[发明专利]一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源

说明书

本发明涉及一种高功率密度‑长寿命高频脉冲交流电源，电源包括高频脉冲交流电源本体、可替换插拔底座、配电开关和寿命检测单元，将电解电容阵单元设计成可插拔替换式模块单元，无需为了保证高压脉冲电源的一定的工作寿命，而成倍扩展电解电容阵单元的容量裕度，减小了电解电容阵单元的配置裕量，提高了驱动电源的功率密度；并通过寿命检测单元检测配电开关输出的直流母线电压，将直流母线电压与寿命下限阈值进行比较，当直流母线电压小于寿命下限阈值时，控制配电开关关断，提醒用户进行电解电容阵单元替换，从而实现整个电源使用寿命的延长。

技术领域

本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源。

背景技术

高频脉冲交流电源是一种广泛应用于低温等离子体源的电源类型，主要输出脉冲式能量驱动不同类型的低温等离子体电极产生等离子体活性粒子，从而保证低温等离子体源装置安全、稳定、可靠地应用于不同领域。而当前低温等离子体源装置集成化、小型化是其应用发展的必然趋势，而等离子体源装置绝大部分的体积和重量均集中在驱动激励电源单元，故如何优化驱动激励电源，特别是应用最为广泛的高频脉冲交流电源，实现高频脉冲交流电源的高功率密度和长寿命是实现等离子体源装置集成化、小型化的关键核心问题。而电解电容是电容的其中一种，它的金属箔为正极(一般用铝或铛)，目前比较常用或市面上比较常见的为铝电解电容，与正极紧贴金属的氧化膜为电解质，阴极由导电材料、电解质和其他材料共同组成。电解电容是高频交流电源的重要组成部件，也是电源内部的体积最大，寿命最为薄弱的环节，其运行状态直接影响了高频交流电源的安全性与可靠性。

高频交流电源在使用时，电解电容长期承受较高频率的电压，寿命损耗非常快，所以为了及时观测到电源的使用寿命，需要对电解电容使用状况有一个监测。目前监测电解电容运行状态的方法主要分为2类：离线式监测和在线式监测。现有的方案有：(1)添加功率因数校正转换器，基于电容纹波电压的分析来监测电解电容的状态；(2)加入隔离的电流放大器在循环中的特定时间收集两个电容器的电压值，以计算ESR(Equivalent SeriesResistance，等效串联电阻)和C的值；(3)提出一种基于步进激励的DC-DC转换器的输出级电容器的在线损耗检测方法。

为了实现对电解电容寿命状态的监测，通常都是对电解电容的等效串联电阻值和电解电容容值的监测。通常采用观察电解电容在放电状态时的电压值，并通过电压值来估算等效串联电阻值与电容值，并于与设定的值进行比较，最终判断是否达到寿命年限；或者通过电解电容的功率输出、环境温度、实验时间等相关参数，测量电容变化值来计算电容寿命。

1)如专利CN110031705A所述，通过电解电容在多级放电回路下的电压值，从而确定其等效串联电阻值与电容值，最终当等效串联电阻值达到预设定的电阻值或电容值达到预设定的电容值时。可以确定电解电容的寿命不足；

2)如专利CN108663580A和专利CN206906509U所述，通过模拟电容在LED驱动电源的工作环境，加大功率输出和增高电容环境温度从而可以加速电容的老化，根据功率输出、环境温度、实验时间，通过测量电容变化值就可以计算出电容寿命；

3)如专利CN201069461Y所述，通过由电压取样检测电路、供电输入检测电路、控制处理电路组成的电解电容寿命检测装置，观察充电时充电电压曲线，计算曲线变化的斜率，再与正常曲线斜率比较。从而判断电容是否正常工作；

4)如专利CN106126876A和专利CN106126876B所述，利用二重傅里叶级数求解不同频率下的电解电容电流纹波，再结合电解电容阻抗特性和基于内部温升的电解电容的模型，进而求解出电解电容的寿命。