ANÁLISIS DE LA FUENTE CUADRADA BIPOLAR DE ALTO VOLTAJE USADA EN SISTEMAS DE DESCARGA DE BARRERA DIELÉCTRICA

Resumen

Este trabajo presenta el análisis de una fuente de voltaje bipolar cuadrada compuesta por un puente completo y un transformador elevador, utilizada ampliamente como suministro para sistemas de descarga de barrera dieléctrica (DBD) en la generación de plasma no térmico. El análisis realizado une la teoría clásica de circuitos eléctricos y el plano de fase (usado más comúnmente en el análisis de convertidores resonantes), considerando además el comportamiento eléctrico no lineal presente en las descargas.

En el análisis realizado se encontró, que la inductancia de fugas del transformador tiene un rol importante cuando se desea explicar el comportamiento que se observa en las formas de onda de voltaje y corriente de la DBD, cuando está se alimenta con la fuente de voltaje estudiada. El transformador es un elemento necesario ya que cumple la función de acople entre el puente completo y la DBD, debido a que se requiere tener un voltaje en el orden de los kilovoltios para la generación del plasma entre los dieléctricos.

El plano de fase es una herramienta muy útil para definir y entender los diferentes subintervalos que tienen lugar en un periodo de conmutación completo del convertidor estático, lográndose desarrollar ecuaciones para características importantes en el diseño de las fuentes de alimentación para plasma, como son: la potencia promedio suministrada a la DBD, el voltaje pico máximo y la duración de la descarga, en función no solo del voltaje de entrada CD (Corriente Directa) y la frecuencia de conmutación, sino también de algunos elementos parásitos del transformador y los parámetros del modelo eléctrico del reactor donde se produzca la DBD, mostrándose una fuerte interacción entre todas estas variables y parámetros. Cabe anotar que las características eléctricas del reactor son un modelo que depende de aspectos como la geometría del reactor, el tipo de gas entre los dieléctricos, la presión del gas, el material del dieléctrico, entre otros.

Las ecuaciones derivadas son una nueva contribución al diseño de convertidores de potencia a partir de las especificaciones derivadas de los requerimientos del proceso de plasma, evitando un sobredimensionamiento en los semiconductores del puente y el transformador que incrementan los costos de las fuentes, y como se demuestra en este trabajo, en el caso del transformador pueden tener un impacto importante en el plasma generado.

Con el propósito de verificar las ecuaciones desarrolladas se llevaron a cabo diferentes experimentos usando una lámpara Excimer como reactor para la DBD. Las lámparas Excimer son utilizadas en diferentes procesos industriales por su capacidad de generar UV con longitudes de onda estrechas, como producto de la descarga. Los resultados muestran que los datos teóricos obtenidos de las ecuaciones para la potencia promedio entregada a la DBD, el valor máximo positivo de voltaje y la duración de la descarga tiene un error menor al 5 %.