Resonant Behaviour of Pulse Generators for the Efficient Drive of Optical Radiation Sources Based on Dielectric Barrier Discharges

Michael Meißer
2013
Die vorliegende Arbeit umfasst die Untersuchung neuartiger Schaltungstopologien zum gepulsten Betrieb von Excimer-Lampen basierend auf Dielektrisch Behinderten Entladungen (DBE), die zur Erzeugung optischer Strahlung im sichtbaren und ultravioletten Bereich eingesetzt werden. Der Fokus liegt dabei auf der effizienten Erzeugung kurzer Pulse und vorteilhafter Pulsformen um einen hohen Systemwirkungsgrad sicher zu stellen. Erstmals werden in dieser Arbeit bekannte und neu entwickelte
more » ... logien zum Betrieb von DBE grundlegend klassifiziert und durchgängig experimentell validiert. Die neu entwickelten Topologien und Betriebsmodi basieren sowohl auf rein resonantem Betrieb als auch auf der Drosselvorladung, welche die Adaptivität an unterschiedliche Lampen sowie eine höhere Spannungsverstärkung bietet. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung von transformatorlosen Topologien, die -ausgestattet mit modernen Silizium-Karbid Leistungshalbleitern -die Anregung der DBE-Lampen mit Pulsen kürzer als 1 µs erlauben. Der positive Effekt der kurzen Pulsdauer auf die Lampeneffizienz und -leistungsdichte wurde experimentell nachgewiesen. Eine flache DBE-Lampe mit vergleichsweise großem Energiebedarf (3.18 nF Kapazität und 2 kV Zündspannung) konnte mit Pulsfrequenzen von mehr als 1 MHz betrieben werden, während eine kleinere Koaxial-DBE mit bis zu 3.1 MHz Pulsfrequenz angeregt wurde. Aufgebaute Pulsinverter erreichten Spitzenwirkungsgrade von 92 %. Anstelle von Simulationen wurden in der Arbeit hauptsächlich Kalkulationen und elektrische Messungen durchgeführt, um Bauteile und Schaltungen zu beschreiben. Die Hauptkomponenten der Hochfrequenz-Pulsinverter, wie Leistungshalbleiter und magnetische Bauelemente sowie die DBD-Lampen wurden bezüglich ihrer parasitären Eigenschaften mittels spektral aufgelöster Impedanzmessungen charakterisiert. Aufbauend auf den Messergebnissen konnte die parasitäre Induktivität von Gate-Treibern und Leistungsstufen signifikant reduziert werden. Darüber hinaus wurden thermische Messungen zum Erfassen von Verlustleistungen sowie statische Messungen des Einschaltwiderstandes von Leistungshalbleitern vorgenommen. Neben dem Betrieb von Silizium-Karbid MOSFETs und JFETs wurde auch die Verschaltung von Silizium MOSFETs zu einem Matrix-Schalter mit 2,7 kV Betriebsspannung untersucht. Ausgehend vom recherchierten Stand der Technik werden vorteilhafte Spannungspulsformen zum Betrieb der DBE diskutiert. Darüber hinaus enthält diese Arbeit eine Abhandlung zu den Einflüssen der verschiedenen DBE-Kapazitäten auf die Entladung und die Energie, die vom Pulsgenerator zur Verfügung gestellt werden muss. ◊ 11 ◊ II. ABSTRACT This dissertation presents novel methods of operating dielectric barrier discharge (DBD) excimer lamps with short, high-voltage pulses of favourable wave-shape in order to ensure operation at highest efficiency. Novel and state-of-the-art power electronic pulse inverter topologies are investigated, experimentally validated and classified in terms of their main properties. The novel topologies introduced are based on pure resonant operation or a combination of resonant operation and inductor pre-charge which offers an improved adaptability to different lamps and higher voltage amplification. Many topologies are modified towards transformer-less variants which are equipped with SiC power semiconductor switches. A flat DBD lamp with a capacitance of 3.18 nF and an ignition voltage of 2 kV was operated with a pulse frequency of more than 1 MHz while a smaller experimental coaxial DBD was operated at 3.1 MHz. Peak inverter efficiencies of 92 % were achieved. Experiments verified the positive effect of multi-MHz pulses on DBD lamp efficiency and power density. Instead of simulations, the development was driven by theoretical calculations and real world measurements. The main pulse inverter components as well as the DBD lamps are characterised by means of frequency-resolved impedance measurements with high-voltage DC bias. Building on the results, the parasitic inductance of power stages and gate drive circuits was significantly reduced. Basing on the requirements for HF operation SiC power semiconductor switches are benchmarked and by means of an alternative approach, a modular Si-MOSFET equipped 2.7 kV matrix switch design is presented. Based on the state-of-the-art, characteristic electrical parameters of possible pulse voltage wave-shapes are discussed. Beyond that, this work contains a theoretical study on the influence of the different DBD capacitances on the energy support of the transient DBD plasma and on the energy that needs to be provided by the inverter. Having the focus both on mathematical backgrounds of pulsed resonant circuits and practical implementation of low-inductive power stages, the work at hand marries theory and practice. ◊ 13 ◊ III. ACKNOWLEDGEMENT This work would not have been possible without the continuous support of my colleagues at the LTI. I owe general thanks to the students who supported my research by their work and valuable feedback. I thank
doi:10.5445/ksp/1000036098 fatcat:l32yku6d4jf3vjxk2uttx2nixy