介质阻挡放电是产生常温等离子体的重要手段,广泛应用于材料表面改性。随着节能环保形势的日益严峻,介质阻挡放电等离子体表面改性作为一种高效清洁的处理技术,在材料制造和加工行业受到了越来越多的重视,具有广阔的应用前景。高压谐振变换器是介质阻挡放电表面改性系统的重要环节,但由于电路参数和表面改性效果之间的相互作用关系尚未完全明晰,限制了谐振变换器的设计优化和工程应用。因此,如何塑造谐振变换器的输出波形以及控制能量的传输方式以实现高效等离子体处理,成为一个重要的研究课题。本课题涉及等离子体、材料和电力电子这三个学科的相互交叉。为此,论文从单周期能量传输时间入手,对负载参数提取、改性效果建模、谐振参数设计和电源性能优化等几个方面开展了深入研究。首先,论文建立了介质阻挡放电负载的分段模型,并提出了能量压缩概念。在明确介质阻挡放电负载等效电容形成机理的基础上,将介质电容按不同工作时段等效为两个不同的值,进而建立了一种分段负载模型。通过测量放电负载在不同气隙间距下的q-v李萨如图,提取了分段负载模型参数。分段模型比传统模型更准确地描述了负载放电与不放电状态的切换条件,更适合有效放电时间的精确计算。以分段模型为基础,提出了介质阻挡放电能量压缩的概念,用于描述驱动电源对负载有效放电时间的调节作用。通过探讨负载电流形变对放电时间的影响,借助断续电流模式谐振变换器实现了介质阻挡放电能量压缩,并对放电功率、放电时间和工作频率实现了解耦控制。其次,论文揭示了介质阻挡放电能量压缩对表面改性的优化作用。以断续电流模式能量压缩为实验手段,以聚合物薄膜材料为表面改性对象,揭示了表面改性效果与能量压缩率的关系,证明了在相同能量密度下,能量压缩能够提高被处理材料的表面亲水性、粗糙度和极性基团含量,并使放电过程产生更高密度的活性粒子和更高效率的能量传输。通过对比不同频率下能量压缩对表面改性效果的影响,建立了一种表面改性三维模型,将能量压缩率和工作频率对材料表面亲水性的综合影响用三维曲面来表示,揭示了活性粒子密度、自由电子能量和活性粒子寿命之间的联系,并明确了表面改性最优条件和放电电源的设计优化思路。再次,论文提出了基于三次谐波环流注入法的介质阻挡放电能量压缩技术。将谐振变换器等效为一个注入分段负载模型的虚拟电流激励信号,提出了 一种虚拟电流注入分析方法。借助虚拟电流注入的思路,推导出一种向放电负载注入三次谐波电流的能量压缩方法,并设计了一种可产生三次谐波环流并实现能量压缩的电流源并-串联谐振变换器拓扑。该拓扑的三次谐波环流只在并-串联谐振网络内部循环而不流入逆变器,解决了能量压缩与开关管电流应力之间的矛盾,同时兼具天然抗短路能力,适合于表面改性工业应用。在此基础上,提出了一种整流补偿基波与三次谐波叠加近似法,将电流源并-串联谐振变换器等效为工作于基波和三次谐波频率的线性子电路的叠加形式,并以能量压缩率为设计目标完成了电路参数的计算与优化。通过搭建一台350W实验样机,验证了三次谐波环流注入实现能量压缩的有效性以及基波与三次谐波叠加近似法的准确性。最后,针对电流源并-串联谐振电源,论文论证了能量压缩在全功率范围内具有稳定性,提出了电流源逆变器的零电压软开关方法,并实现了电源的大功率实例应用。逆向运用基波与三次谐波叠加近似法,提出了一种判断能量压缩在全功率范围内稳定性的方法,并证明了电流源并-串联谐振变换器能够在整个功率变化范围内实现稳定的能量压缩和统一的表面改性优化效果。通过构建逆变器电流旁路通路,提出了一种基于旁路辅助电容的电流源逆变器零电压开关实现方法。该方法在较宽功率范围内优化了开关管电压、电流波形,实现了电源的高效运行。在此基础上,探讨了 15kW和30kW电流源并-串联谐振型放电驱动电源的具体实现方案,通过实验结果证明了电流源并-串联谐振电源是一种适用于大功率工业表面改性的有效方案。论文通过能量压缩的概念建立了高压谐振电源参数与介质阻挡放电表面改性效果之间的相互作用关系,提出了能够实现高效等离子体处理的谐振电源方案,对等离子体驱动电源输出波形的设计优化具有重要的指导意义,在降低电源能耗、提高生产效率等方面具有较高的实用价值。