一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源制造技术

本实用新型专利技术公开了一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源。它解决了传统自激式射频振荡电路稳定性差以及效率低的问题。电源采用了开关调整器电路，实现了可控的脉冲波对射频信号的调制作用。当该电源应用于大气压等离子体放电时，可以有效地克服大气压等离子体在连续状态下工作的射频源激励易产生的丝状放电以及电极过热问题。同时，电路中引入了由Ｌ型滤波器和反Γ型滤波器构成的Ｏ型滤波器（射频衰减量达到了３０ｄＢ以上），因此脉冲调制的射频波具有良好的传输特性。该电源电路简单，耐冲击性强，具有高功率因数、体积小、运行可靠等优点。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源。
技术介绍
近年来，由于大气压下等离子体放电打破了真空室的限制，不但降低了设备成本，而且 操作方便，不受空间限制，更易于实现大规模的工业化生产，因此在大气压下稳定的低温冷 等离子体射流的产生及其应用引起了人们的广泛关注。由于射频下(激励频率l 100MHz) 等离子体的击穿电压比较低，并且放电特性与低气压下的辉光放电比较接近，所以射频激励 的大气压等离子放电已经成功的应用在了杀菌、表面处理以及半导体工艺等领域。射频发生 器一般有两种输出方式；自激式振荡输出和他激式振荡输出。其中，自激式振荡电路简单， 与负载的匹配好，但是自激式振荡电路工作在较高的频率下，频率稳定性差，转换效率较低 (~75%)，并且射频传导和谐波问题较难解决。如相关
的那些普通技术人员公知的 那样，射频等离子体设备通常采用他激式射频电源，然后通过匹配网络实现射频源和等离子 体设备的射频能量最佳耦合。他激式射频电源具有较高的DC二AC转换(高于85%),但成 本通常较为昂贵。此外，大气压下的射频气体放电通常采用有介质的放电结构形式，又称为介质阻挡放电。 由于射频电源的激励频率较高，累积在电极介质上的电荷寿命会大于放电的周期，会在两个 周期内一直存在，也就是所谓的介质阻挡放电的记忆效应，从而容易产生丝状放电。而丝 状放电的存在使等离子体处理效果不均匀，因此对于很多方面的应用如材料表面处理，材料 改性等均要求在大气压等离子体放电产生稳定并且均匀的辉光放电。对于连续射频激励的等 离子体，当严格的控制等离子体工作参数，如气体组份构成、电极结构等，并且对等离子体 周围的工作环境有较苛刻的要求时，也可以实现均匀的放电，但是等离子体较易从辉光放电 状态转化为丝状放电状态。此外，等离子体产生后由于热传导和离子碰撞过程的存在，电极 和介质很快就会被加热到较高的温度。这种温升会导致被处理材料的热破坏，通常需要对射 频放电的电极进行冷却处理，从而需要对电极附加额外的冷却系统。一种改进的办法是对射 频电源的射频控制信号进行调节，使射频源最终输出为为脉冲调制下的射频波，通过频率及 脉宽的控制实现对丝状放电的抑制。参见N. Balcon, Pulsed RF discharges, glow and filamentary mode at atmospheric pressure in argon, P/OTwaiSowc5W. TecftnoZ. 16 , 217(2007)。
技术实现思路
本技术的目的就是为了解决上述问题，提出一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源。它符合国标EMC标准，功率因数高；同时具有电路简单、体积小、性价比高、 运行可靠、经久耐用等优点。电路采用了开关调整器电路，实现了可控的脉冲波对射频信号 的调制作用。因此当该射频源应用于大气压等离子体放电时，通过调节调制用的脉冲波的频 率和脉冲宽度，可以有效地克服大气压等离子体在射频激励为连续状态时易产生的丝状放电 以及电极过热问题。为实现上述目的，本技术采用如下技术方案-一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，它的电路结构如下交流输入与采 用通用的共差模滤波器组合而成的工频、高频滤波器连接，工频、高频滤波器与工频整流电 路连接将交流电平电整流为直流电平，工频整流电路与自激式高频逆变电源连接，变为稳定 的直流电平；该直流电平经过射频滤波器后连接脉冲调整器，脉冲调整器输出可控的脉冲调 制信号后控制下一级的自激式射频振荡器，然后通过射频匹配器输出间隙式的射频波并最终 与等离子体负载相连；同时自激式射频振荡器还输出取样信号到信号处理器，信号处理器则 将该信号反馈到脉沖调整器，对脉冲顶部进行调整并可对整个电路进行保护。所述的自激式高频逆变电源是由自激式高频振荡电路和高频整流电路构成；其中， 自激式高频振荡电路是将直流转化为频率范围是几十kHz-几百kHz的交流连续波，它由 反馈电感L卜主电感L2及输出电感L3构成的自激式高频振荡变压器TFp功率型场效应晶 体管M,,电阻R卜R2及R3构成的软启动电路，电阻R4、 Rs及电容C3构成的保护电路组成； 调整自激式高频振荡变压器主电感L2的电感量以及并在主电感上电容C2的容量以改变振荡 频率；高频整流电路包括二极管D,-D4组成的桥式电路，以及并联的大容量电解电容C4和小容 量的补偿电容Cs;自激式高频振荡电路产生的交流连续波，由二极管D,-D4组成的桥式电路 进行全桥整流，然后经大容量电解电容C4滤波后输出稳定的直流电压；自激式高频逆变电源通过自激式高频变压器隔离，后端输出的直流电源的负端直接接地。 所述的射频滤波器是由几节由电感L5、电容C7、电阻R7组成的L型滤波器及电感U、 电容Cs、电阻R^组成的反r型滤波器联合构成的o型滤波器；其中L型滤波器主要对射频 振荡产生的基波有衰减作用，反r型滤波器主要对射频振荡产生的二次谐波有衰减作用。所述的脉冲调整器是由频率和脉冲宽度均可调节的信号发生器输出脉冲控制信号，该信 号经过变压器TF2隔离放大后，驱动串接在电路中的开关调整器，使输出为可以调制后端连 续射频波的脉冲信号。所述的脉冲调整器，其可调整的频率范围1 20kHz,可调整的脉宽范围10~500ps。 所述的自激式射频振荡电路由反馈电感L8、主电感L9及输出电感Lio构成的自激式射频振荡变压器TF3，功率型场效应晶体管M3，电阻R9、 Ru)及Ru构成的软启动电路，电阻Ru、 RB及电容Q2构成的保护电路所组成。电阻Rg、 Rm和Ru构成了分压电路，通过微调Ru 控制功率型场效应晶体管N^栅源间电压并为启动功率型场效应晶体管提供合适的电压；电容 do与电感Ls构成了自激式振荡的反馈回路，将变压器耦合的信号反馈给作为开关器件的功率型场效应晶体管M3，反馈电感L8的一端直接接地，从而增加了电路的稳定性；功率型场 效应晶体管M3的源极和地之间加入并联的R,2、Ru和d2构成保护电路；电阻Ru和Ru为电路提供直流通路。所述自激式射频振荡电路的频率通过自激式射频振荡变压器主电感L9的电感量以及并在主电感上电容Cn的容量改变振荡频率，其可调的射频输出的频率范围是l-30MHz。所述自激式射频振荡变压器TF3采用空心结构，其绕组骨架采用射频击穿电压高、射频电晕损耗低的复合绝缘材料缠绕。所述从自徵式射频振荡电路输出的取样信号输入信号处理器，先放大，再经过编程处理后将所需的反馈信号送至脉冲调整器的信号发生器的控制端，既实现对脉冲电平顶部波动的调整，使脉冲顶部的波动范围f控制在±2%之内，又根据反馈信号具体情况关断脉冲调整器从而起到保护电路的作用。所述射频匹配器为并联在电感Lw两端的电容C13、 C14以及电感L 所构成的n型射频匹 配网络，在等离子体稳定工作时，通过调节电容Cu和C的容值实现射频电源和负载之间最 大的能量传输。在本技术中，电路结构为交流输入经过工频、高频滤波器后整流，接自激式高频逆 变电源，变为稳定的直流电平，再接至射频滤波器，射频滤波器的输出端接脉冲调整器，控 制下一级的自激式射频振荡器，然后通过射频匹配器输出间隙式的射频波并最终与等离子体 负载相连。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，它的电路结构如下：交流输入与采用通用的共差模滤波器组合而成的工频、高频滤波器连接，工频、高频滤波器与工频整流电路连接，将交流电平电整流为直流电平，工频整流电路与自激式高频逆变电源连接，变为稳定的直流电平；该直流电平经过射频滤波器后连接脉冲调整器，脉冲调整器输出可控的脉冲调制信号后控制下一级的自激式射频振荡器，然后通过射频匹配器输出间隙式的射频波并最终与等离子体负载相连；同时自激式射频振荡器还输出取样信号到信号处理器，信号处理器则将该信号反馈到脉冲调整器。

【技术特征摘要】
1.一种用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，它的电路结构如下交流输入与采用通用的共差模滤波器组合而成的工频、高频滤波器连接，工频、高频滤波器与工频整流电路连接，将交流电平电整流为直流电平，工频整流电路与自激式高频逆变电源连接，变为稳定的直流电平；该直流电平经过射频滤波器后连接脉冲调整器，脉冲调整器输出可控的脉冲调制信号后控制下一级的自激式射频振荡器，然后通过射频匹配器输出间隙式的射频波并最终与等离子体负载相连；同时自激式射频振荡器还输出取样信号到信号处理器，信号处理器则将该信号反馈到脉冲调整器。2. 如权利要求l所述的用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，所述 的自激式高频逆变电源是由自激式高频振荡电路和高频整流电路构成；其中，自激式高频振荡电路是将直流转化为频率范围是几十kHz 几百kHz的交流连续波，它由 反馈电感Lp主电感L2及输出电感L3构成的自激式高频振荡变压器TF,，功率型场效应晶体管Mp电阻R!、 R2及R3构成的软启动电路，电阻R4、 R5及电容C3构成的保护电路组成；调整自激式高频振荡变压器主电感L2的电感量以及并在主电感上电容C2的容量以改变振荡 频率；高频整流电路包括二极管DpD4组成的桥式电路，以及并联的大容量电解电容C4和小容量的补偿电容Cs;自激式高频振荡电路产生的交流连续波，由二极管D,-D4组成的桥式电路 进行全桥整流，然后经大容量电解电容C4滤波后输出稳定的直流电压；自激式高频逆变电源通过自激式高频变压器隔离，后端输出的直流电源的负端直接接地。3. 如权利要求l所述的用于大气压下等离子体放电的改进式射频电源，其特征是，所述 的射频滤波器是由几节由电感Ls、电容C7、电阻R7组成的L型滤波器及电感U、电容Cs、 电阻R6组成的反r型滤波器联合构成的O型滤波器...

【专利技术属性】
技术研发人员：李庆荣，徐向宇，卓慧锋，李建华，刘文革，
申请(专利权)人：李庆荣，徐向宇，卓慧锋，李建华，刘文革，
类型：实用新型
国别省市：88[中国|济南]