一種高頻高壓等離子體發(fā)生器半

伍遠(yuǎn)博 陶智 黃敏 顧中浩 徐超 周長(zhǎng)偉 江均均 吳迪

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)直流等離子體發(fā)生器電源效率不高、驅(qū)動(dòng)管熱損耗大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)高效率低損耗的高頻高壓等離子體發(fā)生器。該系統(tǒng)通過(guò)移相全橋控制電路進(jìn)行PWM方波控制，在功率晶體管驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)高頻諧振升壓電路對(duì)輸入信號(hào)升壓，實(shí)現(xiàn)等離子體的穩(wěn)定發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)直流等離子體發(fā)生器相比電源效率提升了5.4%。

關(guān)鍵詞：等離子體發(fā)生;全橋移相;高頻諧振

中圖分類(lèi)號(hào)：0531 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）12-0020-03

作為物質(zhì)的第四態(tài)，等離子體因其獨(dú)特的離子效應(yīng)、優(yōu)良的導(dǎo)電性、顯著的集體運(yùn)動(dòng)行為等特點(diǎn)，已經(jīng)在能源、信息、材料、化工、醫(yī)療、空間物理等領(lǐng)域得到了廣泛的重視和應(yīng)用。在等離子體應(yīng)用和推廣的同時(shí)，各領(lǐng)域也對(duì)等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)提出了更多的要求。由于傳統(tǒng)直流等離子體發(fā)生器能耗較大、效率不足，為滿足現(xiàn)代化工業(yè)的更高需求，新型高效的等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)研究就顯得愈發(fā)重要。

針對(duì)傳統(tǒng)直流等離子體發(fā)生器存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高頻高壓等離子體發(fā)生器。該系統(tǒng)由移相全橋PWM控制模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、高穩(wěn)定性雙諧振升壓模塊等模塊構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)輸入電源效率的有效提升、驅(qū)動(dòng)電路熱損耗現(xiàn)象的極大降低和等離子體的穩(wěn)定發(fā)生。

1高頻高壓等離子體發(fā)生方法

當(dāng)在感應(yīng)線圈上施加高頻電場(chǎng)后，部分空氣電離產(chǎn)生的帶電粒子做高速運(yùn)動(dòng)，二次碰撞氣體原子，形成雪崩電離，并在垂直于磁場(chǎng)方向的截面上形成閉合環(huán)形渦流。根據(jù)等離子體渦流效應(yīng)：

E=nФωsin（（1）t） （1）

其中E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，n為匝數(shù)，Ф為磁通量且滿足Ф=BS，ω為交變電流頻率。可知電流的頻率越高，磁通變化率越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，渦流效果越顯著，等離子體束越穩(wěn)定。由于高頻交變電流渦流效應(yīng)的存在，等離子體束具有趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)穿透深度的計(jì)算公式為：

因此，當(dāng)放電尖端的電壓和交變電流的頻率分別達(dá)到相關(guān)閾值時(shí)，能夠發(fā)生具有良好穩(wěn)定性和高電子密度的等離子。在高頻高壓下通過(guò)氣體放電的方式可以穩(wěn)定產(chǎn)生等離子體。

2高頻高壓等離子體發(fā)生系統(tǒng)

基于上文所闡述推導(dǎo)的以高頻高壓原理產(chǎn)生等離子體的理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)從如何有效提升輸入電源效率并降低驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)管熱損耗出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種高頻高壓等離子體發(fā)生器。系統(tǒng)框圖如圖1：

系統(tǒng)通過(guò)移相全橋控制電路提供控制信號(hào)，在晶體管驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)高頻諧振升壓電路對(duì)輸入信號(hào)升壓，實(shí)現(xiàn)等離子體的穩(wěn)定發(fā)生。

2.1全橋移相PWM控制電路

控制電路以UC3875芯片為核心進(jìn)行PWM控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋臂導(dǎo)通相位0～180°的相位移動(dòng)控制和0～100%的占空比控制。

C1、C4、C6為VCC供電段的濾波電容，C7、C8、C9為接地電容，輸入信號(hào)INA、INB經(jīng)u1、U2同相比例放大電路接人EA-與CS+，u1輸出信號(hào)經(jīng)R6、C5的RC串聯(lián)電路接入EA/OUT，R4、R5、R7、R8為限流電阻，電源信號(hào)經(jīng)C3濾波后，由R1、R2、R3構(gòu)成分壓電路接入VREF與EA+，SLOPE與VC端用R15相接，PWRGND接地，腳FREQSET、DELATSET經(jīng)RC并聯(lián)電路接地。

2.2高頻諧振升壓電路

在高頻升壓電路的設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)采用以LC諧振為理論基礎(chǔ)的高頻諧振固態(tài)特斯拉升壓電路。電路由低壓輸入端、主電容組、諧振通斷器、初次級(jí)線圈、放電尖端構(gòu)成，可以在放電端形成高壓電場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)在高頻高壓條件下的等離子體發(fā)生。

C1～C30為耐壓值達(dá)1200V的高壓電容組，諧振通斷器串于電容組輸入端與初級(jí)線圈一端，信號(hào)經(jīng)諧振在次級(jí)放電端實(shí)現(xiàn)放大。

3等離子體發(fā)生系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

功率分析儀WT500、數(shù)字示波器DL9140、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器AFG3252、高壓探棒、螺旋測(cè)微器、數(shù)字直流電源、12V20A開(kāi)關(guān)電源、接地棒等。

3.2數(shù)據(jù)測(cè)量與分析

（1）諧振頻率測(cè)量

首先對(duì)激勵(lì)信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行配置，設(shè)置其峰峰值電壓幅度為lv，波形為正弦波，無(wú)偏置電壓，相位偏移為0°。記錄響應(yīng)信號(hào)波形，繪制數(shù)據(jù)表格：

當(dāng)系統(tǒng)工作頻率為262kHz時(shí)，響應(yīng)信號(hào)的幅度達(dá)到最大值6.00V，此時(shí)最大增益系數(shù)為15.56dB，因此該頻率即為系統(tǒng)的諧振頻率。此時(shí)響應(yīng)信號(hào)的參數(shù)：信號(hào)頻率為262kHz，電壓幅值為6v，信號(hào)波形為正弦波。

（2）系統(tǒng)工作效率

設(shè)置系統(tǒng)工作頻率為262kHz，將功率分析儀WT500的電壓探頭對(duì)應(yīng)接入系統(tǒng)的測(cè)試端口，調(diào)節(jié)功率分析儀的測(cè)量模式、量程、接線設(shè)置并選擇合適的濾波窗口和傳感器參數(shù)。在系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)生等離子體時(shí)，測(cè)得系統(tǒng)的效率為87.4%。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：系統(tǒng)的諧振頻率為262kHz。放電尖端穩(wěn)定發(fā)生等離子體時(shí)，系統(tǒng)的工作效率為82.4%，與傳統(tǒng)直流等離子體發(fā)生器最高77%效率相比，提高了5.4%，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)管耗的降低和輸入電源效率的提升。

4結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)直流等離子體發(fā)生器電源效率不高、驅(qū)動(dòng)管損耗較大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高頻高壓等離子體發(fā)生系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)移相全橋控制電路提供控制信號(hào)，在功率晶體管驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)高頻諧振升壓電路對(duì)輸入信號(hào)升壓，實(shí)現(xiàn)等離子體的穩(wěn)定發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作頻率穩(wěn)定在262kHz，系統(tǒng)的工作效率為82.4%，與傳統(tǒng)直流等離子體發(fā)生器最高77%效率相比，提高了5.4%，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)管耗的降低和輸入電源效率的提升。