УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ СИСТЕМ
DEVICE OF ELECTRIC POWER SUPPLY OF GAS DISCHARGE SYSTEMS

Техническое решение относится к устройствам электрического питания газоразрядных систем, использующих для генерации плазмы барьерный разряд, и может быть применено, в частности, для питания озонаторов, плазменных реакторов, предназначенных для реакций синтеза, конденсации, полимеризации, а так же медицинских приборов и устройств обеззараживания. Устройство может быть использовано в любых конфигурациях газоразрядных систем, использующих барьерный разряд для генерации плазмы.
Уровень техники
Под барьерным разрядом в настоящее время понимают разряд, возникающий в газе под действием приложенного к электродам напряжения, при этом хотя бы один из электродов должен быть покрыт диэлектриком. Барьерный разряд представляет собой известный и широко распространенный тип разряда, используемый в промышленных масштабах. Наиболее часто этот тип разряда применяется в установках для получения озона из кислорода и воздуха, а так же в плазменных реакторах, для реакций синтеза, конденсации и полимеризации [Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. М.: Изд-во МГУ, 1989. - 176 с.]. Кроме того, этот тип разряда может быть использован в медицинских приборах и устройствах обеззараживания.
Широкое применение данного типа разряда обусловили простота его реализации, как с точки зрения конструктивных особенностей, так и с точки зрения параметров его источников питания. Обычно для питания этого типа разряда используется знакопеременное напряжение в широком диапазоне частот, начиная с промышленной частоты и выше, достигающих десятков килогерц.
Способ питания газоразрядных систем на основе барьерных разрядов в непрерывном режиме имеет ряд недостатков, одним из которых является невысокая активная мощность на низких частотах. Активная мощность в барьерном разряде прямо пропорциональна произведению частоты питающего напряжения на емкость диэлектрических барьеров. Таким образом, увеличение активной мощности обычно осуществляется путем повышения частоты питающего напряжения. Но создание мощных блоков питания с частотой коммутации в десятки и сотни килогерц является сложной технической задачей, так как рабочие частоты мощных полупроводниковых приборов (силовых транзисторов с изолированными затворами и тиристоров не превышают единиц-десятков килогерц). Следует отметить, что в высокочастотных источниках питания имеют место коммутационные потери при переключении силовых приборов, что снижает их эффективность.
Несмотря на то, что разработчики принимают меры по снижению коммутационных потерь в высокочастотных источниках питания,  они не исчезают полностью при работе полупроводниковых приборов на высокой частоте. Так же недостатком подобных схем является отсутствие возможности возврата (рекуперации) неизрасходованной в нагрузке энергии.
Непрерывная работа устройства с высокой мощностью приводит к повышенной тепловой нагрузке на электроды разрядной системы. Это вызывает необходимость использования систем их охлаждения. Известно, что повышение температуры электродов отрицательно влияет на эффективность производства озона. Для снижения температуры электродов помимо охлаждения применяется чередование промежутков работы озонатора с промежутками его охлаждения в условиях, затрудняющих использование системы охлаждения во время его работы [Барьерный электрический озонатор с температурной динамикой RU 42 818 U1 от 25.08.2004].
Так как барьерный разряд представляет собой емкостную нагрузку, то в непрерывном режиме в его цепи постоянно протекают емкостные токи, не участвующие в плазмообразовании, дополнительно нагружающие блоки питания и приводящие к джоулевым потерям от нагрева проводников. При использовании газоразрядных систем, с большой площадью электродов, их емкость становится существенной, приводя к большим значениям емкостных токов и потерям соответственно.
Также в качестве недостатка можно отметить то, что пиковая мощность в разряде в непрерывном режиме не может существенно превысить среднюю мощность.
Следует отметить сложность регулировки мощности в непрерывном режиме. Изменение уровня питающего напряжения приведет к изменению режима горения разряда, что может быть нежелательно в ряде случаев.
Другим классом устройств для питания газоразрядных систем на основе барьерного разряда являются импульсные системы с длительностями однократных импульсов от единиц наносекунд. Обладая высокой мощностью в импульсе, недостатком этих устройств является большая скважность, то есть отношении длительности промежутка между импульсами к длительности самого импульса. Из-за этого снижается эффективность обработки газа в разрядном промежутке, так как он подвергается обработке незначительное от общего время. Кроме того, существуют сложности построения на этом принципе устройства с высокой выходной мощностью, так как, не смотря на высокую импульсную мощность, энергия, а значит и выходная мощность, не велики в силу малой длительности импульса. Помимо этого, формирование импульсов наносекундных длительностей требует применения в качестве коммутаторов газовых разрядников, специфических твердотельных коммутаторов, или же магнитных компрессоров. [Устройство для генерации коротких импульсов высокого напряжения. RU 2 144 257 C1 от 18.02.1998]. Применение разрядников приводит к ограничению ресурса устройства в силу специфики их работы, а применение высокоскоростных коммутаторов приводит к увеличению сложности всего устройства и снижению его эффективности в силу конечного кпд самого коммутатора [С.В. Коротков и др. Устройство плазменной очистки воздуха от органических загрязнителей с использованием барьерного разряда наносекундной длительности. Приборы и техника эксперимента, 2012, № 5, с. 99-102]. Использование магнитных компрессоров для целей снижения длительности формируемых импульсов также снижает эффективность устройства из-за потерь энергии в магнитных ключах, особенно в наносекундном диапазоне. Так, в мегавольтном частотном SOS генераторе [Rukin S.N. at al. Megavolt repetitive SOS-based generator. Proc. of 13th IEEE Int. PulsedPower Conf, 2001, V. 2, p. 1272-1275.] потери энергии в магнитном компрессоре устройства достигали 50% от величины всех потерь. Частота следования импульсов в подобных устройствах не превышает единиц килогерц.
Существуют устройства, использующие для питания газоразрядных систем с барьерным разрядом импульсы затухающих гармонических колебаний. Эти устройства способны неоднократно инициировать разряд в промежутке, до тех пор, пока амплитуда питающего напряжения не окажется слишком мала для его зажигания в силу ее затухания. Одно из подобных устройств представлено в описании к полезной модели [Генератор озона RU 91 064 U1 от 22.10.2009], выбранной в качестве прототипа. Схема обладает низкой энергетической эффективностью, так как в ней полезно используется только половина энергии емкостного накопителя – конденсатора С1. Только в процессе зарядки конденсатора часть энергии колебаний поступает в нагрузку. Разряд же емкостного накопителя, заряженного до напряжения источника питания, происходит через ключ, и эта энергия не поступает в нагрузку, а диссипирует (рассеивается в виде тепловой энергии) в ключе и проводниках. В схеме прототипа также отсутствуют элементы, ограничивающие величину тока при разрядке конденсатора через ключ, что может привести к выходу последнего из строя. Дополнительно ухудшает энергетическую эффективность данного решения отсутствие возможности возврата неизрасходованной в разряде энергии в первичную цепь. Процесс формирования импульса затухающих колебаний начинается с запирания ключа, при этом энергия, накопленная в индуктивности трансформатора, вызовет практически двукратное превышение напряжения источника питания на емкости и ключе в результате резонансного характера заряда. Это перенапряжение накладывает на ключ дополнительные требования по его максимально допустимому рабочему напряжению.
Отсутствуют элементы позволяющие формировать форму (огибающую) выходного импульса. Форма импульса будет иметь ярко выраженный затухающий характер с возможностью инициирования разряда только в течение первых периодов выходного напряжения.
Техническая задача
Технической задачей является эффективная генерация низкотемпературной плазмы в газоразрядных системах на основе барьерного разряда.
Технический результат заключается в следующем:
• снижение энергопотребления устройства в целом и повышение его эффективности;
• за счет неоднократного зажигания разряда за один импульс повышение частоты следования импульсов горения разряда;
• снижение тепловых нагрузок на электроды разрядной системы, что позволяет отказаться в ряде случаев от систем их охлаждения;
• обеспечение широкого диапазона регулировки выходной мощности;
• обеспечение недостижимого при работе в непрерывном режиме уровня пиковой мощности при существенно меньшей средней мощности, что может быть актуально для протекания различных плазмохимических реакций (при этом схемотехнические особенности устройства не ограничивают максимальное значение пиковой мощности);
• высокая пиковая мощность позволяет работать с разрядными системами большой площади, эффективно заряжая значительные по величине межэлектродные емкости;
• увеличение в отличие от импульсных наносекундных систем времени взаимодействия плазмы газового разряда с газом в разрядном промежутке;
• обеспечение длительного срока службы устройства, так как оно выполнено на твердотельных элементах и не имеет частей с заведомо заложенным расходом либо износом (искровые разрядники);
• снижение массогабаритных характеристик источника питания ввиду преобразования энергии на повышенной частоте.
Решение
Для решения поставленной задачи предлагается устройство электрического питания газоразрядных систем, включающее
a. первичный колебательный контур, состоящий из последовательно включенных полупроводникового коммутатора с антипараллельным диодом, накопительной емкости и первичной обмотки трансформатора,
b. вторичный колебательный контур, состоящий из вторичной обмотки трансформатора, с последовательно включенными во вторичную цепь индуктивностью, нагрузкой в виде газоразрядной системы и межэлектродной емкостью газоразрядного промежутка, при этом величину указанной индуктивности подбирают таким образом, что в течение одного входного импульса, формирующего преимущественно затухающие колебания в первичном контуре, во вторичном контуре формируются колебания преимущественно одинаковой амплитуды, что обеспечивает многократное зажигание разряда в течение времени указанного входного импульса и эффективную передачу энергии из первичного накопителя в газоразрядную систему.
Величину указанной индуктивности L1 во вторичной цепи подбирают эмпирически из интервала 0.9Lрасч до 1.1Lрасч, где Lрасч рассчитывают по формуле
,
где Lперв – индуктивность первичного контура; Срс – суммарная емкость разрядной системы; Lвтор – индуктивность вторичного контура, С1 – емкость первичного контура (первичный накопитель).
При этом в испытанном устройстве L1 лежит в пределах от 4.8Lвтор до 5.6Lвтор.
Выходной импульс включает в себя несколько периодов гармонических колебаний, например, четыре как в эксперименте. При этом в течение одного входного импульса происходит многократное зажигание разряда в газоразрядной системе (не менее семи раз в использованной конфигурации).
В результате многократного зажигания разряда за один импульс происходит увеличение времени взаимодействия плазмы газового разряда и газа в разрядном промежутке до 10 мкс и более за один импульс.
В реализованном устройстве пиковая мощность в импульсе систему составляет величину порядка 30 кВт и более, что позволяет эффективно заряжать межэлектродные емкости, при этом частота гармонических колебаний составляет сотни килогерц (более 100 кГц).
Описание чертежей
На фиг. 1 изображена электрическая схема предлагаемого устройства. Введены следующие обозначения, 1 – источник питания и схема управления генератором импульсов затухающих колебаний, 2 – коммутатор, 3 – диод D1, 4 – первичный накопитель С1, 5 – трансформатор, 6 – дополнительная индуктивность L1, 7 – нагрузка (газоразрядный промежуток), 8, 9 – датчики токов нагрузки  и первичного контура соответственно.
На фиг. 2 изображена структура барьерного разряда и его эквивалентная схема при отсутствии (Фиг. 2а)  и наличии разряда (Фиг. 2б) в разрядном промежутке. Введены следующие обозначения, 10 – емкость диэлектрического барьера Сб, 11 – емкость разрядного промежутка Срп, 12 – эквивалент, соответствующий напряжению горению разряда Uр, 13 – эквивалент, соответствующий потерям энергии в разряде Rр.
На фиг. 3 изображены кривые напряжения Uc на первичном накопителе С1, тока в первичном контуре Iперв и выходных напряжения и тока Uвых и Iвых соответственно.
Детальное описание
Предлагается устройство, которое было бы свободно от недостатков как импульсных, так и работающих в непрерывном режиме устройств питания газоразрядных систем на основе барьерного разряда и обладало бы их преимуществами. Для питания подобных устройств предлагается использовать источники питания с выходным напряжением в виде импульсов гармонических колебаний. Обладая высокой мощностью, как и в случае моноимпульсных систем, данная форма питающего напряжения позволяет неоднократно инициировать разряд в промежутке за один импульс. Это приводит к повышению эффективной частоты работы устройства, которая будет равна произведению частоты следования импульсов на количество актов инициирования разряда за один импульс.
Время горения разряда в этом случае существенно выше, чем в короткоимпульсных системах, что приводит к увеличению времени взаимодействия плазмы газового разряда и газа в разрядном промежутке.
За счет возможности регулирования в широких пределах периода следования импульсов, появляется возможность изменять среднюю мощность в разряде также в широких пределах. Это позволяет снизить тепловую нагрузку на электроды разрядной системы при сохранении высокой импульсной мощности. Снижение тепловой нагрузки на электроды позволяет отказаться от систем охлаждения, обязательных для мощных установок непрерывного действия.
Поскольку барьерный разряд представляет собой емкостную нагрузку, ток перезарядки емкости диэлектрика и разрядного промежутка присутствует в системах непрерывного действия постоянно. Протекание емкостных токов приводит к дополнительному разогреву проводников, снижая эффективность системы. В импульсном же устройстве емкостной ток протекает только во время импульса, что снижает потери от емкостных токов в проводниках.
Высокая импульсная мощность позволяет эффективно перезаряжать межэлектродную емкость большой величины. Это открывает возможность использования данного технического решения для создания  мощных промышленных установок с большой площадью электродов газоразрядной системы. Следует отметить, что схемотехнические особенности предложенного устройства не ограничивают максимальное достижимое значение средней и пиковой мощности. Предложенный способ генерации импульсов гармонических колебаний экономичен, не требует применения газовых разрядников, полупроводниковых обострителей напряжения и магнитных компрессоров. В случае неполного потребления нагрузкой запасенной в источнике питания энергии, часть ее, за исключением потерь, возвращается после окончания импульса в источник питания (рекуперируется). Это приводит к снижению энергопотребления устройства в целом,  повышая его эффективность.
Повышенная частота гармонических колебаний в импульсе, способная достигать сотен килогерц, позволяет создавать малогабаритные источники питания с пониженной материалоемкостью различной мощности и требуемого уровня выходного напряжения.
Отличительная особенность данного технического решения от прототипа состоит в том, что в источнике питания в данном варианте для получения импульсов гармонических колебаний используется разряд накопительного конденсатора, а не его заряд. При этом исчезает необходимость бесполезно разряжать накопительную емкость, заряженную до максимального напряжения, через ключ. В нашем случае ток разряда накопительной емкости через ключ ограничен индуктивностью трансформатора со стороны первичной обмотки. При этом большая часть накопленной энергии в емкостном накопителе при его разряде поступает в нагрузку. Остаток энергии к моменту окончания импульса возвращается в емкостной накопитель, что способствует повышению эффективности устройства по сравнению с прототипом. К ключу в предложенном варианте прикладывается напряжение амплитудой, не превышающей напряжение источника питания. Кроме того, в цепь питания газоразрядной системы вводятся дополнительные элементы (индуктивность L1), позволяющие задать оптимальную форму импульса выходного напряжения также с целью достижения максимально эффективной генерации плазмы барьерного разряда. Данное решение позволяет сформировать на нагрузке импульс требуемой длительности. Длительность этого импульса выбирается из условия эффективной многократной генерации плазмы в разряде в течение всего импульса.
Электрическая схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1. Устройство состоит из источника питания и схемы управления (1), твердотельного коммутатора с полным управлением (2), диода D1 (3), емкостного накопителя С1 (4), трансформатора (5), дополнительной индуктивности L1 (6), нагрузки (газоразрядной системы) (7), датчиков токов нагрузки Iвых  и первичного контура Iперв (8, 9) соответственно.
Источник питания обеспечивает зарядку емкостного накопителя до требуемого значения напряжения Uc. Схема управления формирует сигналы управления коммутатором, осуществляя его включение и выключение. Коммутатор совместно с емкостным накопителем и первичной обмоткой трансформатора образуют колебательный контур. Возникновение затухающих по амплитуде колебаний в контуре происходит после включения коммутатора при наличии энергии в емкостном накопителе С1. Энергия колебаний из первичного контура через трансформатор поступает в нагрузку. Нагрузка включена в цепь вторичной обмотки трансформатора. Трансформатор служит для согласования импеданса устройства с импедансом различных нагрузок для цели максимально эффективной передачи в них энергии. Частота колебаний в первичном контуре определяется величиной емкости накопителя и индуктивностью трансформатора со стороны первичной обмотки. Частота колебаний во вторичной цепи определяется индуктивностью трансформатора со стороны вторичной обмотки, дополнительной индуктивностью L1 и емкостью разрядной системы. Емкость разрядной системы складывается из последовательно включенных емкостей диэлектрического барьера Сб и емкости разрядного промежутка Срп (Фиг. 2).
В предложенном устройстве, аналогично тому, как это выполняется в трансформаторах Тесла, обеспечивается приблизительное равенство частот колебаний первичного и вторичного контуров. Подстройка частоты колебаний во вторичном контуре осуществляется с помощью изменения значения дополнительной индуктивности L1.
При этом частоты первичного и вторичного контуров будут определяться как:
.
Форма импульса (огибающая, соответствующая изменению амплитуды высокочастотных гармонических колебаний) определяется как значениями примененных в устройстве элементов, так и величиной магнитной связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Эта величина зависит от параметров и конструкции трансформатора, и является определяющей для величины скорости ухода энергии из первичного контура в нагрузку. Изменяя величину магнитной связи и значение добавочной индуктивности L1, можно добиться различной формы огибающей выходных импульсов. Оптимизация параметров и конструкции трансформатора проводилась с целью достижения многократного инициирования барьерного разряда в течение импульса заданной длительности и максимально эффективной передачи энергии из первичного накопителя в газоразрядную систему.
Формирование импульса затухающих колебаний в первичной цепи начинается с достижения требуемого уровня напряжения на первичном емкостном накопителе и подаче сигнала включения коммутатора. В первичном колебательном контуре, состоящем из коммутатора, емкостного накопителя  и первичной обмотки трансформатора возникают затухающие гармонические колебания. Энергия каждого последующего полупериода колебаний меньше предыдущего на величину энергии ∆E за счет суммы энергии переданной в нагрузку и энергии потерь. Энергия потерь складывается из резистивных потерь и потерь в сердечнике трансформатора, в случае его использования.
Достоинством предложенного решения является возможность возврата (рекуперации) неизрасходованной в нагрузке энергии. После отключения в нужный момент коммутатора, неизрасходованная к этому моменту энергия, через диод D1 возвращается в первичный емкостной накопитель C1. Величина этой энергии определяет величину остаточного напряжения на накопителе Uост. Именно на эту величину уменьшится отбор энергии из источника питания для формирования последующего импульса. Этим приводит к снижению энергопотребления устройства в целом, повышая его эффективность.
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора также представляет собой импульс, образованный несколькими периодами гармонических колебаний. Подбором параметров элементов устройства в цепи нагрузки удается формировать несколько периодов напряжения с амплитудами без ярко выраженного затухания во времени. Это позволяет многократно инициировать барьерный разряд в течение импульса. Так, из представленных кривых тока и напряжения можно сделать вывод, что разряд в исследуемом устройстве за один импульс зажигался не менее семи раз. Во столько же раз возрастает эффективная частота его зажигания по сравнению с частотой следования импульсов. Таким образом, при частотах следования импульсов в единицы килогерц, как и в случае моноимпульсных систем, частота зажигания разряда в нашем случае будет достигать десятков килогерц. Количество актов инициирования разряда за один импульс может иметь различные значения – как большее, так и меньшее от полученного в данном конкретном случае. Оно определяется энергозапасом в емкостном накопителе С1, параметрами примененных в устройстве элементов и свойствами газоразрядной системы.
Устройство позволяет формировать импульсы высокой мощности. Так, мощность первого полупериода колебаний в первичном контуре в данном конкретном устройстве составляет более 30 кВт. Установка непрерывного действия подобной мощности отличалась бы внушительными массогабаритными показателями и непременным наличием системы охлаждения. Несмотря на высокую пиковую мощность колебаний за время импульса, средняя мощность предложенного устройства может регулироваться за счет изменения частоты следования импульсов (изменения скважности) в широких пределах. Максимальная пиковая мощность предложенного способа формирования импульсов не лимитируется приведенными на кривых значениями и может достигать мегаваттного уровня мощности.
Кривые токов и напряжений получены с помощью осциллографа HP54542Ac рабочей частотой до 500 МГц, в качестве датчиков тока использовались трансформаторы тока Stangenes 0.5-0.1 c временем нарастания 10 нс, выходное напряжение измерялось высоковольтным щупом Tektronix P6015, для измерения напряжения на первичном накопителе применялся высоковольтный щуп HP-9258.