Circuit-based Analysis of Nanosecond Pulsed Dielectric Barrier Discharge System Considering Transmission-Line Effect = 송전선 효과를 고려한 회로 기반의 나노초 펄스 유전체 장벽 방전 시스템 분석

국문 초록 (Abstract)

나노초 펄스 유전체 장벽 방전 (NPDBD)은 높은 에너지 효율로 인해 산업 응용 분야에서 유망한 기술로 부상하고 있다. 그러나 NPDBD 시스템에서 송전선(Transmission line)은 펄스 파형, 방전 전압, 전류 및 에너지 전달에 지대한 영향을 미친다. 따라서 펄스 발생기, 송전선, 부하 및 측정부를 포함한 전체 시스템을 고려하는 포괄적인 분석이 필수적이다.
본 연구에서는 NPDBD 시스템을 분석하기 위해, 먼저 펄스 발생기, 송전선, 부하 및 측정부를 포괄적으로 구현한 Simulink 기반의 회로 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 이 모델은 다양한 고정 임피던스 부하를 사용하여 검증되었다.
시뮬레이션 모델 구축 이후, 전압, 전류, 순간 전력 및 펄스 당 에너지를 측정하는 시간 분해 전기적 진단을 수행하였다. 진단을 수행함과 동시에 개발된 송전선 등가 회로 모델을 사용하여 특성 임피던스, 기생 커패시턴스와 인덕턴스, 그리고 반사파의 영향을 분석하였다. 송전선 변수 (길이, 간격, 절연층의 상대 유전율 등) 를 변경하며 부하 전압 피크, 방전 전류 피크, 상승 시간, 절연 파괴 전압 및 전달 에너지를 정량화 하였다.
실험과 시뮬레이션 결과는 방전 특성이 송전선 변수에 따라 크게 달라짐을 보여주었다. 송전선 변수에 대해 하나씩 구체적으로 제시하자면, 송전선 길이가 길어질수록 방전 전류는 증가하고 전압은 감소하였다. 또한 송전선 간격이 커질수록 전압은 증가하였으며, 전류는 초기에 증가하다가 이후 감소하는 경향을 보였다. 추가적으로 절연층의 상대 유전율이 높아질수록 전압은 낮아지고 방전 전류는 높아지는 결과를 확인하였다.
이러한 실험 결과와 시뮬레이션 분석에 나아가 유전체 재질과 갭 간격을 변경하여 부하를 변화시킴으로써, 부하 특성에 따른 송전선 간격의 영향을 조사하기 위한 추가 시뮬레이션을 수행하였다.
이러한 통합적 접근 방식은 펄스 성형 및 임피던스 최적화를 통해 NPDBD 부하로의 에너지 및 전력 전달을 극대화하기 위한 실질적인 가이드라인을 제공하며, 화학적 지표에만 의존하지 않고도 안정적이고 에너지 효율적인 운전을 가능하게 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Nanosecond pulsed dielectric barrier discharge (NPDBD) has emerged as a promising technology for industrial applications due to its high energy efficiency. However, in NPDBD systems, the transmission line significantly influences the pulse shape, discharge voltage, current, and energy delivery. Therefore, a comprehensive analysis that considers the entire system, including the pulse generator, transmission line, load, and measurement setup, is crucial.
To analyze the NPDBD system, we first constructed a circuit_based simulation model using Simulink that comprehensively implements the pulse generator, transmission line, load, and measurement unit. This model was validated with various fixed impedance loads. Subsequently, time-resolved electrical diagnostics were performed to measure voltage, current, instantaneous power, and per pulse energy. A calibrated transmission-line equivalent circuit model was then developed to analyze the contributions of characteristic impedance, stray capacitance and inductance, and reflected waves.
By sweeping transmission line parameters (e.g., length, spacing, and relative permittivity of the insulation layer), we quantified the peak load voltage, peak discharge current, rise time, breakdown voltage, and delivered energy. Experiments and simulations demonstrated that discharge characteristics vary significantly depending on the transmission line parameters. Specifically, as the transmission line length increased, the discharge current increased while the voltage decreased.
Furthermore, as the cable spacing increased, the voltage increased, whereas the current initially increased and then decreased. Additionally, higher relative permittivity of the insulation layer resulted in lower voltage and higher discharge current.
Further simulations were conducted to investigate the influence of cable spacing in relation to load characteristics, where the DBD load was varied by changing the dielectric material and gap distance. This combined approach provides practical guidelines for maximizing energy and power transfer to NPDBD loads through pulse shaping and impedance optimization, enabling robust and energy efficient operation without relying solely on chemical metrics.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Nanosecond Pulsed Dielectric Barrier Discharge 1
• 1.2. Challenges of NPDBD System 2
• 1.3. Previous Studies of NPDBD Dystem 3
• 1.4. Necessity for NPDBD System Znalysis 4
• 1.5. Purpose of Research 5
• Chapter 2. NPDBD System Circuit Modeling 6
• 2.1. Experimental Setup 6
• 2.2. Equivalent Circuit Modeling 8
• 2.3. Simulation Validation 18
• Chapter 3. Transmission-Line Effect on NPDBD 21
• 3.1. Effects of Transmission-Line Length 21
• 3.2.1. Effects of Transmission-Line Spacing 24
• 3.2.2. Effects of Reactor Parameters on Transmission-Line Spacing 27
• 3.3. Effects of Relative Permittivity of Transmission-Line Spacing 31
• Chapter 4. Conclusions and Future Work 35
• Bibliography 36
• Abstract in Korean 39