單極性低溫等離子體電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單極性低溫等離子體電源，包括依次連接的交流變換單元、波形整形單元和材料表面處理單元。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的波形整形單元采用多原邊變壓器，能夠輸出多種前沿脈沖輸出，再通過方波發(fā)生器的輸出方波的調(diào)節(jié)脈寬，實現(xiàn)了頻率0-50kHZ可調(diào)、電壓0-50kV可調(diào)、脈寬1-100μs可調(diào)、上升沿300ns-15μs可調(diào)的單極性脈沖；本發(fā)明的輸出電壓為單極性，使得兩個電極板之間放電非常均勻，對工件和電極板基本沒有破壞性，保證了工件或材料的完整性，延長了電極板的使用壽命。
【專利說明】單極性低溫等離子體電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種用于材料表面處理用電源，特別是涉及到一種單極性低溫等離子體電源。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體放電產(chǎn)生的低溫等離子體得到越來越廣泛的應(yīng)用，等離子體表面處理技術(shù)應(yīng)運而生。低溫等離子體可用于聚合物、紡織品和金屬等的表面處理，通過表面處理來改善它們表面的吸濕性、可染性、粘接性及導(dǎo)電性等，從而提高它們的應(yīng)用價值。常用的產(chǎn)生大氣壓空氣等離子體的方法有電暈放電、介質(zhì)阻擋放電和大氣壓輝光放電。介質(zhì)阻擋放電的原理是絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電，又稱介質(zhì)阻擋電暈放電或無聲放電，在放電過程中會將空氣電離，從而產(chǎn)生等離子體。該種方式可以在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體，并且與其他兩種方法相比，介質(zhì)阻擋放電設(shè)備簡單、能量高，且很容易在工業(yè)環(huán)境下實現(xiàn)。
[0003]目前基于介質(zhì)阻擋放電的低溫等離子體技術(shù)用于材料表面改性方面的研究工作在國際上已經(jīng)廣泛地開展起來，在聚合物材料中已被用于處理聚丙烯、聚酰亞胺、聚四氟乙烯等的表面改性中，在紡織品中已被用于棉、麻、羊毛、化纖等的表面處理，在金屬類材料中已被用于表面的輔助高能球磨處理、材料的表面金屬化處理、金屬材料的等離子體表面滲氮、碳處理等。低溫等離子體處理是工業(yè)上非常有前途的處理材料表面的環(huán)保技術(shù)。
[0004]低溫等離子改性與其他改性方法相比具有處理條件簡單，耗能少，處理時間短，效率高，無污染等優(yōu)點。此方法其對材料表面的作用僅涉及表面的幾至幾百納米，在改善材料表面性能的同時又不影響材料的基體性能。相對于傳統(tǒng)的表面改性方法，低溫等離子體技術(shù)在顯著提高聚合物材料表面能的同時，只改變材料表面的化學(xué)成分而不影響其基體結(jié)構(gòu)，使得改性后的材料有著獨特的物理和化學(xué)特性，并且這種無溶劑技術(shù)有助于保護環(huán)境。
[0005]現(xiàn)有的用于材料表面處理的低溫等離子體電源，都是在兩個平行的電極板上加壓，預(yù)處理的材料或工件放置于兩個電極板之間，通過兩電極板之間的放電對工件進行處理，一般加在電極板上的電壓都是雙極性的，在極性變化時，電極板之間的放電不均勻，放電細絲會隨機分布，導(dǎo)致材料或工件處理效果不佳，而且對電極板也產(chǎn)生很大的污染，大大降低了電極板的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種單極性低溫等離子體電源，解決現(xiàn)有用于材料表面處理的低溫等離子體電源采用雙極性電壓所帶來的放電不均勻，材料或工件處理效果不佳和電極板污染的缺陷。
[0007]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):單極性低溫等離子體電源，包括依次連接的交流變換單元、波形整形單元和材料表面處理單元，所述的交流變換單元包括變壓器Tl和整流器Dl，所述的變壓器Tl 一端連接市電，另一端經(jīng)整流器Dl連接到波形整形單元，所述的波形整形單元包括變壓器T3、功率開關(guān)管Ql和方波發(fā)生器T2，所述的變壓器T3的原邊的一個端口連接到交流變換單元，另一個端口經(jīng)功率開關(guān)管Ql接地，功率開關(guān)管Ql的控制端連接到方波發(fā)生器T2，所述的材料表面處理單元包括兩個平行相隔的電極板，該兩個電極板分別連接到變壓器T3的副邊的兩個端口上，兩個電極板上還并聯(lián)有一個放電電阻R2。本發(fā)明中，市電先輸入到交流變換單元，先由變壓器Tl進行升壓，然后經(jīng)整流器整流，最后輸出直流電，該直流輸入到波形整形單元。波形整形單元中，功率開關(guān)管Ql由方波發(fā)生器T2驅(qū)動，功率開關(guān)管Ql斷開時，變壓器T3不工作，當功率開關(guān)管Ql連通時，變壓器T3工作，方波發(fā)生器T2輸出一個方波到功率開關(guān)管Ql的控制端，使得變壓器T3輸出的波形被該方波截斷，形成一個有垂直上升沿和垂直下降沿的波形，該波形輸入到二極管D2、二極管D3，濾掉脈沖中殘留的負壓部分，使得成為高壓單極性的方波，再由調(diào)節(jié)電阻Rl和調(diào)節(jié)電容Xl整形為陡上升沿，慢下降沿的波形，最后輸入到材料表面處理單元時的波形為單極性的三角波，該三角波波脈沖用于驅(qū)動材料表面處理單元，該電壓加在兩個電極板上，在電極板之間進行放電，因為本發(fā)明的電壓為單極性，所以需要在兩個電極板上并聯(lián)一個放電電阻R2，由于材料表面處理單元為容性負載，在高壓脈沖充電后電荷將保存，因此必須設(shè)置一放電電阻R2，放電電阻R2阻值較小，在三角波脈沖的低壓間隔時間內(nèi)，將材料表面處理單元的電荷全部釋放，電壓重新恢復(fù)到原始低電平。
[0008]進一步，上述的波形整形單元與材料表面處理單元之間設(shè)置有一個波形二次整形單元，所述的波形二次整形單元包括二極管D2、二極管D3、調(diào)節(jié)電阻Rl和調(diào)節(jié)電容XI，所述的二極管D2、二極管D3、調(diào)節(jié)電阻Rl依次串聯(lián)后，前端接變壓器T3，后端接材料表面處理單元中的高壓電極板，所述的調(diào)節(jié)電容Xl并聯(lián)在材料表面處理單元上，即調(diào)節(jié)電容Xl的兩端分別接材料表面處理單元中的兩個電極板。二極管D2、二極管D3用于濾掉脈沖中殘留的負壓部分，高壓單極性脈沖頂部波形為方波，再由調(diào)節(jié)電阻Rl和調(diào)節(jié)電容Xl整形為陡上升沿，慢下降沿的波形，并且Rl可以起到限制放電電流的作用，可以保護表面處理單元的放電擊穿，最后輸入到材料表面處理單元時的波形為單極性的三角波，單極放電的優(yōu)越性在于放電均勻，處理工件表面的效果好。
[0009]進一步，上述變壓器T3為多原邊變壓器，變壓器T3的所有原邊中的都有一端口連接到功率開關(guān)管Q1，剩下的端口各自通過一個開關(guān)連接到交流變換單元，變壓器T3中通過選擇各原邊接入電路，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的前沿，這樣可以針對多種材料，減少了成本。
[0010]進一步，上述的變壓器T3與交流變換單元之間還設(shè)置有一個電感LI和一個單刀雙擲的開關(guān)J1，電感LI的一端連接交流變換單元,另一端連接開關(guān)Jl的其中一個不動端，開關(guān)Jl另一個不動端連接交流變換單元，開關(guān)Jl的動端連接到變壓器T3，電感LI主要用于補充變壓器T3的漏感，因為變壓器T3為多原邊變壓器，各原邊的漏感不一。通過開關(guān)Jl控制LI接入或不接入，調(diào)節(jié)漏感，以適應(yīng)變壓器不同的漏感值，同樣可實現(xiàn)調(diào)節(jié)前沿的目的。
[0011]進一步，上述的交流變換單元與波形整形單元之間還設(shè)置有一個濾波器，所述的濾波器包括極性電容Cl和非極性電容C2，主要對交流變換的單元輸出的波形進行處理，獲得更加穩(wěn)定的直流電，減少了交變脈動波紋對電子電路的干擾，保證了電子器件的穩(wěn)定工作，其中電容Cl采用極性的高儲能密度電容，不僅體積小而且電容量大，并設(shè)置溫度傳感器，實時監(jiān)控電容工作狀態(tài)，電容C2采用非極性的陶瓷電容，具有容量大、耐高溫、適應(yīng)高頻工作的優(yōu)點。
[0012]優(yōu)選的，上述的方波發(fā)生器T2采用型號為MAX308的芯片，轉(zhuǎn)換速度快、功率消耗底、采樣速率高達308 ks/s點，滿量程輸入電壓范圍為±5V，功耗為210 mW?？膳c大多數(shù)流行的數(shù)字信號處理器的串行接口直接接口，該輸入可以接收TTL或CMOS的信號電平，時鐘頻率為0.1-5.5MHz。通過調(diào)節(jié)MAX308的控制信號，可以選擇不同的方波輸出頻率和方波脈寬。
[0013]優(yōu)選 的，上述的功率開關(guān)管Ql采用高壓IGBT，IGBT具有驅(qū)動功率小、飽和壓降低的優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
(1)本發(fā)明的輸出電壓為單極性，使得兩個電極板之間放電非常均勻，對工件和電極板基本沒有破壞性，保證了工件或材料的完整性，延長了電極板的使用壽命；
(2)本發(fā)明的波形整形單元采用多原邊變壓器，能夠輸出多種前沿脈沖輸出，再通過方波發(fā)生器的輸出方波的調(diào)節(jié)脈寬，實現(xiàn)了頻率0-50kHZ可調(diào)、電壓0-50KV可調(diào)、脈寬1-100 μ s可調(diào)、上升沿300ns-15y s可調(diào)的單極性脈沖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為實施例1中功率開關(guān)管輸出到多原邊變壓器的電壓波形示意圖；
圖3為實施例1中材料表面處理單元的電極板A上的電壓波形圖；
圖4為實施例1中材料表面處理單元的電極板B上的電流波形圖；
圖5為實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明:
【實施例1】
如圖1所示，單極性低溫等離子體電源，包括依次連接的交流變換單元、波形整形單元和材料表面處理單元，所述的交流變換單元包括變壓器Tl和整流器D1，所述的變壓器Tl一端連接市電，另一端經(jīng)整流器Dl連接到波形整形單元，所述的波形整形單元包括變壓器T3、功率開關(guān)管Ql和方波發(fā)生器T2，所述的變壓器T3的原邊的一個端口連接到交流變換單元，另一個端口經(jīng)功率開關(guān)管Ql接地，功率開關(guān)管Ql的控制端連接到方波發(fā)生器T2，所述的材料表面處理單元包括兩個平行相隔的電極板，為電極板A和電極板B，該兩個電極板分別連接到變壓器T3的副邊的兩個端口上，材料表面處理單元上還并聯(lián)有一個放電電阻R2。本發(fā)明中，220V/50HZ的市電先輸入到交流變換單元，先由變壓器Tl進行升壓，然后經(jīng)整流器整流，最后輸出0-1300V的直流電，該直流電為半正弦波，輸入到波形整形單元，波形整形單元中，功率開關(guān)管Ql由方波發(fā)生器T2驅(qū)動，功率開關(guān)管Ql斷開時，變壓器T3不工作，當功率開關(guān)管Ql連通時，變壓器T3工作，方波發(fā)生器T2輸出一個方波到功率開關(guān)管Ql的控制端，使得變壓器T3輸出的波形被該方波截斷，本實施例可以控制方波信號脈沖與交流變換單元輸出的脈沖的頻率一致，并中心對應(yīng)，切割并有變壓器T3放大后為0-50KV的脈沖，且有垂直上升沿和垂直下降沿的波形，這種電壓方便放電處理工件，提高放電均勻性，該電壓加在兩個電極板上，電極板之間進行放電，而調(diào)節(jié)方波發(fā)生器的輸出方波的脈寬即可調(diào)節(jié)最后輸出脈沖的脈寬，本實施例中頻率0-50kHZ可調(diào)、脈寬1-1OOys可調(diào)。因為本發(fā)明的電壓為單極性，所以需要在兩個電極板上并聯(lián)一個放電電阻R2，放電電阻R2為高功耗電阻，用于消耗兩個電極板上的電壓，方便迎接下一波脈沖。
[0017]本實施例中波形整形單元與材料表面處理單元之間設(shè)置有一個波形二次整形單元，所述的波形二次整形單元包括二極管D2、二極管D3、調(diào)節(jié)電阻Rl和調(diào)節(jié)電容XI，所述的二極管D2、二極管D3、調(diào)節(jié)電阻Rl依次串聯(lián)后，前端接變壓器T3，后端接材料表面處理單元中的高壓電極板，所述的調(diào)節(jié)電容Xl并聯(lián)在材料表面處理單元上，即調(diào)節(jié)電容Xl的兩端分別接材料表面處理單元中的兩個電極板。二極管D2、二極管D3用于濾掉脈沖中殘留的負壓部分，使得成為高壓單極性的方波，調(diào)節(jié)電阻Rl和調(diào)節(jié)電容Xl將脈沖波形整形為陡上升沿，慢下降沿的波形，最后輸入到材料表面處理單元時的波形為單極性的三角波。
[0018] 本實施例中交流變換單元與波形整形單元之間還設(shè)置有一個濾波器，所述的濾波器包括電容Cl和電容C2，主要交流變換的單元輸出的波形進行處理，獲得更加穩(wěn)定的直流電，減少了交變脈動波紋對電子電路的干擾，保證了電子器件的穩(wěn)定工作，其中電容Cl采用極性的高儲能密度電容，不僅體積小而且電容量大，并設(shè)置溫度傳感器，實時監(jiān)控電容工作狀態(tài)，電容C2采用非極性的陶瓷電容，具有容量大、耐高溫、適應(yīng)高頻工作的優(yōu)點。
[0019]本實施例中方波發(fā)生器T2采用型號為MAX308的芯片，它的轉(zhuǎn)換速度快、功率消耗底、采樣速率高達308 ks/s點，滿量程輸入電壓范圍為±5V，功耗為210 mW?？膳c大多數(shù)流行的數(shù)字信號處理器的串行接口直接接口，該輸入可以接收TTL或CMOS的信號電平，時鐘頻率為0.1-5.5MHz。
[0020]本實施例中功率開關(guān)管Ql采用高壓IGBT，IGBT具有驅(qū)動功率小、飽和壓降低的優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。
[0021]本實施例采用上述的器件后，其中，高壓IGBT的C極電壓波形如圖2，放電裝置(SP材料表面處理單元)，其A極板上的電壓波形如圖3，B極板至地回路放電電流波形如圖4。
[0022]【實施例2】
如圖5，本實施例的結(jié)構(gòu)與實施例1基本一致，不同之處在于變壓器T3為多原邊變壓器，變壓器T3的所有原邊中的都有一端口連接到功率開關(guān)管Q1，剩下的端口各自通過一個開關(guān)連接到交流變換單元，變壓器T3中通過選擇那些個原邊接入電路，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的前沿，使得脈沖的上升沿300ns-15ys可調(diào)，這樣可以針對多種材料，減少了成本。
[0023]本實施例中變壓器T3與交流變換單元之間還設(shè)置有一個電感LI和一個單刀雙擲的開關(guān)J1，電感LI的一端連接交流變換單元，另一端連接開關(guān)Jl的其中一個不動端，開關(guān)Jl另一個不動端連接交流變換單元，開關(guān)Jl的動端連接到變壓器T3，電感LI主要用于補充變壓器T3的漏感，并可實現(xiàn)補充調(diào)節(jié)前沿的目的，因為變壓器T3為多原邊變壓器，各原邊的漏感不一。
【權(quán)利要求】
1.單極性低溫等離子體電源，其特征在于:包括依次連接的交流變換單元、波形整形單元和材料表面處理單元，所述的交流變換單元包括變壓器Tl和整流器Dl，所述的變壓器Tl 一端連接市電，另一端經(jīng)整流器Dl連接到波形整形單元，所述的波形整形單元包括變壓器T3、功率開關(guān)管Ql和方波發(fā)生器T2，所述的變壓器T3的原邊的一個端口連接到交流變換單元，另一個端口經(jīng)功率開關(guān)管Ql接地，功率開關(guān)管Ql的控制端連接到方波發(fā)生器T2，所述的材料表面處理單元包括兩個平行相隔的電極板，該兩個電極板分別連接到變壓器T3的副邊的兩個端口上，兩個電極板上還并聯(lián)有一個放電電阻R2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單極性低溫等離子體電源，其特征在于，所述的波形整形單元與材料表面處理單元之間設(shè)置有一個波形二次整形單元，所述的波形二次整形單元包括二極管D2、二極管D3、調(diào)節(jié)電阻Rl和調(diào)節(jié)電容XI，所述的二極管D2、二極管D3、調(diào)節(jié)電阻Rl依次串聯(lián)后，前端接變壓器T3，后端接材料表面處理單元中的高壓電極板，所述的調(diào)節(jié)電容Xl并聯(lián)在材料表面處理單元的兩個電極板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單極性低溫等離子體電源，其特征在于，所述的變壓器T3為多原邊變壓器，變壓器T3的所有原邊中的都有一端口連接到功率開關(guān)管Ql，剩下的端口各自通過一個開關(guān)連接到交流變換單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單極性低溫等離子體電源，其特征在于，所述的變壓器T3與交流變換單元之間還設(shè)置有一個電感LI和一個單刀雙擲的開關(guān)J1，電感LI的一端連接交流變換單元，另一端連接開關(guān)Jl的其中一個不動端，開關(guān)Jl另一個不動端連接交流變換單元，開關(guān)Jl的動端連接到變壓器T3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單極性低溫等離子體電源，其特征在于，所述的交流變換單元與波形整形單元之間還設(shè)置有一個濾波器，所述的濾波器包括極性電容Cl和非極性電容C2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單極性低溫等離子體電源，其特征在于，所述方波發(fā)生器T2為 MAX308。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單極性低溫等離子體電源，其特征在于，所述的功率開關(guān)管Ql采用高壓IGBT。
【文檔編號】H02M7/04GK103683981SQ201410000814
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2014年1月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】王凌云, 劉宏偉, 李 杰, 李喜, 章林文, 李洪濤, 王傳偉, 袁建強, 姜蘋, 馬勛, 丁勝 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所