介质时更有利于均匀放电的产生。
本发明的高压纳秒脉冲电源的输出经过高通滤波器后施加到负载上，低频交流电源的输出经过低通滤波器后施加到负载上，实现高压纳秒脉冲和交流电压的叠加；使用高压纳秒脉冲电源，易于产生均匀放电等离子体，使用低压交流电源，可以形成更多高活性激发态分子，密度大、活性强，并且降低了***的功耗。本发明的高通滤波器可保证高压纳秒脉冲电源的输出以较小的损耗施加到负载上，同时可防止低频交流电源的输出对高压纳秒脉冲电源造成损伤；低通滤波器可保证低频交流电压的输出以较小的损耗施加到负载上，同时可防止高压纳秒脉冲的输出对低频交流电源造成损伤。本发明的负载为介质阻挡放电单元或者无阻挡介质放电单元。
本发明通过延时触发器可实现纳秒脉冲的输出相位可控。低频交流电源的触发输出端连接到延时触发器的输入端，延时触发器的输出端连接到高压纳秒脉冲电源的触发输入端。当低频交流电源产生的正弦电压过零时，输出触发信号到延时触发器，延时触发器在预先设定的延时后产生触发信号触发高压纳秒脉冲电源产生脉冲输出。纳秒脉冲源可以实现单次触发或序列触发。在高压纳秒脉冲与低频交流电压叠加的情况下高压纳秒脉冲的产生相位可控，在纳秒脉冲作用后，容易产生规则的均匀放电，相当于同时控制了均匀放电的相位。

Claims (1)

1.一种用于激励产生均匀放电高活性等离子体的复合电源装置，其特征在于，包括高压纳秒脉冲电源(10)、低频交流电源(20)、高通滤波器(40)、低通滤波器(50)和负载(60)；
高压纳秒脉冲电源(10)的输出与高通滤波器(40)的一端口连接，高通滤波器(40)的另一端口接到负载(60)两端；低频交流电源(20)的输出与低通滤波器(50)的一端口连接，低通滤波器(50)的另一端口接到负载(60)两端；
还包括延时触发器(30)；
低频交流电源(20)设置有触发输出端，高压纳秒脉冲电源(10)设置有触发输入端，低频交流电源(20)的触发输出端连接到延时触发器(30)的输入端，延时触发器(30)的输出端连接到高压纳秒脉冲电源(10)的触发输入端；
延时触发器(30)的延时设置为0；
高通滤波器(40)为巴特沃斯构造，采用电感-电容结构；低通滤波器(50)为巴特沃斯构造，采用电感-电容结构；
低通滤波器(50)包括电容C2和电感L1和L3；
低频交流电源(20)的高压端与电感L3的一端相连接，电感L3的另一端与电感L1的一端相连接，电感L1的另一端与负载(60)的一端相连接，负载(60)的另一端与低频交流电源(20)的接地端相连接，电容C2的一端接入电感L1和电感L3之间的电路，电容C2的另一端接地；
高通滤波器(40)包括电容C4、C6和电感L5；
高压纳秒脉冲电源(10)的高压端与电容C4的一端相连接，电容C4的另一端与电容C6的一端相连接，电容C6的另一端与负载(60)的一端相连接，负载(60)的另一端与高压纳秒脉冲电源(10)的接地端相连接，电感L5的一端接入电容C4和电容C6之间的电路，电感L5的另一端接地；
负载(60)为平行平板电极结构的介质阻挡放电单元，电极为黄铜材质，阻挡介质为氮化铝陶瓷或阳极氧化铝；
低通滤波器(50)的截止频率为1MHz，特征阻抗为2000Ω；L1和L3均为线绕电感，电感值均为318μH，C2为瓷介电容，电容值为160pF；
高通滤波器(40)的截止频率为100kHz，特征阻抗为2000Ω；电容C4和C6均为瓷介电容，电容值均为800pF，L5为绕线电感，电感值为1.59mH；
低频交流电源(20)的频率为50Hz，幅值范围为0～1kV；高压纳秒脉冲电源(10)的频率为100Hz，半高宽为20ns，幅值范围为0～10kV。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111697870A (zh) * 2020-05-20 2020-09-22 中国人民解放军空军工程大学 一种低电压、低功率和低电磁干扰的脉冲-交流组合式纳秒脉冲放电产生装置和产生方法
US12010768B2 (en) 2021-10-20 2024-06-11 Goodrich Corporation Hybrid power supply systems, methods, and devices for excimer lamps
CN115117973B (zh) * 2022-07-15 2023-09-26 首凯高科技(江苏)有限公司 一种电压叠加型复合电源***

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1551305A (zh) * 2003-05-16 2004-12-01 ���������ƴ���ʽ���� 等离子体处理装置及其控制方法
CN101043784A (zh) * 2006-03-21 2007-09-26 显示器生产服务株式会社 混合等离子体反应器
CN102694525A (zh) * 2011-03-23 2012-09-26 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 双频滤波装置及其处理方法和半导体设备
CN203504452U (zh) * 2013-10-23 2014-03-26 天津市英格环保科技有限公司 用于双介质低温等离子反应器的陡前沿纳秒脉冲电源
CN105259430A (zh) * 2015-11-11 2016-01-20 国家电网公司 一种基于pea法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极
WO2017069617A1 (en) * 2015-10-19 2017-04-27 Technische Universiteit Delft Dielectric barrier discharge DBD plasma system for an air-foil of a wind turbine or an airplane
CN206721124U (zh) * 2017-05-17 2017-12-08 哈尔滨理工大学 一种直流叠加交流脉冲型电场的原油电脱水装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105093107A (zh) * 2015-09-11 2015-11-25 东北电力大学 脉冲水开关的耐受电压和脉冲频率的测量仪器及其方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1551305A (zh) * 2003-05-16 2004-12-01 ���������ƴ���ʽ���� 等离子体处理装置及其控制方法
CN101043784A (zh) * 2006-03-21 2007-09-26 显示器生产服务株式会社 混合等离子体反应器
CN102694525A (zh) * 2011-03-23 2012-09-26 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 双频滤波装置及其处理方法和半导体设备
CN203504452U (zh) * 2013-10-23 2014-03-26 天津市英格环保科技有限公司 用于双介质低温等离子反应器的陡前沿纳秒脉冲电源
WO2017069617A1 (en) * 2015-10-19 2017-04-27 Technische Universiteit Delft Dielectric barrier discharge DBD plasma system for an air-foil of a wind turbine or an airplane
CN105259430A (zh) * 2015-11-11 2016-01-20 国家电网公司 一种基于pea法的交流叠加直流电压下介质空间电荷测量电极
CN206721124U (zh) * 2017-05-17 2017-12-08 哈尔滨理工大学 一种直流叠加交流脉冲型电场的原油电脱水装置

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