大功率微波電源的制備研究

王順山，汪建華，胡 益

（武漢工程大學 湖北省等離子體化學與新材料重點實驗室，湖北 武漢 430073）

0 引 言

隨著科學技術的不斷進步發展，微波技術被廣泛應用到各個高新技術領域，微波等離子體技術也在最近幾十年的發展中逐漸走向成熟。如今，微波已進入材料化學、物理、半導體、電子科學等專業領域[1]。湖北省等離子體化學與新材料重點實驗室主要通過等離子體化學氣相沉積技術合成金剛石薄膜材料，而大功率微波電源是制備金剛石薄膜的主要能量來源，為此，需要研制一種能夠達到工業化使用標準的大功率微波電源[2]。在這種微波電源控制系統中，新型磁控管采用對稱型諧振腔環形磁帶和輸出回路耦合電路，這樣可以抑制模間串擾，增強輸出耦合。大功率微波電源的額定功率可以達到10 kW，它的穩定性好，反應速度快，可靠性高，能量轉換效率高，為工業制備高質量單晶金剛石和單晶硅等新材料行業領域提供了技術支持[3-4]。

1 微波電源設計

微波電源主要由兩部分組成，一部分是微波發生器，即本文使用的磁控管，另一部分是為磁控管供能的微波源。為了研制微波電源，首先要通過Altium Designer軟件設計出各個部分的電路圖，再根據電路圖制備出一臺完整的微波電源，最后通過全面的檢測和調試，使其達到工業生產的實用要求。

1.1 CK-619型磁控管

本文使用的磁控管型號是CK-619，這種連續波磁控管常常作為工業用微波功率設備微波電源的首選器件。它具有轉換效率高、輸出功率大、壽命長等特點[5]。該磁控管是金屬陶瓷的外包結構，直熱式純鎢陰極，磁場由外加環形磁鐵提供，能量從軸向天線輸出。CK-619型磁控管的實物如圖1所示。

圖1 磁控管實物圖

磁控管由管芯和磁鋼組成。管芯由陽極、陰極、能量輸出器及磁路系統4部分組成。磁控管的內部結構如圖2所示。

圖2 磁控管內部結構圖

磁控管的陽極由導電良好的金屬材料構成，周圍設有諧振空腔，靠近中心側有一個槽，將磁控管內部分為多個獨立空間，且在陽極腔內構成一個個并聯的LC電路。如果一個諧振腔起振，必將帶動臨近的諧振腔起振。由于內部的閉環結構，諧振腔起振會在槽附近形成高頻場，并輻射出微波。磁控管的陰極由鎢絲繞成螺旋形狀，通電流加熱到一定的溫度后具有發射電子的能力。電子在內部諧振腔做螺線擺運動，最終打在陽極上，通過連接在陽極上的能量輸出天線將微波能量輸出[6]。

1.2 微波源設計

為了使磁控管能夠持續穩定地輸出微波能量，需要微波電源的控制系統足夠穩定，并能源源不斷地為磁控管輸送穩定的高壓電。為此，本文將微波電源硬件電路設計為4個部分，包括電場電源、勵磁電源、燈絲電源以及單片機控制電路。

1.2.1 電場電源

首先利用工頻變壓器將380 V的三相交流電進行升壓處理，其次使用整流電路將交流電轉換成直流電，最后再串聯一個10 H的電感進行濾波處理，最終得到所需要的高壓直流電。

在本設計中，先將380 V交流電用變壓器進行升壓處理，電場電源變壓器實物如圖3所示，變壓器副邊一個以星型連接，一個以三角形連接。將二者的輸出端串聯在一起，可以提供10 kV的高壓電。考慮到磁控管所需要的直流電的電壓過高，在進行整流處理時，可以采用多個三相橋式整流電路串聯的方法來設計整流電路，這樣既可以增加直流電的輸出功率，又可以改善輸出波形。串聯12脈波整流電路如圖4所示，兩個三相整流橋其中的一個共陰極組與另一個的共陽極組串聯在一起，然后從未連接在一起的共陽極組與共陰極組一端輸出。此電路一般應用在高電壓輸出的設備中。由于電場電源部分需要產生10 kV的高壓電，故選擇此電路作為電場電源部分的整流電路，實際工作中可以滿足實驗和工業要求[7]。

圖3 電場電源變壓器實物圖

圖4 串聯12脈波整流電路

1.2.2 勵磁電源

按照實際的設計要求，勵磁電源需要提供一個穩定的30 V直流電壓，來保證電磁鐵能夠提供穩定的磁場。另外，還要能夠調節輸入電磁鐵的電流大小。使用開關電源模塊來設計勵磁電路，以滿足勵磁電源的設計要求。設計的勵磁電源框圖如圖5 所示。

圖5 勵磁電源設計框圖

從設計框圖可以看出，功率校正模塊將220 V交流電轉變為380 V直流電，降壓模塊將380 V直流電降壓獲得40 V直流電，串聯穩壓電路給電磁場提供一個穩定的電壓，最后的輸出調節模塊通過調節線圈電流的大小來調節磁場的大小。

功率校正模塊電路選擇UCC28051作為主要校正器件。基于UCC28051的功率因素校正模塊電路原理如圖6所示。這種電路可以很好地完成對功率的校正，還可以避免諧波對電流的干擾，防止畸變的電流影響電路的正常運行，能夠完全解決功率校正的問題[8]。

圖6 功率校正模塊電路

本文采用UC3843芯片為控制芯片作為降壓模塊電路的主控芯片，降壓模塊電路如圖7所示[9]。

圖7 降壓模塊電路圖

降壓模塊電路可以將功率校正模塊電路輸出的高電壓通過Buck型降壓電路進行降壓分流，通過其中的反饋電路對高電壓和高電流逐次處理，反復進行降壓分流，最后得到一個穩定的30 V電壓。

1.2.3 燈絲電源

在常溫下，磁控管燈絲的電阻為0.25 Ω，隨著溫度升高電阻也會略微增大，電阻值約為0.33 Ω。按照磁控管的參數要求，需要為磁控管的陰極燈絲提供一個有效值為12 V、47 A的正弦交流電。但是在預熱一段時間后，陰極燈絲會發射出電子，并且會有部分電子回轟燈絲，使其溫度升高，電阻增大。為此，需要將流過燈絲的電流降低到36 A。燈絲電源模塊設計如圖8所示。

圖8 燈絲電源模塊設計圖

在正常運行過程中，燈絲電阻在預熱階段不斷增大，并且工頻交流電的幅值也在不斷變化。為了使流經燈絲的電流保持穩定，設計了燈絲電源控制電路來保證電流的穩定性。燈絲電源控制電路如圖9所示。該電路主要將220 V工頻市電降壓處理獲得12 V交流電，將燈絲變壓器一次側的電流數值進行多次取樣檢測，之后用TRIAC（即雙向可控硅）調節二次側導通角的大小，從而完成對電流的 調整。

圖9 燈絲電源控制電路圖

該電源設計要求對流過陰極燈絲的電流進行持續調整，通過采樣電路就能實時獲得電流值，再將模擬量轉換成數字量傳遞給控制芯片。控制芯片將得到的電流信號進行周期內的計算，求出平均數值，之后與給定的電流數據進行對比，將誤差值傳遞到TRIAC上，以此控制TRIAC導通角的大小調整[10]。

1.2.4 單片機控制與顯示電路

單片機控制與顯示電路主要由控制芯片部分和一些外圍電路組成。本文采用ATmega 16L控制芯片為整個微波電源系統的控制核心。該控制芯片能夠利用按鍵和數碼管進行可視化控制。在電路中，按鍵起到暫停啟動和設定功率的作用，LED數碼管用于冷卻水流量和功率參數的實時設定和顯示。單片機控制和顯示電路如圖10所示[11]。

圖10 單片機控制和顯示電路圖

2 微波電源調試

微波電源的調試主要用到萬用表和示波器。調試檢測之前，首先要熟悉硬件原理圖和PCB元器件布局，之后對各個元器件進行檢測，最后對各個電路模塊進行相關調試。

2.1 PCB的調試

電路板的焊接工作在電源安裝的過程中完成，焊接好的電路板還不能直接投入使用，需要對電路板進行系統性的檢測和調試。這里使用示波器驗證其功能是否正常。調試檢測時，需要對電路板上各個模塊內的元器件進行檢測，主要內容包括元器件是否存在缺焊、漏焊、焊接不牢、極性元器件焊接方向錯誤、元器件管腳存在短路等問題。若發現電路板存在不正常現象，應分析具體原因并排除故障，反復進行調試，直到達到設計要求。使用萬用表測量電路板上各個電源端點對地阻抗并記錄下來。

2.2 微波電源其他部分的調試

完成對PCB電路板的調試后，還需要完成對其他電路的檢測調試過程，圖11為通過示波器對勵磁電源部分進行調試后的波形圖，圖12為燈絲電源輸出波形圖。從圖中可以看出勵磁電源的輸出電壓是直流30 V，其幅值波動較小；燈絲電源的輸出是交流電壓，其波形符合雙向可控硅的導通角度，用萬用表測量，其幅值在12 V。兩者都滿足設計 要求。

圖11 勵磁電源輸出波形圖

圖12 燈絲電源輸出波形圖

實驗室和工業制造往往需要電源能夠保持輸出功率在6 kW的條件下長時間穩定運行，保險起見，將微波電源的功率設置為7.5 kW進行開機測試。微波電源的實物安裝以及上機調試現場如圖13所示，在實際調試過程中，令微波電源運行10 h，每隔1小時記錄一次實際功率。記錄的實際功率波形如圖14所示。

圖13 微波電源上機調試現場圖

圖14 微波電源實際功率波形圖

通過實際功率波形圖可以看出，盡管微波電源的功率出現了輕微波動，但是波動在可以接受的范圍內，微波電源的輸出功率基本處于穩定狀態。這說明這臺微波電源已經達到了最初的設計預期。

3 結 語

基于對電源全方位的了解，對電源電路進行設計，經過實際的實物安裝和對電源的反復檢測調試，本文研制出了滿足實驗室和工業要求的微波電源。如今，隨著科技的迅速發展，要研制出一臺微波電源仍需要很多專業人才的共同努力，所以后續的實驗研究工作意義重大，日后還需要對微波電源進行全方位的改進和優化，以期將微波電源做得更加 實用。