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(shù)的不斷進步發(fā)展，微波技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各個高新技術(shù)領(lǐng)域，微波等離子體技術(shù)也在最近幾十年的發(fā)展中逐漸走向成熟。如今，微波已進入材料化學、物理、半導(dǎo)體、電子科學等專業(yè)領(lǐng)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(shù)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(yè)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(tǒng)中，新型磁控管采用對稱型諧振腔環(huán)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(wěn)定性好，反應(yīng)速度快，可靠性高，能量轉(zhuǎn)換效率高，為工業(yè)制備高質(zhì)量單晶金剛石和單晶硅等新材料行業(yè)領(lǐng)域提供了技術(shù)支持[3-4]。

1 微波電源設(shè)計

微波電源主要由兩部分組成，一部分是微波發(fā)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(shè)計出各個部分的電路圖，再根據(jù)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(diào)試，使其達到工業(yè)生產(chǎn)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(xù)波磁控管常常作為工業(yè)用微波功率設(shè)備微波電源的首選器件。它具有轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，直熱式純鎢陰極，磁場由外加環(huán)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(tǒng)4部分組成。磁控管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 磁控管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

磁控管的陽極由導(dǎo)電良好的金屬材料構(gòu)成，周圍設(shè)有諧振空腔，靠近中心側(cè)有一個槽，將磁控管內(nèi)部分為多個獨立空間，且在陽極腔內(nèi)構(gòu)成一個個并聯(lián)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(nèi)部的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，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(fā)射電子的能力。電子在內(nèi)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(shè)計

為了使磁控管能夠持續(xù)穩(wěn)定地輸出微波能量，需要微波電源的控制系統(tǒng)足夠穩(wěn)定，并能源源不斷地為磁控管輸送穩(wěn)定的高壓電。為此，本文將微波電源硬件電路設(shè)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(zhuǎn)換成直流電，最后再串聯(lián)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(shè)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(lián)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(lián)的方法來設(shè)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(lián)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(lián)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(yīng)用在高電壓輸出的設(shè)備中。由于電場電源部分需要產(chǎn)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(yè)要求[7]。

圖3 電場電源變壓器實物圖

圖4 串聯(lián)12脈波整流電路

1.2.2 勵磁電源

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

圖5 勵磁電源設(shè)計框圖

從設(shè)計框圖可以看出，功率校正模塊將220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?80 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(lián)穩(wěn)壓電路給電磁場提供一個穩(wěn)定的電壓，最后的輸出調(diào)節(jié)模塊通過調(diào)節(jié)線圈電流的大小來調(diào)節(jié)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(fù)進行降壓分流，最后得到一個穩(wěn)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(shù)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(yù)熱一段時間后，陰極燈絲會發(fā)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(shè)計如圖8所示。

圖8 燈絲電源模塊設(shè)計圖

在正常運行過程中，燈絲電阻在預(yù)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(jīng)燈絲的電流保持穩(wěn)定，設(shè)計了燈絲電源控制電路來保證電流的穩(wěn)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(cè)的電流數(shù)值進行多次取樣檢測，之后用TRIAC（即雙向可控硅）調(diào)節(jié)二次側(cè)導(dǎo)通角的大小，從而完成對電流的 調(diào)整。

圖9 燈絲電源控制電路圖

該電源設(shè)計要求對流過陰極燈絲的電流進行持續(xù)調(diào)整，通過采樣電路就能實時獲得電流值，再將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)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(nèi)的計算，求出平均數(shù)值，之后與給定的電流數(shù)據(jù)進行對比，將誤差值傳遞到TRIAC上，以此控制TRIAC導(dǎo)通角的大小調(diào)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(tǒng)的控制核心。該控制芯片能夠利用按鍵和數(shù)碼管進行可視化控制。在電路中，按鍵起到暫停啟動和設(shè)定功率的作用，LED數(shù)碼管用于冷卻水流量和功率參數(shù)的實時設(shè)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(diào)試

微波電源的調(diào)試主要用到萬用表和示波器。調(diào)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(guān)調(diào)試。

2.1 PCB的調(diào)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(tǒng)性的檢測和調(diào)試。這里使用示波器驗證其功能是否正常。調(diào)試檢測時，需要對電路板上各個模塊內(nèi)的元器件進行檢測，主要內(nèi)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(fā)現(xiàn)電路板存在不正常現(xiàn)象，應(yīng)分析具體原因并排除故障，反復(fù)進行調(diào)試，直到達到設(shè)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(diào)試

完成對PCB電路板的調(diào)試后，還需要完成對其他電路的檢測調(diào)試過程，圖11為通過示波器對勵磁電源部分進行調(diào)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(dǎo)通角度，用萬用表測量，其幅值在12 V。兩者都滿足設(shè)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(yè)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(wěn)定運行，保險起見，將微波電源的功率設(shè)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(diào)試現(xiàn)場如圖13所示，在實際調(diào)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(diào)試現(xiàn)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(xiàn)了輕微波動，但是波動在可以接受的范圍內(nèi)，微波電源的輸出功率基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。這說明這臺微波電源已經(jīng)達到了最初的設(shè)計預(yù)期。

3 結(jié) 語

基于對電源全方位的了解，對電源電路進行設(shè)計，經(jīng)過實際的實物安裝和對電源的反復(fù)檢測調(diào)試，本文研制出了滿足實驗室和工業(yè)要求的微波電源。如今，隨著科技的迅速發(fā)展，要研制出一臺微波電源仍需要很多專業(yè)人才的共同努力，所以后續(xù)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(yōu)化，以期將微波電源做得更加 實用。