介質(zhì)阻擋放電電路的研究進(jìn)展及展望

唐雄民，孟志強(qiáng)，張 淼

（1.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082）

引言

介質(zhì)阻擋放電 （Dielectric Barrier Discharge，簡(jiǎn)稱DBD），又稱無聲放電，其主要特點(diǎn)是至少一個(gè)電極表面被絕緣介質(zhì)覆蓋或在放電空間插入絕緣介質(zhì)，當(dāng)在放電電極上施加交流高壓后，電極間建立的高強(qiáng)度交變電場(chǎng)將氣體擊穿而形成放電。目前，介質(zhì)阻擋放電技術(shù)在材料、微電子、化工、機(jī)械、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、自來水深度處理等眾多學(xué)科領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[1,2]。但是，從電氣學(xué)的角度看，DBD型負(fù)載是一類非常特別的負(fù)載，在放電前后的特性發(fā)生顯著的改變，放電前可以等效為一類純電容負(fù)載，放電后呈現(xiàn)典型的非線性阻容特性(圖1)[3,4]，且這種非線性特性與放電電極間的氣場(chǎng)參數(shù)強(qiáng)相關(guān)。

正是由于這些特殊性，使得研究人員很難采用在其他連續(xù)型負(fù)載（例如，電機(jī)、感應(yīng)加熱型負(fù)載等）中已經(jīng)成熟使用的理論和方法對(duì)DBD型負(fù)載特性進(jìn)行分析，只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路，至使系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路的性能不優(yōu)，嚴(yán)重制約了介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)（包含DBD型負(fù)載和驅(qū)動(dòng)電路，以下簡(jiǎn)稱DBD系統(tǒng)）的推廣應(yīng)用。而要解決這一問題，首先要對(duì)影響DBD系統(tǒng)性能的4個(gè)方面進(jìn)行深入研究：

（1）分析放電前后電容非線性突增與驅(qū)動(dòng)電路的匹配問題，尋找最優(yōu)工作點(diǎn)；

（2）確定適合的DBD型負(fù)載工作激勵(lì)波形；

（3）研究DBD型負(fù)載調(diào)節(jié)特性，實(shí)現(xiàn)放電效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)及放電功率的平滑調(diào)節(jié)；

（4）設(shè)計(jì)新型驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浼皩?duì)現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

而完成上述4個(gè)問題的研究，關(guān)鍵在于能夠：

（1）建立精確描述DBD型負(fù)載工作過程與負(fù)載特性的電氣等效模型；

（2）基于電氣等效模型探求高效的DBD型負(fù)載激勵(lì)波形；

（3）基于選擇的負(fù)載激勵(lì)波形，設(shè)計(jì)有效的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

為此，國(guó)內(nèi)外研究工作者對(duì)DBD型負(fù)載特性和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)造及控制等兩個(gè)主要方面進(jìn)行了大量而細(xì)致的工作。

1 DBD型負(fù)載特性的研究

DBD放電過程的機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜[5,6,7]，至今還沒有較為完整的描述。因而，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)DBD負(fù)載特性的研究大多采用傳統(tǒng)的研究方法，即一般將DBD放電過程當(dāng)作具有輸入、輸出端的“黑匣子”，工作中通過調(diào)節(jié)輸入使輸出達(dá)到經(jīng)驗(yàn)預(yù)期值，不注重也不關(guān)心中間發(fā)生的物理過程與作用機(jī)制，這種研究方法大多表現(xiàn)為經(jīng)驗(yàn)性，在實(shí)踐中缺乏必要的理論指導(dǎo)和分析，得到的結(jié)論不具有普適性，難以形成系統(tǒng)性的理論成果。

為更好地描述DBD型負(fù)載的特性，各國(guó)科技工作者采用了不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、研究方法和分析手段對(duì)這一內(nèi)容進(jìn)行了研究，這些研究工作大致可歸為以下五類：

（1）用高壓逆變電源或高壓脈沖電源給DBD型負(fù)載供電（圖2），通過大量的實(shí)驗(yàn)研究負(fù)載特性[13,14]。這種方法簡(jiǎn)單、直觀，能測(cè)試特定DBD系統(tǒng)對(duì)不同激勵(lì)波形的響應(yīng)特性。由于DBD型負(fù)載物理結(jié)構(gòu)（如不同負(fù)載的放電電極之間的氣隙、絕緣介質(zhì)層厚度）的一致性較難保證、工作中的氣相參數(shù)波動(dòng)，導(dǎo)致不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異性較大，難以形成理論化的研究成果。

（2）利用等離子放電中的微放電電流出現(xiàn)條件建立DBD型負(fù)載的物理仿真模型（圖3）[15,16,17]。該方法需要在物理仿真模型中設(shè)置放電維持電壓和放電-未放電轉(zhuǎn)換時(shí)間，可用于輔助分析正弦電壓源激勵(lì)的DBD型負(fù)載特性，但難以推廣到其他激勵(lì)波形。

（3）基于一維流體力學(xué)模型，假設(shè)局域電場(chǎng)近似平衡，采用有限元分析方法求解描述DBD型負(fù)載放電過程的偏微分方程，研究DBD放電過程中電子和帶電離子的時(shí)空變化特征和規(guī)律。但是，這種分析方法很難用于研究DBD型負(fù)載特性，主要原因是這種分析方法建模困難、求解過程耗時(shí)長(zhǎng)、存在軟件綜合的問題且分析結(jié)果難以用于指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)電路的分析和設(shè)計(jì)。

（4）實(shí)驗(yàn)分析DBD型負(fù)載上的電流和電壓幅值和相位關(guān)系，建立其等效阻容電路模型。采用阻容結(jié)構(gòu)形式的電氣等效模型分析在特定條件下負(fù)載的特性（圖4）。這類模型可分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。筆者通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)DBD型負(fù)載上某些關(guān)鍵電氣參數(shù)與放電功率基本符合線性變化規(guī)律，提出了一種線性化的阻容等效電路，并用此等效電路對(duì)負(fù)載特性進(jìn)行分析[19]。

（5）采用DBD型負(fù)載的齊納等效電路進(jìn)行特性分析（圖5）[20,21]。筆者在分別假定激勵(lì)電壓為正弦波、負(fù)載電流為正弦波、負(fù)載電流為方波等條件下研究了DBD型負(fù)載特性[22]。這種方法研究的前提是假設(shè)DBD型負(fù)載參數(shù)不發(fā)生改變且激勵(lì)電壓波形為理想波形，適合分析某一靜態(tài)工作點(diǎn)下的DBD型負(fù)載特性。

2 DBD型負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路的研究

合理選擇施加在DBD型負(fù)載上的激勵(lì)波形是提高DBD型負(fù)載性能的重要因素，激勵(lì)波形的形式和參數(shù)不僅對(duì)改善DBD型負(fù)載的效率至關(guān)重要，而且對(duì)揭示負(fù)載電壓和電流的變化、構(gòu)建驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路與DBD型負(fù)載的匹配都有著重要的影響[8,9]。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了交變電壓方波、正弦電壓波、正弦電流波和脈沖電壓波等激勵(lì)波形對(duì)負(fù)載穩(wěn)態(tài)性能影響的研究[10,11]。

現(xiàn)階段主要有三大類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DBD型負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路。窄脈沖放電驅(qū)動(dòng)電路、串并聯(lián)負(fù)載諧振驅(qū)動(dòng)電路、由負(fù)載諧振驅(qū)動(dòng)電路衍生出來的驅(qū)動(dòng)電路。

（1）窄脈沖放電驅(qū)動(dòng)電路（圖6）[23]具有控制簡(jiǎn)單和能提高DBD型負(fù)載放電效率的優(yōu)點(diǎn)，但存在電路復(fù)雜、成本高及大功率化困難等問題，一般作為特定的波形發(fā)生裝置來研究DBD型負(fù)載的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)際系統(tǒng)中很少采用。

（2）電壓源型串聯(lián)負(fù)載諧振高頻逆變電路 （圖7），電流源型并聯(lián)負(fù)載諧振高頻逆變電路（圖8）[12]是目前研究最多和最為常用的兩種驅(qū)動(dòng)電路。這兩類電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大多是從感應(yīng)加熱電路中移植過來的，設(shè)計(jì)時(shí)將DBD負(fù)載視為一個(gè)阻容負(fù)載，通過串聯(lián)或并聯(lián)補(bǔ)償電感形成串聯(lián)或并聯(lián)諧振條件，以實(shí)現(xiàn)DBD負(fù)載運(yùn)行的高頻化。電壓型驅(qū)動(dòng)電路相比電流型驅(qū)動(dòng)電路具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、功率管承受耐壓低和啟動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。而電流源型驅(qū)動(dòng)則有能抑制DBD型負(fù)載放電后電容突變和保持DBD型負(fù)載上的電壓快速、穩(wěn)定上升等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用潛力。這類驅(qū)動(dòng)電路通過改變工作頻率和占空比實(shí)現(xiàn)放電功率的調(diào)節(jié)。

（3）由負(fù)載諧振驅(qū)動(dòng)電路衍生出來的驅(qū)動(dòng)電路主要包括正、反激型驅(qū)動(dòng)電路（圖9）、SPRL型驅(qū)動(dòng)電路、電流源型半橋驅(qū)動(dòng)電路（圖10）、推挽型驅(qū)動(dòng)電路和無升壓變壓器型驅(qū)動(dòng)電路等[24,25,26,27]。這類驅(qū)動(dòng)電路的工作原理與第二類驅(qū)動(dòng)電路的工作原理類似，大多采用串、并聯(lián)諧振工作方式來滿足DBD負(fù)載的高頻運(yùn)行。

這些不同結(jié)構(gòu)形式的驅(qū)動(dòng)電路大多是為了解決早期的DBD型負(fù)載難以高頻化和不便于調(diào)節(jié)放電功率而提出的，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)并沒有嚴(yán)格考慮DBD放電所特有的物理過程，也很少考慮DBD型負(fù)載對(duì)激勵(lì)波形的特殊需求。因此研究能滿足DBD負(fù)載工作時(shí)特殊要求的驅(qū)動(dòng)電路有著重大的意義。

3 介質(zhì)阻擋放電電路研究展望

由于DBD負(fù)載特殊性，要提升DBD型負(fù)載的放電效率和提高DBD系統(tǒng)的性能，必須在獲得適合放電物理過程的激勵(lì)波形基礎(chǔ)上，構(gòu)建新型驅(qū)動(dòng)電路。為此可從以下方面展開研究：

（1）從DBD型負(fù)載的放電機(jī)理出發(fā)，抽象出適用于描述DBD型負(fù)載放電過程的機(jī)理模型，獲得能準(zhǔn)確反映DBD型負(fù)載放電過程的電氣模型，是研究DBD型負(fù)載特性的一種有效方法。

（2）由機(jī)理模型出發(fā)建立能準(zhǔn)確地反映DBD型負(fù)載放電過程的電氣模型，搭建適合時(shí)域分析的DBD型負(fù)載仿真模型。研究DBD型負(fù)載在穩(wěn)態(tài)條件下的非線性特性，為確定DBD型負(fù)載合理的工作區(qū)域提供分析方法。

（3）分析DBD型負(fù)載對(duì)典型激勵(lì)波形的響應(yīng)曲線，研究DBD型負(fù)載在不同激勵(lì)波形下的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)特性，建立適用于DBD型負(fù)載工作的激勵(lì)波形設(shè)計(jì)原則。

（4）構(gòu)建能生成期望激勵(lì)波形的DBD型負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路，建立驅(qū)動(dòng)電路的電氣模型及分析方法，揭示驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行機(jī)理和調(diào)節(jié)特性。

4 結(jié)束語

本文對(duì)影響DBD系統(tǒng)性能的DBD負(fù)載特性研究和DBD負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路研究進(jìn)行了總結(jié)?？梢钥闯觯蠓忍嵘鼶BD型負(fù)載的放電效率和提高DBD系統(tǒng)的性能還有許多理論和工程方面的問題需要解決。因此，對(duì)組成DBD系統(tǒng)的各部分特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究還有很大的研究空間。相信隨著許多相關(guān)問題的不斷解決，不同類型的DBD將對(duì)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步發(fā)揮巨大的作用。

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