维持不同等离子体放电阶段脉冲功率调控装置和方法

本发明属于等离子放电领域，涉及一种维持不同等离子体放电阶段脉冲功率调控装置和方法。

背景技术：

1、低温放电等离子放电形式主要包括：介质阻挡、电晕、辉光、微波、滑动弧、射流放电等，但无论是何种放电形式，放电电极对于脉冲驱动的脉冲率有有共用特性，即在放电发生之前需要更高的脉冲功率电压幅值uignition实现气体击穿（简称点火），放电后给定较小的放电电压幅值uretainer仍旧可以维持气体击穿的放电状态（简称维持），且存在uignition明显大于uretainer。由于放电等离子体这种脉冲功率的特殊需求，若是在放电等离子体常态工作条件下，一致保持点火脉冲电压幅值，则会造成等放电电极过热，从而局部击穿的问题，同时减小整个等离子源系统的放电效率，和造成系统可靠性问题。

2、电弧放电产生的低温等离子体因其具有很大的能量密度，被广泛应用于燃料重整、辅助燃烧、有机污染物脱除、废水处理、材料表面改性和杀菌消毒等领域，对于上述的点火-维持不同放电阶段分段更为明显，具有起弧阶段电压高-电流低-时间短、持弧阶段电压低-电流高-时间长特点。而空气射流电弧放电以空气作为工作气体，具有电极结构简单，脉冲驱动电压低，放电等离子体活性粒子浓度高，粒子活性高，处理效果显著，效率高等优势，是最具工业推广应用前景的放电形式。常用于驱动空气射流电弧放的驱动电源为高压直流电源、单极性脉冲电源和高频交流脉冲电源，其中高压直流电源驱动效果最好，放电强，产生活性粒子浓度高、能量强度高，但电极发热、热灼蚀严重，能量效率低；高频交流脉冲电源驱动电弧放电要比单极性的脉冲电源驱动效果优良，可以达到与高压直流驱动类比的放电效果，而传统的高频交流电源驱动空气射流电弧放电，无法很好的拟合电弧放电起弧阶段电压高-电流低-时间短、持弧阶段电压低-电流高-时间长这一特殊的负载特性，导致电弧放电时过多的功率损耗，产生不必要的热损耗，这不仅会限制空气射流电弧放电在一些热不利场合的应用，还会造成空气射流电弧放电电极更快的损坏，同时造成额外的能量浪费也会限制便携充电式空气射流等离子体源的待机时长。

3、现有的高频交流脉冲电源为了实现空气射流电弧放电的点火起弧电压高的需求，需在电源设计时，按照常态输出高脉冲电压幅值输出高频交流脉冲功率，该方案设计则会导致持弧过程中，高脉冲电压被短路，迫使高频交流脉冲电源输出最大的短路电流，从而形成电弧电极放电的功率冗余问题，即很难在保证正常驱动工作条件下保持较低的功率损耗，整个等离子体源存在系统效率低，损耗大，无法常态运行，可靠性低等问题。相关技术问题的解决方案可将点火过程和持弧过程分开，分别设计开发两款不同功能的高频电源单元，即设计点火电源单元输出的脉冲电压幅值高但整机功率小，持弧电源单元输出的脉冲电压幅值低但输出电流较高，可以很好地解决电弧电极放电的功率冗余问题。然而采用两套驱动电源系统，整个等离子体源装置体积庞大，且适用于大功率电弧电极放电场合，不适用于需要体积集成化需求很高的便携手持式等离子体源设备应用的场合。

技术实现思路

1、1.所要解决的技术问题：

2、高频交流电源驱动电弧放电存在的功率冗余问题。

3、2.技术方案：

4、为了解决以上问题，本发明提供了一种维持不同等离子体放电阶段脉冲功率调控装置，包括电源，所述电源包括控制系统，所述控制系统、逆变驱动单元、高频逆变单元、高压变压器依次连接，所述控制单元和高频逆变单元之间设有多电平母线调节单元，所述多电平母线调节单一端和高频逆变单元连接，用于控制输入逆变单元的电压udc，另一端和光纤驱动单元连接，所述光纤驱动单元的另一端和控制单元连接。

5、所述多电平母线调节包括蓄电池模块，所述蓄电池模块为整个装置进行供电，所述蓄电池模块为n个电压相同的蓄电池依次串联而成，每个蓄电池对应一个电平控制mosfet开关管，控制系统通过改变n个开关管的控制信号控制第n个开关管导通，n≤n，从而控制n个蓄电池输出直流电压udc为高频逆变单元供电，n为实际给逆变单元供电的蓄电池个数。

6、每个mosfet开关管之后都串联一个防逆流二极管。

7、所述高频逆变单元采用全桥逆变电路对输入直流电进行逆变，输出高频交流电，经高压变压器升压后驱动空气射流电弧放电装置。

8、一种基于所述的维持不同等离子体放电阶段脉冲功率调控装置的调控方法，在空气射流起弧阶段，高频交流脉冲电源给出持续tignition时间幅值为n*um的高压起弧脉冲，使空气射流高电压-低电流快速起弧；起弧点火成功后进入持弧阶段，控制高频交流脉冲电源输出持续tretainer时间幅值为um的低压持弧脉冲，使空气射流在tretainer的持弧时间内维持低电压-高电流-低功率运行，之后进入下一次循环，其中高压幅值n*um通过控制多电平母线调节单元中的第n个开关管在起弧脉冲时间导通进行调节，tignition为一个放电周期中的起弧脉冲持续时间；tretainer为一个放电周期中的持弧脉冲持续时间； tcharge为一个放电周期持续时间；td为多电平母线调节单元不同开关管导通时的死区时间；um为一个蓄电池的额定输出电压；upulse为高频交流脉冲电源输出脉冲电压。

9、一个放电周期持续时间tcharge和一个放电周期中起弧、持弧阶段持续时间tignition、tretainer保持不变。

10、3.有益效果：

11、本发明分段变频控制高频交流脉冲电源能够在不加功率电阻的条件下驱动空气射流电弧放电，而且不仅不需要附加功率电阻，并且采用模块化小蓄电池串联供电，可以大大节省系统所占空间与重量，同时节省功率能够使便携充电式空气射流装置续航更长的时间，使小型便携式空气射流放电装置待机时长进一步提升。本发明由于放电产热更低，对于一些空气射流放电热不利应用场景友好，同时由于产热更少对于空气射流装置的电极损耗也更弱，使用同样材料能够延长空气射流装置使用寿命。

技术特征：

1.一种维持不同等离子体放电阶段脉冲功率调控装置，包括电源，其特征在于：所述电源包括控制系统，所述控制系统、逆变驱动单元、高频逆变单元、高压变压器依次连接，所述控制单元和高频逆变单元之间设有多电平母线调节单元，所述多电平母线调节单一端和高频逆变单元连接，用于控制输入逆变单元的电压udc，另一端和光纤驱动单元连接，所述光纤驱动单元的另一端和控制单元连接。

2.如权利要求1所述的维持不同等离子体放电阶段脉冲功率调控装置，其特征在于：所述多电平母线调节包括蓄电池模块，所述蓄电池模块为整个装置进行供电，所述蓄电池模块为n个电压相同的蓄电池依次串联而成，每个蓄电池对应一个电平控制mosfet开关管，控制系统通过改变n个开关管的控制信号控制第n个开关管导通，n≤n，从而控制n个蓄电池输出直流电压udc为高频逆变单元供电，n为实际给逆变单元供电的蓄电池个数。

3.如权利要求2所述的维持不同等离子体放电阶段脉冲功率调控装置，其特征在于：每个mosfet开关管之后都串联一个防逆流二极管。

4.如权利要求1-3任一项所述的维持不同等离子体放电阶段脉冲功率调控装置，其特征在于：所述高频逆变单元采用全桥逆变电路对输入直流电进行逆变，输出高频交流电，经高压变压器升压后驱动空气射流电弧放电装置。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的维持不同等离子体放电阶段脉冲功率调控装置的调控方法，其特征在于：在空气射流起弧阶段，高频交流脉冲电源给出持续tignition时间幅值为n*um的高压起弧脉冲，使空气射流高电压-低电流快速起弧；起弧点火成功后进入持弧阶段，控制高频交流脉冲电源输出持续tretainer时间幅值为um的低压持弧脉冲，使空气射流在tretainer的持弧时间内维持低电压-高电流-低功率运行，之后进入下一次循环，其中高压幅值n*um通过控制多电平母线调节单元中的第n个开关管在起弧脉冲时间导通进行调节，tignition为一个放电周期中的起弧脉冲持续时间；tretainer为一个放电周期中的持弧脉冲持续时间； tcharge为一个放电周期持续时间；td为多电平母线调节单元不同开关管导通时的死区时间；um为一个蓄电池的额定输出电压；upulse为高频交流脉冲电源输出脉冲电压。

6.如权利要求5所述的调控方法，其特征在于：一个放电周期持续时间tcharge和一个放电周期中起弧、持弧阶段持续时间tignition、tretainer保持不变。

技术总结
本发明提供了一种维持不同等离子体放电阶段脉冲功率调控装置和方法，本发明能够很好的拟合电弧放电起弧阶段和持弧阶段的放电特性，在起弧阶段给出电压幅值为n*U<subgt;M</subgt;的高压脉冲功率，使空气射流高电压‑低电流快速起弧，在持弧阶段给出电压幅值为U<subgt;M</subgt;的低压脉冲功率，使空气射流在较长的t<subgt;retainer</subgt;的持弧时间内维持低电压‑高电流‑低功率运行，从而在保证空气射流放电强度的同时大大降低放电功率损耗，提高放电效率，同时降低放电产热，保证空气射流装置可以长时间稳定运行。采用模块化小蓄电池串联供电，节省系统所占空间与重量，使便携充电式空气射流装置续航更长的时间，待机时长提升。

技术研发人员：赵凯祥,金珊珊,胡立伟,方志
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12