一种基于磁压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的制作方法

本发明涉及等离子体放电技术领域，具体设计一种基于磁脉冲压缩的dbd高频双极性纳秒脉冲发生器。

背景技术：

近年来，大气压非平衡等离子因其独特的优势受到越来越多的关注。由于它是在周围的大气中进行放电的低温等离子体使得原来比较难以实现的应用变为现实，比如生物医学；同时，由于大气压非平衡等离子体去除了昂贵且极其繁琐的真空系统，使得它的成本大大降低，其中一个非常重要的应用就是材料表面改性。

dbd(dielectricbarrierdischarge)等离子体因其能够在大气压下产生大面积均匀辉光放电或者是汤森放电而极具工业应用价值。其最终应用效果与等离子体特性密切相关，而等离子体特性主要由其激励电源决定。一般情况下，产生dbd等离子的电源主要采用交流高压激励，但是要想获得均匀放电，对介质材料，电源频率，气隙结构都有很高的要求。随着脉冲功率技术的发展，研究发现当采用ns脉冲电压驱动代替传统的交流驱动时,快速上升的电压能够迅速电离气体，流注发展时间短，有效抑制了放电向火花或者弧光模式转变，因此它使得人们能够在更大的参数范围内获得均匀的非平衡等离子体。

为了在几个毫米的间隙内获得dbd等离子体，需要的脉冲电压幅值为数十千伏，频率为数百赫兹至数千赫兹。通常，获得高电压高重复频率脉冲电压的方式是以固态开关为核心的电压提升技术，典型的固态开关包括半导体开关和磁开关。以半导体开关为基础的典型拓扑结构为marx发生器，其效率高，响应快，频率、脉宽和幅值在较大范围内无级可调,但是半导体开关耐压较低，当要求较高脉冲电压时，所需的marx发生器级数增多，开关数量成倍增加，导致相应的触发以及隔离技术复杂化，系统可靠性大大降低。而磁开关相对于半导体开关其耐压和通流能力大大增加，并且基本不产生磨损或劣化，因此能够极大的简化电路。但是，对于磁开关而言，一旦磁通复位后便可以进行下一次工作，从而也使得磁开关非常适用于高重复频率的脉冲功率发生器。

由于脉冲电源参数能够直接影响dbd等离子放电特性，包括重复频率，电压极性，上升沿等，要想探索其变化规律，拥有一套多参数可调的脉冲电源必不可少。而上述磁压缩系统应用于dbd等离子放电存在以下不足：①频率通常不高。受限于磁开关的复位或者是低压控制开关，通常这些磁压缩系统的工作频率不高，基本都在1-2khz以下，但是目前针对高频下dbd放电的研究还不够系统。②上述研究的磁压缩系统一般工作在单极性情况下，而研究表明，双极性脉冲电压下dbd放电过程与单极性有着明显的不同。文中认为，由于dbd放电中介质材料表面电荷的积累，会产生一个与所施加脉冲极性相反的电场，削弱下一个脉冲所产生的电场；而采用双极性脉冲时，由于脉冲产生的电场与积累的电荷电场同向，能够有效降低起始放电电压。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决上述困难，提出一种基于磁脉冲压缩的dbd高频双极性纳秒脉冲发生器。该装置基于全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关，不仅克服了传统半导体开关耐压较低的缺点，还利用全桥逆变电路产生双极性脉冲，能够省去磁芯复位电路从而大大提高磁压缩系统的工作频率，有利于磁压缩系统的拓展应用。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于磁压缩的dbd高频双极性纳秒脉冲发生器，其特征在于：包括电源系统、固态开关系统、控制电路和磁脉冲压缩系统。

所述电源系统包括高压直流电源、充电电阻和并联电容器。所述高压直流电源的两极之间依次串联充电电阻和并联电容器。所述并联电容器的两端为电源系统的输出端子。

所述固态开关系统包括：驱动模块和igbt全桥开关组。

所述驱动模块包括+15vdc/dc隔离模块、+15vdc/+5vdc转换模块、光纤接收器和驱动芯片。

所述igbt全桥开关组包括igbt-1、igbt-2、igbt-3、igbt-4。

所述驱动模块接收来自于控制电路的控制信号后，向igbt-1、igbt-2、igbt-3和igbt-4门极g输入驱动电流信号。

所述控制电路包括信号发生器、光纤驱动器、光纤发射器和1分2光纤分路器。

所述igbt全桥开关组中：igbt-1的集电极与igbt-2的集电极相连，并接入电源系统的一个输出端子。igbt-1的发射极连接igbt-3的集电极，并成为固态开关系统的一个输出端子。igbt-2的发射极连接igbt-4的集电极，并成为固态开关系统的另一个输出端子。igbt-3的发射极与igbt-4的发射极相连，并接入电源系统的另一个输出端子。

所述磁脉冲压缩系统包括脉冲变压器、锐化电容器、磁开关和电阻。

所述脉冲变压器包括一非晶纳米晶合金环形磁芯。两段绝缘导线分别绕在非晶纳米晶合金环形磁芯上，分别形成原边绕组线圈和副边绕组线圈。所述原边绕组线圈的两端分别接入固态开关系统的两个输出端子。所述副边绕组线圈的两端并联锐化电容器。

所述磁开关包括铁氧体环形磁芯。绝缘导线绕在铁氧体环形磁芯上形成绕组线圈。锐化电容器的两端之间串联所述绕组线圈和电阻。

进一步，所述高压电源模块将220v交流电转换为最高电压1kv的直流电，最大直流电流为1.5a。

进一步，所述脉冲变压器是自行绕制的变压器，包括20kv绝缘导线和非晶纳米晶合金环形磁芯。先将10cm长度的20kv绝缘导线在非晶纳米晶合金环形磁芯绕两圈，导线的两端作为脉冲变压器的输入端。再将200cm长度的20kv绝缘导线在非晶纳米晶合金在环形磁芯绕四十圈，导线两端作为输出端。所述磁开关，包括20kv绝缘导线和铁氧体环形磁芯。将100cm长度的20kv绝缘导线在铁氧体环形磁芯绕20圈，导线两端作为连接段。为了提高脉冲上升时间，所有导线应当紧密绕制在磁芯上。

值得说明的是，本发明利用可饱和电感将脉冲电压进行压缩，从而提高电压波的上升沿，同时为了提高发生器的工作频率，采用全桥逆变电路产生双极性脉冲，能够省去磁芯复位电路。

本发明采用以上技术方案后，主要具有如下的有益效果：

1、本发明利用磁开关对脉冲进行压缩，相对于半导体开关其耐压和通流能力大大增加，并且基本不产生磨损或劣化，因此能够极大的简化电路。

2、本发明采用全桥逆变电路产生双极性脉冲电压波，能够省去磁芯复位电路从而大大提高磁压缩系统的工作频率，有利于磁压缩系统的拓展应用。

附图说明

本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实例进一步说明。

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为本发明的固态开关系统原理图；

图4为本发明的igbt全桥开关组示意图；

图5为本发明的控制信号原理图；

图6为实例1的脉冲变压器非晶纳米晶合金环形磁芯尺寸示意图；

图7为实例1的脉冲变压器绕组示意图；

图8为实例1的磁开关铁氧体环形磁芯尺寸示意图；

图9为实例1的磁开关绕组示意图。

图中：电源系统(1)、固态开关系统(2)、控制电路(3)和磁脉冲压缩系统(4)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

参见图1，本实施例的一种基于磁压缩的dbd高频双极性纳秒脉冲发生器包括：电源系统1、固态开关系统2、控制电路3和磁脉冲压缩系统4。

参见图2，所述电源系统1包括高压直流电源101、充电电阻102和并联电容器103。所述高压直流电源101的两极之间依次串联充电电阻102和并联电容器103。所述并联电容器103的两端为电源系统1的输出端子。高压直流电源101的负极接地。实施例中，高压直流电源101为市购模块，其输出的最高电压幅值1kv、最大电流幅值1.5a直流电。所述充电电阻102为市购元件，用于限制高压电源模101的充电电流幅值例如，其一个实例中，其阻值为50ω，额定功率为50w。

所述固态开关系统2包括：驱动模块和igbt全桥开关组205。

所述igbt全桥开关组205包括型号为ixyh82n120c3的igbt-1206、igbt-2207、igbt-3208、igbt-4209。

所述驱动模块接收来自于控制电路3的控制信号后，向igbt-1206、igbt-2207、igbt-3208和igbt-4209门极g输入驱动电流信号。

实例中，所述驱动模块和控制电路3光电隔离。即如图3和5所示，所述驱动模块包括+15vdc/dc隔离模块201、+15vdc/+5vdc转换模块202、型号为hfbr2412的光纤接收器203、型号为ixdi600pi的驱动芯片204。所述转换模块202将15v电压转换为5v电压。所述驱动芯片204的电源端通过导线与隔离模块201的输出端连接，隔离模块201的电源输入端与15v电源线连接，隔离模块201为驱动芯片204供电。

驱动芯片204的信号输入端与光纤接收器203的信号输出端连接，驱动芯片204接收来自光纤接收器203的电信号。所述光纤接收器203的电源输入端通过导线与转换模块202的输出端连接，转换模块202的电源端与15v电源线连接，转换模块202将15v电压转换为5v电压给光纤接收器203供电。驱动芯片204的输出端向igbt-1206、igbt-2207、igbt-3208和igbt-4209门极g输入驱动电流信号。

所述igbt全桥开关组205中：igbt-1206的集电极与igbt-2207的集电极相连，并接入电源系统1的一个输出端子。igbt-1206的发射极连接igbt-3208的集电极，并成为固态开关系统2的一个输出端子。igbt-2207的发射极连接igbt-4209的集电极，并成为固态开关系统2的另一个输出端子。igbt-3208的发射极与igbt-4209的发射极相连，并接入电源系统1的另一个输出端子。

如图5所示，所述控制电路3包括型号为afg3000c的信号发生器301、型号为ds75451的光纤驱动器302、型号为hfbr1414的光纤发射器303和1分2光纤分路器304。所述信号发生器301的信号输出端与光纤驱动器302的输入端连接，信号发生器301加工产生的ttl方波脉冲控制信号传输给光纤驱动器302。光纤驱动器302的输出端与光纤发射器303的输入端连接，传输光纤发射器303根据光纤驱动器302输出的驱动信号进行电/光转换。光纤发射器303的输出端与光纤接收器203的输入端通过1分2光纤分路器304连接，实现光信号的传输。

所述磁脉冲压缩系统4包括脉冲变压器401、锐化电容器404、磁开关405和并联电阻407。

所述脉冲变压器401包括一非晶纳米晶合金环形磁芯402。两段绝缘导线分别绕在非晶纳米晶合金环形磁芯402上，分别形成原边绕组线圈和副边绕组线圈。所述原边绕组线圈的两端分别接入固态开关系统2的两个输出端子。所述副边绕组线圈的两端并联锐化电容器404。

一个实例中，所述并联电阻407为市购元件，其阻值为300ω，额定功率为100w。如图7所示，所述脉冲变压器401的两个输入端分别与igbt全桥开关组205的输出端相连，输出端包括两条支路，一条支路与锐化电容器404两端分别相连形成回路；另一条支路的一端与磁开关405的一端串联，磁开关405另一端与并联电阻407一端串联，并联电阻407另一端与脉冲变压器401的输出端相连形成回路；并联电阻407与锐化电容器404连接处接地。

如图6、7所示，所述脉冲变压器401是自行绕制的变压器，包括20kv绝缘导线403和非晶纳米晶合金环形磁芯402，导线导体标称截面积为2.5mm²，导体由49根直径为0.25mm的导线组合而成，导线绝缘厚度为2.4mm，非晶纳米晶合金环形磁芯402为国产磁芯，型号为1k107，尺寸为φ120外径×70内径×25高。在脉冲变压器401设计中，较少的匝数会使得激磁电感减小，激磁电流增加，从而导致损耗增加；而增加匝数会使得漏感增加，导致电压上升沿变缓。因此，需要合理选择脉冲变压器401匝数。根据公式：

式中，n1为原边匝数，ep、tc为原边脉冲电压和脉冲作用时间，se为磁芯有效横截面积，由磁芯大小和填充系数决定，△bmax为磁感应强度变化值。本文选择0.6bs作为工作区域进行计算，最终得到n1≥1.03匝，考虑到激磁电流，选取2匝作为原边匝数，副边匝数则为40匝。先将10cm长度的20kv绝缘导线403在非晶纳米晶合金环形磁芯402绕两圈，导线的两端作为脉冲变压器403的输入端；再将200cm长度的20kv绝缘导线403在非晶纳米晶合金在环形磁芯402绕四十圈，导线两端作为输出端；

所述磁开关405包括20kv绝缘导线403和铁氧体环形磁芯406。20kv绝缘导线403绕在铁氧体环形磁芯406上形成绕组线圈。锐化电容器404的两端之间串联所述绕组线圈和并联电阻407。

所述脉冲变压器401是自行绕制的变压器，包括20kv绝缘导线403和非晶纳米晶合金环形磁芯402。先将10cm长度的20kv绝缘导线403在非晶纳米晶合金环形磁芯402绕两圈，导线的两端作为脉冲变压器401的输入端。再将200cm长度的20kv绝缘导线403在非晶纳米晶合金在环形磁芯402绕四十圈，导线两端作为输出端。所述磁开关405，包括20kv绝缘导线403和铁氧体环形磁芯406。将100cm长度的20kv绝缘导线403在铁氧体环形磁芯406绕20圈，导线两端作为连接段。为了提高脉冲上升时间，所有导线应当紧密绕制在磁芯上。

一个实例中，绕制线圈采用的是20kv绝缘导线403和铁氧体环形磁芯406，导线导体标称截面积为2.5mm²，导体由49根直径为0.25mm的导线组合而成，导线绝缘厚度为2.4mm，环形磁芯为ni-zn铁氧体，尺寸为φ85.7外径×55.5内径×25.4高。为了确定磁开关匝数，需要对磁开关上的伏秒积进行计算。设电路中值为c1的并联电容器103、脉冲变压器401的杂散电感ls、脉冲变压器401和值为c2的锐化电容器404组成了谐振充电电路，变压器副边漏感折算到原边后锐化电容器404上面的充电电压可以表示为：

其中，n为副边匝与原边匝数的比值。

一般在匝数较少的情况下，杂散电感ls为1～2uh，由于c1远远大于n²c2，c2电压幅值能够达到2nu0，而本文设计的电压为nu0，带入计算得到t≈586ns，因此将开关的导通时间t0设置为600ns。此时，根据公式计算得到磁开关饱和所需要的匝数：

因此，将100cm长度的20kv绝缘导线403在铁氧体环形磁芯406绕20圈，导线两端作为连接段；为了提高脉冲上升时间，所有导线应当紧密绕制在磁芯上。