一種高頻高壓等離子體發生器半

伍遠博 陶智 黃敏 顧中浩 徐超 周長偉 江均均 吳迪

摘要：針對傳統直流等離子體發生器電源效率不高、驅動管熱損耗大等問題，設計了一個高效率低損耗的高頻高壓等離子體發生器。該系統通過移相全橋控制電路進行PWM方波控制，在功率晶體管驅動下，經高頻諧振升壓電路對輸入信號升壓，實現等離子體的穩定發生。實驗結果表明，該系統與傳統直流等離子體發生器相比電源效率提升了5.4%。

關鍵詞：等離子體發生;全橋移相;高頻諧振

中圖分類號：0531 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0020-03

作為物質的第四態，等離子體因其獨特的離子效應、優良的導電性、顯著的集體運動行為等特點，已經在能源、信息、材料、化工、醫療、空間物理等領域得到了廣泛的重視和應用。在等離子體應用和推廣的同時，各領域也對等離子體發生器的設計提出了更多的要求。由于傳統直流等離子體發生器能耗較大、效率不足，為滿足現代化工業的更高需求，新型高效的等離子體發生器的設計研究就顯得愈發重要。

針對傳統直流等離子體發生器存在的問題，設計了一種高頻高壓等離子體發生器。該系統由移相全橋PWM控制模塊、功率驅動模塊、高穩定性雙諧振升壓模塊等模塊構成，可以實現輸入電源效率的有效提升、驅動電路熱損耗現象的極大降低和等離子體的穩定發生。

1高頻高壓等離子體發生方法

當在感應線圈上施加高頻電場后，部分空氣電離產生的帶電粒子做高速運動，二次碰撞氣體原子，形成雪崩電離，并在垂直于磁場方向的截面上形成閉合環形渦流。根據等離子體渦流效應：

E=nФωsin（（1）t） （1）

其中E為感應電動勢，n為匝數，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，感應電動勢越大，渦流效果越顯著，等離子體束越穩定。由于高頻交變電流渦流效應的存在，等離子體束具有趨膚效應。趨膚效應穿透深度的計算公式為：

因此，當放電尖端的電壓和交變電流的頻率分別達到相關閾值時，能夠發生具有良好穩定性和高電子密度的等離子。在高頻高壓下通過氣體放電的方式可以穩定產生等離子體。

2高頻高壓等離子體發生系統

基于上文所闡述推導的以高頻高壓原理產生等離子體的理論基礎，設計從如何有效提升輸入電源效率并降低驅動電路開關管熱損耗出發，設計了一種高頻高壓等離子體發生器。系統框圖如圖1：

系統通過移相全橋控制電路提供控制信號，在晶體管驅動下，經高頻諧振升壓電路對輸入信號升壓，實現等離子體的穩定發生。

2.1全橋移相PWM控制電路

控制電路以UC3875芯片為核心進行PWM控制，實現對后驅動橋臂導通相位0～180°的相位移動控制和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INA、INB經u1、U2同相比例放大電路接人EA-與CS+，u1輸出信號經R6、C5的RC串聯電路接入EA/OUT，R4、R5、R7、R8為限流電阻，電源信號經C3濾波后，由R1、R2、R3構成分壓電路接入VREF與EA+，SLOPE與VC端用R15相接，PWRGND接地，腳FREQSET、DELATSET經RC并聯電路接地。

2.2高頻諧振升壓電路

在高頻升壓電路的設計上，系統采用以LC諧振為理論基礎的高頻諧振固態特斯拉升壓電路。電路由低壓輸入端、主電容組、諧振通斷器、初次級線圈、放電尖端構成，可以在放電端形成高壓電場，以實現在高頻高壓條件下的等離子體發生。

C1～C30為耐壓值達1200V的高壓電容組，諧振通斷器串于電容組輸入端與初級線圈一端，信號經諧振在次級放電端實現放大。

3等離子體發生系統實驗結果與分析

3.1實驗儀器與設備

功率分析儀WT500、數字示波器DL9140、函數信號發生器AFG3252、高壓探棒、螺旋測微器、數字直流電源、12V20A開關電源、接地棒等。

3.2數據測量與分析

（1）諧振頻率測量

首先對激勵信號的參數進行配置，設置其峰峰值電壓幅度為lv，波形為正弦波，無偏置電壓，相位偏移為0°。記錄響應信號波形，繪制數據表格：

當系統工作頻率為262kHz時，響應信號的幅度達到最大值6.00V，此時最大增益系數為15.56dB，因此該頻率即為系統的諧振頻率。此時響應信號的參數：信號頻率為262kHz，電壓幅值為6v，信號波形為正弦波。

（2）系統工作效率

設置系統工作頻率為262kHz，將功率分析儀WT500的電壓探頭對應接入系統的測試端口，調節功率分析儀的測量模式、量程、接線設置并選擇合適的濾波窗口和傳感器參數。在系統穩定發生等離子體時，測得系統的效率為87.4%。

實驗數據表明：系統的諧振頻率為262kHz。放電尖端穩定發生等離子體時，系統的工作效率為82.4%，與傳統直流等離子體發生器最高77%效率相比，提高了5.4%，實現了驅動管耗的降低和輸入電源效率的提升。

4結論

針對傳統直流等離子體發生器電源效率不高、驅動管損耗較大等問題，設計了一種高頻高壓等離子體發生系統。該系統通過移相全橋控制電路提供控制信號，在功率晶體管驅動下，經高頻諧振升壓電路對輸入信號升壓，實現等離子體的穩定發生。實驗結果表明，系統工作頻率穩定在262kHz，系統的工作效率為82.4%，與傳統直流等離子體發生器最高77%效率相比，提高了5.4%，實現了驅動管耗的降低和輸入電源效率的提升。