介質(zhì)阻擋強電離放電技術(shù)是等離子體應(yīng)用技術(shù)中新興的一個重要方面。它利用冶貼等方法在氣體放電間隙的兩側(cè)或一側(cè)覆蓋上一層很薄的電介質(zhì)層，當在兩極間施加一定頻率的高壓交流電時，間隙內(nèi)的氣體就會被電離，形成強烈的氣體放電，從而產(chǎn)生高濃度的等離子體。間隙內(nèi)氣體的放電強度是一個與頻率、電壓、材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)的量。受大功率變頻器件及技術(shù)的限制，傳統(tǒng)的用于介質(zhì)阻擋放電的電源裝置只能采用兩種方式實現(xiàn)：一是利用變壓器將工頻交流電直接升壓到所需電壓；二是利用晶閘管等器件將工頻交流電調(diào)制成相對較高頻率的交流電。采用這兩種方式供電，盡管在放電裝置的兩極間能夠施加很高的電壓，且采用晶閘管或GTR等器件的逆變電源也使放電裝置工作頻率有所提高，但仍然滿足不了高性能氣體放電的需要，放基金項目：國家自然基金資助項目（69871002）程師，研究方向為電力電子技術(shù)在等離子體工程中的應(yīng)用。

電間隙內(nèi)的氣體放電不夠強烈。放電裝置及逆變電源裝置的體積龐大，逆變電源的結(jié)構(gòu)復雜且不穩(wěn)定，滿足不了實際應(yīng)用的需要，限制了介質(zhì)阻擋強電離放電這一應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

IGBT等高頻大功率電力電子器件的出現(xiàn)以及相關(guān)變頻技術(shù)的發(fā)展，為介質(zhì)阻擋強電離放電這一新興技術(shù)的發(fā)展提供了可靠的前提及保證。我們知道，IGBT是MOSFET和GTR的復合器件，具有MOSEFT和GTR的雙重優(yōu)點。將IGBT應(yīng)用于介質(zhì)阻擋強電離放電的逆變電源中，不僅使介質(zhì)阻擋放電裝置的性能成倍提高，同時也使放電裝置及電源裝置的體積成倍減少，逆變電源進一步簡化，使介質(zhì)阻擋強電離放電技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣闊。

2介質(zhì)阻擋放電的等效電路介質(zhì)阻擋放電的原理結(jié)構(gòu)如a所示，1為高壓電極；為電介質(zhì)層；3為放電間隙；4為接地電極；5為供電電源。由物理結(jié)構(gòu)分析，介質(zhì)阻擋放電實際上是由放電電極、電介質(zhì)層、放電氣隙構(gòu)成的有損耗的電容器，對供電電源來說可等效為阻容性負載。b為介質(zhì)阻擋放電的等效電路圖。其中Cg為放電氣隙的電容量；Rg為放電間隙等效電阻，它隨電極間施加的電壓變化而變化，具有很強的非線性；Cs為電介質(zhì)的電容量。電介質(zhì)層的插入，有效地抑制了放電電流的無限制增大，阻止了放電間隙產(chǎn)生火花放電或弧光放電，使間隙內(nèi)形成的氣體放電更加強烈，并因此增加了一些新的特點：①介質(zhì)阻擋放電裝置具有較高的初始電壓和工作電壓。當在介質(zhì)阻擋放電裝置的兩電極間施加的電壓低于初始電壓時，間隙內(nèi)不會形成氣體放電，通過負載的電流很小。當間隙內(nèi)的電壓高于放電間隙的初始電壓時，間隙內(nèi)開始發(fā)生氣體放電，放電的強度與這一電壓成正比，電壓越高放電越強烈；②要實現(xiàn)介質(zhì)阻擋強電離放電，供電電源必須具有較高的工作頻率，介質(zhì)阻擋放電的強度與電源電壓的頻率成正比。電極兩端所施加的電壓頻率越高、間隙內(nèi)氣體放電越強烈，同時介質(zhì)的損耗越大，發(fā)熱越嚴重；③為了達到最佳的放電效果，介質(zhì)阻擋放電裝置中的電介質(zhì)層一般制造得很薄，所施加的電壓常常工作在接近臨界擊穿電壓值處，放電裝置的過電壓能力很低；④介質(zhì)阻擋放電裝置屬于阻容性負載，電路工作時可能會與變壓器及電路的漏感形成LC振蕩，從而使負載兩端形成過電壓，特別是在啟動時更容易形成諧振過電壓，危及放電裝置及電源自身的安全，因此電路的設(shè)計必須保證施加到負載上的電壓能夠快速地越過起始電壓，又不會形成過電壓。

3介質(zhì)阻擋放電用IGBT逆變電源的基本結(jié)構(gòu)按照介質(zhì)阻擋放電技術(shù)要求設(shè)計的IGBT逆變電源的框圖如所示。三相交流電經(jīng)EMC濾波后由整流濾波電路整流成平滑直流電。IGBT全橋逆變器將這一直流電轉(zhuǎn)換成占空比在一定范圍內(nèi)均勻可調(diào)的單相交流電，再經(jīng)過高頻高壓變壓器升壓后輸出給介質(zhì)阻擋放電裝置。系統(tǒng)的所有調(diào)節(jié)都是通過IGBT全橋逆變器實現(xiàn)的。電源系統(tǒng)中采用EMC濾波電路的目的是為了有效地抑制逆變電路及高頻高壓氣體放電產(chǎn)生的電磁噪聲和傳導噪聲，從而防止逆變電源及高頻高壓氣體放電對市電網(wǎng)絡(luò)、電源系統(tǒng)本身以及周圍的其他儀器設(shè)備產(chǎn)生干擾。系統(tǒng)中整流濾波部分采用三相全橋不可控整流及LC濾波，可使電路簡化，成本降低。IGBT逆變器采用全橋PWM技米既滿足了介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的要求，又使逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化。高頻高壓變壓器采用的是適合于高頻工作的鐵氧體磁芯，繞組繞制時盡量采用絕緣性能好且較薄的絕緣材料，同時將線圈匝數(shù)小的一次線圈繞在二次線圈中間，減少漏感。

4控制電路控制電路是介質(zhì)阻擋放電電源系統(tǒng)中十分重要的一個方面。介質(zhì)阻擋放電的所有功能都是由控制電路控制IGBT逆變器實現(xiàn)的。該電源的控制電路是由信號檢測電路、PWM控制電路、驅(qū)動及保護電路等幾個部分組成的。

4.1信號檢測該電源中設(shè)置了輸入電壓信號檢測、IGBT過流信號檢測、輸出電壓信號檢測、負載電流信號檢測等。輸入電壓信號是由輔助變壓器獲取的；IGBT過流檢測是通過二極管由IGBT的源極獲取的；輸出電壓檢測是通過電壓分壓器獲取的；負載電流檢測是將一個測量電容器C串聯(lián)到介質(zhì)阻擋放電裝置的低壓端（見）獲取的。因為：出），又因為：C檢測電容的電容量由此可以看出只要檢測出電容器上的電壓，就可以知道流過負載上的電流。采用測量電容器以測量負載電流的目的：一方面，介質(zhì)阻擋放電裝置本身就是一個電容性負載，利用測量電容檢測負載電流在保證測量精度的同時會使電路簡化；另一方面，它不會引起電路的損耗。

42PWM控制電路PWM控制電路采用的核心部件是SG3524脈寬調(diào)制組件。如所示，系統(tǒng)軟啟動電路是由運放構(gòu)成的加法器及積分器組成的，連接到SG3524的9腳。系統(tǒng)上電時，由軟啟動電路控制SG3524的9腳電平使輸出電壓剛好處于放電的初始電壓處并保持一段時間，然后由積分器按一定斜率逐漸提高9腳電平使輸出電壓上升到放電電壓的設(shè)定值。這樣就避免了啟動時對負載造成沖擊。輸出電壓的穩(wěn)定是由SG3524的誤差放大器（1、2腳）及外圍電路實現(xiàn)的。當電源系統(tǒng)發(fā)生過壓、過流、過載、欠壓等故障時，經(jīng)信號處理電路處理后由觸發(fā)器向SG3524的10腳發(fā)出高電平并鎖定輸出電壓20ms，之后重復軟啟動過程。如果故障現(xiàn)象在一定時間內(nèi)持續(xù)存在，則完全中斷電源輸出并發(fā)出故障報警。

輸出的PWM調(diào)制波可直接驅(qū)動隔離光耦。

PWM控制電路4.3驅(qū)動電路的改進EXB841是日本富士公司生產(chǎn)的IGBT專用驅(qū)動模塊，由于結(jié)構(gòu)和使用的原因常常出現(xiàn)一些問題因此在應(yīng)用中對驅(qū)動電路進行了一些改進：①EXB841驅(qū)動模塊是采用單+20V電源供電的，負偏電壓是利用5V穩(wěn)壓管來形成的，因其功率很小，不能很好地抑制柵極電壓的波動，容易造成IGBT的損壞。因此在電路外部并接了一個功率為1W的6V穩(wěn)壓管，同時將電源電壓略微提高。這樣就有效地防止了驅(qū)動模塊的損壞，同時也能更可靠地驅(qū)動和關(guān)斷IGBT；②EXB841驅(qū)動電路的過流檢測引出端與IGBT漏極間串接的快恢復整流二極管對IGBT的過流保護有很重要的影響，一般要求正向?qū)▔航禐?V.但在國內(nèi)市場能夠買到的快恢5結(jié)論采用IGBT及PWM脈寬調(diào)制技術(shù)設(shè)計的逆變電源在介質(zhì)阻擋放電技術(shù)中已經(jīng)獲得成功的應(yīng)用。實踐證明，該逆變電源系統(tǒng)的設(shè)計完全滿足了介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的需要。該電源不但電路結(jié)構(gòu)簡單體積成倍減小，性能穩(wěn)定可靠，而且使應(yīng)用該電源的介質(zhì)阻擋放電裝置的體積大大減少，性能卻大幅度提高。輸出功率為20kW，工作頻率為20kHz的電源裝置在高產(chǎn)量、高濃度臭氧發(fā)生裝置中的應(yīng)用結(jié)果表明：電源裝置的體積只有原來的五分之一，臭氧發(fā)生裝置的體積只有原來的六分之一，在相同產(chǎn)量條件下，O3的濃度增加了數(shù)倍，最高濃度可達200g/m3，同時也減少了原料氣的消耗。逆變電源所帶來的問題是頻率的提高使放電裝置的能耗有所增加，效率有所下降。下一步的研制目標是改進控制方式，在保持臭氧發(fā)生裝置高濃度、高產(chǎn)量的同時設(shè)法提高裝置的效率。