一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源.pdf

本发明公开了一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源。它解决了传统自激式射频振荡电路稳定性差以及效率低的问题。电源采用了开关调整器电路，实现了可控的脉冲波对射频信号的调制作用。当该电源应用于大气压等离子体放电时，可以有效地克服大气压等离子体在连续状态下工作的射频源激励易产生的丝状放电以及电极过热问题。同时，电路中引入了由L型滤波器和反Γ型滤波器构成的O型滤波器(射频衰减量达到了30dB以上)，因此脉冲调制的射频波具有良好的传输特性。该电源电路简单，耐冲击性强，具有高功率因数、体积小、运行可靠等优点。

1.  一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，它的电路结构如下：交流输入与采用通用的共差模滤波器组合而成的工频、高频滤波器连接，工频、高频滤波器与工频整流电路连接，将交流电平电整流为直流电平，工频整流电路与自激式高频逆变电源连接，变为稳定的直流电平；该直流电平经过射频滤波器后连接脉冲调整器，脉冲调整器输出可控的脉冲调制信号后控制下一级的自激式射频振荡器，然后通过射频匹配器输出间隙式的射频波并最终与等离子体负载相连；同时自激式射频振荡器还输出取样信号到信号处理器，信号处理器则将该信号反馈到脉冲调整器。

2.  如权利要求1所述的用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，所述的自激式高频逆变电源是由自激式高频振荡电路和高频整流电路构成；其中，
自激式高频振荡电路是将直流转化为频率范围是几十kHz～几百kHz的交流连续波，它由反馈电感L₁、主电感L₂及输出电感L₃构成的自激式高频振荡变压器TF₁，功率型场效应晶体管M₁，电阻R₁、R₂及R₃构成的软启动电路，电阻R₄、R₅及电容C₃构成的保护电路组成；调整自激式高频振荡变压器主电感L₂的电感量以及并在主电感上电容C₂的容量以改变振荡频率；
高频整流电路包括二极管D₁-D₄组成的桥式电路，以及并联的大容量电解电容C₄和小容量的补偿电容C₅；自激式高频振荡电路产生的交流连续波，由二极管D₁-D₄组成的桥式电路进行全桥整流，然后经大容量电解电容C₄滤波后输出稳定的直流电压；
自激式高频逆变电源通过自激式高频变压器隔离，后端输出的直流电源的负端直接接地。

3.  如权利要求1所述的用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，所述的射频滤波器是由几节由电感L₅、电容C₇、电阻R₇组成的L型滤波器及电感L₄、电容C₈、电阻R₆组成的反Γ型滤波器联合构成的O型滤波器；其中L型滤波器对射频振荡产生的基波有衰减作用，反Γ型滤波器对射频振荡产生的二次谐波有衰减作用。

4.  如权利要求1所述的用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，所述的脉冲调整器是由频率和脉冲宽度均可调节的信号发生器输出脉冲控制信号，该信号经过变压器TF₂隔离放大后，驱动串接在电路中的开关调整器，使输出为可以调制后端连续射频波的脉冲信号。

5.  如权利要求1或4所述的用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，所述的脉冲调整器，其可调整的频率范围1～20kHz，可调整的脉宽范围10～500μs。

6.  如权利要求1所述的用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，所述的自激式射频振荡电路由反馈电感L₈、主电感L₉及输出电感L₁₀构成的自激式射频振荡变压器TF₃，功率型场效应晶体管M₃，电阻R₉、R₁₀及R₁₁构成的软启动电路，电阻R₁₂、R₁₃及电容C₁₂构成的保护电路所组成。电阻R₉、R₁₀和R₁₁构成了分压电路，通过微调R₁₁控制功率型场效应晶体管M₁栅源间电压并为启动功率型场效应晶体管提供合适的电压；电容C₁₀与电感L₈构成了自激式振荡的反馈回路，将变压器耦合的信号反馈给作为开关器件的功率型场效应晶体管M₃，反馈电感L₈的一端直接接地，从而增加了电路的稳定性；功率型场效应晶体管M₃的源极和地之间加入并联的R₁₂、R₁₃和C₁₂构成保护电路；电阻R₁₂和R₁₃为电路提供直流通路。

7.  如权利要求1或6所述的用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，所述自激式射频振荡电路的频率通过自激式射频振荡变压器主电感L₉的电感量以及并在主电感上电容C₁₁的容量改变振荡频率，其可调的射频输出的频率范围是1～30MHz。

8.  如权利要求1或6所述的用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，所述自激式射频振荡变压器TF₃采用空心结构，其绕组骨架采用射频击穿电压高、射频电晕损耗低的复合绝缘材料缠绕。

9.  如权利要求1所述的用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，所述信号处理器接收从自激式射频振荡电路输出的取样信号，先放大，再经过编程处理后将所需的反馈信号送至脉冲调整器的信号发生器的控制端，既实现对脉冲电平顶部波动的调整，使脉冲顶部的波动范围控制在±2％之内，又根据反馈信号具体情况关断脉冲调整器从而起到保护电路的作用。

10.  如权利要求1所述的用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，所述射频匹配器为并联在电感L₁₀两端的电容C₁₃、C₁₄以及电感L₁₁所构成的∏型射频匹配网络，在等离子体稳定工作时，通过调节电容C₁₃和C₁₄的容值实现射频电源和负载之间最大的能量传输。

一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源
技术领域
本发明涉及一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源。
背景技术
近年来，由于大气压下等离子体放电打破了真空室的限制，不但降低了设备成本，而且操作方便，不受空间限制，更易于实现大规模的工业化生产，因此在大气压下稳定的低温冷等离子体射流的产生及其应用引起了人们的广泛关注。由于射频下(激励频率1～100MHz)等离子体的击穿电压比较低，并且放电特性与低气压下的辉光放电比较接近，所以射频激励的大气压等离子放电已经成功的应用在了杀菌、表面处理以及半导体工艺等领域。射频发生器一般有两种输出方式；自激式振荡输出和他激式振荡输出。其中，自激式振荡电路简单，与负载的匹配好，但是自激式振荡电路工作在较高的频率下，频率稳定性差，转换效率较低(～75％)，并且射频传导和谐波问题较难解决。如相关技术领域的那些普通技术人员公知的那样，射频等离子体设备通常采用他激式射频电源，然后通过匹配网络实现射频源和等离子体设备的射频能量最佳耦合。他激式射频电源具有较高的DC-AC转换(高于85％)，但成本通常较为昂贵。
此外，大气压下的射频气体放电通常采用有介质的放电结构形式，又称为介质阻挡放电。由于射频电源的激励频率较高，累积在电极介质上的电荷寿命会大于放电的周期，会在两个周期内一直存在，也就是所谓的介质阻挡放电的“记忆效应”，从而容易产生丝状放电。而丝状放电的存在使等离子体处理效果不均匀，因此对于很多方面的应用如材料表面处理，材料改性等均要求在大气压等离子体放电产生稳定并且均匀的辉光放电。对于连续射频激励的等离子体，当严格的控制等离子体工作参数，如气体组份构成、电极结构等，并且对等离子体周围的工作环境有较苛刻的要求时，也可以实现均匀的放电，但是等离子体较易从辉光放电状态转化为丝状放电状态。此外，等离子体产生后由于热传导和离子碰撞过程的存在，电极和介质很快就会被加热到较高的温度。这种温升会导致被处理材料的热破坏，通常需要对射频放电的电极进行冷却处理，从而需要对电极附加额外的冷却系统。一种改进的办法是对射频电源的射频控制信号进行调节，使射频源最终输出为为脉冲调制下的射频波，通过频率及脉宽的控制实现对丝状放电的抑制。参见N.Balcon，“Pulsed RF discharges，glow and filamentarymode at atmospheric pressure in argon”，Plasma Sources Sci.Technol.16，217(2007)。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源。它符合国标EMC标准，功率因数高；同时具有电路简单、体积小、性价比高、运行可靠、经久耐用等优点。电路采用了开关调整器电路，实现了可控的脉冲波对射频信号的调制作用。因此当该射频源应用于大气压等离子体放电时，通过调节调制用的脉冲波的频率和脉冲宽度，可以有效地克服大气压等离子体在射频激励为连续状态时易产生的丝状放电以及电极过热问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，它的电路结构如下：交流输入与采用通用的共差模滤波器组合而成的工频、高频滤波器连接，工频、高频滤波器与工频整流电路连接将交流电平电整流为直流电平，工频整流电路与自激式高频逆变电源连接，变为稳定的直流电平；该直流电平经过射频滤波器后连接脉冲调整器，脉冲调整器输出可控的脉冲调制信号后控制下一级的自激式射频振荡器，然后通过射频匹配器输出间隙式的射频波并最终与等离子体负载相连；同时自激式射频振荡器还输出取样信号到信号处理器，信号处理器则将该信号反馈到脉冲调整器，对脉冲顶部进行调整并可对整个电路进行保护。
所述的自激式高频逆变电源是由自激式高频振荡电路和高频整流电路构成；其中，
自激式高频振荡电路是将直流转化为频率范围是几十kHz～几百kHz的交流连续波，它由反馈电感L₁、主电感L₂及输出电感L₃构成的自激式高频振荡变压器TF₁，功率型场效应晶体管M₁，电阻R₁、R₂及R₃构成的软启动电路，电阻R₄、R₅及电容C₃构成的保护电路组成；调整自激式高频振荡变压器主电感L₂的电感量以及并在主电感上电容C₂的容量以改变振荡频率；
高频整流电路包括二极管D₁-D₄组成的桥式电路，以及并联的大容量电解电容C₄和小容量的补偿电容C₅；自激式高频振荡电路产生的交流连续波，由二极管D₁-D₄组成的桥式电路进行全桥整流，然后经大容量电解电容C₄滤波后输出稳定的直流电压；
自激式高频逆变电源通过自激式高频变压器隔离，后端输出的直流电源的负端直接接地。
所述的射频滤波器是由几节由电感L₅、电容C₇、电阻R₇组成的L型滤波器及电感L₄、电容C₈、电阻R₆组成的反Γ型滤波器联合构成的O型滤波器；其中L型滤波器主要对射频振荡产生的基波有衰减作用，反Γ型滤波器主要对射频振荡产生的二次谐波有衰减作用。
所述的脉冲调整器是由频率和脉冲宽度均可调节的信号发生器输出脉冲控制信号，该信号经过变压器TF₂隔离放大后，驱动串接在电路中的开关调整器，使输出为可以调制后端连续射频波的脉冲信号。
所述的脉冲调整器，其可调整的频率范围1～20kHz，可调整的脉宽范围10～500μs。
所述的自激式射频振荡电路由反馈电感L₈、主电感L₉及输出电感L₁₀构成的自激式射频振荡变压器TF₃，功率型场效应晶体管M₃，电阻R₉、R₁₀及R₁₁构成的软启动电路，电阻R₁₂、R₁₃及电容C₁₂构成的保护电路所组成。电阻R₉、R₁₀和R₁₁构成了分压电路，通过微调R₁₁控制功率型场效应晶体管M₁栅源间电压并为启动功率型场效应晶体管提供合适的电压；电容C₁₀与电感L₈构成了自激式振荡的反馈回路，将变压器耦合的信号反馈给作为开关器件的功率型场效应晶体管M₃，反馈电感L₈的一端直接接地，从而增加了电路的稳定性；功率型场效应晶体管M₃的源极和地之间加入并联的R₁₂、R₁₃和C₁₂构成保护电路；电阻R₁₂和R₁₃为电路提供直流通路。
所述自激式射频振荡电路的频率通过自激式射频振荡变压器主电感L₉的电感量以及并在主电感上电容C₁₁的容量改变振荡频率，其可调的射频输出的频率范围是1～30MHz。
所述自激式射频振荡变压器TF₃采用空心结构，其绕组骨架采用射频击穿电压高、射频电晕损耗低的复合绝缘材料缠绕。
所述从自激式射频振荡电路输出的取样信号输入信号处理器，先放大，再经过编程处理后将所需的反馈信号送至脉冲调整器的信号发生器的控制端，既实现对脉冲电平顶部波动的调整，使脉冲顶部的波动范围控制在±2％之内，又根据反馈信号具体情况关断脉冲调整器从而起到保护电路的作用。
所述射频匹配器为并联在电感L₁₀两端的电容C₁₃、C₁₄以及电感L₁₁所构成的∏型射频匹配网络，在等离子体稳定工作时，通过调节电容C₁₃和C₁₄的容值实现射频电源和负载之间最大的能量传输。
在本发明中，电路结构为交流输入经过工频、高频滤波器后整流，接自激式高频逆变电源，变为稳定的直流电平，再接至射频滤波器，射频滤波器的输出端接脉冲调整器，控制下一级的自激式射频振荡器，然后通过射频匹配器输出间隙式的射频波并最终与等离子体负载相连。
自激式高频逆变电源是由自激式高频振荡电路和高频整流电路构成的。自激式高频振荡电路是将直流转化为频率范围为几十kHz～几百kHz的交流连续波。自激式高频振荡电路产生交流连续波，再进行整流，然后经大容量电容滤波后输出稳定的直流电压。该电路具有较高的功率因数(可达0.99)，总谐波低于10％，可以达到国标EMC标准。
由于改进式射频电源的射频振荡部分的工作频率较高为1～30MHz，因此需要解决射频传导和谐波问题。因此本发明引入了一种新型的滤波单元。这种新型滤波器的单元我们称之为O型滤波器，是由电容电阻电感组成的L型滤波器和电容电阻电感组成的反Γ型滤波器联合构成。经过几节串联的O型滤波器，射频衰减量可达30dB以上，从而可以有效地抑制射频的传导。
接在射频滤波器后端的是脉冲调整器。由频率和脉冲宽度均可调节的信号发生器输出的脉冲控制信号经过变压器或者光电耦合器隔离放大后，可以控制串接在电路中的开关调整器，将直流电平转换为平整的短形脉冲波。
本发明中，改进式射频电源的核心部分为自激式射频振荡电路，是由自激式射频振荡变压器、功率型场效应晶体管以及其他辅助性元件组成。该电路可以将输入的可控脉冲波转化为脉冲调制的间歇式射频输出。
为了克服自激式射频振荡电路的稳定性差以及DC-AC转换效率低的缺点，本发明对自激式振荡电路进行了改进。首先，严格控制了射频自激式变压器的各绕组之间的分布参数，使振荡变压器的工作频率稳定。由于自激式射频振荡电源的频率主要是由其变压器主电感和杂散电容决定，因此可将反馈绕组和主绕组绕制在同一层，输出绕组在另一层，主绕组与输出绕组之间的杂散电容可以通过调节他们之间的复合绝缘层的厚度进行控制，从而实现对振荡频率的控制。其次，由于前端的自激式高频逆变电源已经通过自激式高频变压器隔离，自激式射频振荡电路的公共端可以直接接地，因此一端连接在自激式射频振荡电路公共端的射频变压器的反馈电感直接接地，有效地减少了杂波对反馈信号的污染，从而显著提高了反馈的可靠性。通过采取的上述措施，能够有效地提高自激式射频振荡频率的稳定性从而进一步的提高了其DC-AC转换效率，使之可以达到与他激式振荡电源接近的水平(＞85％)。
当脉冲波调制射频信号时，作为负载的等离子体受到脉冲调制而连续的产生熄灭。每个脉冲开始时的上升(对于正脉冲)或下降(负脉冲)沿会达到等离子体的击穿电压从而产生等离子体，而在脉冲结束时，等离子体会在电压降为零的过程中熄灭。这种可控的间歇式等离子体放电会避免热量在电极板和介质上的积聚，降低了电极和介质的温度，从而达到间接控制气体和电极及介质温度的目的。调节合适的载波频率以及脉冲的宽度，就可以实现对等离子体丝状放电和辉光放电的控制。
本发明的有益效果是：传导特性好，功率因数高；同时具有电路简单、体积小、性价比高、运行可靠、经久耐用等特点。
附图说明
图1为本发明的射频电源原理方框图；
图2为本发明的自激式高频逆变电源电路图；
图3为本发明的射频滤波器单元电路图；
图4为本发明的脉冲调整器电路原理图；
图5为本发明的自激式射频振荡及射频匹配电路图。
其中，1.工频、高频滤波器，2.工频整流电路，3.自激式高频逆变电源，4.射频滤波器，5.脉冲调整器，6.自激式射频振荡器，7.射频匹配器，8.信号处理器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
图1中，交流输入经过采用通用的共差模滤波器组合而成的工频、高频滤波器1，然后经过全桥的工频整流电路2整流为直流电平，再接自激式高频逆变电源3，变为稳定的直流电平。该直流电平经过射频滤波器4后连接脉冲调整器5，输出可控的脉冲调制信号后控制下一级的自激式射频振荡器6，然后通过射频匹配器7输出间隙式的射频波并最终与等离子体负载相连。自激式射频振荡器6还输出取样信号到信号处理器8，信号处理器8将信号反馈到脉冲调整器5。
图2中，自激式高频逆变电源3是由自激式高频振荡电路和高频整流电路构成的。自激式高频振荡电路是将直流转化为频率范围是几十kHz～几百kHz的交流连续波。它是由反馈电感L₁、主电感L₂及输出电感L₃构成的自激式高频振荡变压器TF₁，功率型场效应晶体管M₁，电阻R₁、R₂及R₃构成的软启动电路，电阻R₄、R₅及电容C₃构成的保护电路组成。调整自激式高频振荡变压器主电感L₂的电感量以及并在主电感上电容C₂的容量可以改变振荡频率。
自激式高频振荡电路产生的交流连续波，再由二极管D₁-D₄组成的桥式电路进行全桥整流，然后经大容量电解电容C₄滤波后输出稳定的直流电压。C₅为小容量的补偿电容。由于是采用的高频整流，整流后的滤波电容的容量大小不会影响到电路的功率因数，因此该电路具有较高的功率因数(可达0.99)，并可有效的抑制电源的谐波，总谐波低于10％，可以达到国标EMC标准。此外，自激式高频逆变电源通过自激式高频变压器隔离，后端输出的直流电源的负端可以直接接地。
图3中，由于改进式射频电源的射频振荡部分的工作频率较高为1～30MHz，因此需要解决射频传导特性问题。本发明引入了一种新型的射频滤波器4并成功实现了射频基波和谐波的抑制。这种新型滤波器的单元我们称之为O型滤波器，是由电容C₇、电阻R₇及电感L₅组成的L型滤波器和电容C₈、电阻R₆及电感L₄组成的反Γ型滤波器联合构成。通过设计，L型滤波器主要对射频振荡产生的基波有较大的衰减作用，反Γ型滤波器主要对射频振荡产生的二次谐波有较大的衰减作用。经过几节串联的O型滤波器，射频衰减量可达30dB以上，从而可以有效地抑制射频的传导。
图4中，接在射频滤波器后端的是脉冲调整器5。由频率和脉冲宽度均可调节的信号发生器输出脉冲控制信号，该信号经过变压器TF₂隔离放大后，可以控制串接在电路中的开关调整器即功率型场效应晶体管M₂，将直流电平变为可控脉冲波。同时该电路还添加了脉冲顶部调整控制(见图1中，自激式射频振荡器6还输出取样信号到信号处理器8，信号处理8将信号反馈到脉冲调整器5)。从下一级的自激式射频振荡电路的输出端引出取样信号，经过信号处理器8后，通过对频宽开关调整器的控制，实现对脉冲电平顶部波动的调整，使脉冲顶部的波动范围控制在±2％之内。
图5中，显示了自激式射频振荡器6及射频匹配器7。本发明中，改进式射频电源的核心部分为自激式射频振荡器6，它是由反馈电感L₈、主电感L₉及输出电感L₁₀构成的自激式射频振荡变压器TF₃，功率型场效应晶体管M₃，R₉、R₁₀及R₁₁构成的软启动电路，R₁₂、R₁₃及C₁₂构成的保护电路所组成。电阻R₉、R₁₀和R₁₁构成了分压电路，通过微调R11可以控制功率型场效应晶体管M₁栅源间电压并为启动功率型场效应晶体管提供了合适的电压。C₁₀与L₈构成了自激式振荡的反馈回路，将变压器耦合的信号反馈给作为开关器件的功率型场效应晶体管M₃，与前面高频振荡电路不同的，反馈电感的一端直接接地，从而增加了电路的稳定性。功率型场效应晶体管M₃的源极和地之间加入R₁₂、R₁₃和C₁₂构成保护电路。电阻R₁₂和R₁₃为电路提供直流通路，同时由于实例中该电阻具有合适等效串联电感，从而对射频信号起到了较好的扼流作用。
自激式射频变压器由反馈绕组、主绕组和输出绕组在空心骨架上绕制而成。由于变压器工作在射频场下，为防止击穿并减少电晕损耗，其绕组的骨架上采用射频击穿电压高以及射频电晕损耗低的复合绝缘材料。可采用的射频击穿电压高的材料有聚四氟乙稀、聚脂薄膜等高绝缘胶带等。可采用的射频电晕损耗低材料有牛皮纸、PVC胶带、电缆纸等。同时为了防止变压器的各绕组之间的击穿，其绕组之间的垫层需采用与骨架绕制所一致的复合绝缘材料。调整自激式射频振荡变压器主电感L₉的电感量以及并在主电感上电容C₁₁的容量可以改变振荡频率，使可调的射频输出的频率范围是1～30MHz。
由于射频下电源和等离子体负载不能直接相连，需要外加射频匹配器7进行阻抗匹配，从而将射频源的能量最有效的耦合到等离子体。因此在振荡源后端引入了由电容C₁₃、C₁₄以及电感L₁₁所构成的∏型射频匹配网络，当等离子体稳定工作时，可以通过调节电容C₁₃和C₁₄的容值实现射频电源和负载之间最大的能量传输。