Review of Power Electronic Solutions for Dielectric Barrier Discharge Applications
作者: Hyeongmeen Baik, Jinia Roy
分类: eess.SY
发布日期: 2025-12-19
备注: 26 pages, 32 figures. Under conditional acceptance at IEEE Transactions on Power Electronics
💡 一句话要点
综述介质阻挡放电应用电力电子解决方案，弥合应用与电源设计差距
🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: 介质阻挡放电 电力电子 电源拓扑 谐振逆变器 脉冲电源 DBD模型 波形特性
📋 核心要点
- 现有DBD应用与电力电子设计之间存在脱节，缺乏针对特定应用需求优化电源设计的系统性方法。
- 本文通过分析DBD电气模型和应用对波形特性的需求，系统地回顾了正弦型和脉冲型电源拓扑。
- 该综述总结了各种电源拓扑的性能权衡，并指出了未来DBD电源设计的发展方向和潜在应用。
📝 摘要（中文）
本文全面综述了介质阻挡放电(DBD)电源拓扑，旨在弥合DBD应用与电力电子设计之间的差距。研究考察了两个关键方面：DBD电气模型对反应器几何形状的依赖性，以及应用驱动的注入波形特性要求，包括形状、电压幅度、频率和调制技术。在此基础上，本文系统地回顾了两大类电源：正弦型电源，包括无变压器和基于变压器的谐振逆变器，以及脉冲电源(PPS)。综述总结了性能权衡，强调了未经测试的拓扑和新兴应用，并为推进下一代系统的高性能DBD电源设计提供了指导。
🔬 方法详解
问题定义：介质阻挡放电(DBD)技术在诸多领域具有广泛应用，但针对不同应用场景，DBD反应器的几何形状和所需的放电特性（如电压、频率、波形）差异很大。现有方法缺乏对DBD电气模型与反应器几何形状之间关系的深入理解，以及对应用驱动的波形特性需求的系统分析，导致电源设计难以针对特定应用进行优化。
核心思路：本文的核心思路是通过系统性地回顾和分析现有的DBD电源拓扑，包括正弦型和脉冲型电源，并结合DBD电气模型和应用需求，为未来的高性能DBD电源设计提供指导。通过理解不同电源拓扑的优缺点和适用场景，可以更好地满足特定应用的需求。
技术框架：本文的整体框架包括以下几个主要部分：首先，分析DBD电气模型与反应器几何形状之间的关系；其次，总结应用驱动的波形特性需求，包括形状、电压幅度、频率和调制技术；然后，系统地回顾正弦型电源（包括无变压器和基于变压器的谐振逆变器）和脉冲电源(PPS)；最后，总结性能权衡，强调未经测试的拓扑和新兴应用，并为下一代系统的高性能DBD电源设计提供指导。
关键创新：本文的关键创新在于将DBD电气模型、应用需求和电源拓扑三者联系起来，提供了一个系统性的分析框架。以往的研究往往侧重于电源拓扑本身的设计，而忽略了DBD反应器的特性和应用需求。本文强调了DBD电气模型对反应器几何形状的依赖性，以及应用驱动的波形特性需求，为电源设计提供了更全面的视角。
关键设计：本文主要关注不同电源拓扑的性能权衡，例如效率、成本、复杂性和可控性。对于正弦型电源，重点分析了谐振逆变器的设计，包括谐振频率的选择和控制策略。对于脉冲电源，重点分析了脉冲宽度、脉冲频率和电压幅度的控制方法。此外，本文还讨论了调制技术，如脉冲宽度调制(PWM)和频率调制(FM)，以及它们对DBD放电特性的影响。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
本文对现有的DBD电源拓扑进行了全面的综述，总结了各种拓扑的性能权衡，并指出了未来DBD电源设计的发展方向。例如，本文强调了高效率、高功率密度和高可靠性是未来DBD电源设计的重要目标。此外，本文还指出了未经测试的拓扑和新兴应用，为未来的研究提供了新的思路。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于多种领域，包括材料表面处理、气体净化、生物医学、等离子体显示等。通过优化DBD电源设计，可以提高DBD技术的效率和性能，从而推动这些领域的应用发展。例如，在材料表面处理中，可以实现更均匀、更高效的表面改性；在气体净化中，可以更有效地去除污染物；在生物医学中，可以实现更精确的等离子体治疗。
📄 摘要（原文）
This paper presents a comprehensive review of dielectric barrier discharge (DBD) power supply topologies, aiming to bridge the gap between DBD applications and power electronics design. Two key aspects are examined: the dependence of the DBD electrical model on reactor geometry, and application-driven requirements for injected waveform characteristics, including shapes, voltage amplitude, frequency, and modulation techniques. On this basis, the paper systematically reviews two major categories of power supplies: sinusoidal types comprising transformerless and transformer-based resonant inverters, and pulsed power supplies (PPSs). The review summarizes performance trade-offs, highlights untested topologies and emerging applications, and offers guidance for advancing high-performance DBD power supply design for next-generation systems.