CN102664536B - 用于臭氧发生器的负载谐振型电源 - Google Patents

用于臭氧发生器的负载谐振型电源 Download PDF

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Abstract

提供用于产生臭氧的一种谐振电源（300）。电源（300）的优点是降低成本和增加臭氧产生器的可靠性。电源（300）从功率源（320）把第一AC电压提供给谐振电路（330），并且谐振电路（330）把第二AC电压提供给臭氧产生单元（110），第二AC电压大于第一AC电压。控制器（340）对适于电路谐振的电源（300）提供控制，该控制对于电路的高Q电路元件值具有较宽的容差。

Description

用于臭氧发生器的负载谐振型电源
技术领域
本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2006/031664，国际申请日为2006年8月14日，进入中国国家阶段的申请号为200680034651.6，名称为“用于臭氧发生器的负载谐振型电源”的发明专利申请的分案申请。
背景技术
臭氧对于需要高水平氧化的许多应用都是很有用的。例如，臭氧对于饮用水的消毒是有用的，并且早在1900年代就已经用于水处理。从更近的方面来说，臭氧已经用于半导体器件处理。臭氧在半导体器件处理中的一个应用是通过生长绝缘膜或通过在晶片上使薄膜氧化而在半导体晶片上形成绝缘层。例如，通过使用TEOS/臭氧处理可以实现高质量SiO2的高沉积速率化学汽相沉积。
臭氧在半导体器件处理中的另一个应用是用于清洗半导体晶片以及半导体处理设备的处理容器。臭氧对于从半导体晶片和从处理容器的表面除去碳氢化合物是特别有用的。使用臭氧进行清洗是有利的，因为这避免使用需要花高价来处置的有危险性的化学物质。相反，臭氧不存在有毒废物的处置问题，因为臭氧会分解成氧而没有残余物。
发明内容
可以根据所谓的“静放电原理”从氧气来产生臭氧。例如，可以通过使高纯度的氧气暴露于放电或电通量中来产生臭氧。放电或电通量激励了氧分子，使它们***成它们的原子态。然后原子复合成臭氧(O3)和氧气(O2)的混合物。
一般使氧气通过臭氧室(cell)而产生臭氧(O3)，臭氧在臭氧室中受到放电的作用，导致氧原子分解和复合成臭氧分子。通过在臭氧室的相对立的板上施加高压AC电源而产生制造臭氧所需要的放电或电通量。从基于变压器的电源振荡器产生高压AC电源。
基于变压器的电源(振荡器)的缺点一般包括高成本、有限的可靠性以及有限的工作范围。例如，高成本一般是由于具有多个绕组和对于冷却和绝缘有特殊封装要求的高压变压器引起的。有限的可靠性一般是由于自激振荡器的布局、与封装质量有关而导致的高压电晕、以及单个源唯一部件的使用引起的。相对于调整输出电压的有限的工作范围是由于自激振荡器布局和晶体管栅极驱动的变压器反馈的使用引起的。
本发明涉及用于臭氧制造的、使用包括无变压器的高压功率振荡器的电源来提供功率的方法和装置。本发明的实施例可以降低成本、增加可靠性和臭氧发生器的工作范围。
一个实施例包括具有功率源和直接耦合到功率源的谐振电路的电源，功率源把第一AC电压提供给谐振电路，谐振电路提供用于臭氧发生单元的第二AC电压，第二AC电压大于第一AC电压。谐振电路响应于频率实质上接近谐振电路的谐振频率的第一AC电压把实质上的谐振电压施加于臭氧发生单元。
在一些实施例中，谐振电路可以是包括与谐振电容器串联耦合的谐振电感器的串联谐振电路。谐振电容器可以是独立的电容器、臭氧发生单元的固有电容或独立电容器和臭氧发生单元的固有电容两者的组合。谐振电路具有大于或等于10的Q-因子。在其它实施例中，谐振电路可以是包括与谐振电容器并联的谐振电感器的并联谐振电路。谐振电容器可以是独立的电容器、臭氧发生单元的固有电容或独立电容器和臭氧发生单元的固有电容两者的组合。
功率源可以是半桥式反相器、全桥式反相器和/或开关功率源。开关元件可以是MOSFET、BJT、IGBT和/或任何其它类型的开关元件。
电源还可以包括把信号提供给功率源导致功率源调制第一AC电压、导致第二AC电压具有所要求的电压幅值的控制器。可以使用脉冲宽度调制和/或频率调制来调制第一AC电压。控制器可以把信号提供给功率源使谐振电路在其最大工作谐振频率下工作。控制器可以通过对检测的输入DC电流与设置点输入电流进行比较而调谐到谐振电路的最大工作频率。在通过对检测的谐振电流与设置点谐振电流进行比较而自调谐到谐振电路的最大工作频率期间，控制器可以控制臭氧发生单元的谐振电压。
本发明的一些实施例还包括用于臭氧发生的电源。可以应用本发明的其它实施例以提供用于产生任何反应气体的电源。
本发明一些实施例的优点包括通过免除了对于变压器的需要而降低成本以及增加可靠性和臭氧发生器的工作范围。
使用高Q谐振电路(一般对于臭氧发生器为Q≥10)代替变压器意味着电路谐振频率峰较窄。由于其中心频率与电路元件有关，通常具有比谐振峰宽度要宽的容差，控制如此的电路成了一个问题。在臭氧发生器和其它应用中的谐振电源方面，控制高Q谐振电路的电路允许实现上述优点。
附图说明
从下述本发明较佳实施例的更特定的说明，本发明的上述和其它的目的、特征和优点将变得显而易见。附图不必定符合比例，而是着重于用于说明本发明的原理。
图1是示出一般臭氧发生器的视图；
图2是示出根据现有技术用于臭氧发生器的基于变压器的电源的视图；
图3是示出根据一个实施例的电源的视图，所述电源具有用于在单个臭氧室中产生臭氧的无变压器功率振荡器；
图4是示出根据一个特定实施例的电源的视图，所述电源具有用于在单个臭氧室中产生臭氧的无变压器功率振荡器；
图5A示出频率调制控制器的一个实施例的详细的示意图；
图5B示出脉冲宽度调制控制器的一个实施例的详细的示意图；
图6示出表示设置点功率和谐振频率之间关系的曲线图；
图7是示出根据一个实施例的电源的视图，所述电源具有用于在多个臭氧室中产生臭氧的多个无变压器功率振荡器；以及
图8A和8B是示出根据其它特定实施例的电源的视图，所述电源具有用于在单个臭氧室中产生臭氧的无变压器功率振荡器。
具体实施方式
图1是示出一般臭氧发生器100的视图。臭氧发生器100包括这里称为臭氧室110a…110n的一系列臭氧发生单元。通过氧气入口120把氧气(O2)提供给每个臭氧室110以转换成臭氧(O3)和氧气(O2)的混合物。所产生的臭氧混合物通过臭氧出口130流出臭氧发生器100。
臭氧室110的部件一般包括对置电极板(未示出)以及电解质屏障(未示出)。电解质屏障的位置对着电极板中之一，形成电解质屏障和对置电极板之间的通道。在工作中，放电作用于通过通道的氧气(O2)，导致氧原子的分解和复合成臭氧分子。为了引起放电或电通量，在每个臭氧室110的对置电极板上施加高电压AC功率。
通过一系列功率振荡器140a…140n提供高电压AC功率，其中每个振荡器140向各自的臭氧室110提供功率。功率振荡器140耦合到公共DC电源150，该公共DC电源150可以使单相或三相AC线电压152转换成经调整的DC电压(Vdc)。每个振荡器140依次把经调整的DC电压(Vdc)转换成提供给对应的/各自的臭氧室110的高电压AC功率，导致臭氧产生所需要的放电或电通量。可以在美国专利5,932,180中发现臭氧室110的一个示范性实施例，这里结合该专利的完整内容作为参考。
通常，使用变压器实现功率振荡器140以产生高电压AC功率。图2是示出根据现有技术用于臭氧发生器的基于变压器的电源200的视图。所示的电源200包括DC电源210和两个附加级：(1)用于调整输出功率的补偿转换器(buckconverter)220以及(2)包括在臭氧室110上产生高电压AC功率的变压器232的自振荡推挽转换器230。
图3是示出根据一个实施例的电源300的视图，所述电源具有用于在单个臭氧室中产生臭氧的无变压器功率振荡器310。功率振荡器310包括耦合到谐振电路330的功率源320。谐振电路330依次耦合到臭氧室110。功率源320可以是开关功率源。
在工作中，功率源320使来自DC电压源210的经调整的DC电压(Vdc)转换成提供给谐振电路330的第一AC电压。较佳地，来自功率源320的第一AC电压的频率实质上接近谐振电路330的谐振频率。作为响应，谐振电路330把实质上谐振的第二AC电压施加于臭氧室110，导致臭氧室110中的放电或电通量。因此，通过把谐振电路330耦合到功率源320，电源300能够提供在臭氧室110中产生臭氧所需要的高电压AC功率(第二AC电压)而无需使用变压器。
参考图3,控制器340把控制信号提供给功率源320使功率源320调制第一AC电压的频率和/或占空比，导致谐振电路330把实质上具有所要求的幅值的第二AC电压提供给臭氧室110。在一些实施例中，第二AC电压在30kHz处可以是4.5kV峰值。
在工作中，控制器340对基准电流REF与功率源320处检测的第二输入电流进行比较，并且把控制信号(选通控制信号)发送到功率源320以对功率源320的工作频率或占空比进行调节而得到所要求的幅值。可以使用脉冲宽度调制和/或频率调制通过控制器340调制第一AC电压。在一些实施例中，可以配置控制器340使之检测电压、电流或它们的组合来确定和控制所要求的谐振电压。
图4是示出根据一个特定实施例的电源400的视图，所述电源具有用于在单个臭氧室110中产生臭氧的无变压器功率振荡器404。在所示的实施例中，谐振电路420是包括与谐振电容器424串联耦合的谐振电感器422的串联谐振电路。臭氧室110与谐振电容器424并联耦合。谐振电容器424可以是分立的独立电容器、臭氧室110的固有电容或它们的组合。在所示的实施例中，功率源410是包括两个串联连接的开关元件412a、412b的半桥式反相器。开关元件412a、412b可以是MOSFET、BJT、IGBT和/或本技术领域已知的任何其它类型的开关元件。开关元件412a、412b之间的电连接与谐振电路420连接。功率源410也可以是如图8A和8B所示的全桥式反相器。
在工作中，DC电源210把经调整的DC电压(Vdc)提供给功率源/半桥式反相器410。控制信号从控制器340提供到栅极驱动器540(图5A和5B)，使开关412a、412b导通和截止，导致半桥式反相器410提供频率实质上接近串联谐振电路420的谐振频率的第一AC电压。尤其，施加于谐振电路420的第一AC电压可以是具有受控制的占空比的方波脉冲。控制信号还可以改变半桥式反相器410的占空比以改变施加于臭氧室110的第二AC电压的幅值。响应于接收到的来自半桥式反相器410的第一AC电压，串联谐振电路420在臭氧室110上提供谐振电压或实质上第二AC电压，以致在室中提供了放电或电通量而实现氧气(O2)到臭氧(O3)的转换。尤其，谐振电路420把所施加的具有受控制的占空比的方波脉冲转换成幅值受控制的高电压正弦波。根据一个实施例，第二AC电压的频率和幅值在30kHz处接近4.5kV峰值。
臭氧(O3)对氧气(O2)的比例取决于提供给臭氧室110的功率量。如上所述，提供给臭氧室110的功率与施加于臭氧室110的电压成比例地增加，并且控制器340根据基准信号REF对所述功率进行调整。因此，控制器340可以通过改变半桥式反相器410的工作频率或占空比来改变臭氧的浓度。此外，甚至电感量或电容量的很小的变化也会改变谐振频率。因此，谐振电路420应该具有高Q因子(大于或等于10)，以排除对于变压器的需求。因此，控制器340应该与谐振元件变化无关。
图5A和5B示出控制器500的一些实施例的详细示意图。控制器500的主要元件包括脉冲宽度调制集成电路(PWMIC)510、第一运算/误差放大器520、第二运算/误差放大器530、栅极驱动电路540、第一电阻器550以及第二电阻器560。
图5A示出频率调制控制器500’的一个实施例。在工作中，运算放大器/误差放大器520对检测到的DC输入电流522与设置点DC电流524进行比较。电阻器550、560控制PWMIC510的频率。通过使误差放大器520的输出增加或减小来控制流过电阻器550的电流，因此控制了控制器510的频率。控制器500’包括保证由误差放大器520产生的起始频率为谐振电路420的最大工作频率(图4)的自动调谐电路。
调谐电路包括电阻器526、电容器528以及在误差放大器520的检测到的输入处的小偏移电压。在工作中，当调谐电路通电时，DC电流设置点524通过由电阻器526和电容器528建立的延迟从零缓慢地增加到其设置点。此时，误差放大器520处的偏移电压保证误差放大器产生的频率是电路的最大工作频率。通过考虑谐振电路元件的最大容差和开关器件的能力来确定最大谐振频率。
图6示出表示设置点功率和谐振频率之间关系的曲线图。如所示,当设置点功率增加时，脉冲宽度调制频率开始从其最大值向最小功率降低。即，脉冲宽度调制频率利用其谐振曲线来得到最大功率。
控制臭氧室110电压是重要的，因为在自动调谐最大功率的频率期间，臭氧室110电压可以上升到极高的电压。因此，控制器500’包括第二运算放大器/误差放大器530。误差放大器530通过对检测到的谐振电流532与设置点谐振电流534进行比较而控制臭氧室110的谐振电压。
还可以通过使用脉冲宽度调制来控制谐振电流。图5B示出脉冲宽度调制控制器500”的一个实施例。脉冲宽度调制控制器500”的工作与上述相对于频率调制控制器500’的工作相似。
图7是示出根据一个实施例的电源600的视图，所述电源具有用于在多个臭氧室110a…110n中产生臭氧的多个无变压器功率振荡器404a…404n。在所示的实施例中，通过已知的全桥式高频转换器610提供经调整的DC电压(Vdc)(例如，约400V)。高频转换器610包括整流器级612、全桥式开关级614、变压器级616以及滤波器级618。还可以通过实施熟悉本领域的技术人员已知的其它电路来提供经调整的DC电压。功率振荡器404a…404n与对应的/各自的臭氧室110a…110n耦合以提供高电压AC功率。每个振荡器404包括与谐振电路420耦合的功率源410。在所示的实施例中，功率源410是使用MOSFET开关器件412a、412b实现的半桥式反相器。还可以使用熟悉本领域的技术人员已知的其它开关器件。同样，还可以使用半桥式振荡器、全桥式振荡器以及其它已知器件的混合的实施方式。所示的实施例的工作与相对于图1和4所述的工作相似。
图8A和8B是示出根据其它特定实施例的电源700的视图，所述电源具有用于在单个臭氧室110中产生臭氧的无变压器功率振荡器。在两个实施例中，实施功率源710作为具有如图所示地耦合的四个开关元件712a、712b、712c、712d的全桥式转换器。
如图8A所示，电压源210把经调整的DC电压(Vdc)提供给全桥式转换器710。全桥式转换器710与具有与谐振电容器724串联耦合的谐振电感器722的串联谐振电路耦合。谐振电路720依次与臭氧室110耦合，如图所示。
如图8B所示，电流源730把经调整的DC电流(Idc)提供给全桥式转换器710。全桥式转换器710与具有与谐振电容器744并联耦合的谐振电感器742的并联谐振电路耦合。谐振电路740依次与臭氧室110耦合，如图所示。
在各个实施例中，谐振电容器可以是分立的独立电容器，或可以是臭氧室110的固有电容或独立电容器和室的固有电容两者的组合。
在已经参考本发明的各个较佳实施例特定地示出和描述了本发明的同时，熟悉本领域的技术人员可以理解，可以在其中作出形式上和细节上的各种修改而不偏离由所附的权利要求书包含的本发明的范围。

Claims (34)

1.一种用于产生臭氧的电源，包括：
包括功率源和谐振电路的无变压器功率振荡器；
所述谐振电路在所述功率源和臭氧发生单元之间直接耦合，所述谐振电路与所述臭氧发生单元并联耦合，其中所述谐振电路具有大于或等于10的Q-因子；以及
所述功率源把第一AC电压提供给谐振电路，谐振电路提供用于所述臭氧发生单元的第二AC电压，第二AC电压大于第一AC电压且足以为所述臭氧发生单元提供功率。
2.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述谐振电路响应于频率接近谐振电路的谐振频率的第一AC电压，把谐振的电压施加于臭氧发生单元。
3.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述谐振电路是包括与谐振电容器串联耦合的谐振电感器的串联谐振电路。
4.如权利要求3所述的电源，其特征在于，所述谐振电容器是独立的电容器、臭氧发生单元的固有电容、或独立电容器和臭氧发生单元的固有电容两者的组合。
5.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述谐振电路是包括与谐振电容器并联耦合的谐振电感器的并联谐振电路。
6.如权利要求5所述的电源，其特征在于，所述谐振电容器是独立的电容器、臭氧发生单元的固有电容、或独立电容器和臭氧发生单元的固有电容两者的组合。
7.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述功率源是半桥式反相器。
8.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述功率源是全桥式反相器。
9.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述功率源是开关功率源。
10.如权利要求9所述的电源，其特征在于，所述开关功率源的开关元件是MOSFET、BJT、或IGBT。
11.如权利要求1所述的电源，还包括：
控制器，所述控制器把信号提供给功率源，致使功率源调制第一AC电压，从而产生具有所期望的电压幅值的第二AC电压。
12.如权利要求11所述的电源，其特征在于，使用脉冲宽度调制来调制所述第一AC电压。
13.如权利要求11所述的电源，其特征在于，使用频率调制来调制所述第一AC电压。
14.如权利要求11所述的电源，其特征在于，所述控制器把信号提供给功率源，从而使谐振电路在其谐振频率处或接近其谐振频率处工作。
15.如权利要求14所述的电源，其特征在于，所述控制器通过将检测的输入DC电流与设置点输入电流进行比较，而调谐到谐振电路的最大工作频率并且逼近电路的谐振频率以得到所期望的工作电平。
16.如权利要求15所述的电源，其特征在于，所述控制器通过将检测的谐振电流与设置点谐振电流进行比较，而在自调谐到谐振电路的最大工作频率期间控制臭氧发生单元的谐振电压，并且逼近电路的谐振频率。
17.一种为臭氧产生提供电能的方法，包括：
提供包括功率源和谐振电路的无变压器功率振荡器；
在功率源和臭氧发生单元之间直接耦合所述谐振电路，所述谐振电路与所述臭氧发生单元并联耦合，其中所述谐振电路具有大于或等于10的Q-因子；
将来自功率源的第一AC电压提供给谐振电路；以及
将来自谐振电路的第二AC电压提供给臭氧发生单元，第二AC电压大于第一AC电压且足以为所述臭氧发生单元提供功率。
18.如权利要求17所述的方法，还包括：
响应于其频率接近谐振电路的谐振频率的第一AC电压，将来自谐振电路的谐振的电压提供给臭氧发生单元。
19.如权利要求17所述的方法，还包括：
通过耦合与谐振电容器串联的谐振电感器，形成串联谐振电路。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述谐振电容器是独立的电容器、臭氧发生单元的固有电容、或独立电容器和臭氧发生单元的固有电容两者的组合。
21.如权利要求17所述的方法，还包括：
通过耦合与谐振电容器并联的谐振电感器，形成并联谐振电路。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述谐振电容器是独立的电容器、臭氧发生单元的固有电容、或独立电容器和臭氧发生单元的固有电容两者的组合。
23.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述功率源是半桥式反相器。
24.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述功率源是全桥式反相器。
25.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述功率源是开关功率源。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述开关功率源的开关元件是MOSFET、BJT或IGBT。
27.如权利要求17所述的方法，还包括：
把信号提供给功率源；以及
响应于这些信号，调制第一AC电压，从而产生具有所期望的电压幅值的第二AC电压。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述调制第一AC电压包括：
调制所述第一AC电压的脉冲宽度。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述调制第一AC电压包括：
调制所述第一AC电压的频率。
30.如权利要求27所述的方法，其特征在于，提供给功率源的信号允许所述谐振电路在其谐振频率处或接近其谐振频率处工作。
31.如权利要求30所述的方法，还包括：通过将检测的输入DC电流与设置点输入电流进行比较，而调谐到谐振电路的最大工作频率并且逼近电路的谐振频率以得到所期望的工作电平。
32.如权利要求31所述的方法，还包括：
在调谐到谐振电路的最大工作频率期间，控制臭氧发生单元的谐振电压；以及
通过将检测的谐振电流与设置点谐振电流进行比较，而逼近电路的谐振频率。
33.一种为臭氧产生提供电能的方法，包括：
提供多个无变压器功率振荡器，每个无变压器功率振荡器包括一功率源和一谐振电路；
分别在多个功率源的每一个和多个臭氧发生单元的每一个之间直接耦合多个谐振电路的每一个，所述多个谐振电路的每个分别与所述多个臭氧发生单元的每个并联耦合，其中所述多个谐振电路的每个谐振电路具有大于或等于10的Q-因子；
将来自多个功率源中的每一个的第一AC电压提供给各个谐振电路；以及
将来自每个谐振电路的第二AC电压提供给各个臭氧发生单元，第二AC电压大于第一AC电压且足以为各个臭氧发生单元提供功率。
34.一种用于产生臭氧的电源，包括：
多个无变压器功率振荡器，每个无变压器功率振荡器包括一功率源和一谐振电路；
分别直接耦合在多个功率源的每一个和多个臭氧发生单元的每一个之间的多个谐振电路的每一个，所述多个谐振电路的每个谐振电路分别与所述多个臭氧发生单元的每个臭氧发生单元并联耦合，其中所述多个谐振电路的每个谐振电路具有大于或等于10的Q-因子；以及
多个功率源中的每一个把第一AC电压提供给各个谐振电路，各个谐振电路把第二AC电压提供给各个臭氧发生单元，第二AC电压大于第一AC电压且足以为各个臭氧发生单元提供功率。
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