等离子脉冲电源的研制

基于脉冲电源的低温等离子技术低温等离子技术是一种利用低温等离子体对材料表面进行处理的技术。

它可以在不加热或仅加热到较低温度的情况下，改善材料表面的性质，如增加表面能、提高附着力、增强耐磨性等。

而脉冲电源则是运用脉冲电流实现材料表面等离子体处理的一种电源。

脉冲电源是一种将直流电转换成脉冲电的设备。

它通过控制脉冲宽度、频率、电流等参数，使输出电流变为一定幅值和脉冲数的脉冲信号，从而实现对材料表面的等离子体处理。

相对于传统的直流电源，脉冲电源具有以下优势：1. 能够更精确地控制等离子体的参数，如气体流量、压强、功率等，以满足不同的处理需求。

2. 能够在处理材料表面时减少热量的影响，从而保护材料的结构和性质。

3. 能够在短时间内提供高能量，从而提高等离子体处理的效率。

基于脉冲电源的低温等离子技术已经在许多领域得到了广泛的应用。

例如，它被用于表面涂层、清洗和去污、表面改性和光刻等方面。

下面分别介绍这些领域的应用。

表面涂层是低温等离子技术的一个重要应用方向。

例如，使用脉冲电源的等离子体源可以在材料表面产生高能量的离子，并将其注入到基体材料中，从而形成一层厚度很薄的涂层。

这种涂层能够提高材料表面的硬度、耐磨性、耐蚀性和附着力等性能，从而使其更适用于各种环境。

清洗和去污是低温等离子技术的另一个应用方向。

利用脉冲电源的等离子体源生成的化学活性物种，可以将固体表面的杂质和附着物去除，例如去除电子元器件的焊锡和油污。

相比于传统的化学清洗方法，这种技术无需使用有害的化学物质，同时对材料表面的热影响也很小。

表面改性是低温等离子技术的另一种重要应用。

通过脉冲电源的等离子体源可以改变表面的化学组成、形貌和晶体结构等。

例如，在金属表面形成一个高密度的氧化层，可以大幅提高它的抗腐蚀性。

而在聚合物表面，通过引入具有异丙基官能团的气体，可以大幅提高其表面能。

光刻是低温等离子技术的另一个应用。

通过使用脉冲电源的等离子体源可以在材料表面形成纳米级别的结构，从而实现微纳加工。

一种新型变极性等离子弧焊接电源的研制开题报告一、研究背景和目的随着机械制造业的不断发展，对于各种材料的焊接需求越来越大。

在焊接中，焊接电源是至关重要的设备之一。

传统的变等离子弧焊接电源在使用时存在一些缺点，例如焊接效率低、变形大、成本高等。

因此，需要一种新型的变极性等离子弧焊接电源来解决这些问题。

本研究的目的是设计并制作一种新型的变极性等离子弧焊接电源，通过对其进行各项性能测试和评估，为机械制造业的高效焊接提供技术支持和解决方案。

二、研究内容及方案2.1 研究内容本研究将设计并制作一种变极性等离子弧焊接电源，主要包括以下内容：（1）研究变等离子弧焊接电源的工作原理和性能：通过对现有的变等离子弧焊接电源的研究，分析其工作原理和构造，探索其存在的问题和不足之处，为新型电源的设计提供参考。

（2）设计新型的变极性等离子弧焊接电源：通过分析传统变等离子弧焊接电源的不足之处，设计新型的变极性等离子弧焊接电源，使其具有更高的焊接效率，降低变形和成本等。

（3）制作样机并进行性能测试：根据设计方案，制作一台新型的变极性等离子弧焊接电源，测试其焊接效率、效果、电力输入等性能指标，评估其优缺点和可行性。

2.2 研究方案（1）研究现有的变等离子弧焊接电源:通过查阅相关文献和现有的变等离子弧焊接电源，分析其工作原理和性能，探索其存在的问题和不足之处。

（2）设计新型的变极性等离子弧焊接电源：针对传统变等离子弧焊接电源的不足之处，设计新型的电源，具体包括电路设计、参数选取、元器件选择等方面。

（3）制作样机并进行性能测试：根据设计方案，制作一台新型的变极性等离子弧焊接电源，并对其进行性能测试。

测试内容包括：焊接效率、焊缝质量、电力输入等性能指标，评估其优缺点和可行性。

三、研究预期结果通过本研究，我们期望能够设计并制作一种新型的变极性等离子弧焊接电源，该电源具有更高的焊接效率、更低的变形和成本。

同时，通过对其进行各项性能测试和评估，为机械制造业的高效焊接提供技术支持和解决方案。

摘要低温等离子在工业以及军事上的应用具有非常广阔的前景。

目前，研究较多的是在大气压下以介质阻挡放电产生离子体。

介质阻挡放电(DBD)是目前一种典型的可通过大气压放电产生等离子体技术，因而受到国内及国外的广泛关注。

高频高压脉冲电源是介质阻挡放电的核心部分。

介质阻挡放电产生等离子体的效果直接与电源的频率、电压以及波形相关。

频率和电压越高，放电的效果也就越好。

所以用于介质阻挡放电的高频高压脉冲电源成为研究的重点。

根据这些特点，本文将探讨用于产生等离子脉冲电源的设计方法，设计了一种基于PWM控制的高频、高压的大功率逆变电源，电源系统主要包括整流滤波电路、逆变电路、驱动以及控制电路。

对电源的整流电路、逆变电路、驱动及保护电路等进行了分析，功率电路以IGBT为主控开关功率转换器件，采用全桥逆变电路形式，同时讨论了IGBT的特性和使用注意事项，以及对关键元器件的保护措施。

电源控制电路采用以单片机AT89C51为核心，对整个电源系统进行控制，采用脉宽调制方式来控制电源输出外特性。

本文采用了Multisim10软件对各个部分进行了逐项仿真分析，通过仿真结果进一步证明脉冲电源设计的合理性，为硬件电路设计提供重要参考和依据。

设计出适用于介质阻挡放电负载的高频高压脉冲电源。

关键词：介质阻挡放电；全桥逆变电路；IGBT ；高频高压脉冲电源；仿真。

AbstractLow-temperature plasma in the industrial and military applications has a very broad prospects. At present,most studies of producing plasma are focused on those produced by Dielectric Barrier Discharge(DBD)under atmosphere. So it is paid widely attention by home and abroad．The high-frequency and high-voltage pulse power source is the core part of the dielectric barrier discharge．The effect of plasma produced by DBD correlates directly with voltage,frequency and wave-form of the power supply.The higher the voltage and the frequency of the power supply,the better the effect of discharging. Hence，to develop discharge power supply used in DBD is the main question．Base on these feathures, This article will explore the plasma used to produce the design method of pulse power, Designed a high-frequency, high voltage high power inverter which base on PWM. this power system consists of rectifier filter circuit, inverter circuit, drive and control circuits. And analyze the power of the rectifier circuit, inverter circuit, driver and protection circuits. power circuit takes the IGBT as charging switch power for changing a component, adopting full-bridge topology circuit, And the characteristic and matters needing attention of IGBT,and the protection measures of some pivotal component. Power controlling circuit takes single microchip AT89C51 as the gore to control the whole system . and adapts PWM to control the output volt-ampere character ofpower source. In this paper,use the Multisim10 software to itemize all parts with simulative analysis.Through the simulation result,it further proves the rationality of pulsed power supply design and supplies significant references and basis for hardware circuit design. Designed for high-frequency dielectric barrier discharge high-voltage pulse power load.Key words: dielectric barrier discharge; full-bridge inverter circuit; IGBT;high frequency high voltage pulse power; simulation.目录1 绪论 (1)1.1等离子体及介质阻挡放电概述 (1)1.1.1 等离子体的概念 (1)1.1.2 等离子体的应用 (2)1.1.3 介质阻挡放电概述 (2)1.1.4 介质阻档放电电路的物理结构和工作原理 (3)1.1.5负载特性及高频高压脉冲电源研制必要性 (3)1.2国内外高频高压脉冲电源的研究现状 (4)1.3高频高压电源研制的难点 (4)2 电源电路的设计 (6)2.1电源研制方案 (6)2.2整流滤波电路 (7)2.2.1 整流滤波电路设计 (7)2.2.2 本设计使用的整流电路 (7)2.2.3滤波电路 (9)2.3逆变电路原理 (10)2.4输出电路 (11)3 功率开关器件 (12)3.1功率开关器件的应用 (12)3.2绝缘栅双极晶体管（IGBT） (13)3.2.1 IGBT功率开关管应用 (13)3.2.2 IGBT的工作原理 (14)3.2.3 IGBT的主要参数 (14)3.2.4 IGBT对驱动电路的要求 (14)3.2.5 IGBT的驱动 (15)3.2.6 EXB841工作原理 (15)3.2.7 EXB841典型应用电路及引脚功能表 (16)4PWM单片机控制 (18)4.1PWM驱动电路模块 (18)4.2PWM控制系统 (18)5 高频高压脉冲电源计算机仿真 (21)5.1电源主回路仿真 (21)5.1.1 NI Multisim10仿真软件 (21)5.1.2 Multisim特点 (21)5.1.3 高频高压脉冲电源主电路的模型 (22)5.1.5 逆变电路模型和仿真 (23)5.1.6 串联谐振电路模型和仿真 (24)5.1.7 PWM信号仿真 (25)5.1.8 IGBT的开关特性的仿真 (26)6 硬件调试 (28)总结 (30)谢辞 (31)参考文献 (32)附录 (33)附录1程序 (33)附录2PWM信号发生器硬件电路原理图及其PCB图 (39)附录3电源模型电路原理图及其PCB图 (40)附录4PWM信号仿真图 (41)附录5主电路原理图 (43)附录6总电路原理图 (43)1 绪论介质阻挡放电技术可以用来产生等离子体，而等离子体在工业及军事上的应用具有十分广阔的前景。

大功率等离子体表面处理用脉冲电源武汉市等离子体技术研究所摘要：本文阐述了脉冲辉光放电的特点，介绍了我所研制的大功率等离子体表面处理用脉冲电源的原理、电路特点及在辉光离子渗氮工艺中的应用情况。

关键词：等离子体离子渗氮脉冲电源一、等离子体电源的特殊性在辉光放电形成的等离子体中，离子轰击阴极（工件）表面将发生一系列的物理、化学现象。

离子渗氮、PCVD等都是利用低气压辉光放电进行表面处理的工艺技术。

用于等离子体表面处理的电源不同于其它一般电源就在于它必须满足于气体放电特性及表面处理的特殊工艺要求：1.气体放电特性与灭弧等离子体表面处理工作在异常辉光放电区（1）。

这种状态极易过度到弧光放电状态。

弧光放电的发展会使电流剧增，既对电源造成威胁，又可能使工件表面烧蚀，必须很快截止。

油垢、锈斑、毛刺及工件吸附气体到一定温度后的大量释放，都会产生弧光放电。

而工艺过程必须经历弧光清洗阶段，因为，散弧有利于加快处理速度。

但大能量的弧光则必须快速截止，这样，就要求电源自动“判别”，利用散弧，截止大弧。

2.空心阴极效应（1）与di/dt限制圆筒状工件或工件的孔洞便是空心阴极。

空心阴极内的电子束彼此汇合，使负辉光并合在一起，其放电电流密度除正离子轰击阴极所引起的次极电子发射的贡献外，还有电子在阴极间来回振荡以及亚原子轰击阴极所引起次级电子发射的贡献。

随着振荡的延续，能量不断积累，电流密度不断增大（di/dt＞0），这样就会引起局部超温，这种现象称为空心阴极效应，必须有效地控制。

3.巴刑（Paschen）（2）曲线与辅助电源巴刑曲线为一开口向上的曲线。

即点燃电压Ub随Pd（P压强，d极间距）变化有一极小值。

工艺处理过程中，必须克服点燃电压与正常工作电压可能相差很大的矛盾。

4.功率密度与节能要保证所需渗氮表面均匀地被辉光覆盖，获得均匀渗氮，必须工作于异常辉光放电区，而只有当离子功率密度≥0.4W/cm2，才能处在异常辉光放电区。

华中科技大学硕士学位论文等离子体应用中高压脉冲电源的研制姓名：钟生辉申请学位级别：硕士专业：环境工程指导教师：李胜利2003.5.6华中科技大学硕士学位论文摘要ｌ脉冲功率电源是低温等离子体技术在环境工程应用中的关键设备，其总体能量转化效率和脉冲功率的容量是影响等离子体技术工业化应用的重要因素十本文首先综述了一系列典型的脉冲电源回路，以及当前国内外脉冲电源研究的最新进展，提供了了几种新的电源结构。

结合脉冲功率电源在环境工程应用中的要求和以往的设计经验，提出了新的设计思路。

在研制处理垃圾渗滤液的实用化电源中，分别对高压脉冲放电回路的原理电路进行了数值分析和仿真分析。

ｆ根据分析结果，对电路进行了具体的改进措施。

在电源控制回路中的设计中，考虑了一般的电路保护项目，加入了零电压启动的闭锁回路，并利用Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈实现了放电电压幅值的自动保护功能。

最后针对现场运行时复杂的放电环境，提出了绝缘匹配方案。

、ｌ在脉冲高压开关电源的研制中，给出了电源的总体设计方案。

在其中的Ｂｕｃｋ变换器设计中，首先通过数值计算，给出电路元件的参数，然后利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对电路仿真分析，发现功率晶体管在开关瞬间在集一射极之间有浪涌电压出现，根据结果对电路加入了保护电路。

（经电路实验，验证了电路保护设计的成功；在半桥逆变回路设计部分，给出了电路的原理分析，依据电路设计参量选取了相应的电路参数；高频高压变压器作为半桥逆变回路的关键设备，影响着电路工作的可靠性和性能，主要针对它进行了具体的设计和分布参数分析。

１关键词：脉冲功率电源’／Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈、／Ｂｌｌｃｋ变换器；半桥逆琴高频变压器华中科技大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｉｓｄｅｖｏｔｅｄｔｏｔｈｅｓｔｕｄｉｅｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｎｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｕｌｓｅｄｃｏｒｏｎａｐｌａｓｍａｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ・Ｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔｐａｒｔ．ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｐｕｌｓｅｄＣＯｒＯｌＬａｐｌａｓｍａｉｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ，ｔｈｕｓ，ｔｈｅｎｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．Ｉｎｖｉｒｔｕｅｏｆｒｅｖｉｅｗｉｎｇｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｄｖａｎｃｅｓｏｎｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｏｎｅｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓｃｈｅｍｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｐａｒｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓｏｎｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｌｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｌｙａｖａｉｌａｂｌｅｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｌａｎｄｆｉｌｌｌｅａｃｌｍｔｅ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐａｌｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｉｔｓｎｕｍｅｒｉｃａｌ＆ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔＯｐｒａｃｔｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓＲｏｇｏｗｓｋｉｗｉｎｄｉｎｇｉｓｕｔｉｌｉｚｅｄｔＯｃｏｎｆｉｎｅｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｖｏｌｔａｇｅａｍｐｌｉｔｕｄｅａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｉｎｃａｓｅｏｆｂｒｅａｋｄｏｗｎｉｎｔｈｅｒｅａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍａｔｃｈｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｉｓｔａｋｅｎｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔ．Ｔｈｅｔｈｉｒｄｐａｒｔｍａｉｎｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｈｉｇｈ＿ｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｂｙｐｏｗｅｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｉｒｃｕｉｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｂｕｃｋｃｏｎｖｅｒｔａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．ＢｙｍｅａｎｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈＳｉｍｕｌｉｎｋｆｏｒｔｈｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｂｕｇｓｉｎｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔａｒｅｆｏｕｎｄａｎｄｔｈｅｎｒｅｍｅｄｉｅｄ．ＩｎｔｈｅｌｌａＩｏｒｉｄｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｂｅｓｉｄｅｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ’ｓｅｌｅｃｔｉｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｐａｒａｓｉｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆａＵｇｈｖｏｌｔａｇｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｋｅｙｐａｒｔｏｆｓｕｃｈｉｎｖｅｒｔｅｒｓａｒｅｍａｄｅｉｎｄｅｔａｉｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰｕｌｓｅＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＨａｌｆ＿＿ｂｒｉｄｇｅＩｎｖｅｒｔＲｏｇｏｗｓｋｉＷｉｎｄｉｎｇＢｕｃｋＣｏｎｖｅｒｔＨｉｇｌｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＩＩ华中科技大学硕士学位论文Ｉ绪论随着人类文明的发展，生产力的不断提高，矿物燃料的消耗逐年递增，导致了Ｓ０２和ＮＯｘ的大量排放，由于我国能源结构的特殊性，情况更加严重；同时它与工业和生活污水的排放一起破坏人类的生存环境，危害着人们的身体健康。

等离子脉冲电源的研制
袁佑新;辛华强;叶静元
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2007(24)5
【摘要】介质阻挡放电技术可以用来产生等离子体,而等离子体在工业及军事上具有十分广阔的应用前景.要实现介质阻挡放电,供电电源必须具有较高的工作频率和输出电压.文章给出了这种特殊的高频高压正弦波电源的设计方案,此电源包括整流电路、斩波电路、逆变电路、控制电路以及保护电路等.文中对电源各个部分的原理做了介绍,给出了设计思路,并对电路进行了分析.
【总页数】3页(P1-3)
【作者】袁佑新;辛华强;叶静元
【作者单位】武汉理工大学自动化学院,湖北,武汉,430070;武汉理工大学自动化学院,湖北,武汉,430070;武汉理工大学自动化学院,湖北,武汉,430070
【正文语种】中文
【中图分类】TN86
【相关文献】
1.废水处理用等离子体窄脉冲电源的研制 [J], 张祥龙;王毅;胡小吐;田付强
2.应用于等离子体喷涂的高压脉冲电源研制 [J], 宛传友;冯德仁;王积成;潘绪超
3.等离子体制备氮化铁磁流体用高频高压脉冲电源的研制 [J], 薛志勇;朱玫;李学慧
4.等离子体渗氮用微脉冲电源的研制 [J], 熊承义;孙奉娄
5.用于产生等离子体的高压脉冲电源的研制 [J], 朱志杰;张贵新;刘亮;罗承沐;刘敏传
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低温等离子电源的研制与应用低温等离子体是指在温度不高于室温（25℃）下，气体中产生的高度电离化的区域。

低温等离子体具有物理化学反应活性强、化学反应选择性好、能量损耗小、成本较低等优点，因此在材料表面处理、环境净化、新能源、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。

而低温等离子电源作为产生低温等离子体的核心部件，其研制及应用也愈加受到关注。

一、低温等离子体的产生原理低温等离子体的产生原理是通过电离气体分子或原子，形成高度电离的区域。

通常采用的方法为正、负极电压加在极板上，通过电子-离子复合产生光、电、热等能量释放，从而产生等离子体。

常用的电极有平板电极、球形电极、环形电极等。

二、低温等离子电源的分类低温等离子电源根据其产生等离子体的方式，可分为射频低温等离子电源、微波低温等离子电源、直流低温等离子电源等。

其中，射频低温等离子电源是应用最广泛的一种。

射频低温等离子电源是指采用射频交流电形成的电场与气态介质作用，将气态介质中的分子或原子离化后形成低温等离子体的电源装置。

它具有能量耗散均匀、产生等离子体效率高等优点。

三、低温等离子电源的应用1. 表面处理利用低温等离子体对材料表面进行处理，可以改善材料表面的性质，例如增强材料的附着力、耐磨性、抗腐蚀性等。

此外，低温等离子体还可用于模具表面的清洗和修复。

2. 环境净化低温等离子体对环境中的有害气体和细菌有很好的去除效果，可以用于室内空气净化和工业废气处理。

3. 新能源低温等离子体可用于太阳能电池、LED器件等的表面处理和清洗，提高其电池效率和器件寿命。

4. 生物医疗低温等离子体对细菌有较强的杀灭作用，可用于创口清洗和消毒。

此外，还可用于皮肤美容、控制汗臭等方面。

总而言之，低温等离子体已经在多个领域得到应用，并有着广阔的发展前景。

低温等离子电源作为其核心部件，其研制与应用将会在未来得到越来越大的关注和重视。

40kHz正弦波高压等离子体电源宁澍，杨建生，万喜新（中国电子科技集团公司第四十八研究所长沙 410111）[摘要]：文章介绍了一种用于工业设备的等离子体放电电源，给出了主电路、功率稳定电路的设计过程。

电源主电路由功率场效应晶体管构成的H桥式电路，串并联混合谐振电路，变压器阻抗变换电路组成。

研制成的等离子体放电电源在太阳能电池生产线等离子体增强化学气相沉积设备上满足使用要求，电源工作稳定可靠。

[叙词]：等离子体放电；高压正弦波；交流电源1.引言等离子体电源是一种输出为几kHz到几十kHz，电压有效值为几百到几千伏的交流电源，它广泛应用于太阳能电池、半导体生产线的PECVD（等离子体增强化学气相沉积）、金属表面磁控溅射镀膜、等离子体薄膜材料改性等设备。

目前国内使用和报道的基本上是输出为方波或是电压为正弦波，电流为方波，或者电流为正弦波，电压为方波的等离子体电源。

方波的谐波大，负载适应性不如正弦波好，同时还会对设备的控制电路产生较大的干扰。

在太阳能电池减反射膜制备中，采用PECVD技术在电池表面沉积一层氮化硅减反射膜，以减少光的反射，薄膜生长的质量和速度，除与其他工艺有关外，由电极的电场特性决定，而电场的特性取决于电源的输出波形和功率。

我们针对PECVD设备的特性需要，研制生产了输出为40kHz、电压电流均为正弦波的高压等离子体电源。

2.系统组成图1为等离子体电源系统框图。

整个电源系统主要由三相整流、LC滤波、DC/DC转换、全桥逆变、串并联混合谐振网络、高频变压器、采样电路、功率调节稳定电路、驱动电路、保护电路等组成。

3.全桥逆变及混合谐振网络设计三相整流、LC滤波和DC/DC转换电路是大家所熟悉的部分，在此不赘述。

本文重点介绍全桥逆变及混合谐振电路的原理。

图2为全桥逆变及混合谐振电路原理图。

图中，V1、V2、V3和V4为功率场效应晶体管构成的H 桥式逆变电路，以PWM 方式工作，调节输出功率。

V5、V6、V7和V8为串联在逆变开关之间的大电流高反压快恢复二极管，V9、V10、V11和V12为大电流高反压快恢复并联二极管。

流光放电烟气脱硫用高压脉冲电源的研制王积成;冯德仁;宛传友;潘绪超【摘要】脉冲电晕法烟气脱硫优点显著,但该法可能使正离子和电子离开流光通道,发生复合反应的范围不够大,自由基分布不广,很难产生稳定、宽范围和有效的流光,这就影响烟气脱硫,严重降低脱硫效率.本文分析了流光放电等离子体脱硫机理,提出一种直流叠加高压脉冲电源流光放电等离子体发生技术,并结合脱硫机理研制用于烟气脱硫的脉冲电源,通过现场运行测试,结果表明,在直流高压基础上叠加高压脉冲的技术方案可以有效提高脱硫效率.【期刊名称】《四川大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(055)004【总页数】6页(P813-818)【关键词】烟气脱硫;流光放电;脉冲电源;叠加【作者】王积成;冯德仁;宛传友;潘绪超【作者单位】安徽工业大学电气与信息工程学院,马鞍山243002;安徽工业大学电气与信息工程学院,马鞍山243002;安徽工业大学电气与信息工程学院,马鞍山243002;南京理工大学智能弹药国防重点学科试验室,南京210094【正文语种】中文【中图分类】TQ1521 引言我国能源的主要来源在很长一段时间内仍然是燃煤.燃煤烟气所含的烟尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质是造成大气污染、酸雨和温室效应的主要根源.目前，我国治理烟气脱硫的现状比较落后，实现污染物排放总量控制的形势十分严峻.微波热处理活性炭产生再生物用于烟气脱硫拥有广阔的应用潜力和发展前景，其不同情况下产生的再生物对脱硫性能有明显区别.现阶段国内外等离子体烟气脱硫技术主要有电子束法、脉冲电晕法.电子束法的关键设备是能长期稳定运行的大功率电子枪.大容量的电子加速器造价昂贵，技术要求高，其功率难以满足应用于工业烟气量的需要.且电子束能量很大一部分损失在离子的碰撞上，故其电能的消耗较大，大约为电厂所发出电能的3%.脉冲电晕法用旋转火花隙开关容易使脉冲波形变坏.用电容器组作初级储能，由于储能密度低、寿命短、性能价格比低等缺点，不适用于处理大气流量和连续稳定运行的脉冲发生器.利用火花隙作为开关产生脉冲，脉冲频率一般在几百赫兹，作为工业应用脱硫效率较低，且脉冲电晕法能耗也较大. 高压脉冲脱硫的技术方案，使得瞬时电场的击穿电压相对于直流更高.针对目前已投入使用的烟气脱硫装置，高压脉冲使放电增强，单脉冲注入能量增大，产生自由基增多，因而氧化脱除量增加.同时直流基压能驱使正离子和电子离开流光通道，在更大的范围内发生复合反应，自由基分布更广[1].因此，在高压直流基础上叠加一个幅值及脉宽都可调的脉冲，可以产生稳定、宽范围和有效的流光，就起到二者兼顾的作用.然而由于流光放电脱硫反应器不同的负载特性，加上现场的工况不一致，在直流高压基础上叠加高压脉冲技术方案的电气参数难以做到普适性.针对不同工况，要达到理想效果，须经现场反复调试，工作量非常繁复.本文分析了流光放电等离子体产生机理以及流光放电脱硫机理，介绍了流光放电烟气脱硫工艺流程，研制了一种用于流光放电等离子体脉冲电源.现场运行测试表明, 在直流高压基础上叠加高压脉冲的技术方案可以有效的提高脱硫效率[2].2 流光放电脱硫机理气体放电有多种放电模式，流光放电产生等离子体活性自由基机理如图1所示[3]. 如图1 (a)所示，当正高压施加到尖状电极时，尖端表面就产生强电场，引发电子击穿的雪崩电离过程，因此生成正离子和电子.电子质量轻，很快被吸入正极，而在正尖端外留下正离子的电荷团，该正电荷团又产生方向向外的电场，并继续向外激发，再次引发电子击穿的雪崩电离过程.如此继续，以致形成一个线状的流光通道，见图1 (b).在流光电晕区域激发的富能电子能量可达到10 eV 以上，电子不断撞击电离气体分子，产生O、OH、HO2和O3等自由基，这就是流光放电引发化学反应的根源.图1 流光放电机理示意图Fig.1 Schematic diagram of streamer discharge mechanism流光放电脱硫技术协同利用了等离子体氧化和氨吸收的作用[4].一种是先电晕氧化、后生成铵盐的途径，即这些强氧化性自由基与烟气中的SO2和NOX发生化学反应，最后再通入氨气，在有铵的情况下发生化学反应生成铵盐.这是通常有关电晕放电脱硫技术资料所介绍的机理，研究表明这一途径在脉冲电晕放电脱硫效率中的贡献约占30%[5].在实际脱硫过程中还存在另一贡献更大的反应途径，即NH3与SO2发生快速热化学反应.首先生成氨基磺酸分子及氨基磺酸铵固体等中间产物[6]，自由基迅速将其氧化，生成稳定的硫铵，即先成盐后氧化.反应过程如下：NH3+SO2 →NH3·SO2(1)NH3·SO2+NH3 →(NH3)2·SO2(2)(NH3)2·SO2+H2O→(NH4)2·SO3(3)(NH3)2·SO2+O→NH4SO3NH2(4)(NH3)2·SO2+O3→NH4SO3NH2+O2(5)NH4SO3NH2+H2O→(NH4)2SO4(6)(NH4)2·SO3+O→(NH4)2SO4(7)3 系统设计及原理分析3.1 电源主电路设计脉冲电源叠加方案如图2所示，直流基础电压-U施加在脱硫反应器本体上，Ldc为隔离电感，减少脉冲电源对直流源的影响，脉冲发生电路输出端的耦合电容为CC，用来实现直流上叠加高压脉冲[7,8].电感Lps、电阻Rps、储能电容Cs和高压变压器PT组成充电通路，其它各器件为辅助电路或寄生参数，不一一介绍.图2 脉冲电源的电路拓扑图Fig.2 Circuit topology of the pulse power脉冲发生电路是由经过工频整流后直流电压+Ups提供电能，在开关管VT断开期间给储能电容充电，使CS上的电压很快达到直流总线上的电压.当开关管VT闭合期间，CS和PT的原边经过VT形成闭合的通路.回路中变压器的漏感、储能电容以及变压器二次侧耦合到一次侧的等效电容，在储能电容初始能量的激励下发生串联谐振.设计脉冲电路时需要将第一个谐振脉冲的方向和直流电源的接线进行匹配，并且在该谐振半个周期之前控制VT断开，可以得到所需要占空比的脉冲，传递到变压器二次侧，通过耦合电容CC叠加在电脱硫反应器本体上，从而在脱硫反应器本体上形成的高压脉冲.3.2 电路原理分析及仿真图3 等效串联谐振回路Fig.3 Equivalent RLC series resonant circuit脱硫反应器本体等价为一个漏电电容器，用R0和C0表示.为方便从原理上分析叠加电路，忽略辅助电路，将高频变压器看成并联漏感的理想变压器，并借助其近似等效电路，将变压器的次级电路耦合到原边进行统一分析计算，得出图3所示的VT导通时的简化电路[9].图3中脉冲变压器的主要参数有漏磁电感Ls、励磁电感Lu和绕组线圈本身的等效电阻Rs，脉冲变压器的励磁电感相比于漏磁电感要大很多，推导电路时将其看作开路，电容CC1、电容C1和电阻R1都是变压器二次侧电路折算到一次侧的等效参数.令：(8)R=Rs+R1(9)当时，产生阻尼振荡.根据电路的基尔霍夫定理KVL，求出电容C1两端压降UC1，即为(10)脉冲发生器在脱硫反应器本体施加的脉冲电压就是在图3中电容C1的电压，n为变压器的变比，式中：在PSIM软件下建模仿真，设置高压直流电压Udc=30 kV，Ups=45 kV，脉冲频率为1 kHz，脉冲宽度为4 μs，变压器的变比为1∶70，得到了脉冲叠加前和叠加后的仿真波形如图4所示，从而验证了叠加的可行性.4 结果与分析根据前文的理论和电路分析，我们研制了脉冲电源的实验样机，完成电路的调试工作，并在某燃煤厂进行了实地测试.流光放电烟气脱硫的工艺流程如图5(a)所示是一套完整的设备，将它嵌入燃煤电厂烟气排放系统内，一端接受除尘器的尾气，另一端将脱硫的气体，送入烟囱.分区湿式反应器包含热化学反应区和等离子体反应区，烟气先经过热化学反应区，由液态吸收剂吸收大部分SO2，得到浓度达到摩尔量级的亚硫酸盐溶液；进入等离子体反应区时，经受脱硫处理，同时也将热化学反应区的生成液雾化喷入，使生成液中的亚盐氧化为正盐[10].由于初始氧化速度提高千百倍，使反应器能耗降低30%～50%.脉冲高压叠加在分区湿式反应器中，图5(a)～(d)为流光放电等离子体烟气脱硫工艺流程图，控制柜及实验现场图.脉冲叠加直流的实验中，先调节高压直流侧电压使其达到30 kV，再通过上位机调节脉冲的幅值，使其达到50 kV，得到模拟反应器负载端电压波形如下图6所示，图6(a)、(b)分别为叠加后脉冲全图与脉冲放大图，高压的测量均通过1000倍的高压探棒测得的，高压碳棒型号为Tektronix P6015A.图4 脉冲叠加前后的仿真波形Fig.4 Simulation waveforms before andafter pulse superposition(a)(b)(c)(d)图5 流程图及实地测试Fig.5 Flow chart and field test实地测试中，某燃煤厂原有的脱硫反应器设备，其运行参数：处理烟气量2000 Nm3/h，单位体积烟气注入能量2.6 Wh/m3，直流电压约为45 kV，测得进气口烟气中SO2浓度为2.6 g/Nm3，出气口SO2浓度为253.51 mg/Nm3，脱硫效率为90.25%(以出口浓度比进口浓度的比值).针对我们设计的原型机，在处理烟气量、单位体积烟气注入能量等条件一定的情况下，选取一系列脉冲电压幅值、宽度及脉冲频率进行试运行实验并测试出最佳的试运行脉冲幅值、宽度和脉冲频率.4.1 脉冲电压幅值影响在1 kHz脉冲频率、脉冲宽度2 μs进行电压实验，得到脱硫效率实验数据.并绘制出其平滑曲线图，见图7.发现在47和49 kV之间脱硫效率曲线有一个极值点，所以增加了脉冲幅值为48 kV的测试，得到数据为：进气口SO2浓度为2.62g/Nm3，出气口SO2浓度为86.98 mg/Nm3，除尘效率为96.68%.说明脉冲电压并非越大越有利于提升除尘效率，而是有一峰值，故而选用48 kV作为后面测试所设定的脉冲电压幅值.(a)(b)图6 负载端波形图Fig.6 The waveform diagram of loads图7 脉冲幅值和脱硫效率的关系Fig.7 Relationship between pulse amplitude and removal efficiency of SO24.2 脉冲频率影响参考脉冲幅值的影响实验，选用脉冲宽度2 μs，48 kV的脉冲电压进行脉冲频率的影响研究实验，同样绘制出其影响趋势图见图8，发现随着频率从300 Hz增加，脱硫效率会渐渐增加，到900 Hz以后，脱硫效率又会慢慢减小，不过速率较慢，但是当频率更高后脱硫效率又急剧下降.这一过程说明电场荷电会有饱和状态.考虑到等离子体暂且选用800 Hz作为后面测试所设定的脉冲电压频率.图8 脉冲频率和除尘效率的关系Fig.8 Relationship between pulse frequency and removal efficiency of SO24.3 脉冲宽度影响另一方面，脉冲电压的宽度对脱硫效率也有影响.同理，参考上面脉冲幅值及脉冲频率的实验，选用脉冲电压幅值48 kV、脉冲频率为800 Hz，进行实验.实验结果表明，在脉冲宽度低于1 μs时，脱硫效率随着脉宽的增加而提高，1 μs时脱硫效率达到最大，脉宽高于1 μs时，脱硫效率会慢慢降低.脉冲宽度对脱硫效率的影响如下图9所示，这说明脉冲宽度并非越宽越好，在脉宽1 μs左右脱硫效率最高.图9 脉冲宽度与脱硫效率的关系Fig.9 Relationshipbetween pulse width and removal efficiency of SO2综上所述，考虑脱硫效率和等离子体流光放电的产生机理，选用脉冲频率为800 Hz、脉冲电压幅值为48 kV、脉冲宽度1 μs，直流电压幅值为30 kV的叠加方案作为该环境下最佳的脱硫反应器运行参数.5 结论分析了流光放电等离子体脱硫原理，设计了一种等离子体脱硫用高压脉冲电源，与原直流电源叠加，产生稳定、宽范围和有效的流光，提高脱硫效率.利用PSIM仿真软件对主电路进行了仿真，并验证了理论分析的正确性.搭建了17.5 kW的高压电源系统实验平台，对系统的可行性进行了实地测试，得到了脱硫反应器最佳的运行参数.参考文献:【相关文献】[1] 王攀峰.流光放电等离子体烟气脱硫反应器、电源及其匹配问题研究[D].北京：北京交通大学，2005.[2] Jiang Y Z, Shen J W, Wu Y, et al.Influence of resident time of NH3 in corona field on DeSO2 efficiency by pulse discharge [C]//Proceedings of the Fourth International Conference on Applied Electrostatics.Dalian: Electrostatics, 2001.[3] 胡小吐，邓咏佳.流光放电等离子体氨法烟气脱硫脱硝技术概述[J].硫磷设计与粉体工程,2009(5): 11.[4] 陈辉.流光放电氨法脱硫技术在工程中的应用[J].硫酸工业, 2014(1): 31.[5] 朱爱民, 宫为民, 刘书海, 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