用于聚四氟乙烯薄膜表面改性的重频高压脉冲电源研究

摘要

用于聚四氟乙烯（PolyTetraFluoroEthylene，PTFE）薄膜表面改性的大气压介质阻挡放电（Atmospheric pressure Dielectric Barrier Discharge，APDBD）低温等离子体法具有处理效果好、薄膜无损伤、处理之后无污染等优点，是当前该领域的研究热点，已初步应用于工业生产应用中。目前应用中存在的主要问题是由电极污染及能量利用率低造成的薄膜处理效率较低，DBD双向放电引起电极污染，增加清洁工序及工程量;而实际放电脉冲宽度远小于施加电压宽度，易引起热损耗，需要散热装置，消耗更多的能量。带来这些问题的主要原因是DBD驱动源为高频交流电源或双极性脉冲电源。
　　基于以上分析，提出使用单极性脉冲电源作为驱动APDBD的功率源（以下简称电源），形成DBD单向放电。结合应用经验，设计并调试一台输出重复频率0～20 kHz，电压幅值0～20 kV，脉冲上升沿约500 ns～2 us、下降沿＞15 us的单极性脉冲电源样机，实现单向DBD放电电流约为安培量级，进行聚四氟乙烯薄膜表面改性效果的初步研究。
　　电源使用重复频率可达几十kHz的绝缘栅型双极性晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT)功率模块开关，采用结构相对简单且可靠性高的脉冲变压器升压结构，采用波形整形及脉冲调制方式获得单极性电压脉冲。设计了实现单向放电的DBD负载组合、同轴圆筒式脉冲升压器绕制方式、可编程逻辑控制器(Programmable LogicController)控制电路及三相整流充电电路，通过初次级脉冲参数估算脉冲升压器参数，分析包括负载在内的脉冲升压器回路中分布参数对电源输出脉冲的影响，为电源调试进行方向性指导。
　　主要通过变压器初级匝数及变比、驱动信号脉冲宽度及重复频率的变化对单极性脉冲电源的电压脉冲输出进行调试，确定变压器初级匝数为7匝，变比为7∶261，驱动信号脉冲宽度约为4 us。调试过程中发现变比与重复频率增加或DBD放电均可引起输出电压脉冲上升沿展宽，原因是重复频率或变比增加引起漏感增加，DBD放电时负载电容增大;变比增加引起下降沿振荡周期增加，原因是变比增加导致分布电容增加，从而使振荡周期变长;初级匝数增加引起下降沿沿振荡幅值增加，原因是初级匝数越大磁化电感越大，电感中储存的能量增加，导致振荡幅值增加;此外，驱动信号脉宽过大或过小时均会引起开关电压上的尖峰或振荡幅值增加。
　　利用脉冲DBD等效模型计算DBD气隙电压、放电电流、放电功率，初步测量该脉冲DBD低温等离子体的发射光谱。对不同脉冲极性、重复频率及幅值下的PTFE薄膜表面改性效果进行初步研究，结果表明其表面水接触角及T型剥离强度均有较好改善。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 低温等离子体聚四氟乙烯薄膜表面改性

1．1．1 低温等离子体薄膜表面改性

1．1．2 大气压气体放电低温等离子体的发展历程

1．1．3 大气压介质阻挡放电低温等离子体

1．1．4 低温等离子体聚合物薄膜表面改性研究现状

1．2 低温等离子体聚四氟乙烯薄膜表面改性应用中的问题

1．3 大气压脉冲DBD放电现象及脉冲功率源研究现状

1．4 重频高压脉冲功率源

1．4．1 高压脉冲产生方式

1．4．2 重复频率的开关技术

1．5 论文的主要内容及创新性

1．5．1 主要内容

1．5．2 创新性

第二章 重频高压单极性脉冲电源物理设计

2．1 DBD负载等效模型

2．2 单极性脉冲电源物理设计

2．2．1 总体物理设计

2．2．2 单向放电的基于DBD负载的电源输出端

2．2．3 电源回路结构及测量调试

2．3 脉冲升压器回路理论

2．3．1 脉冲变压器等值电路

2．3．2 分布参数对输出脉冲的影响

2．3．3 铁心材料

2．4 小结

第三章 大气压DBD用单极性脉冲电源关键部分设计

3．1 脉冲升压器设计

3．1．1 结构设计

3．1．2 分布参数估算

3．2 IGBT开关部分设计

3．2．1 开关参数

3．2．2 驱动电路

3．2．3 保护电路

3．3 直流充电系统设计

3．4 控制电路设计

3．5 小结

第四章 大气压DBD用单极性脉冲电源调试

4．1 DBD负载组合输出特性

4．2 脉冲升压器调试及其对脉冲波形的影响分析

4．2．1 铁氧体磁心脉冲升压器参数

4．2．2 回路参数对脉冲波形的影响分析

4．3 开关部分调试

4．3．1 驱动信号脉宽调试

4．3．2 开关保护电路调试

4．4 回路损耗分析

4．5 小结

第五章 重频高压单极性脉冲放电等离子体聚四氟乙烯薄膜处理

5．1 前言

5．1．1 聚四氟乙烯的化学性质

5．1．2 低温等离子体表面改性机理

5．1．3 薄膜改性的表面分析方法

5．2 大气压脉冲DBD氩气等离子体诊断

5．3 聚四氟乙烯薄膜处理讨论及分析

5．4 小结

第六章 总结及展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

硕士研究生期间发表文章

硕士研究生期间获奖和获专利情况

硕士研究生期间参加学术活动情况

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