高壓尖端放電控制技術研究

陳國際 余志勇

摘 要： 本文對高壓尖端放電控制技術進行了研究，控制電路包括脈寬調制推挽電路、BOOST升壓電路、倍壓整流電路、放電控制電路等。設計了高壓尖端放電控制電路。

關鍵詞： 高壓尖端放電；推挽電路；BOOST升壓電路；倍壓整流電路；放電控制電路

1 前言

一切電流通過氣體的現象稱為氣體放電或氣體導電。氣體放電按照維持放電是否必需外界電離源而分為非自持放電和自持放電。高壓尖端放電就是利用非自持放電的物理特性，通過高壓放電電路產生的高電壓加載到電極上，由于電極端部曲率半徑很小，高電壓使得電極尖端表面附近產生很強的電場，電極附近的氣體會被局部擊穿而產生高壓放電現象。

2 尖端放電能量分布機理

根據Masao和Tachikura的研究分析，由于電極之間放電能量分布不均勻，導致電弧軸向上的溫度也是呈不均勻分布的，如圖1所示。

放電電弧的能量分布可以通過單位面積內的電流密度I（A，m2）來表示：

其中I為高壓放電時，兩電極之間流過的電流，在X-Y平面內，令r2=x2+y2，Z為兩個電極之間位置變量。σ（z）為Z軸方向任意位置處電流密度的寬度，它是服從高斯分布的曲線。σ（z）由以下公式給出：

其中σ0表示兩個電極的中心位置z=0處的電流分布寬度，C為熱輻射量在方向上的常量。

由公式（1）和公式（2）可以看出，放電過程中，在電極的尖端處的溫度最高，兩個電極尖端連線的中心位置z=0溫度最低。尖端放電產生的能量分布如圖2所示。

3 高壓尖端放電控制系統

本文所述的高壓放電控制系統主要由脈寬調制推挽電路、BOOST升壓電路、倍壓整流電路、放電控制電路等幾個關鍵電路組成。

3.1 脈寬調制推挽電路

本文選用TL494集成電路芯片作為高壓發生電路的核心元器件，可以實現雙端推挽方式輸出，為高壓放電產生電路的升壓變壓器初級提供穩定的直流電壓。TL494是一個電壓驅動型脈沖寬度調制控制集成電路，它的內部結構簡化圖如圖3所示。

3.2 Boost變換器電路

Boost變換器（Boost Converter）基本原理如圖4所示，是反激變換器（Flyback Converter）的一種。

Boost電路的升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在該電路就可以在放電過程中保持一個持續的電流。如果這個通斷的過程不斷重復，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。

3.3 倍壓整流電路

Boost升壓電路輸出電壓到變壓器的初級端后，通過變壓器升壓電路將電壓升至上千伏，從而實現高壓放電。通常考慮到變壓器體積的限制，一般采用倍壓整流進行升壓。圖5是一個二倍壓整流電路。

在變壓器T正半周，變壓器次級上端為正下端為負，VD1導通，VD2截止，C1通過VD1充電，充電后C1的兩端電壓接近變壓器次級電壓峰值，其左端為正，右端為負；在變壓器T負半周，變壓器次級上端為負下端為正，VD1截止，VD2導通，此時C2通過VD2充電，充電后C2兩端的電壓接近C1兩端的電壓與變壓器次級峰值電壓之和，其上端為負，下端為正，由于負載R與電容并聯，當負載足夠大時，其兩端的電壓接近于變壓器次級電壓的兩倍。倍壓整流電路一般按輸出電壓為輸入電壓的倍數，分為幾倍壓整流電路。一般我們定義2倍為一階，階數用N來表示。由于較高階的倍壓整流電路帶載能力差，輸出很小的功率就會導致輸出電壓的大幅度跌落。該電壓跌落公式為

其中為輸出電流，為變壓器輸出頻率，為電容容值，為倍壓整流電路的階數。

3.4 放電控制電路

高壓尖端放電產生的電壓（電弧）大小受控于一個自動控制電路。為了穩定目標放電電壓值與負載電壓變化（放電強弱）引起的不平衡，需要引入一個閉環控制系統。該系統對高壓尖端放電進行采樣反饋，再通過誤差放大器和參考值進行比較，產生一個控制信號對高壓尖端放電進行控制。原理圖如圖6所示。

4 結束語

本文對高壓尖端放電控制技術進行了研究，并給出了一種實現方案。該放電控制系統能夠穩定的工作，能夠實現放電能量的自動控制，且該項技術在后續的產品中得到了實際應用。

參考文獻

[1]邵濤，嚴萍.大氣壓氣體放電及其等離子體應用[M].科學出版社，2015.

[2]劉樹林，劉健，陳勇兵.Boost變換器的輸出紋波電壓分析與最小電感設計[J]. 西安交通大學學報，2007，41（6），707-711，716.

[3]于軍，翟玉文，孫陸梅.TL494 脈寬調制器集成電路的研究[J].吉林化工學院學報，2005，22（3），47-49.

[4]秦愛玲，秦泓江，麻惠生，魯寧.倍壓電路中電容串的電壓分布分析[J].石油儀器，2008，22（4），1-4.