一種用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源的製作方法

2023-05-23 17:03:11

專利名稱：一種用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源。
背景技術：
近年來，由於大氣壓下等離子體放電打破了真空室的限制，不但降低了設備成本，而且 操作方便，不受空間限制，更易於實現大規模的工業化生產，因此在大氣壓下穩定的低溫冷 等離子體射流的產生及其應用引起了人們的廣泛關注。由於射頻下(激勵頻率l 100MHz) 等離子體的擊穿電壓比較低，並且放電特性與低氣壓下的輝光放電比較接近，所以射頻激勵 的大氣壓等離子放電已經成功的應用在了殺菌、表面處理以及半導體工藝等領域。射頻發生 器一般有兩種輸出方式；自激式振蕩輸出和他激式振蕩輸出。其中，自激式振蕩電路簡單， 與負載的匹配好，但是自激式振蕩電路工作在較高的頻率下，頻率穩定性差，轉換效率較低 (~75%)，並且射頻傳導和諧波問題較難解決。如相關技術領域的那些普通技術人員公知的 那樣，射頻等離子體設備通常採用他激式射頻電源，然後通過匹配網絡實現射頻源和等離子 體設備的射頻能量最佳耦合。他激式射頻電源具有較高的DC二AC轉換(高於85%),但成 本通常較為昂貴。
此外，大氣壓下的射頻氣體放電通常採用有介質的放電結構形式，又稱為介質阻擋放電。 由於射頻電源的激勵頻率較高，累積在電極介質上的電荷壽命會大於放電的周期，會在兩個 周期內一直存在，也就是所謂的介質阻擋放電的"記憶效應"，從而容易產生絲狀放電。而絲 狀放電的存在使等離子體處理效果不均勻，因此對於很多方面的應用如材料表面處理，材料 改性等均要求在大氣壓等離子體放電產生穩定並且均勻的輝光放電。對於連續射頻激勵的等 離子體，當嚴格的控制等離子體工作參數，如氣體組份構成、電極結構等，並且對等離子體 周圍的工作環境有較苛刻的要求時，也可以實現均勻的放電，但是等離子體較易從輝光放電 狀態轉化為絲狀放電狀態。此外，等離子體產生後由於熱傳導和離子碰撞過程的存在，電極 和介質很快就會被加熱到較高的溫度。這種溫升會導致被處理材料的熱破壞，通常需要對射 頻放電的電極進行冷卻處理，從而需要對電極附加額外的冷卻系統。一種改進的辦法是對射 頻電源的射頻控制信號進行調節，使射頻源最終輸出為為脈衝調製下的射頻波，通過頻率及 脈寬的控制實現對絲狀放電的抑制。參見N. Balcon, "Pulsed RF discharges, glow and filamentary mode at atmospheric pressure in argon", P/OTwaiSowc"5W. TecftnoZ. 16 , 217(2007)。
實用新型內容
本實用新型的目的就是為了解決上述問題，提出一種用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源。它符合國標EMC標準，功率因數高；同時具有電路簡單、體積小、性價比高、 運行可靠、經久耐用等優點。電路採用了開關調整器電路，實現了可控的脈衝波對射頻信號 的調製作用。因此當該射頻源應用於大氣壓等離子體放電時，通過調節調製用的脈衝波的頻 率和脈衝寬度，可以有效地克服大氣壓等離子體在射頻激勵為連續狀態時易產生的絲狀放電 以及電極過熱問題。
為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案-
一種用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源，它的電路結構如下交流輸入與採 用通用的共差模濾波器組合而成的工頻、高頻濾波器連接，工頻、高頻濾波器與工頻整流電 路連接將交流電平電整流為直流電平，工頻整流電路與自激式高頻逆變電源連接，變為穩定 的直流電平；該直流電平經過射頻濾波器後連接脈衝調整器，脈衝調整器輸出可控的脈衝調 制信號後控制下一級的自激式射頻振蕩器，然後通過射頻匹配器輸出間隙式的射頻波並最終 與等離子體負載相連；同時自激式射頻振蕩器還輸出取樣信號到信號處理器，信號處理器則 將該信號反饋到脈沖調整器，對脈衝頂部進行調整並可對整個電路進行保護。
所述的自激式高頻逆變電源是由自激式高頻振蕩電路和高頻整流電路構成；其中， 自激式高頻振蕩電路是將直流轉化為頻率範圍是幾十kHz-幾百kHz的交流連續波，它由 反饋電感L卜主電感L2及輸出電感L3構成的自激式高頻振蕩變壓器TFp功率型場效應晶 體管M,,電阻R卜R2及R3構成的軟啟動電路，電阻R4、 Rs及電容C3構成的保護電路組成； 調整自激式高頻振蕩變壓器主電感L2的電感量以及並在主電感上電容C2的容量以改變振蕩 頻率；
高頻整流電路包括二極體D,-D4組成的橋式電路，以及並聯的大容量電解電容C4和小容 量的補償電容Cs;自激式高頻振蕩電路產生的交流連續波，由二極體D,-D4組成的橋式電路 進行全橋整流，然後經大容量電解電容C4濾波後輸出穩定的直流電壓；
自激式高頻逆變電源通過自激式高頻變壓器隔離，後端輸出的直流電源的負端直接接地。 所述的射頻濾波器是由幾節由電感L5、電容C7、電阻R7組成的L型濾波器及電感U、 電容Cs、電阻R^組成的反r型濾波器聯合構成的o型濾波器；其中L型濾波器主要對射頻 振蕩產生的基波有衰減作用，反r型濾波器主要對射頻振蕩產生的二次諧波有衰減作用。
所述的脈衝調整器是由頻率和脈衝寬度均可調節的信號發生器輸出脈衝控制信號，該信 號經過變壓器TF2隔離放大後，驅動串接在電路中的開關調整器，使輸出為可以調製後端連 續射頻波的脈衝信號。
所述的脈衝調整器，其可調整的頻率範圍1 20kHz,可調整的脈寬範圍10~500ps。 所述的自激式射頻振蕩電路由反饋電感L8、主電感L9及輸出電感Lio構成的自激式射頻振蕩變壓器TF3，功率型場效應電晶體M3，電阻R9、 Ru)及Ru構成的軟啟動電路，電阻Ru、 RB及電容Q2構成的保護電路所組成。電阻Rg、 Rm和Ru構成了分壓電路，通過微調Ru 控制功率型場效應電晶體N^柵源間電壓並為啟動功率型場效應電晶體提供合適的電壓；電容 do與電感Ls構成了自激式振蕩的反饋迴路，將變壓器耦合的信號反饋給作為開關器件的功
率型場效應電晶體M3，反饋電感L8的一端直接接地，從而增加了電路的穩定性；功率型場 效應電晶體M3的源極和地之間加入並聯的R,2、Ru和d2構成保護電路；電阻Ru和Ru
為電路提供直流通路。
所述自激式射頻振蕩電路的頻率通過自激式射頻振蕩變壓器主電感L9的電感量以及並在
主電感上電容Cn的容量改變振蕩頻率，其可調的射頻輸出的頻率範圍是l-30MHz。
所述自激式射頻振蕩變壓器TF3採用空心結構，其繞組骨架採用射頻擊穿電壓高、射頻
電暈損耗低的複合絕緣材料纏繞。
所述從自徵式射頻振蕩電路輸出的取樣信號輸入信號處理器，先放大，再經過編程處理
後將所需的反饋信號送至脈衝調整器的信號發生器的控制端，既實現對脈衝電平頂部波動的
調整，使脈衝頂部的波動範圍f控制在±2%之內，又根據反饋信號具體情況關斷脈衝調整
器從而起到保護電路的作用。
所述射頻匹配器為並聯在電感Lw兩端的電容C13、 C14以及電感L 所構成的n型射頻匹 配網絡，在等離子體穩定工作時，通過調節電容Cu和C"的容值實現射頻電源和負載之間最 大的能量傳輸。
在本實用新型中，電路結構為交流輸入經過工頻、高頻濾波器後整流，接自激式高頻逆 變電源，變為穩定的直流電平，再接至射頻濾波器，射頻濾波器的輸出端接脈衝調整器，控 制下一級的自激式射頻振蕩器，然後通過射頻匹配器輸出間隙式的射頻波並最終與等離子體 負載相連。
自激式高頻逆變電源是由自激式高頻振蕩電路和高頻整流電路構成的。自激式高頻振蕩 電路是將直流轉化為頻率範圍為幾十kHz 幾百kHz的交流連續波。自激式高頻振蕩電路產生 交流連續波，再進行整流，然後經大容量電容濾波後輸出穩定的直流電壓。該電路具有較高 的功率因數(可達0.99)，總諧波低於10%，可以達到國標EMC標準。
由於改進式射頻電源的射頻振蕩部分的工作頻率較高為1 30MHz，因此需要解決射頻 傳導和諧波問題。因此本實用新型引入了一種新型的濾波單元。這種新型濾波器的單元我們 稱之為0型濾波器，是由電容電阻電感組成的L型濾波器和電容電阻電感組成的反r型濾波 器聯合構成。經過幾節串聯的O型濾波器，射頻衰減量可達30dB以上，從而可以有效地抑制射頻的傳導。
接在射頻濾波器後端的是脈衝調整器。由頻率和脈衝寬度均可調節的信號發生器輸出的 脈衝控制信號經過變壓器或者光電耦合器隔離放大後，可以控制串接在電路中的開關調整器， 將直流電平轉換為平整的短形脈衝波。
本實用新型中，改進式射頻電源的核心部分為自激式射頻振蕩電路，是由自激式射頻振 蕩變壓器、功率型場效應電晶體以及其他輔助性元件組成。該電路可以將輸入的可控脈衝波 轉化為脈衝調製的間歇式射頻輸出。
為了克服自激式射頻振蕩電路的穩定性差以及DC-AC轉換效率低的缺點，本實用新型對 自激式振蕩電路進行了改進。首先，嚴格控制了射頻自激式變壓器的各繞組之間的分布參數， 使振蕩變壓器的工作頻率穩定。由於自激式射頻振蕩電源的頻率主要是由其變壓器主電感和 雜散電容決定，因此可將反饋繞組和主繞組繞制在同一層，輸出繞組在另一層，主繞組與輸 出繞組之間的雜散電容可以通過調節他們之間的複合絕緣層的厚度進行控制，從而實現對振 蕩頻率的控制。其次，由於前端的自激式高頻逆變電源己經通過自激式高頻變壓器隔離，自 激式射頻振蕩電路的公共端可以直接接地，因此一端連接在自激式射頻振蕩電路公共端的射 頻變壓器的反饋電感直接接地，有效地減少了雜波對反饋信號的汙染，從而顯著提高了反饋 的可靠性。通過採取的上述措施，能夠有效地提高自激式射頻振蕩頻率的穩定性從而進一步 的提高了其DC-AC轉換效率，使之可以達到與他激式振蕩電源接近的水平(>85%)。
當脈衝波調製射頻信號時，作為負載的等離子體受到脈衝調製而連續的產生熄滅。每個 脈衝開始時的上升(對於正脈衝)或下降(負脈衝)沿會達到等離子體的擊穿電壓從而產生 等離子體，而在脈衝結束時，等離子體會在電壓降為零的過程中熄滅。這種可控的間歇式等 離子體放電會避免熱量在電極板和介質上的積聚，降低了電極和介質的溫度，從而達到間接 控制氣體和電極及介質溫度的目的。調節合適的載波頻率以及脈衝的寬度，就可以實現對等
離子體絲狀放電和輝光放電的控制。
本實用新型的有益效果是傳導特性好，功率因數高；同時具有電路簡單、體積小、性 價比高、運行可靠、經久耐用等特點。

圖1為本實用新型的射頻電源原理方框圖2為本實用新型的自激式高頻逆變電源電路圖3為本實用新型的射頻濾波器單元電路圖4為本實用新型的脈衝調整器電路原理圖5為本實用新型的自激式射頻振蕩及射頻匹配電路圖。其中，1.工頻、高頻濾波器，2.工頻整流電路，3.自激式高頻逆變電源，4.射頻濾波器， 5.脈衝調整器，6.自激式射頻振蕩器，7.射頻匹配器，8.信號處理器。
具體實施方式

以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。
圖1中，首先交流輸入經過採用通用的共差模濾波器組合而成的工頻、高頻濾波器1, 然後經過全橋的工頻整流電路2整流為直流電平，再接自激式高頻逆變電源3，變為穩定的 直流電平。該直流電平經過射頻濾波器4後連接脈衝調整器5,輸出可控的脈衝調製信號後 控制下一級的自激式射頻振蕩器6,然後通過射頻匹配器7輸出間隙式的射頻波並最終與等 離子體負載相連。自激式射頻振蕩器6還輸出取樣信號到信號處理器8，信號處理器8將信 號反饋到脈衝調整器5。
圖2中，自激式高頻逆變電源3是由自激式高頻振蕩電路和高頻整流電路構成的。自激 式高頻振蕩電路是將直流轉化為頻率範圍是幾十kHz 幾百kHz的交流連續波。它是由反饋電 感L"主電感L2及輸出電感L3構成的自激式高頻振蕩變壓器TFp功率型場效應電晶體M,， 電阻R!、 R2及R3構成的軟啟動電路，電阻R4、 Rs及電容C3構成的保護電路組成。調整自 激式高頻振蕩變壓器主電感L2的電感量以犮並在主電感上電容C2的容量可以改變振蕩頻率。
自激式高頻振蕩電路產生的交流連續波，再由二極體DrD4組成的橋式電路進行全橋整 流，然後經大容量電解電容C4濾波後輸出穩定的直流電壓。Q;為小容量的補償電容。由於是 採用的高頻整流，整流後的濾波電容的容量大小不會影響到電路的功率因數，因此該電路具 有較高的功率因數(可達0.99)，並可有效的抑制電源的諧波，總諧波低於10%，可以達到國 標EMC標準。此外,自激式高頻逆變電源通過自激式高頻變壓器隔離，後端輸出的直流電 源的負端可以直接接地。
圖3中，由於改進式射頻電源的射頻振蕩部分的工作頻率較高為l 30MHz,因此需要解 決射頻傳導特性問題。本實用新型引入了一種新型的射頻濾波器4並成功實現了射頻基波和
諧波的抑制。這種新型濾波器的單元我們稱之為O型濾波器，是由電容C7、電阻R7及電感
Ls組成的L型濾波器和電容C8、電阻&及電感"組成的反r型濾波器聯合構成。通過設計， L型濾波器主要對射頻振蕩產生的基波有較大的衰減作用，反r型濾波器主要對射頻振蕩產 生的二次諧波有較大的衰減作用。經過幾節串聯的O型濾波器，射頻衰減量可達30 dB以上， 從而可以有效地抑制射頻的傳導。
圖4中，接在射頻濾波器後端的是脈衝調整器5。由頻率和脈衝寬度均可調節的信號發 生器輸出脈衝控制信號，該信號經過變壓器TF2隔離放大後,'可以控制串接在電路中的開關 調整器即功率型場效應電晶體M2，將直流電平變為可控脈衝波。同時該電路還添加了脈衝頂部調整控制(見圖1中，自激式射頻振蕩器6還輸出取樣信號到信號處理器8,信號處理8 將信號反饋到脈衝調整器5。)。從下一級的自激式射頻振蕩電路的輸出端引出取樣信號，經 過信號處理器8後，通過對頻寬開關調整器的控制，實現對脈衝電平頂部波動的調整，使脈 衝頂部的波動範圍，控制在±2%之內。
圖5中，改進式射頻電源的核心部分為自激式射頻振蕩器6，它是由反饋電感Ls、主電 感L9及輸出電感Lu)構成的自激式射頻振蕩變壓器TF3，功率型場效應電晶體M3， R9、 R10 及Rn構成的軟啟動電路，R12、 Rd及C,2構成的保護電路所組成。電阻Rg、 Ruj和Ru構成 了分壓電路，通過微調Rll可以控制功率型場效應電晶體M,柵源間電壓並為啟動功率型場 效應電晶體提供了合適的電壓。Qo與Ls構成了自激式振蕩的反饋迴路，將變壓器耦合的信 號反饋給作為開關器件的功率型場效應電晶體M3，與前面高頻振蕩電路不同的，反饋電感的 一端直接接地，從而增加了電路的穩定性。功率型場效應電晶體M3的源極和地之間加入R12、 Ru和Cu構成保護電路。電阻Ru和Ru為電路提供直流通路，同時由於實例中該電阻具有 合適等效串聯電感，從而對射頻信號起到了較好的扼流作用。
自激式射頻變壓器由反饋繞組、主繞組和輸出繞組在空心骨架.上繞制而成。由於變壓器 工作在射頻場下，為防止擊穿並減少電暈損耗，其繞組的骨架上採用射頻擊穿電壓高以及射 頻電暈損耗低的複合絕緣材料。可採用的射頻擊穿電壓高的材料有聚四氟乙稀、聚脂薄膜等 高絕緣膠帶等。可採用的射頻電暈損耗低材料有牛皮紙、PVC膠帶、電纜紙等。同時為了防 止變壓器的各繞組之間的擊穿，其繞組之間的墊層需採用與骨架繞制所一致的複合絕緣材料。 調整自激式射頻振蕩變壓器主電感L9的電感量以及並在主電感上電容C 的容量可以改變振 蕩頻率，使可調的射頻輸出的頻率範圍是卜30MHz。
由於射頻下電源和等離子體負載不能直接相連，需要外加射頻匹配器7進行阻抗匹配， 從而將射頻源的能量最有效的耦合到等離子體。因此在振蕩源後端引入了由電容Cu、 Cw以 及電感Lu所構成的n型射頻匹配網絡，當等離子體穩定工作時，可以通過調節電容Cu和 C"的容值實現射頻電源和負載之間最大的能量傳輸。
權利要求1.一種用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源，其特徵是，它的電路結構如下交流輸入與採用通用的共差模濾波器組合而成的工頻、高頻濾波器連接，工頻、高頻濾波器與工頻整流電路連接，將交流電平電整流為直流電平，工頻整流電路與自激式高頻逆變電源連接，變為穩定的直流電平；該直流電平經過射頻濾波器後連接脈衝調整器，脈衝調整器輸出可控的脈衝調製信號後控制下一級的自激式射頻振蕩器，然後通過射頻匹配器輸出間隙式的射頻波並最終與等離子體負載相連；同時自激式射頻振蕩器還輸出取樣信號到信號處理器，信號處理器則將該信號反饋到脈衝調整器。
2. 如權利要求l所述的用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源，其特徵是，所述 的自激式高頻逆變電源是由自激式高頻振蕩電路和高頻整流電路構成；其中，自激式高頻振蕩電路是將直流轉化為頻率範圍是幾十kHz 幾百kHz的交流連續波，它由 反饋電感Lp主電感L2及輸出電感L3構成的自激式高頻振蕩變壓器TF,，功率型場效應電晶體Mp電阻R!、 R2及R3構成的軟啟動電路，電阻R4、 R5及電容C3構成的保護電路組成；調整自激式高頻振蕩變壓器主電感L2的電感量以及並在主電感上電容C2的容量以改變振蕩 頻率；高頻整流電路包括二極體DpD4組成的橋式電路，以及並聯的大容量電解電容C4和小容量的補償電容Cs;自激式高頻振蕩電路產生的交流連續波，由二極體D,-D4組成的橋式電路 進行全橋整流，然後經大容量電解電容C4濾波後輸出穩定的直流電壓；自激式高頻逆變電源通過自激式高頻變壓器隔離，後端輸出的直流電源的負端直接接地。
3. 如權利要求l所述的用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源，其特徵是，所述 的射頻濾波器是由幾節由電感Ls、電容C7、電阻R7組成的L型濾波器及電感U、電容Cs、 電阻R6組成的反r型濾波器聯合構成的O型濾波器；其中L型濾波器對射頻振蕩產生的基波有衰減作用，反r型濾波器對射頻振蕩產生的二次諧波有衰減作用。
4. 如權利要求1所述的用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源，其特徵是，所述 的脈衝調整器是由頻率和脈衝寬度均可調節的信號發生器輸出脈衝控制信號，該信號經過變 壓器TF2隔離放大後，驅動串接在電路中的開關調整器，使輸出為可以調製後端連續射頻波 的脈衝信號。
5. 如權利要求l所述的用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源，其特徵是，所述 的自激式射頻振蕩電路由反饋電感L8、主電感L9及輸出電感L,o構成的自激式射頻振蕩變壓 器TF"功率型場效應電晶體M3，電阻R9、 Rn)及Rn構成的軟啟動電路，電阻Rl2、 &3及 電容C。構成的保護電路所組成，電阻Rg、 Ru)和Rn構成了分壓電路，通過微調Rn控制功率型場效應電晶體Mi柵源間電壓並為啟動功率型場效應電晶體提供合適的電壓；電容Cu)與 電感L8構成了自激式振蕩的反饋迴路，將變壓器耦合的信號反饋給作為開關器件的功率型場 效應電晶體!Vb,反饋電感L8的一端直接接地，從而增加了電路的穩定性；功率型場效應電晶體M3的源極和地之間加入並聯的Rl2、 1113和<:12構成保護電路；電阻Ru和Ru為電路提供直流通路。
6. 如權利要求1或6所述的用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源，其特徵是， 所述自激式射頻振蕩變壓器TF3採用空心結構，其繞組骨架採用射頻擊穿電壓高、射頻電暈損耗低的複合絕緣材料纏繞。
7. 如權利要求1所述的用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源，其特徵是，所述 射頻匹配器為並聯在電感L,。兩端的電容C13、 C14以及電感L 所構成的n型射頻匹配網絡， 在等離子體穩定工作時，通過調節電容CI3和C14的容值實現射頻電源和負載之間最大的能量 傳輸。
專利摘要本實用新型公開了一種用於大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源。它解決了傳統自激式射頻振蕩電路穩定性差以及效率低的問題。電源採用了開關調整器電路，實現了可控的脈衝波對射頻信號的調製作用。當該電源應用於大氣壓等離子體放電時，可以有效地克服大氣壓等離子體在連續狀態下工作的射頻源激勵易產生的絲狀放電以及電極過熱問題。同時，電路中引入了由L型濾波器和反Γ型濾波器構成的O型濾波器(射頻衰減量達到了30dB以上)，因此脈衝調製的射頻波具有良好的傳輸特性。該電源電路簡單，耐衝擊性強，具有高功率因數、體積小、運行可靠等優點。
文檔編號H05H7/02GK201369677SQ20092001808
公開日2009年12月23日 申請日期2009年1月19日 優先權日2009年1月19日
發明者劉文革, 卓慧鋒, 徐向宇, 李慶榮, 李建華 申請人:李慶榮;徐向宇;卓慧鋒;李建華;劉文革