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(xué) 湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430073）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，微波技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)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(jìn)入材料化學(xué)、物理、半導(dǎo)體、電子科學(xué)等專業(yè)領(lǐng)域[1]。湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要通過等離子體化學(xué)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(dá)到工業(yè)化使用標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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?dāng)_，增強(qiáng)輸出耦合。大功率微波電源的額定功率可以達(dá)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(jì)

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(jì)出各個(gè)部分的電路圖，再根據(jù)電路圖制備出一臺(tái)完整的微波電源，最后通過全面的檢測(cè)和調(diào)試，使其達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)用要求。

1.1 CK-619型磁控管

本文使用的磁控管型號(hào)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(zhǎng)等特點(diǎn)[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(chǎng)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(shí)物如圖1所示。

圖1 磁控管實(shí)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(gè)槽，將磁控管內(nèi)部分為多個(gè)獨(dú)立空間，且在陽極腔內(nèi)構(gòu)成一個(gè)個(gè)并聯(lián)的LC電路。如果一個(gè)諧振腔起振，必將帶動(dòng)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(huì)在槽附近形成高頻場(chǎng)，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(yùn)動(dòng)，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(jì)

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(jì)為4個(gè)部分，包括電場(chǎng)電源、勵(lì)磁電源、燈絲電源以及單片機(jī)控制電路。

1.2.1 電場(chǎng)電源

首先利用工頻變壓器將380 V的三相交流電進(jìn)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(gè)10 H的電感進(jìn)行濾波處理，最終得到所需要的高壓直流電。

在本設(shè)計(jì)中，先將380 V交流電用變壓器進(jìn)行升壓處理，電場(chǎng)電源變壓器實(shí)物如圖3所示，變壓器副邊一個(gè)以星型連接，一個(gè)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(jìn)行整流處理時(shí)，可以采用多個(gè)三相橋式整流電路串聯(lián)的方法來設(shè)計(jì)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(gè)三相整流橋其中的一個(gè)共陰極組與另一個(gè)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(chǎng)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(chǎng)電源部分的整流電路，實(shí)際工作中可以滿足實(shí)驗(yàn)和工業(yè)要求[7]。

圖3 電場(chǎng)電源變壓器實(shí)物圖

圖4 串聯(lián)12脈波整流電路

1.2.2 勵(lì)磁電源

按照實(shí)際的設(shè)計(jì)要求，勵(lì)磁電源需要提供一個(gè)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(chǎng)。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(jì)勵(lì)磁電路，以滿足勵(lì)磁電源的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)的勵(lì)磁電源框圖如圖5 所示。

圖5 勵(lì)磁電源設(shè)計(jì)框圖

從設(shè)計(jì)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(chǎng)提供一個(gè)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(chǎng)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(duì)功率的校正，還可以避免諧波對(duì)電流的干擾，防止畸變的電流影響電路的正常運(yùn)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(jìn)行降壓分流，通過其中的反饋電路對(duì)高電壓和高電流逐次處理，反復(fù)進(jìn)行降壓分流，最后得到一個(gè)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(huì)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(gè)有效值為12 V、47 A的正弦交流電。但是在預(yù)熱一段時(shí)間后，陰極燈絲會(huì)發(fā)射出電子，并且會(huì)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(jì)如圖8所示。

圖8 燈絲電源模塊設(shè)計(jì)圖

在正常運(yùn)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(jì)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(jìn)行多次取樣檢測(cè)，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(duì)電流的 調(diào)整。

圖9 燈絲電源控制電路圖

該電源設(shè)計(jì)要求對(duì)流過陰極燈絲的電流進(jìn)行持續(xù)調(diào)整，通過采樣電路就能實(shí)時(shí)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(hào)進(jìn)行周期內(nèi)的計(jì)算，求出平均數(shù)值，之后與給定的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(jī)控制與顯示電路

單片機(jī)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(gè)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(jìn)行可視化控制。在電路中，按鍵起到暫停啟動(dòng)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(shí)時(shí)設(shè)定和顯示。單片機(jī)控制和顯示電路如圖10所示[11]。

圖10 單片機(jī)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(cè)之前，首先要熟悉硬件原理圖和PCB元器件布局，之后對(duì)各個(gè)元器件進(jìn)行檢測(cè)，最后對(duì)各個(gè)電路模塊進(jìn)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(duì)電路板進(jìn)行系統(tǒng)性的檢測(cè)和調(diào)試。這里使用示波器驗(yàn)證其功能是否正常。調(diào)試檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)電路板上各個(gè)模塊內(nèi)的元器件進(jìn)行檢測(cè)，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(cuò)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(jìn)行調(diào)試，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。使用萬用表測(cè)量電路板上各個(gè)電源端點(diǎn)對(duì)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(duì)PCB電路板的調(diào)試后，還需要完成對(duì)其他電路的檢測(cè)調(diào)試過程，圖11為通過示波器對(duì)勵(lì)磁電源部分進(jìn)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(lì)磁電源的輸出電壓是直流30 V，其幅值波動(dòng)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(cè)量，其幅值在12 V。兩者都滿足設(shè)計(jì) 要求。

圖11 勵(lì)磁電源輸出波形圖

圖12 燈絲電源輸出波形圖

實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，保險(xiǎn)起見，將微波電源的功率設(shè)置為7.5 kW進(jìn)行開機(jī)測(cè)試。微波電源的實(shí)物安裝以及上機(jī)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示，在實(shí)際調(diào)試過程中，令微波電源運(yùn)行10 h，每隔1小時(shí)記錄一次實(shí)際功率。記錄的實(shí)際功率波形如圖14所示。

圖13 微波電源上機(jī)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)圖

圖14 微波電源實(shí)際功率波形圖

通過實(shí)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(dòng)，但是波動(dòng)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(tái)微波電源已經(jīng)達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 結(jié) 語

基于對(duì)電源全方位的了解，對(duì)電源電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過實(shí)際的實(shí)物安裝和對(duì)電源的反復(fù)檢測(cè)調(diào)試，本文研制出了滿足實(shí)驗(yàn)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(tái)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(shí)驗(yàn)研究工作意義重大，日后還需要對(duì)微波電源進(jìn)行全方位的改進(jìn)和優(yōu)化，以期將微波電源做得更加 實(shí)用。