一種用于大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源制造技術

本發明專利技術公開了一種用于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。電源采用了開關調整器電路，實現了可控的脈沖波對射頻信號的調制作用。當該電源應用于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），因此脈沖調制的射頻波具有良好的傳輸特性。該電源電路簡單，耐沖擊性強，具有高功率因數、體積小、運行可靠等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種用于大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源。
技術介紹
近年來，由于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，更易于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。由于射頻下(激勵頻率1 100 MHz) 等離子體的擊穿電壓比較低，并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己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%)，并且射頻傳導和諧波問題較難解決。如相關
的那些普通技術人員公知的 那樣，射頻等離子體設備通常采用他激式射頻電源，然后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—AC轉換(高于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采用有介質的放電結構形式，又稱為介質阻擋放電。 由于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于放電的周期，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，因此對于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并且均勻的輝光放電。對于連續射頻激勵的等 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，并且對等離子體 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，等離子體產生后由于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沖調制下的射頻波，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", /Yos7na 5bwces 5t/. 7Vc//no/. 16, 217(2007)。
技術實現思路
本專利技術的目的就是為了解決上述問題，提出一種用于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。電路采用了開關調整器電路，實現了可控的脈沖波對射頻信號的 調制作用。因此當該射頻源應用于大氣壓等離子體放電時，通過調節調制用的脈沖波的頻率 和脈沖寬度，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，本專利技術采用如下技術方案一種用于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采 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后連接脈沖調整器，脈沖調整器輸出可控的脈沖調 制信號后控制下一級的自激式射頻振蕩器，然后通過射頻匹配器輸出間隙式的射頻波并最終 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，對脈沖頂部進行調整并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范圍是幾十kHz 幾百kHz的交流連續波，它由 反饋電感U、主電感L2及輸出電感L3構成的自激式高頻振蕩變壓器TF,，功率型場效應晶體管Mp電阻&、 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的電感量以及并在主電感上電容C2的容量以改變振蕩 頻率；高頻整流電路包括二極管DrD4組成的橋式電路，以及并聯的大容量電解電容C4和小容 量的補償電容Q;自激式高頻振蕩電路產生的交流連續波，由二極管D^D4組成的橋式電路 進行全橋整流，然后經大容量電解電容C4濾波后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，后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Ls、電容C7、電阻R7組成的L型濾波器及電感L4、 電容Cg、電阻R6組成的反r型濾波器聯合構成的0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。所述的脈沖調整器是由頻率和脈沖寬度均可調節的信號發生器輸出脈沖控制信號，該信. 號經過變壓器TF2隔離放大后，驅動串接在電路中的開關調整器，使輸出為可以調制后端連 續射頻波的脈沖信號。所述的脈沖調整器，其可調整的頻率范圍l 20kHz,可調整的脈寬范圍10 500ms。 所述的自激式射頻振蕩電路由反饋電感Ls、主電感l9及輸出電感Ln)構成的自激式射頻5振蕩變壓器TF3，功率型場效應晶體管M3，電阻R9、 Ru)及Ru構成的軟啟動電路，電阻Ru、 Ru及電容d2構成的保護電路所組成。電阻R9、 Rw和Ru構成了分壓電路，通過微調Ru 控制功率型場效應晶體管M,柵源間電壓并為啟動功率型場效應晶體管提供合適的電壓；電容 Qo與電感L8構成了自激式振蕩的反饋回路，將變壓器耦合的信號反饋給作為開關器件的功 率型場效應晶體管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 效應晶體管M3的源極和地之間加入并聯的R^、R,3和C^構成保護電路；電阻R。和R,3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的電感量以及并在 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范圍是1 30MHz。所述自激式射頻振蕩變壓器TF3采用空心結構，其繞組骨架采用射頻擊穿電壓高、射頻 電暈損耗低的復合絕緣材料纏繞。所述從自激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 后將所需的反饋信號送至脈沖調整器的信號發生器的控制端，既實現對脈沖電平頂部波動的 調整，使脈沖頂部的波動范圍，控制在±2%之內，又根據反饋信號具體情況關斷脈沖調整器從而起到保護電路的作用。所述射頻匹配器為并聯在電感U。兩端的電容C13、 C14以及電感Lu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d4的容值實現射頻電源和負載之間最大的能量傳輸。在本專利技術中，電路結構為交流輸入經過工頻、高頻濾波器后整流，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沖調整器，控制下 一級的自激式射頻振蕩器，然后通過射頻匹配器輸出間隙式的射頻波并最終與等離本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于大氣壓下等離子體放電的改進式射頻電源，其特征是，它的電路結構如下：交流輸入與采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后連接脈沖調整器，脈沖調整器輸出可控的脈沖調制信號后控制下一級的自激式射頻振蕩器，然后通過射頻匹配器輸出間隙式的射頻波并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。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李慶榮，徐向宇，卓慧鋒，李建華，劉文革，
申請(專利權)人：李慶榮，徐向宇，卓慧鋒，李建華，劉文革，
類型：發明
國別省市：88[中國|濟南]