介质阻挡放电电路的研究进展及展望

唐雄民，孟志强，张 淼

（1.广东工业大学自动化学院，广东广州510006；2.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082）

引言

介质阻挡放电 （Dielectric Barrier Discharge，简称DBD），又称无声放电，其主要特点是至少一个电极表面被绝缘介质覆盖或在放电空间插入绝缘介质，当在放电电极上施加交流高压后，电极间建立的高强度交变电场将气体击穿而形成放电。目前，介质阻挡放电技术在材料、微电子、化工、机械、环境保护、医疗卫生、自来水深度处理等众多学科领域中有着广泛的应用[1,2]。但是，从电气学的角度看，DBD型负载是一类非常特别的负载，在放电前后的特性发生显著的改变，放电前可以等效为一类纯电容负载，放电后呈现典型的非线性阻容特性(图1)[3,4]，且这种非线性特性与放电电极间的气场参数强相关。

正是由于这些特殊性，使得研究人员很难采用在其他连续型负载（例如，电机、感应加热型负载等）中已经成熟使用的理论和方法对DBD型负载特性进行分析，只能依据经验设计系统和驱动电路，至使系统和驱动电路的性能不优，严重制约了介质阻挡放电系统（包含DBD型负载和驱动电路，以下简称DBD系统）的推广应用。而要解决这一问题，首先要对影响DBD系统性能的4个方面进行深入研究：

（1）分析放电前后电容非线性突增与驱动电路的匹配问题，寻找最优工作点；

（2）确定适合的DBD型负载工作激励波形；

（3）研究DBD型负载调节特性，实现放电效率的优化设计及放电功率的平滑调节；

（4）设计新型驱动电路拓扑及对现有驱动电路拓扑结构进行优化。

而完成上述4个问题的研究，关键在于能够：

（1）建立精确描述DBD型负载工作过程与负载特性的电气等效模型；

（2）基于电气等效模型探求高效的DBD型负载激励波形；

（3）基于选择的负载激励波形，设计有效的驱动电路拓扑结构。

为此，国内外研究工作者对DBD型负载特性和驱动电路构造及控制等两个主要方面进行了大量而细致的工作。

1 DBD型负载特性的研究

DBD放电过程的机理相当复杂[5,6,7]，至今还没有较为完整的描述。因而，在相当长的一段时间内，对DBD负载特性的研究大多采用传统的研究方法，即一般将DBD放电过程当作具有输入、输出端的“黑匣子”，工作中通过调节输入使输出达到经验预期值，不注重也不关心中间发生的物理过程与作用机制，这种研究方法大多表现为经验性，在实践中缺乏必要的理论指导和分析，得到的结论不具有普适性，难以形成系统性的理论成果。

为更好地描述DBD型负载的特性，各国科技工作者采用了不同的实验设备、研究方法和分析手段对这一内容进行了研究，这些研究工作大致可归为以下五类：

（1）用高压逆变电源或高压脉冲电源给DBD型负载供电（图2），通过大量的实验研究负载特性[13,14]。这种方法简单、直观，能测试特定DBD系统对不同激励波形的响应特性。由于DBD型负载物理结构（如不同负载的放电电极之间的气隙、绝缘介质层厚度）的一致性较难保证、工作中的气相参数波动，导致不同实验结果的差异性较大，难以形成理论化的研究成果。

（2）利用等离子放电中的微放电电流出现条件建立DBD型负载的物理仿真模型（图3）[15,16,17]。该方法需要在物理仿真模型中设置放电维持电压和放电-未放电转换时间，可用于辅助分析正弦电压源激励的DBD型负载特性，但难以推广到其他激励波形。

（3）基于一维流体力学模型，假设局域电场近似平衡，采用有限元分析方法求解描述DBD型负载放电过程的偏微分方程，研究DBD放电过程中电子和带电离子的时空变化特征和规律。但是，这种分析方法很难用于研究DBD型负载特性，主要原因是这种分析方法建模困难、求解过程耗时长、存在软件综合的问题且分析结果难以用于指导驱动电路的分析和设计。

（4）实验分析DBD型负载上的电流和电压幅值和相位关系，建立其等效阻容电路模型。采用阻容结构形式的电气等效模型分析在特定条件下负载的特性（图4）。这类模型可分析系统的稳态特性。笔者通过实验，发现DBD型负载上某些关键电气参数与放电功率基本符合线性变化规律，提出了一种线性化的阻容等效电路，并用此等效电路对负载特性进行分析[19]。

（5）采用DBD型负载的齐纳等效电路进行特性分析（图5）[20,21]。笔者在分别假定激励电压为正弦波、负载电流为正弦波、负载电流为方波等条件下研究了DBD型负载特性[22]。这种方法研究的前提是假设DBD型负载参数不发生改变且激励电压波形为理想波形，适合分析某一静态工作点下的DBD型负载特性。

2 DBD型负载驱动电路的研究

合理选择施加在DBD型负载上的激励波形是提高DBD型负载性能的重要因素，激励波形的形式和参数不仅对改善DBD型负载的效率至关重要，而且对揭示负载电压和电流的变化、构建驱动电路拓扑结构、实现驱动电路与DBD型负载的匹配都有着重要的影响[8,9]。目前，国内外已经开展了交变电压方波、正弦电压波、正弦电流波和脉冲电压波等激励波形对负载稳态性能影响的研究[10,11]。

现阶段主要有三大类拓扑结构的DBD型负载驱动电路。窄脉冲放电驱动电路、串并联负载谐振驱动电路、由负载谐振驱动电路衍生出来的驱动电路。

（1）窄脉冲放电驱动电路（图6）[23]具有控制简单和能提高DBD型负载放电效率的优点，但存在电路复杂、成本高及大功率化困难等问题，一般作为特定的波形发生装置来研究DBD型负载的动态特性，实际系统中很少采用。

（2）电压源型串联负载谐振高频逆变电路 （图7），电流源型并联负载谐振高频逆变电路（图8）[12]是目前研究最多和最为常用的两种驱动电路。这两类电路拓扑结构大多是从感应加热电路中移植过来的，设计时将DBD负载视为一个阻容负载，通过串联或并联补偿电感形成串联或并联谐振条件，以实现DBD负载运行的高频化。电压型驱动电路相比电流型驱动电路具有结构相对简单、功率管承受耐压低和启动方便等优点，因而在工业上得到了广泛的应用。而电流源型驱动则有能抑制DBD型负载放电后电容突变和保持DBD型负载上的电压快速、稳定上升等优点，具有较好的应用潜力。这类驱动电路通过改变工作频率和占空比实现放电功率的调节。

（3）由负载谐振驱动电路衍生出来的驱动电路主要包括正、反激型驱动电路（图9）、SPRL型驱动电路、电流源型半桥驱动电路（图10）、推挽型驱动电路和无升压变压器型驱动电路等[24,25,26,27]。这类驱动电路的工作原理与第二类驱动电路的工作原理类似，大多采用串、并联谐振工作方式来满足DBD负载的高频运行。

这些不同结构形式的驱动电路大多是为了解决早期的DBD型负载难以高频化和不便于调节放电功率而提出的，驱动电路设计时并没有严格考虑DBD放电所特有的物理过程，也很少考虑DBD型负载对激励波形的特殊需求。因此研究能满足DBD负载工作时特殊要求的驱动电路有着重大的意义。

3 介质阻挡放电电路研究展望

由于DBD负载特殊性，要提升DBD型负载的放电效率和提高DBD系统的性能，必须在获得适合放电物理过程的激励波形基础上，构建新型驱动电路。为此可从以下方面展开研究：

（1）从DBD型负载的放电机理出发，抽象出适用于描述DBD型负载放电过程的机理模型，获得能准确反映DBD型负载放电过程的电气模型，是研究DBD型负载特性的一种有效方法。

（2）由机理模型出发建立能准确地反映DBD型负载放电过程的电气模型，搭建适合时域分析的DBD型负载仿真模型。研究DBD型负载在稳态条件下的非线性特性，为确定DBD型负载合理的工作区域提供分析方法。

（3）分析DBD型负载对典型激励波形的响应曲线，研究DBD型负载在不同激励波形下的动、稳态特性，建立适用于DBD型负载工作的激励波形设计原则。

（4）构建能生成期望激励波形的DBD型负载驱动电路，建立驱动电路的电气模型及分析方法，揭示驱动电路的运行机理和调节特性。

4 结束语

本文对影响DBD系统性能的DBD负载特性研究和DBD负载驱动电路研究进行了总结。可以看出，要大幅度提升DBD型负载的放电效率和提高DBD系统的性能还有许多理论和工程方面的问题需要解决。因此，对组成DBD系统的各部分特性的理论和实验研究还有很大的研究空间。相信随着许多相关问题的不断解决，不同类型的DBD将对社会的发展和进步发挥巨大的作用。

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