一种实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法技术

本发明专利技术属于电气工程技术领域，尤其涉及一种实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法。本发明专利技术公开了一种运用电路理论、测量技术和仿真技术来设计脉冲电源与等离子体负载间匹配电路的方法。其特征是根据实验测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形和直流电压下等离子体负载上的电压与电流的关系，运用仿真技术来获得等离子体负载的等效参数，改变匹配电路的电路结构及其仿真参数，使等离子体负载上的脉冲电压（ｕ↓［２］）与脉冲电源输出的脉冲电压（ｕ↓［１］）之比（ｕ↓［２］／ｕ↓［１］）的频响特性，在脉冲电源输出的脉冲电压的有效频谱范围内，接近不失真系统的频响特性，由此来确定匹配电路的电路结构及其参数。本发明专利技术明显提高匹配电路的设计效率，节约成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电气工程
，尤其涉及。
技术介绍
近年来，随着脉冲功率技术的迅速发展，脉冲电源已在材料表面改性、机械加工、环境治理等诸多领域得到广泛应用，并发挥着重要作用，如脉冲电源应用于电弧离子镀、电加工、臭氧发生器等。在这些应用中，脉冲电源的负载多是等离子体负载，为了提高脉冲电源的应用效果，大都要求通过脉冲电源与等离子体负载间的匹配，使得等离子体负载上的脉冲电压尽量无振荡且上升率高。但是与其它负载不同的是，等离子体负载具有容性负载的特性，其等效电容和等效电阻因工作条件的不同而不同，并且难以准确测量。如在脉冲偏压电弧离子镀工艺中，等离子体负载的等效电容和等效电阻因弧电流、气压、基体面积、沉积室结构及脉冲偏压幅度等参数不同而不同。这样，就给脉冲电源与等离子体负载间的匹配带来了很大困难。公知的实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法主要有1、通过多次改变匹配电路的结构和参数，观测实验结果来实现脉冲电源与等离子体负载间的匹配(如文献《日本金属学会誌》1997，61(2)“パルス放電にょるァルミニゥム上ヘの酸窒化ァルミニゥムの生成”和文献《高电压技术》1998，24(2)“火花间隙式脉冲电源脉冲电参数的影响因素”中所述)。但是，由于这种方法是在不清楚等离子体负载等效参数的大小或只是依据经验知道等离子体负载等效参数的大致范围的情况下进行的，所以为了实现脉冲电源与等离子体负载间的匹配，需要花费大量的实验时间和足够的实验材料。2、通过调整等离子体反应器的结构和参数，观测实验结果来实现脉冲电源与等离子体负载间的匹配(如文献《电工电能新技术》2004，23(2)“等离子体反应器的改进及其与脉冲电源间的匹配”中所述)。这种方法同样也需要花费大量的实验时间和足够的实验材料，而且在许多情况下等离子体反应器的结构和参数是难以调整的或允许调整的范围很小。目前，根据在实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形和直流电压下等离子体负载上的电压与电流的关系，运用电路仿真技术来获得等离子体负载的等效参数，在此基础上运用仿真技术仿真等离子体负载上的脉冲电压(u2)与脉冲电源输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性，改变匹配电路的电路结构及其仿真参数，使等离子体负载上的脉冲电压(u2)与脉冲电源输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性，在脉冲电源输出的脉冲电压的有效频谱范围内，接近不失真系统的频响特性，由此来确定匹配电路的电路结构及其参数，从而使得在脉冲电源作用下，等离子体负载上脉冲电压的振荡得到有效抑制，同时避免降低等离子体负载上脉冲电压的上升率，以实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法，至今未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是为实现脉冲电源与等离子体负载间的匹配，提供一种新的方法，这种方法应克服已有实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法存在的要花费大量的实验时间和足够的实验材料等不足，明显提高匹配电路的设计效率，节约实验成本，而且基于这种方法设计的匹配电路应既能有效抑制在脉冲电源作用下等离子体负载上脉冲电压的振荡，又能避免降低等离子体负载上脉冲电压的上升率。本专利技术的技术方案是首先在实际工艺中，利用示波器测量脉冲电源作用下的等离子体负载上的电压、电流波形和直流电压作用下的等离子体负载上的电压与电流的关系；然后根据所述实际工艺中的脉冲电源结构、第一匹配电路及在脉冲电源与等离子体负载间传递脉冲功率的同轴电缆等效电路及测得的脉冲电源作用下的等离子体负载上的电压、电流波形及直流电压作用下的等离子体负载上的电压与电流的关系，建立包括脉冲电源、第一匹配电路、同轴电缆和等离子体负载的仿真电路模型；利用所述的仿真电路模型，在脉冲电源仿真参数、第一匹配电路仿真参数及同轴电缆仿真参数的取值与所述实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形时对应的脉冲电源参数、第一匹配电路参数及同轴电缆等效参数相同的条件下，改变等离子体负载仿真参数，仿真等离子体负载上的电压、电流波形，直至由仿真得到的等离子体负载上的电压、电流波形与对应的由实验测得的等离子体负载上的电压、电流波形相符为止，由此得到等离子体负载等效参数，为脉冲电源与等离子体负载间匹配电路的设计提供基础数据；在此基础上利用包括脉冲电源、第二匹配电路、同轴电缆和等离子体负载的仿真电路模型，在同轴电缆仿真参数、等离子体负载仿真参数的取值与所述实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形时对应的同轴电缆等效参数、等离子体负载等效参数相同的条件下，改变第二匹配电路的电路结构及其仿真参数，仿真等离子体负载上的脉冲电压(u2)与脉冲电源输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性，直至所述的频响特性，在脉冲电源输出的脉冲电压的有效频谱范围内，接近不失真系统的频响特性，由此来确定第二匹配电路的电路结构及其参数，以实现脉冲电源与等离子体负载匹配。从而使得在脉冲电源作用下，等离子体负载上脉冲电压的振荡得到有效抑制，同时避免降低等离子体负载上脉冲电压的上升率，提高脉冲电源的应用效果。本专利技术的效果和益处在于1.利用示波器可以方便准确地测得脉冲电压作用下的等离子体负载上的电压、电流波形和直流电压作用下的等离子体负载上的电压与电流的关系，在此基础上运用电路仿真技术可以方便准确地获得等离子体负载的等效参数，从而为脉冲电源与等离子体负载间匹配电路的设计提供了基础数据。2.运用仿真技术仿真等离子体负载上的脉冲电压(u2)与脉冲电源输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性，改变匹配电路的电路结构及其仿真参数，使等离子体负载上的脉冲电压(u2)与脉冲电源输出的脉冲电压(u1)之比(u2//u1)的频响特性，在脉冲电源输出的脉冲电压的有效频谱范围内，接近不失真系统的频响特性，由此确定的匹配电路不仅可有效抑制等离子体负载上脉冲电压的振荡，同时可避免降低等离子体负载上脉冲电压的上升率。3.可以明显提高匹配电路的设计效率，节约实验成本。附图说明图1是脉冲偏压下电弧离子镀负载上的电压、电流波形的实测图。图中图(a)是脉冲偏压下电弧离子镀负载上的电压波形，图(b)是脉冲偏压下电弧离子镀负载上的电流波形，电弧离子镀负载上的电压、电流波形是在“工艺参数”——弧电流Ia＝72A，氮气压PN2＝0.30Pa，基体面积S＝0.063m2，“脉冲电源参数”——脉冲电压幅值UP＝680V，占空比D＝50％，频率f＝25kHz，“同轴电缆等效参数”——电阻R0＝0.2Ω，电感L0＝2μH，电容C0＝30pF(因为在电弧离子镀工艺中，脉冲波在长度为几米的同轴电缆中的传输时间远小于脉冲电压的上升时间，所以，脉冲功率在同轴电缆中的传输可视为无引导传输，因此这里可将传输脉冲功率的同轴电缆作为普通电缆来处理，也就是说可用如图3所示的集中参数R0、L0、C0来描述同轴电缆的等效电路，根据同轴电缆的长度和结构参数，利用有关公式便可计算出R0、L0、C0的值)，“第一匹配电路参数”——电感L1＝100μH(如图3所示，第一匹配电路2是常用的由电感L1或电感与电阻相串联的单元构成的匹配电路)的条件下，利用TDS-5052示波器测得的。图2是直流偏压下电弧离子镀负载上的电压与电流关系的实测图。图中电弧离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法，运用电路理论、测量技术和仿真技术，其特征是：ａ）根据在实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形和直流电压下等离子体负载上的电压与电流的关系，结合所述实际工艺中的脉冲电源的结 构、第一匹配电路及在脉冲电源与等离子体负载间传递脉冲功率的同轴电缆的等效电路，建立包括脉冲电源、第一匹配电路、同轴电缆和等离子体负载的仿真电路模型；ｂ）利用包括脉冲电源、第一匹配电路、同轴电缆和等离子体负载的仿真电路模型，在脉冲电源 仿真参数、第一匹配电路仿真参数及同轴电缆仿真参数的取值与所述实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形时对应的脉冲电源参数、第一匹配电路参数及同轴电缆等效参数相同的条件下，改变等离子体负载仿真参数，仿真等离子体负载上的电压、电流波形，直至由仿真得到的等离子体负载上的电压、电流波形与对应的由实验测得的等离子体负载上的电压、电流波形相符为止，由此得到等离子体负载等效参数；ｃ）利用包括脉冲电源、第二匹配电路、同轴电缆和等离子体负载的仿真电路模型，在同轴电缆仿真 参数、等离子体负载仿真参数的取值与所述实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形时对应的同轴电缆等效参数、等离子体负载等效参数相同的条件下，改变第二匹配电路的电路结构及其仿真参数，仿真等离子体负载上的脉冲电压（ｕ↓［２］）与脉冲电源输出的脉冲电压（ｕ↓［１］）之比（ｕ↓［２］／ｕ↓［１］）的频响特性，直至所述的频响特性，在脉冲电源输出的脉冲电压的有效频谱范围内，接近不失真系统的频响特性，由此来确定第二匹配电路的电路结构及其参数。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戚栋，王宁会，吴彦，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]