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摘 要： 本文对高压尖端放电控制技术进行了研究，控制电路包括脉宽调制推挽电路、BOOST升压电路、倍压整流电路、放电控制电路等。设计了高压尖端放电控制电路。
关键词： 高压尖端放电；推挽电路；BOOST升压电路；倍压整流电路；放电控制电路
1 前言
一切电流通过气体的现象称为气体放电或气体导电。气体放电按照维持放电是否必需外界电离源而分为非自持放电和自持放电。高压尖端放电就是利用非自持放电的物理特性，通过高压放电电路产生的高电压加载到电极上，由于电极端部曲率半径很小，高电压使得电极尖端表面附近产生很强的电场，电极附近的气体会被局部击穿而产生高压放电现象。
2 尖端放电能量分布机理
根据Masao和Tachikura的研究分析，由于电极之间放电能量分布不均匀，导致电弧轴向上的温度也是呈不均匀分布的，如图1所示。
放电电弧的能量分布可以通过单位面积内的电流密度I（A，m2）来表示：
其中I为高压放电时，两电极之间流过的电流，在X-Y平面内，令r2=x2+y2，Z为两个电极之间位置变量。σ（z）为Z轴方向任意位置处电流密度的宽度，它是服从高斯分布的曲线。σ（z）由以下公式给出：
其中σ0表示两个电极的中心位置z=0处的电流分布宽度，C为热辐射量在方向上的常量。
由公式（1）和公式（2）可以看出，放电过程中，在电极的尖端处的温度最高，两个电极尖端连线的中心位置z=0温度最低。尖端放电产生的能量分布如图2所示。
3 高压尖端放电控制系统
本文所述的高压放电控制系统主要由脉宽调制推挽电路、BOOST升压电路、倍压整流电路、放电控制电路等几个关键电路组成。
3.1 脉宽调制推挽电路
本文选用TL494集成电路芯片作为高压发生电路的核心元器件，可以实现双端推挽方式输出，为高压放电产生电路的升压变压器初级提供稳定的直流电压。TL494是一个电压驱动型脉冲宽度调制控制集成电路，它的内部结构简化图如图3所示。
3.2 Boost变换器电路
Boost变换器（Boost Converter）基本原理如图4所示，是反激变换器（Flyback Converter）的一种。
Boost电路的升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容量足够大，那么在该电路就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。
3.3 倍压整流电路
Boost升压电路输出电压到变压器的初级端后，通过变压器升压电路将电压升至上千伏，从而实现高压放电。通常考虑到变压器体积的限制，一般采用倍压整流进行升压。图5是一个二倍压整流电路。
在变压器T正半周，变压器次级上端为正下端为负，VD1导通，VD2截止，C1通过VD1充电，充电后C1的两端电压接近变压器次级电压峰值，其左端为正，右端为负；在变压器T负半周，变压器次级上端为负下端为正，VD1截止，VD2导通，此时C2通过VD2充电，充电后C2两端的电压接近C1两端的电压与变压器次级峰值电压之和，其上端为负，下端为正，由于负载R与电容并联，当负载足够大时，其两端的电压接近于变压器次级电压的两倍。倍压整流电路一般按输出电压为输入电压的倍数，分为几倍压整流电路。一般我们定义2倍为一阶，阶数用N来表示。由于较高阶的倍压整流电路带载能力差，输出很小的功率就会导致输出电压的大幅度跌落。该电压跌落公式为
其中为输出电流，为变压器输出频率，为电容容值，为倍压整流电路的阶数。
3.4 放电控制电路
高压尖端放电产生的电压（电弧）大小受控于一个自动控制电路。为了稳定目标放电电压值与负载电压变化（放电强弱）引起的不平衡，需要引入一个闭环控制系统。该系统对高压尖端放电进行采样反馈，再通过误差放大器和参考值进行比较，产生一个控制信号对高压尖端放电进行控制。原理图如图6所示。
4 结束语
本文对高压尖端放电控制技术进行了研究，并给出了一种实现方案。该放电控制系统能够稳定的工作，能够实现放电能量的自动控制，且该项技术在后续的产品中得到了实际应用。
参考文献
[1]邵涛，严萍.大气压气体放电及其等离子体应用[M].科学出版社，2015.
[2]刘树林，刘健，陈勇兵.Boost变换器的输出纹波电压分析与最小电感设计[J]. 西安交通大学学报，2007，41（6），707-711，716.
[3]于軍，翟玉文，孙陆梅.TL494 脉宽调制器集成电路的研究[J].吉林化工学院学报，2005，22（3），47-49.
[4]秦爱玲，秦泓江，麻惠生，鲁宁.倍压电路中电容串的电压分布分析[J].石油仪器，2008，22（4），1-4.
关键词： 高压尖端放电；推挽电路；BOOST升压电路；倍压整流电路；放电控制电路
1 前言
一切电流通过气体的现象称为气体放电或气体导电。气体放电按照维持放电是否必需外界电离源而分为非自持放电和自持放电。高压尖端放电就是利用非自持放电的物理特性，通过高压放电电路产生的高电压加载到电极上，由于电极端部曲率半径很小，高电压使得电极尖端表面附近产生很强的电场，电极附近的气体会被局部击穿而产生高压放电现象。
2 尖端放电能量分布机理
根据Masao和Tachikura的研究分析，由于电极之间放电能量分布不均匀，导致电弧轴向上的温度也是呈不均匀分布的，如图1所示。
放电电弧的能量分布可以通过单位面积内的电流密度I（A，m2）来表示：
其中I为高压放电时，两电极之间流过的电流，在X-Y平面内，令r2=x2+y2，Z为两个电极之间位置变量。σ（z）为Z轴方向任意位置处电流密度的宽度，它是服从高斯分布的曲线。σ（z）由以下公式给出：
其中σ0表示两个电极的中心位置z=0处的电流分布宽度，C为热辐射量在方向上的常量。
由公式（1）和公式（2）可以看出，放电过程中，在电极的尖端处的温度最高，两个电极尖端连线的中心位置z=0温度最低。尖端放电产生的能量分布如图2所示。
3 高压尖端放电控制系统
本文所述的高压放电控制系统主要由脉宽调制推挽电路、BOOST升压电路、倍压整流电路、放电控制电路等几个关键电路组成。
3.1 脉宽调制推挽电路
本文选用TL494集成电路芯片作为高压发生电路的核心元器件，可以实现双端推挽方式输出，为高压放电产生电路的升压变压器初级提供稳定的直流电压。TL494是一个电压驱动型脉冲宽度调制控制集成电路，它的内部结构简化图如图3所示。
3.2 Boost变换器电路
Boost变换器（Boost Converter）基本原理如图4所示，是反激变换器（Flyback Converter）的一种。
Boost电路的升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容量足够大，那么在该电路就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。
3.3 倍压整流电路
Boost升压电路输出电压到变压器的初级端后，通过变压器升压电路将电压升至上千伏，从而实现高压放电。通常考虑到变压器体积的限制，一般采用倍压整流进行升压。图5是一个二倍压整流电路。
在变压器T正半周，变压器次级上端为正下端为负，VD1导通，VD2截止，C1通过VD1充电，充电后C1的两端电压接近变压器次级电压峰值，其左端为正，右端为负；在变压器T负半周，变压器次级上端为负下端为正，VD1截止，VD2导通，此时C2通过VD2充电，充电后C2两端的电压接近C1两端的电压与变压器次级峰值电压之和，其上端为负，下端为正，由于负载R与电容并联，当负载足够大时，其两端的电压接近于变压器次级电压的两倍。倍压整流电路一般按输出电压为输入电压的倍数，分为几倍压整流电路。一般我们定义2倍为一阶，阶数用N来表示。由于较高阶的倍压整流电路带载能力差，输出很小的功率就会导致输出电压的大幅度跌落。该电压跌落公式为
其中为输出电流，为变压器输出频率，为电容容值，为倍压整流电路的阶数。
3.4 放电控制电路
高压尖端放电产生的电压（电弧）大小受控于一个自动控制电路。为了稳定目标放电电压值与负载电压变化（放电强弱）引起的不平衡，需要引入一个闭环控制系统。该系统对高压尖端放电进行采样反馈，再通过误差放大器和参考值进行比较，产生一个控制信号对高压尖端放电进行控制。原理图如图6所示。
4 结束语
本文对高压尖端放电控制技术进行了研究，并给出了一种实现方案。该放电控制系统能够稳定的工作，能够实现放电能量的自动控制，且该项技术在后续的产品中得到了实际应用。
参考文献
[1]邵涛，严萍.大气压气体放电及其等离子体应用[M].科学出版社，2015.
[2]刘树林，刘健，陈勇兵.Boost变换器的输出纹波电压分析与最小电感设计[J]. 西安交通大学学报，2007，41（6），707-711，716.
[3]于軍，翟玉文，孙陆梅.TL494 脉宽调制器集成电路的研究[J].吉林化工学院学报，2005，22（3），47-49.
[4]秦爱玲，秦泓江，麻惠生，鲁宁.倍压电路中电容串的电压分布分析[J].石油仪器，2008，22（4），1-4.