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摘要：对介质阻挡用大功率高频高压电源进行分析和研制，有利于让装置体积得到减小，让大功率模块频率限制得到突破。本文首先对介质阻挡放电相关概念及特点作出阐述，然后对一种可以在介质阻挡放电中使用的大功率高频高压电源进行介绍和分析，经过实验，可以发现此种电源运行具有较高稳定性，且此种装置具有较快的响应速度，希望本文可以对业内起到一定参考作用。
关键词：介质阻挡放电；大功率；高频高压电源
介质阻挡放电主要指的是在放电空间中插入绝缘介质的非平衡态气体放电情况，介质阻挡放电也可以被称为无声放电与介质阻挡电晕放电。Werner Von Siemens在1857年提出此种介质放电方法，应用此种方法可以在常压条件下产生臭氧。现阶段，此种方法在臭氧合成、气体激光器激励、紫外光源等领域中得到了广泛应用。
一、介质阻挡放电相关概述
在介质阻挡放电过程中，通常需要正弦波型交流高压电源驱动，在供给电压提高过程中，会经历从绝缘状态到放电，最后到击穿的全过程。在传统大功率高压电源中，主要利用工频变压器进行升压，其具有简单的电路、较低的频率，较大的重量及体积，同时，在稳定性、纹波上无法达到令人满意的结果。就目前来看，大功率高频高压开关电源技术依然处于探索阶段，随着频率的逐渐增大，开关损耗会成比例增大，这会对频率提升造成一定限制。为让开关频率得到提升，让开关损耗得到降低，需要对电源体积进行有效减小，可以在高压电源中引入高频多谐振开关变流技术，并利用准谐振电流过零软开关技术，让高频化过程中出现损耗得到降低，让大功率模块频率限制得到突破[1]。
二、介质阻挡放电用大功率高频高压电源分析
（一）介质阻挡放电用大功率高频高压电源关键技术
在介质阻挡放电用电源中，主要包含四个组成系统，即高频逆变系统、初级整流系统、高频高压变压器HVT与控制系统。介质阻挡放电电极和外接阻容性负载作用基本相同，高频高压变压器、串并联混合谐振变换器为关键技术[2]。
1.高频高压变压器
在介质阻挡放电等离子体发生装置中，高频高压变压器占有核心地位，为让其作用得到充分发挥，需要解决三个主要问题：
第一，变压器绝缘问题。需要考虑变压器高压边对低压边绝缘，高压边对铁芯绝缘以及高压边自身端部绝缘等情况，高频变压器自身具有较小的体积，其绝缘距离可能会受到一定限制。
第二，变压器漏感问题。在漏与结构相同的条件下，变压器频率比例和漏抗会呈比例增大，且功率输出会受到限制，在高压变压器中，漏感的降低较为困难，一般情况下，其结构很难满足相关要求。
第三，变压器绕组分布电容问题。在分布电容与结构相同的条件下，其变压器容抗会受到频率比例的影响，可能会让空载电流过大，功率因素过低，进而导致其逆变器出现空载、发热现象。
为对此类问题进行有效解决，在本文中，其介质阻挡放电用大功率高频电压电源采用足够大的磁芯，以此来确保绝缘距离足够，在变压器中，对其予以真空浸油处理工作。绝缘距离可以让分布电容和影响得到有效减小，而分布电容减小可能让漏感增加，在本文中，将其串入谐振电容，可以让谐振变化期得以形成，让零电流关断技术得以实现，让损耗得到有效减少。
2.串并联混合谐振变换器
在本文大功率高频高压电源中采用串并联混合谐振变换器。可以划分其一个周期为四个主要区间，每个区间具有不同的工作模态。不同模态下导通情况均分布相同，其谐振电流和谐振电容两端电压波形如图1所示。
结合图1，在工作稳定条件下，iL为谐振电流波形，uC为谐振电容两端电压波形。t0到t4为四个主要区间，其中t0≤t<t1为模态1，如果t0前Q1Q4为导通状态，在t0时刻中，iL会过零，那么此过零点会被控制回路予以检测，让Q1Q4关断，让零电流开断得以实现，在此刻，其Q2Q3并非处于导通状态，通过D1D4,电源可以得到电流的能量反馈；t1≤t<t2为模态2，在此模态下，处于t1时刻控制信号会对Q2Q3进行驱动，让其导通，电流会在Q2Q3中通过；t2≤t<t3为模态3，在t2时刻，电流会过零，此时Q2Q3会完成自然关断工作，通过D2D3，电源可以得到电流的能量反馈，模态3与模态1具有对称特点，而在t4之后，可以让电路开始下一周期循环工作。在非零电流值条件下，二极管为关断状态，同时，在此条件下Q1~Q4为导通状态，可能会有一定开关损耗存在。需要保证续流二极管具有较好的反向恢复性能，防止开关元件被过大峰值电流流过，可以让二极管关断损耗得到有效减少。这是一种零电流条件的自然关断，这对于逆变器的高频运行具有有利影响。变换器工作方式会受到开关频率的影响，而通过对个开关频率进行有效控制，可以让谐振回路电流控制得以实现。
图 1 谐振电流和谐振电容两端电压波形图
（二）介质阻挡放电用大功率高频高压电源相关实验
利用50kV/50kHz/20kW高频高压电源进行实验，该电源采用TDK公司生产的PC40材质铁氧体磁芯，为4只U形结构U80共同组成E结构磁芯。利用真空浸油处理变压器，其变压器的参数变比是1:70，其漏感是28 ,谐振电感为变压器漏感，串联谐振电容是0.5uF，其工作频率约为50kHz。
在大气压下，利用此电源可以进行介质阻挡放电产生等离子体实验。在实验过程中，利用一对平行h100mm黄铜元面板可以共同组成实验电极，利用两块厚4mm玻璃作为阻挡介质，对放电实验波形进行观察。气体击穿电流是电流曲线尖脉冲，在放电熄灭之后，发现负载呈容性，且电流波形超前电压波形接近于90°，与此同时，发现其具有差异性的气隙距离，具有不同的电流波形状。
采用本体电容、高频高压变压器漏感、负载共同形成串并联混合谐振变换器，利用零电流关断技术，可以让损耗得到减少，其频率可以超过50kHz，可以让装置体积得到有效减小，且具有击穿短路自保护功能。通过实验，发现其电源运行具有较高可靠性，具有较快的动态响应速度，可以让我国过去存在的介质阻挡放电使用高频电源频率低现象得到改善。
结论
综上所述，利用高频高压变压器漏感、本体电容、负载可以共同组成串并联混合谐振变换器，利用零电流关断技术，共同设计成50kV/50kHz/20kW大功率高频高压电源，此电源可以让损耗得到有效减少，且具有运行稳定、响应速度快的特点，能够让高频电源工作频率低问题得到有效解决。
参考文献
[1]高国强,彭开晟,魏文赋.电压幅值和频率对表面介质阻挡放电与气动特性的影响[J].电工技术学报,2017,32(08):55-62.
[2]吴尚,申兆丰,曾庆军.静电除尘用大功率高频高压电源预测控制研究[J].计算机测量与控制,2016,24(02):107-110.
论文作者:李达升
论文发表刊物:《电力设备》2018年第10期
论文发表时间:2018/7/26
标签：谐振论文; 介质论文; 电流论文; 变压器论文; 变换器论文; 频率论文; 电容论文; 《电力设备》2018年第10期论文;