介質阻擋放電(DBD)最早起源於對臭氧發生及其應用技術的研究。近二十多年來，由於工業等離子體化學合成與分解、環huan境jing汙wu染ran治zhi理li等deng方fang麵mian的de需xu求qiu

，同tong時shi又you由you於yu材cai料liao科ke學xue和he電dian力li電dian子zi技ji術shu等deng相xiang關guan學xue科ke也ye取qu得de了le較jiao大da的de發fa展zhan，因yin此ci促cu進jin了le對dui介jie質zhi阻zu擋dang等deng離li子zi體ti產chan生sheng係xi統tong的de研yan究jiu
，並bing很hen快kuai成cheng為wei低di溫wen非fei平ping衡heng等deng離li子zi體ti研yan究jiu的de熱re點dian之zhi一yi。
　　
介質阻擋等離子體裝置作為一個由反應器、電源、媒質氣體等組成的係統
，通常要在適當的氣體流量
、氣體壓力
、濕度和一定的電源電壓、頻率條件下工作，電源是給放電裝置提供能量的重要組成部分
，亦是關鍵技術。
　　
電源工作原理與技術要點
　　
介質阻擋等離子體發生器電源自上個世紀以來隨著電子技術
、電力電子技術、控製技術和材料技術等相關學科和技術的發展，經曆了工頻(50／60Hz)
、中頻(幾百至幾千Hz)和高頻(>10kHz)三(san)個(ge)階(jie)段(duan)
，高(gao)頻(pin)高(gao)壓(ya)串(chuan)聯(lian)負(fu)載(zai)諧(xie)振(zhen)式(shi)電(dian)源(yuan)是(shi)目(mu)前(qian)主(zhu)要(yao)發(fa)展(zhan)方(fang)向(xiang)。本(ben)文(wen)研(yan)製(zhi)大(da)功(gong)率(lv)電(dian)源(yuan)的(de)主(zhu)電(dian)回(hui)路(lu)亦(yi)采(cai)用(yong)高(gao)頻(pin)高(gao)壓(ya)串(chuan)聯(lian)負(fu)載(zai)諧(xie)振(zhen)式(shi)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)，其(qi)諧(xie)振(zhen)式(shi)控(kong)製(zhi)采(cai)用(yong)電(dian)流(liu)過(guo)零(ling)關(guan)斷(duan)形(xing)式(shi)。
　　
1)介質阻擋等離子體串聯諧振式電源工作原理
　　
Hideaki Fujita和Kazuyuki Ohe分fen別bie設she計ji了le用yong於yu介jie質zhi阻zu擋dang等deng離li子zi體ti係xi統tong的de脈mai衝chong密mi度du控kong製zhi電dian源yuan和he用yong於yu臭chou氧yang生sheng產chan的de時shi控kong逆ni變bian電dian源yuan。電dian源yuan的de電dian壓ya和he頻pin率lv是shi兩liang個ge重zhong要yao參can數shu，研yan究jiu電dian壓ya和he頻pin率lv對dui放fang電dian性xing能neng的de影ying響xiang的de報bao道dao也ye很hen多duo，但dan在zai激ji勵li電dian源yuan變bian壓ya器qi參can數shu與yu反fan應ying器qi結jie構gou參can數shu相xiang匹pi配pei方fang麵mian的de研yan究jiu還hai未wei見jian報bao道dao。由you於yu介jie質zhi阻zu擋dang等deng離li子zi體ti係xi統tong中zhong存cun在zai具ju有you感gan性xing的de電dian源yuan變bian壓ya器qi和he具ju有you容rong性xing的de介jie質zhi阻zu擋dang等deng離li子zi體ti反fan應ying器qi
，實shi際ji上shang構gou成cheng了le一yi個geR、L
、C串(chuan)聯(lian)電(dian)路(lu)係(xi)統(tong)，該(gai)係(xi)統(tong)必(bi)然(ran)存(cun)在(zai)一(yi)個(ge)固(gu)有(you)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)，並(bing)會(hui)影(ying)響(xiang)到(dao)介(jie)質(zhi)阻(zu)擋(dang)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)係(xi)統(tong)的(de)頻(pin)率(lv)特(te)性(xing)，進(jin)而(er)影(ying)響(xiang)介(jie)質(zhi)阻(zu)擋(dang)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)的(de)放(fang)電(dian)性(xing)能(neng)。因(yin)此(ci)
，對(dui)介(jie)質(zhi)阻(zu)擋(dang)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)係(xi)統(tong)諧(xie)振(zhen)問(wen)題(ti)的(de)研(yan)究(jiu)對(dui)於(yu)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)放(fang)電(dian)性(xing)能(neng)參(can)量(liang)具(ju)有(you)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。
　　
本文采用串聯諧振式電源，其主回路如圖1所示，線框I代表的是串聯逆變供電電源，其中整流二極管VDZ1～VDz6組成三相不可控整流

，和濾波電感L和儲能電容C1
、C2共同形成逆變電路輸入的直流電壓VD1；IGBT的VT1～VT2和快恢複二極管VD1～VD2構成半橋逆變電路


；線框II是電流過零關斷諧振控製電路，由霍爾電流傳感器TFI檢測信號
，輸入諧振控製器CTRL，CTRL產生IGBT控製信號，輸入IGBT控製極；線框III為阻擋介質反應器等效電路，其中Cd和Cg分別為未放電時介質和氣隙等效電容，VDZ為擊穿電壓為Uz的等效雙向穩壓二極管。TF為高頻升壓變壓器。

圖1：適用介質阻擋等離子體串聯諧振式電源的主回路

2)串聯諧振式控製與電流過零關斷
　　
高頻高壓串聯負載諧振式電源的主要控製方式有：率因數調節PFR(Power FactorRegulation)，PFR控製靠改變驅動信號與反饋電流Ui的相位來調節輸出功率
；脈衝密度調製PDM(ulse Density Modulation)，PDM控製通過對逆變器的開關脈衝進行間斷控製，調節輸出脈衝密度的大小
，以達到功率調節的目的；移相控製一脈衝寬度調製PSC—PWM(hase ShiftingContr0l-PWM)，PSC-PWM控製將基本橋臂的驅動信號與反饋電流Ui同相位
，再使移動橋臂驅動信號超前或滯後基本橋臂驅動信號一個相角。
　　
但dan是shi，上shang述shu串chuan聯lian負fu載zai諧xie振zhen式shi電dian源yuan控kong製zhi方fang式shi都dou存cun在zai電dian子zi開kai關guan損sun耗hao大da，影ying響xiang電dian子zi開kai關guan安an全quan使shi用yong的de問wen題ti，電dian子zi開kai關guan的de損sun耗hao隨sui著zhe頻pin率lv增zeng大da成cheng比bi例li增zeng加jia，限xian製zhi了le功gong率lv提ti高gao。為wei提ti高gao開kai關guan功gong率lv，降jiang低di開kai關guan損sun耗hao
，減jian小xiao電dian源yuan體ti積ji，本ben文wen采cai用yong準zhun諧xie振zhen電dian流liu過guo零ling的de軟ruan關guan斷duan技ji術shu
，有you效xiao地di降jiang低di伴ban隨sui著zhe高gao頻pin化hua帶dai來lai的de損sun耗hao，突tu破po大da功gong率lvIGBT模塊的長期工業化安全使用難題。
　　
本文采用的準諧振電流過零電子開關軟關斷方法，工作原理如下：
　　
圖2是研製電源TFI測量主電流IL曲線，一個諧振工作周期分為t0～t2：兩個工作區間。區間l(t0≤t<t1)，t0前VT2導通，t0時刻IL過零，控製回路檢測到過零點時，VT2零電流關斷，實現所謂“過零關軟關斷”，此時VT1尚未導通，電流通過VD1向電源反饋能量；t0後控製信號在t0時刻驅動VT1導通。區間2(t1≤t<t2)
，到t1時刻
，電流IL再次過零

，控製信號在t1時刻驅動VT1零電流關斷，然後驅動VT2導通
；工作至t2時刻IL再次過零。t2～t3～t4時段，電路進入下一周期的循環。由於是控製回路檢測到過零點時驅動開關關斷導通和開關
，主回路的工作頻率fs取決於主回路的諧振參數，選取適合的主回路參數，將諧振頻率限製在16～30kHz，對於大電流IGBT安全工作是非常必要。

圖2：電流過零諧振式電源主回路工作電流波形圖

等離子體發生電源工業運行特性
　　
本ben文wen研yan製zhi電dian源yuan是shi為wei大da型xing介jie質zhi阻zu擋dang放fang電dian負fu載zai配pei套tao，運yun用yong於yu等deng離li子zi體ti煙yan氣qi脫tuo硫liu脫tuo硝xiao工gong業ye裝zhuang置zhi。在zai一yi係xi列lie工gong業ye試shi驗yan和he運yun行xing中zhong
，本ben電dian源yuan係xi統tong表biao現xian穩wen定ding、可靠
，達到了工程研製目標，表現出優秀特性。
　　
如圖3所示，整個大功率電源實際工業係統的組成如下：三相380Vgongpinjiaoliudianyuan
，xianjingguogelibianyaqi

，zaijingsanxiangtiaoyabianyaqijiangyazhigongzuodianya，shurugaoyagaopinfashengdianyuan
，chanshengdegaoyagaopindianliujiazaizaiyoubanyibandianjijiegouzuchengdejiezhizudangfangdianfuzaishang。

圖3：大功率電源實際工業係統組成簡圖

隔離變壓器輸入和輸出均為380V，隔離變壓器的主要作用是：保證後續電路與供電主回路的隔離以免受到主回路中比較大的電壓
、電dian流liu特te性xing變bian動dong的de影ying響xiang，達da到dao後hou續xu電dian路lu的de穩wen定ding性xing
，同tong時shi防fang止zhi高gao壓ya脈mai衝chong電dian源yuan對dui主zhu回hui路lu的de影ying響xiang，防fang止zhi造zao成cheng電dian源yuan汙wu染ran

，提ti高gao整zheng個ge一yi二er次ci電dian路lu的de安an全quan性xing和he可ke靠kao性xing。三san相xiang調tiao壓ya變bian壓ya器qi通tong過guo輸shu出chu電dian壓ya調tiao節jie
，控kong製zhi電dian源yuan係xi統tong的de功gong率lv輸shu出chu，本ben電dian源yuan係xi統tong使shi用yong的de機ji械xie式shi調tiao壓ya變bian壓ya器qi
，也ye可ke很hen方fang便bian的de采cai用yong電dian子zi調tiao壓ya方fang法fa。阻zu擋dang介jie質zhi放fang電dian負fu載zai為wei多duo個ge板ban一yi板ban電dian極ji結jie構gou負fu載zai的de並bing聯lian

，為wei一yi般ban大da功gong率lv阻zu擋dang介jie質zhi放fang電dian負fu載zai形xing式shi。
　　
1)電源過零開關軟關斷運行特性
　　
是shi否fou真zhen正zheng實shi現xian電dian流liu過guo零ling電dian子zi開kai關guan軟ruan關guan斷duan，是shi串chuan聯lian負fu載zai諧xie振zhen式shi電dian源yuan能neng否fou長chang時shi間jian可ke靠kao工gong作zuo的de關guan鍵jian，特te別bie在zai電dian源yuan大da功gong率lv工gong作zuo狀zhuang態tai，實shi現xian電dian流liu過guo零ling電dian子zi開kai關guan軟ruan關guan斷duan尤you為wei困kun難nan和he重zhong要yao。
　　
本文對電源在現場實際運行狀態進行了主電流IL的(de)測(ce)量(liang)，獲(huo)得(de)了(le)大(da)功(gong)率(lv)下(xia)電(dian)流(liu)過(guo)零(ling)電(dian)子(zi)開(kai)關(guan)軟(ruan)關(guan)斷(duan)特(te)性(xing)。電(dian)源(yuan)高(gao)壓(ya)高(gao)頻(pin)電(dian)源(yuan)產(chan)生(sheng)並(bing)輸(shu)出(chu)幾(ji)萬(wan)伏(fu)的(de)高(gao)頻(pin)電(dian)壓(ya)，輸(shu)出(chu)端(duan)為(wei)一(yi)個(ge)高(gao)電(dian)壓(ya)電(dian)極(ji)接(jie)反(fan)應(ying)器(qi)負(fu)載(zai)正(zheng)極(ji)，另(ling)一(yi)端(duan)負(fu)極(ji)接(jie)反(fan)應(ying)器(qi)負(fu)載(zai)負(fu)極(ji)，負(fu)極(ji)必(bi)須(xu)可(ke)靠(kao)接(jie)地(di)。負(fu)極(ji)上(shang)串(chuan)有(you)互(hu)感(gan)器(qi)(見圖3)
，互感器的輸出信號由數字示波器觀察並記錄如圖4
，這樣可由示波器觀察到放電回路中波形變化。　　

圖4：串聯負載諧振電源輸出電流和電流過零軟關斷特性

由於實際諧振電源控製電路在電流過零關斷驅動IGBT時存在誤差，產生瞬時脈衝震蕩不可避免，驅動誤差越小則脈衝震蕩越小


，脈衝震蕩小，電源電子開關IGBT工作安全性就高。圖4和圖2中的波形毛刺就是IBGTqudongguanduanwuchaxingchengdemaichongzhendangdianliu
，tabiaomingzaidagonglvgongzuozhuangtaixia，benwenyanzhidedianyuanxitongzaidianliuguolingguanduankongzhichuanlianfuzaixiezhenfangmian，dadaolehengaodejishushuiping，wanquanbaozhengdianyuandagonglvzhuangtaixiachangshijianlianxugongzuodeyaoqiu，jieguolingrenmanyi。
　　
2)電源變負載自適應運行特性
　　
本(ben)文(wen)研(yan)製(zhi)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)又(you)一(yi)重(zhong)要(yao)特(te)點(dian)時(shi)變(bian)負(fu)載(zai)自(zi)適(shi)應(ying)運(yun)行(xing)特(te)性(xing)
，這(zhe)一(yi)優(you)點(dian)對(dui)工(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)尤(you)為(wei)重(zhong)要(yao)。眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi)

，實(shi)際(ji)工(gong)業(ye)負(fu)載(zai)很(hen)難(nan)做(zuo)到(dao)非(fei)常(chang)穩(wen)定(ding)，特(te)別(bie)是(shi)大(da)功(gong)率(lv)負(fu)載(zai)尤(you)其(qi)如(ru)此(ci)。
　　
所(suo)謂(wei)變(bian)負(fu)載(zai)自(zi)適(shi)應(ying)運(yun)行(xing)特(te)性(xing)是(shi)指(zhi)電(dian)源(yuan)的(de)諧(xie)振(zhen)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)並(bing)不(bu)固(gu)定(ding)係(xi)統(tong)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)，係(xi)統(tong)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)是(shi)由(you)係(xi)統(tong)中(zhong)存(cun)在(zai)具(ju)有(you)感(gan)性(xing)的(de)高(gao)頻(pin)變(bian)壓(ya)器(qi)和(he)具(ju)有(you)容(rong)性(xing)的(de)DBD反應器負載所決定
，它們實際上構成了一個R、L、C串(chuan)聯(lian)諧(xie)振(zhen)電(dian)路(lu)。係(xi)統(tong)負(fu)載(zai)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)時(shi)，係(xi)統(tong)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)亦(yi)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。本(ben)文(wen)研(yan)製(zhi)電(dian)源(yuan)諧(xie)振(zhen)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)是(shi)通(tong)過(guo)檢(jian)測(ce)主(zhu)諧(xie)振(zhen)電(dian)流(liu)實(shi)現(xian)電(dian)流(liu)過(guo)零(ling)軟(ruan)關(guan)斷(duan)控(kong)製(zhi)
，因(yin)此(ci)
，諧(xie)振(zhen)控(kong)製(zhi)與(yu)負(fu)載(zai)特(te)性(xing)無(wu)關(guan)
，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)電(dian)源(yuan)的(de)變(bian)負(fu)載(zai)自(zi)適(shi)應(ying)運(yun)行(xing)特(te)性(xing)。
　　
zaibenwenyanzhidianyuanxitongdegongchengyunyongshiyanzhong，faxianxitongdefuzaibuwending
，shiduduifuzaidianqitexingchanshengbuliangyingxiang。zaibutongtianqiqingkuangxiajinxinglexitongdefuzaiceshi，xianshixitongfuzaidedianzutexingfashenghendabianhua，cong1．56MΩ～200．0MΩ。電源係統的在負載變化情況下，運行諧振頻率相應變化
，運行結果見圖5。

圖5：負載保護對電源諧振頻率的影響

3)大功率長時間工業運行特性
　　
大功率諧振電源啟動是發生電子開關IGBT燒損事故最危險時刻，諧振啟動過程的良好設計是研製電源的第一個關鍵問題，本文研製電源係統很好解決了這一難題。
　　
本文研製電源在配套的大型阻擋介質放電負載上已經過無數次啟動，至今為止尚未發生IGBT燒損現象，完全滿足工業應用要求。
　　
圖6是研製電源在大功率啟動過程的IGBT觸發信號和諧振主電流特性曲線
，主諧振回路經過6～8個諧振周期，主諧振電流達到了穩定工作電流，諧振電流包絡線增長平滑。

圖6：大功率電源諧振啟動過程主電流波形

為了配合介質阻擋放電DBD反應器的工業試驗
，本文研製電源進行了長期運行工作可靠性考核，包括48小時12～30kw電源連續運行無故障，至今為止累計運行數千小時無故障

，整個電源係統性能狀態穩定。
　　
圖7是隨機采集的電源工作狀態諧振輸出電流Io的波形曲線，圖中(a)和(b)是分別在不同時間尺度200μs和1．0ms的波形描述。圖7(a)中出現的少量曲線毛刺說明：盡管采用電流過零電子開關軟關斷技術，由於電子器件實際性能和大功率工作狀態，仍然會出現少量瞬時電流震蕩脈衝，但不影響IGBT的安全工作。圖7(b)呈現的諧振電流包絡線波動現象
，分析認為是整個諧振係統電路中的約300Hz低頻因素造成。

圖7：大功率運行狀態時電源諧振輸出電流波形

針對本文研製電源，進行了不同功率運行的現場工業試驗
，結果見表l。如前麵所述，電源係統功率調節是通過控製三相調壓變壓器實現，在配套介質阻擋放電DBD負載上，運行功率從l8kW至最大約80kW。由於本文板一板電極結構介質阻擋放電負載所能承受過載電流能力的限製，60kW以上的工作功率試驗均隻進行了短時運行，以防負載的阻擋介質擊穿燒毀，基於同樣的原因，80kw以上的試驗未進行。

在表l的全部電源不同功率運行情況中，本文研製電源係統運行穩定、安全，電源係統無任何故障或異常現象
，說明本文研製電源的功率設計有很大的冗容，完全可能達到lOOkW甚至更大的工作功率。

表1：不同功率電源運行參數

研yan製zhi了le大da功gong率lv介jie質zhi阻zu擋dang放fang電dian串chuan聯lian諧xie振zhen式shi電dian源yuan係xi統tong，成cheng功gong配pei套tao和he應ying用yong在zai大da功gong率lv板ban一yi板ban電dian極ji阻zu擋dang介jie質zhi等deng離li子zi體ti煙yan氣qi處chu理li裝zhuang置zhi
，進jin行xing了le長chang時shi間jian現xian場chang工gong業ye運yun行xing
，研yan製zhi電dian源yuan係xi統tong運yun行xing穩wen定ding、啟動安全
，有很高的工程可靠性，掌握了此類大功率電源的設計和製造核心技術。
　　
諧振電流過零電子開關軟關斷是實現此類阻擋介質放電諧振電源大功率化的最佳方法之一，本文研究表明：該方法和技術非常有效的保證了電子器件IGBT的長期安全工作。
　　
進行了18～80kW不同功率運行試驗，本文研製電源係統具有很大的工作功率冗容，能夠達到100kW級工作水平。
　　
本(ben)文(wen)研(yan)製(zhi)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)具(ju)有(you)的(de)變(bian)負(fu)載(zai)自(zi)適(shi)應(ying)運(yun)行(xing)特(te)性(xing)，使(shi)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)不(bu)但(dan)能(neng)夠(gou)運(yun)用(yong)於(yu)配(pei)套(tao)的(de)煙(yan)氣(qi)處(chu)理(li)介(jie)質(zhi)阻(zu)擋(dang)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)反(fan)應(ying)器(qi)
，而(er)且(qie)可(ke)以(yi)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)包(bao)括(kuo)臭(chou)氧(yang)發(fa)生(sheng)器(qi)的(de)一(yi)係(xi)列(lie)介(jie)質(zhi)阻(zu)擋(dang)DBD發生器負載，應用前景廣闊。