CN101772252B

CN101772252B - 一种等离子体激励电源

Info

Publication number: CN101772252B
Application number: CN 200810224784
Authority: CN
Inventors: 徐跃民; 程芝峰; 孙海龙; 吴逢时; 丁亮; 王之江
Original assignee: National Space Science Center of CAS
Current assignee: National Space Science Center of CAS
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: CN101772252A

Abstract

本发明公开了一种等离子体激励电源，包括：初级整流滤波电路、初级高频逆变电路、一级放大电路、二级整流滤波电路、二级高频逆变电路、单片机控制电路、二级放大电路、末级整流滤波电路、限流回流装置及脉冲输出电路。该电源为产生高电压宽脉冲的输出，采用了双级高频逆变放大技术，具有自动恒压功能。在一级放大后对已整流的电压再进行一次逆变，而逆变的同时对其进行脉冲斩波。脉冲型的高频电压经二级放大后再整流滤波而形成所需的高压方波。脉冲信号由单片机控制，其产生的脉冲信号精度高，性能稳定，操作方便。

Description

一种等离子体激励电源

技术领域

本发明涉及低温高密度等离子体产生技术，特别涉及一种等离子体激励电源。

背景技术

低温高密度等离子体产生技术要求有稳定的高电压宽脉冲输出，要求其脉冲电压需达5000V以上，电流需达10安培以上。而且在一个脉冲宽度范围内能够保持电压的波动的幅度＜5％。

传统的脉冲电源如图1所示，对输入的交流电压进行变压后再整流滤波，之后对直流电压进行斩波，生成脉冲电压。

在高密度等离子体放电的要求下，斩波控制所用到的元件要求就特别高了。像常用的IGBT管，大多耐压能力在1200V，能耐压3000V的就已经属于非常高端的了，而5000V以上的则更加稀少和昂贵。此外，在进行脉冲斩波的时候都会安装吸收板，用于吸收斩波过程产生的反射电压能量以保护前级元件。在对高压进行斩波时，可能反射回的电压也就非常高。因此对于吸收板所要用的电容和电阻等元件也就提出相应的高电压要求，同时在技术实现，元件的配置上都存在很大难度。另外，因为是斩波后就输出了，没有任何隔离措施，等离子体放电存在的不稳定性就很容易对斩波元件造成伤害，影响到电源的使用寿命。

图2是后来发展的改进型，这种方法对电压进行了二级放大。第一级是把交流输入进行整流滤波后再进行逆变，然后放大到一个中间电压。之后再进行整流滤波，并进行直流斩波，转成一个中间电压的直流脉冲电压。二级放大是一个脉冲放大器，低压的直流脉冲信号经过二级放大到所要求的电压范围。

但是直流脉冲放大器产生的脉冲信号会在脉冲起始和结束位置发生畸变。在这种高压的情况下，畸变会更加明显。而等离子体放电在一定的范围内时电流会随电压呈级数变化，所以对这种电压畸变会非常敏感。现有的技术可以通过再进行多重滤波修正改进脉冲波形，但是等离子体激励瞬间的参数变化对此又会再次造成干扰，使修正失去作用。并且等离子体放电过程不稳定性可能造成的火花击穿也容易伤害电源中的重要器件。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种等离子体激励电源。该电源为产生高电压宽脉冲的输出，采用了双级高频逆变放大技术，具有自动恒压功能。脉冲信号由单片机控制，其产生的脉冲信号精度高，性能稳定，操作方便。该电源在一级放大后对已整流的电压再进行一次逆变，而逆变的同时对其进行脉冲斩波。脉冲型的高频电压经二级放大后再整流滤波而形成所需的高压方波。

为了达到上述目的，本发明提供的一种等离子体激励电源，包括：

一初级整流滤波电路，用于将输入的三相交流电信号转换为第一直流电信号。

一初级高频逆变电路，用于将第一直流电信号转换为单向高频交流电信号。

一一级放大电路，用于将单向高频交流电信号放大。

一二级整流滤波电路，用于将放大后的单向高频交流电信号转换为第二直流电信号。

一二级高频逆变电路，用于将第二直流电信号转换为脉冲交流电信号。

一单片机控制电路，与二级高频逆变电路相连，用于控制二级高频逆变电路将第二直流电信号转换为脉冲交流电信号。

一二级放大电路，用于将脉冲交流电信号放大。

一末级整流滤波电路，用于将放大后的交流电信号转换为直流脉冲信号。

一脉冲输出电路，用于将直流脉冲信号输出。

其中，在末级整流滤波电路与脉冲输出电路之间安装一限流回流装置，用于对直流脉冲信号进行限流保护，所述限流回流装置由回流电阻与限流电阻串联构成。

其中，所述限流回流装置的回流电阻阻值为正常等离子体放电时等效电阻的1～2.5倍，最优值为1.5倍。

其中，所述限流回流装置的限流电阻阻值为正常等离子体放电时等效电阻的0.1～0.2倍，最优值为0.14倍。

本发明的优点在于：

1、采用双级放大。第一级放大把标准的交流电压放大到700V-800V，第二级再实现放大到5000V以上。这样低压端的大电流和输出的高电压就得到了缓冲，对于变压器的绕制和散热设计的要求都有所降低。而且双级放大用到的两个变压器把输入端、控制过程和输出端地进行了隔离。使脉冲斩波可能造成的回波不会损害到初级控制电路，等离子体放电过程可能出现的不稳定也不容易损害到脉冲控制电路。这样，大大增加了电源的工作稳定性和使用寿命。

2、采用了交流斩波方式。一级放大并整流滤波生成直流电，在逆变成交流的同时进行脉冲斩波。这个过程，单片机的作用是控制逆变电路的全桥控制板工作与否。逆变电路工作则输入的能量能通过变压器传输到下一级，不工作则是直流电压，能量无法传输到下一级。所以单片机只要维持全桥控制板工作与不工作的重复频率满足要求就行，而不用太苛求单片机自身波形的完美性以及开关元件的延迟时间。同时，由于中间级的电压不是很高(700V-800V)，所以对脉冲控制电路的要求也比较低，一般的1200V的IGBT管就足够满足要求了。

3、使用了高频逆变技术。对传统的低频逆变电压进行变压时低频电压容易在线圈上进行欧姆加热消耗，所以转换的效率比较低。增大变压器的体积能提高效率，但对于10kW以上的大功率变压来说，要求很高的变压效率，所以变压器的体积会非常大，并且还需要专门设计冷却装置。高频逆变能大大提高变压器的转换效率，使大功率变压器的设计更简单，制作成本也要低得多。同时，要实现脉冲斩波后再进行电压放大并整流滤波输出则交流的频率应远大于脉冲频率(100Hz～1000Hz)，并且一个脉宽时间内要有足够多的电压重复周期，而高频逆变(＞10kHz)使这成为可能。

4、安装了限流回流电阻：输出端串联的大功率无感电阻的阻值约为正常等离子体放电时等效电阻的0.14倍。正常放电时，电阻不起到多大作用，一旦出现瞬间火花放电，等离子体的等效电阻接近0，这时电阻就起到限流的作用，既保护了电源，也使放电电极不易被损害。同样由于等离子体放电的特殊性，当电压低到一定的时候放电无法进行，等离子体的等效电阻相无穷大，因而在关机前无法把电源能量完全释放，并联回流电阻可以解决这个问题。在工作的时候，回流电阻维持着电路有最小电流，有效地维持等离子体击穿前后电压的稳定。

附图说明

图1是传统脉冲电源的电路框架图；

图2是传统改进型电源的电路框架图；

图3是本发明等离子激励电源电路框架图；

图4是本发明具体实施例直流脉冲实现部分电路图；

图5是本发明具体实施例限流回流装置电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细描述。

实施例1

如图3所示，等离子激励电源电路包括：初级整流滤波电路、初级高频逆变电路、一级放大电路、二级整流滤波电路、二级高频逆变电路、单片机控制电路、二级放大电路、末级整流滤波电路、限流回流装置及脉冲输出电路。

具体工作流程如下：

1、初级整流滤波：整流滤波电路1由一MDS100A/1200V三相桥式整流模块接LC滤波组成。标准的380伏三相交流输入经过整流滤波电路1后成为约510伏的直流输出。

2、初级高频逆变：高频逆变电路2由四个桥接的IGBT管与一主控板构成。经由1生成的直流电通过高频逆变电路2后变成单向高频交流输出。

3、一级电压放大：放大电路3是一个20KW，537:850的变压器，其把前面生成的高频交流电进行初级放大，输入电压被放大至约800伏。

4、二级整流滤波：整流滤波电路4是由四组高压大功率二极管进行桥式连接，然后接LC滤波组成的。在此经一级放大的高频交流电被再次转成直流电。

5、二级高频逆变：由四个桥接的IGBT管与一主控板构成的高频逆变电路5在单片机8的控制下把输入的直流电转成脉冲交流输出。

6、二级电压放大：放大电路6是一个20KW，700:6000的变压器，它把5输出的脉冲交流电进行终级放大，电压被放大至所需的值。

7、末级整流滤波：脉冲输入的交流电经由整流滤波电路7变为最终所需的直流脉冲输出，如图4所示。

8、限流回流：限流保护装置9由一组大功率无感电阻组成。等离子体放电时如果出现瞬间火花放电，其等效电阻为零，这时限流电阻起作用，使电源输出端不至于短路。而在调低电压到一定值时，等离子体会停止放电，电阻接近无穷大，这时回流电阻就能把电源残留的能量释放。

实施例2

作为上述实施例1的一个优选的等离子激励电源电路，如图3所示，包括：初级整流滤波电路、初级高频逆变电路、一级放大电路、二级整流滤波电路、二级高频逆变电路、单片机控制电路、二级放大电路、末级整流滤波电路、限流回流装置及脉冲输出电路。其中，限流回流装置由回流电阻与限流电阻串联构成，如图5所示，回流电阻1的阻值为正常等离子体放电时等效电阻的1.5倍，限流电阻2的阻值为正常等离子体放电时等效电阻的0.14倍。

在等离子体击穿之前输出端的电阻为等离子体等效电阻的1.64倍，在等离子体击穿以后，输出端的电阻为等离子体等效电阻的0.74倍。等离子体击穿前后电路的电流变化只有2倍左右，而不是由0突然变大，这样就不容易产生新的电流震荡对前极滤波器造成影响。在关机时，电压由高调低，当低至一定值时(约为800V)，等离子体将不能再被击穿，相当于断路了。此时，低压的能量能通过回流电阻释放掉，以减短关机等候时间，增长电源的寿命。

等离子体激励电源在设计的时候，其能通过的最大电流大约为等离子体工作时的5-6倍。如果在等离子体放电过程中突然发生火花击穿现象，那么等离子体作为负载也就相当于短跑。此时输出端的电阻只有限流电阻的作用了，阻值为等离子体等效电阻的0.14倍，所以电流也只增大到正常工作时的(0.74/0.14)≈5.3倍，在电源能承受的最大电流范围内。因此不会对电源造成过流伤害。

Claims

1.一种等离子体激励电源，包括：

一初级整流滤波电路，用于将输入的三相交流电信号转换为第一直流电信号；

一初级高频逆变电路，用于将第一直流电信号转换为单相高频交流电信号；

一一级放大电路，用于将单相高频交流电信号放大；

一二级整流滤波电路，用于将放大后的单相高频交流电信号转换为第二直流电信号；

其特征在于，还包括：

一二级高频逆变电路，用于将第二直流电信号转换为脉冲交流电信号；

一单片机控制电路，与二级高频逆变电路相连，用于控制二级高频逆变电路将第二直流电信号转换为脉冲交流电信号；

一二级放大电路，用于将脉冲交流电信号放大；

一末级整流滤波电路，用于将放大后的交流电信号转换为直流脉冲信号；

一脉冲输出电路，用于将直流脉冲信号输出。

2.根据权利要求1所述的等离子体激励电源，其特征在于，在末级整流滤波电路与脉冲输出电路之间安装一限流回流装置，用于对直流脉冲信号进行限流保护。

3.根据权利要求2所述的等离子体激励电源，其特征在于，所述限流回流装置由回流电阻与限流电阻串联构成。

4.根据权利要求3所述的等离子体激励电源，其特征在于，所述限流回流装置中回流电阻的阻值为正常等离子体放电时等效电阻的1～2.5倍。

5.根据权利要求4所述的等离子体激励电源，其特征在于，所述限流回流装置中回流电阻的阻值为正常等离子体放电时等效电阻的1.5倍。

6.根据权利要求3所述的等离子体激励电源，其特征在于，所述限流回流装置中限流电阻的阻值为正常等离子体放电时等效电阻的0.1～0.2倍。

7.根据权利要求6所述的等离子体激励电源，其特征在于，所述限流回流装置中限流电阻的阻值为正常等离子体放电时等效电阻的0.14倍。