CN109831112A - 高频高压低温等离子体发生*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高频高压低温等离子体发生***，***包括控制电路、零电压软开关驱动电路及高频谐振升压电路，控制电路用于向零电压软开关驱动电路输送控制信号，零电压开关驱动电路接收控制信号并将控制信号逆变为交流信号并通过零电压软开关驱动电路进行第一次升压处理后发送第一升压信号至高频谐振升压电路，高频谐振升压电路接收第一升压信号并对第一升压信号作第二次升压处理。通过在***中加入零电压软开关驱动电路及高频谐振升压电路，将控制信号变成第一升压信号，该第一升压信号经高频谐振升压电路升压后形成高压电场，最终在高压电场内稳定形成低温等离子体，达到高效率、低损耗且低温产生等离子体的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种高频高压低温等离子体发生***。
背景技术
作为物质的第四态，等离子体因其独特的离子效应、优良的导电性、显著的集体运动行为等特点，已经在能源、信息、材料、化工、医疗、空间物理等领域得到了广泛的重视和应用。在等离子体应用和推广的同时，各领域也对等离子体发生器的设计提出了更多的要求。为满足现代化工业的各种需求，新型高效的等离子体发生器的设计研究就显得愈发重要。
等离子体是由大量相互作用的但仍处于非束缚状态下的带电粒子组成的宏观体系。从19世纪初发现、探寻气体放电现象开始,人类逐步认识、掌握了等离子体技术；特别是上世纪50年代后,等离子体技术在气体放电理论与实验不断进步的基础上得到了蓬勃的发展。现在，低温等离子体物理与应用已是一个具有全球影响力的重要的科学与工程，对高科技经济的发展及传统工业的改造均有重大影响。
现阶段，等离子体发生方法主要有三种。第一种，以高频高压电流击穿氩气从而产生等离子体的方式，采用易于利用产生等离子体的同轴式方法，同时使用耐热程度高的石英玻璃管以达到设计要求。这种方式产生的等离子体均匀稳定，易于利用，但有电源效率不高、不易观察放电等缺陷。第二种，等离子体产生方式同样以氩气体为介质，但是采用了大气压放电形式并使用螺纹型内电极结构来产生较大体积的等离子体。这种方案虽然操作灵活，成本较低，但能源效率低且不利于观察。第三种采用了工频整流滤波、直流斩波、高频逆变、高频升压等技术。这种方案虽然实现了过载保护，频率调节，过温保护等功能，但仍未解决电源使用效率低，热损耗高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决上述问题且电源效率高、开关管损耗低、结构简单、操作方便的高频高压低温等离子体发生***。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高频高压低温等离子体发生***，所述***包括控制电路、零电压软开关驱动电路及高频谐振升压电路，所述控制电路用于向所述零电压软开关驱动电路输送控制信号，所述零电压开关驱动电路接收所述控制信号并将所述控制信号逆变为交流信号并通过所述零电压软开关驱动电路进行第一次升压处理后以得到第一升压信号，并发送所述第一升压信号至所述高频谐振升压电路，所述高频谐振升压电路接收所述第一升压信号并对所述第一升压信号作第二次升压处理。
进一步地，所述零电压软开关驱动电路包括用以将所述控制信号逆变为交流信号的逆变模块及将所述交流输出信号进行第一次升压的升压模块。
进一步地，所述高频谐振升压电路包括初级回路与次级回路，所处初级回路包括依次连接的主电容组、谐振通断器及初级电感，所述次级回路包括次级电感及与所述次级电感连接的放电尖端，所述主电容组接入所述零电压软开关驱动电路，所述零电压软开关驱动电路向所述主电容组发送所述第一升压信号，所述第一升压信号自所述主电容组输入，并经过所述谐振通断器、初级电感和次级电感后在所述放电尖端实现放大以形成高压电场。
进一步地，所述主电容组包括若干个串联而成的高压电容。
进一步地，所述***还包括与所述控制电路及所述零电压软开关驱动电路连接的光耦隔离驱动电路，所述光耦隔离驱动电路用以减小所述高频高压低温等离子体发生***中的强压干扰。
进一步地，所述光耦隔离驱动电路包括用以隔离强压的HCPL2530芯片。
进一步地，所述控制电路包括用以进行PWM控制的UC3875芯片。
进一步地，所述***还包括用以提供电源的电源电路，所述电源电路包括用以给所述控制电路提供电源的第一电源电路及用以给所述零电压软开关驱动电路提供电源的第二电源电路。
本发明的有益效果在于：通过在***中加入零电压软开关驱动电路及高频谐振升压电路，将控制信号逆变成交流信号并通过零电压软开关驱动电路进行第一次升压以获得第一升压信号，该第一升压信号经高频谐振升压电路第二次升压后形成高压电场，最终在高压电场内稳定形成低温等离子体，达到高电源效率、低开关管损耗且低温产生等离子体的效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明的高频高压低温等离子体发生***的结构示意图。
图2为图1中的控制电路的原理图。
图3为图1中的光耦隔离驱动电路的原理图。
图4为图1中的零电压软开关驱动电路的原理图。
图5为图1中的高频谐振升压电路的原理图。
图6为控制信号的参数图。
图7为谐振响应信号的波形图。
图8为***工作频率与响应信号幅度的变化折线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参见图1，本发明的一较佳实施例中的高频高压低温等离子体发生***包括控制电路1、零电压软开关驱动电路5及高频谐振升压电路4，所述控制电路1用于向所述零电压软开关驱动电路5输送控制信号，所述零电压软开关驱动电路接收所述控制信号并将所述控制信号逆变为交流信号并通过所述零电压软开关驱动电路5进行第一次升压后得到第一升压信号，并将所述第一升压信号发送至所述高频谐振升压电路4，所述高频谐振升压电路4接收所述第一升压信号并对所述第一升压信号作第二次升压处理。所述***还包括用以减小所述高频高压低温等离子体发生***中的强压干扰的光耦隔离驱动电路2及用以提供电源的电源电路3，所述电源电路3包括用以给所述控制电路1提供电源的第一电源电路31及用以给所述零电压软开关驱动电路5提供电源的第二电源电路32，所述光耦隔离驱动电路2用以连接所述控制电路1及所述零电压软开关驱动电路5。
请参见图2，所述控制电路1包括用以进行PWM控制的UC3875芯片，实现对后驱动桥臂导通相位0～180°的相位移动控制和0～100％的占空比控制。在本实施例中，所述控制电路1为PWM控制电路。电容C1、C4及C6为滤波电容且为VCC供电，电容C7、C8、C9为接地电容，输入信号INA、INB经同相比例放大器U1、U2接入UC3875芯片的EA-端与CS+端，同相比例放大器U1输出信号经由电阻R6与电容C5组成的RC串联电路后接入UC3875芯片的EA/OUT端，R4、R5、R7、R8为限流电阻，控制信号经电容C3滤波后，由电阻R1、R2、R3组成的分压电路接入UC3875芯片的VREF端与EA+端，电阻R15用于连接UC3875芯片的SLOPE端与VC端，UC3875芯片的PWRGND端接地，UC3875芯片的FREQSET端与由电阻R11与电容C12并联的RC并联电路连接后接地、DELATSET端与由电阻R10与电容C11并联的RC并联电路连接后接地，控制信号由UC3875芯片的OUTA端～OUTD端输出并输入所述光耦隔离驱动电路2。
请参见图3，所述光耦隔离驱动电路2包括用以隔离强压干扰的HCPL2530芯片，所述HCPL2530芯片隔离电压可达10kV。在本实施例中，为增强电路带载能力，所述光耦隔离驱动电路2设置有四个，每个所述光耦隔离驱动电路2的设计相同。请参见图3，以A路为例：电源VCC端接入由电容C1、C2组成的滤波电容组，控制信号通过1.5k限流电阻R1后并经RC并联电路接入光耦芯片HCPL2530的IN+端及IN-端。芯片HCPL2530的VC端并接C3、C4滤波电容，所述控制信号经T1、T2三极管组成的推挽电路扩流，通过保护电阻R5后输出。输出端并接由稳压管D1、D2与电阻R6组成的稳压保护电路。光耦隔离电路的四路输出的信号分别经GU、EU端口驱动所述零电压软开关驱动电路5。
请参见图4，所述零电压软开关驱动电路5包括用以将所述控制信号逆变为交流信号的逆变模块及将所述交流输出信号进行第一次升压的升压模块。在本实施例中，逆变模块包括开关管，所述开关管为MOS开关管，所述升压模块为升压器。与上述光耦隔离驱动电路2相对应，所述开关管设置有四个，光耦隔离电路的四路输出的信号分别经GU、EU端口驱动所述开关管。所述升压模块为第一变压器。请参见图4，VT1～VT4是零电压软开关驱动电路5的四只开关管，VT1、VT2为超前臂开关管，VD1、VD2为超快恢复二极管，C1、C2为实现零电压软开关设置的高频电容，VT3、VT4为滞后臂开关管，VD3、VD4为反向阻断二极管，L_l为变压器漏感，C_b为阻断电容，T为升压模块。超前臂开关管VT1与超快恢复二极管VD1、高频电容C1并联以形成第一并联模块，所述第一并联模块设置有第一控制端及第二控制端，超前臂开关管VT2与超快恢复二极管VD2、高频电容C2并联以形成第二并联模块，所述第二并联模块设置有第三控制端及第四控制端，所述第一控制端与所述第三控制端连接后串联接入阻断电容及变压器漏感后接入升压模块的一端，所述第二控制端与所述第四控制端串联接入反向阻断二极管VD3、VD4及滞后臂开关管VT3、VT4后接入升压模块的另一端。输出的交流信号经过所述升压模块升压放大后输入高频谐振升压电路4。
请参见图5，所述高频谐振升压电路4包括初级回路与次级回路，所述初级回路包括依次连接的主电容组、谐振通断器及初级电感，所述次级回路包括次级电感及与所述次级电感连接的放电尖端，所述第一升压信号至所述主电容组输入，并经过谐振通断器、初级电感和次级电感在所述放电尖端实现放大以形成高压电场。所述主电容组包括若干个串联而成的高压电容，在本实施例中，所所述高压电容的个数为30个，30个高压电容串联成耐压值达1200V的主电容组。请参见图5，C1～C30为高压电容，谐振通断器串于主电容组输入端与初级电感一端，信号经谐振升压在放电尖端实现放大以形成高压电场。
下面以具体实施例进行说明。
配备实验仪器与设备，实验仪器及设备包括功率分析仪、数字示波器、函数信号发生器、高压探棒、螺旋测微器、数字直流电源、12V20A开关电源、接地棒等。
对高频高压低温等离子体发生***中的各个参数进行设置，具体参数如下：
初级线圈：线圈直径：70mm；匝数：13；线径：1.5mm；匝间距(W+S)+线径：1.5mm；初级线圈电感L1：2.44uH；
主电容组：单个电容值：0.33uF；数量：30；耐压值：1200V；
次级线圈：线圈直径：50mm；匝数：1000；线径：0.15mm；高度：200mm。
在本实施例中，使用函数信号发生器配置统的控制信号，所述控制信号的参数如图6所示。所述控制信号频率为262kHz，相位偏移为0°，峰峰值幅度大小为1V，未设置偏置电压，信号波形为正弦波。在该控制信号下，使用数字示波器捕捉最佳的谐振响应信号，该谐振响应信号即为低压信号经所述高压谐振升压电路放大后输出的高压信号，其波形如图7所示。
观察到，响应信号频率为262kHz，信号峰峰值幅度大小为6.0V，偏置电压为-0.01V，响应波形为正弦波，无明显失真。记录谐振频率实验数据并绘制表格如表1所示：
表1
在262.4kHz工作频率下，响应信号幅度达到6.00V，此时增益系数最大，为15.56dB。因此，***最佳工作频率即谐振频率为262kHz。根据上述数据记录表格，绘制***工作频率与响应信号幅度的变化折线图，折线图如图8所示。
观察到，响应幅度在262kHz处为最大，其值为6V。当频率参数增大或减小时，响应信号的幅度相对于最大值都有所衰减。
调节完毕***的谐振状态后，在262kHZ的工作频率下调节谐振通断器状态，观察到***放电尖端释放的等离子体弧距有所变化，如表2所示：
表2
观察到，在谐振通断器参数为2mm时，***放电尖端产生的等离子体弧距最长，最长弧距为13.1cm。
在谐振通断器参数为2mm的基础上设置工作频率为262kHz，将功率分析仪WT500的电压探头对应接入***的测试端口，调节功率分析仪的测量模式、量程、接线设置并选择合适的滤波窗口和传感器参数。经测量，***工作稳定后，所述零电压软开关驱动电路5的效率为87.4％。
当***的谐振工作频率为262kHz，谐振通断器参数为2mm时，高频谐振升压电路4的放电尖端产生稳定的低温等离子体，等离子体弧距最长可达13.1cm，***工作稳定后，零电压软开关驱动电路5的效率为87.4％，与传统直流等离子体发生***最高77％效率相比，提高了10.4％，实现了驱动管耗的降低和输入电源效率的提升。
综上所述：通过在***中加入零电压软开关驱动电路5及高频谐振升压电路4，将控制信号逆变成交流信号并通过零电压软开关驱动电路5进行第一次升压以得到第一升压信号，该第一升压信号再经高频谐振升压电路4第二次升压后形成高压电场，最终在高压电场内稳定形成低温等离子体，达到高效率、低损耗且低温产生等离子体的效果。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种高频高压低温等离子体发生***，其特征在于，所述***包括控制电路、零电压软开关驱动电路及高频谐振升压电路，所述控制电路用于向所述零电压软开关驱动电路输送控制信号，所述零电压开关驱动电路接收所述控制信号并将所述控制信号逆变为交流信号并通过所述零电压软开关驱动电路进行第一次升压处理后以得到第一升压信号，并发送所述第一升压信号至所述高频谐振升压电路，所述高频谐振升压电路接收所述第一升压信号并对所述第一升压信号作第二次升压处理。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述零电压软开关驱动电路包括用以将所述控制信号逆变为交流信号的逆变模块及将所述交流输出信号进行第一次升压的升压模块。
3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述高频谐振升压电路包括初级回路与次级回路，所述初级回路包括依次连接的主电容组、谐振通断器及初级电感，所述次级回路包括次级电感及与所述次级电感连接的放电尖端，所述主电容组接入所述零电压软开关驱动电路，所述零电压软开关驱动电路向所述主电容组发送所述第一升压信号，所述第一升压信号自所述主电容组输入，并经过所述谐振通断器、初级电感和次级电感后在所述放电尖端实现放大以形成高压电场。
4.如权利要求3所述的***，其特征在于，所述主电容组包括若干个串联而成的高压电容。
5.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括与所述控制电路及所述零电压软开关驱动电路连接的光耦隔离驱动电路，所述光耦隔离驱动电路用以减小所述高频高压低温等离子体发生***中的强压干扰。
6.如权利要求5所述的***，其特征在于，所述光耦隔离驱动电路包括用以隔离强压的HCPL2530芯片。
7.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述控制电路包括用以进行PWM控制的UC3875芯片。
8.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括用以提供电源的电源电路，所述电源电路包括用以给所述控制电路提供电源的第一电源电路及用以给所述零电压软开关驱动电路提供电源的第二电源电路。
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