一种太阳能供电的便携式微秒脉冲高压电源的制作方法

本发明涉及的是一种太阳能供电的便携式微秒脉冲高压电源，属于能源动力技术领域。

背景技术：

低温等离子体因在环境污染治理、医学杀菌、材料改性及流动控制等领域具有独特的优越性而愈加受到广泛的应用。用于产生低温等离子体的高压电源主要有高频交流电源、微秒脉冲电源与纳秒脉冲电源。与其他几种类型的电源相比，微秒脉冲电源具有能量效率高，结构简单，稳定性好，制作成本低，激励反应器放电效果好等优势，因此特别适合于工业、医疗、生物领域的推广应用，尤其是如采用蓄电池供电的便携式微秒脉冲高压电源，在具有以上优势的同时还有方便灵活的特点，可以很好的应用在野外作业或供电困难的地方；加之地球能源日益枯竭，环境污染日益严重，节能环保的观念深入人心，可再生清洁能源的使用成为当前研究热点，因此研制出采用清洁能源供电的节能环保型便携式微秒脉冲高压电源十分具有意义，且应用前景更加广泛。

现有的高压脉冲电源多采用市电进行供电，如专利cn101924489a中所述的非热等离子体脉冲电源，在脉冲发生器的输出端设有电流检测电路且在脉冲变压器输出端接有异常状态保护电路，确保了电源用于激励产生低温等离子体的基础上安全稳定的运行，但是需要在稳定的市电供应下才能正常运行，不满足便携性要求。部分电源为了提高便携性采用了蓄电池供电，如专利cn106899060a中所述的微秒脉冲电源，它通过锂电池组对整个电源装置进行供电，降低了对市电的依赖，提高了便携性，并通过逆变器以及可控硅调压装置实现输出脉冲电压的连续调节，但工作时间受电池容量限制，无法长时间持续使用。为了提高电源的持续工作时间及实现节能环保的目的，有些电源采用了太阳能与市电联合供电，如专利cn103475258a中所述的可调放电参数高压脉冲电源，其供电单元由光伏组件与市电共同组成，且在供电单元内部具有通道选择器，可以在光伏与市电之间进行切换，节能的同时实现了持续稳定供电，但是其光伏组件由12块35v/275w的光伏板组成，体型巨大，适用于大功率应用场合，而对于需要灵活携带的小型低温等离子体反应器应用场合则并不适用。

技术实现要素：

本发明提出的是一种太阳能供电的便携式微秒脉冲高压电源，针对现有技术存在的问题，采用可再生清洁能源-太阳能电源进行直接供电，节能环保；且电源整体为紧凑型设计，体积小巧，方便携带；同时电源具有智能切换供电模式的功能，优先采用太阳能直接供电，阳光不足时切换到蓄电池供电，可实现长时间持续稳定工作。

本发明的技术解决方案：一种太阳能供电的便携式微秒脉冲高压电源，其结构包括供电模块100、智能控制模块200、直流调压模块300、初级脉冲发生模块400及脉冲升压模块500；其中供电模块100连接智能控制模块200，智能控制模块200连接直流调压模块300，直流调压模块300连接初级脉冲发生模块400，初级脉冲发生模块400连接脉冲升压模块500。

本发明的优点：

1）以可再生清洁能源-太阳能直接供电作为主供电方式，硅能蓄电池作为辅供电方式，蓄电池由太阳能充电，工作过程中完全采用清洁能源，节能环保；

2）电源采用紧凑型设计，使用可折叠式太阳能板，体积小巧，方便携带；

3）电源配有智能控制模块可根据阳光强弱智能切换供电方式，操作方便，适应性强，可长时间持续稳定使用；

4）适用于驱动材料处理、生物医学、环境污染治理及流动控制等多种应用中的小功率低温等离子体反应器。

附图说明

附图1是太阳能供电的便携式微秒脉冲高压电源的结构示意图。

附图2是太阳能供电的便携式微秒脉冲高压电源的电路原理图。

附图3是电源控制面板结构示意图。

附图4是电源供电方式智能切换原理图。

附图5是太阳能单元展开示意图。

附图6是太阳能单元折叠后示意图。

附图7是本发明驱动水中放电电压电流波形图。

附图8是本发明驱动水中放电发光图。

附图中100是供电模块，200是智能控制模块，300是直流调压模块，400初级脉冲发生模块，500是脉冲升压模块，600是电源控制面板，101是太阳能单元，102是蓄电池，401是驱动电路，402是igbt斩波电路，403是保护电路，601是太阳能供电指示灯，602是蓄电池供电指示灯，603是太阳能充电指示灯，604是频率显示屏，605是调压旋钮，606是太阳能充电控制按键，607是脉冲频率增加按键，608是脉冲频率减小按键。

具体实施方式

如附图1所示，一种太阳能供电的便携式微秒脉冲高压电源，其结构包括供电模块100、智能控制模块200、直流调压模块300、初级脉冲发生模块400及脉冲升压模块500；其中供电模块100连接智能控制模块200，智能控制模块200连接直流调压模块300，直流调压模块300连接初级脉冲发生模块400，初级脉冲发生模块400连接脉冲升压模块500。

所述的供电模块100包括太阳能单元101和蓄电池102。

所述的智能控制模块包括电压检测电路，继电器及微控制单元。

所述的初级脉冲发生模块包括驱动电路401、igbt斩波电路402及保护电路403。

如附图3所示，所述供电模块100外部还设有电源控制面板600，其结构包括太阳能供电指示灯601、蓄电池供电指示灯602、太阳能充电指示灯603、频率显示屏604、调压旋钮605、太阳能充电控制按键606、脉冲频率增加按键607和脉冲频率减小按键608；其中太阳能供电指示灯601、蓄电池供电指示灯602、太阳能充电指示灯603并列设于电源控制面板600的左上角，频率显示屏604设于电源控制面板600的右上角，调压旋钮605设于电源控制面板600的左下角，太阳能充电控制按键606、脉冲频率增加按键607、脉冲频率减小按键608设于电源控制面板600的右下角。

如附图5、6所示，所述的太阳能单元101可展开或折叠，采用美国sunpower背栅式单晶硅太阳能电池片，转换效率23%，电压18v，最大输出功率可达120w，出线处采用硅橡胶密封；折叠后尺寸为300mm×298mm×46mm。

太阳能供电的便携式微秒脉冲高压电源的工作方法，包括如下步骤：供电模块100经智能控制模块200选择合适的供电方式进行供电，经直流调压模块300以及初级脉冲发生模块400得到电压幅值可调的初级脉冲，最后经脉冲升压模块500输出电压幅值0-20kv、频率0-10khz连续可调的微秒脉冲。

供电模块100的供电方式有太阳能单元101直接供电与蓄电池102（型号：12v20ah硅能蓄电池）供电两种，电源两种供电方式可由智能控制模块进行智能切换，智能控制模块由电压检测电路，继电器及微控制单元组成。

如附图2所示，蓄电池102接太阳能充放电控制器ic2（型号：12/24v20a）后，与太阳能单元101共同接12v稳压源ic1，ic1输出的12v稳定直流电经直流调压模块300并通过调压旋钮605进行调压，输出的低压直流再经igbt（vt）斩波后送入脉冲升压变压器t，输出电压幅值0-20kv、频率0-10khz连续可调的微秒脉冲。其中igbt（vt）由驱动模块ic4（型号：da102d1）接收微控制单元mcu发出的pwm信号后进行驱动，采用脉冲频率增加按键607和频率减小按键608控制脉冲输出频率，在igbt（vt）发射极与集电极之间接有无感电容c用于吸收igbt（vt）关断时的电压尖峰；蓄电池102的充电方式为太阳能单元101经ic2向蓄电池102充电，ic2具有防止过充的功能，在蓄电池102充满电后自动停止充电；微控制单元mcu通过控制继电器j1，j2，j3的通断实现两种供电方式与充电的切换。

如附图4所示，电源供电方式智能切换方法包括如下步骤：

mcu默认j2闭合，j1，j3断开。电源开始工作时，mcu首先向驱动模块ic4输入pwm信号并通过r1和r2构成的分压电路检测太阳能单元101输出端电压us，然后判断us是否满足大于或等于12v的条件，若满足则采用太阳能单元101直接供电，同时太阳能供电指示灯601点亮，若不满足则mcu控制j2断开，闭合j3，切换到蓄电池102供电，同时蓄电池供电指示灯602点亮，太阳能供电指示灯601熄灭，两种情况下mcu始终对us进行实时检测，优先采用太阳能单元101供电。

当电源采用蓄电池102供电时，mcu同时通过r3和r4构成的分压电路检测蓄电池102输出端电压ub，若ub不低于12v，则保持当前供电状态，若低于12v则判断ub是否大于10v，若大于则发出低电量警报同时保持当前工作状态，太阳能充电指示灯603红灯闪烁，否则执行欠压保护，关断j3，停止供电；需要对蓄电池102充电时，按下太阳能充电控制按键606，则mcu控制j1闭合，j2，j3断开，停止输出pwm信号，同时太阳能充电指示灯603绿灯闪烁，蓄电池102充满后太阳能充电指示灯603绿灯常亮显示充满并自动停止充电。

本发明提供的太阳能供电的便携式微秒脉冲高压电源，输出电压幅值0-20kv、频率0-10khz连续可调，最大输出功率100w。

如附图7、8所示，采用本发明进行水中放电的实验，高压电极为不锈钢针，地电极为铜箔，电极均浸没在蒸馏水中，电极间距为2.5mm，中间无介质；电源采用太阳能直接供电模式，在高压针电极的针尖处与地电极之间发生了强烈的放电，图7为放电时的电压电流波形图，电压峰值为13kv，放电电流为1.5a，图8为放电时的发光图像。