久智光電子材料科技有限公司　樊立強(qiáng)　王增慧　潘　健

高頻磁場等離子發(fā)生系統(tǒng)的阻抗匹配特性研究

久智光電子材料科技有限公司樊立強(qiáng)王增慧潘健

高頻磁場等離子工藝可以生產(chǎn)純度高、羥基含量低的高品質(zhì)石英玻璃產(chǎn)品。本文針對高頻磁場等離子工藝的核心設(shè)備等離子發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和實(shí)踐總結(jié)，得出了有效改善等離子發(fā)生系統(tǒng)阻抗匹配狀況的方法，對提升等離子發(fā)生系統(tǒng)的工作效率和改善石英產(chǎn)品品質(zhì)有一定幫助。

高頻；等離子；阻抗匹配；電子管；振蕩

一、引言

隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，石英玻璃由于其優(yōu)良的物理、化學(xué)性能，在半導(dǎo)體、新型光源、精密儀器等領(lǐng)域占有越來越重要的地位。高頻等離子熔制工藝由于使用等離子體做熱源，能夠生產(chǎn)出純度高、羥基含量低的高品質(zhì)石英玻璃。在此工藝中，高頻等離子發(fā)生系統(tǒng)是整個設(shè)備的核心所在。結(jié)合工作實(shí)踐和積累總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)對等離子發(fā)生器系統(tǒng)進(jìn)行合理的阻抗匹配，能夠有效提高等離子發(fā)生系統(tǒng)的工作效率，進(jìn)而提升產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率，同時(shí)各部件的使用壽命也能相應(yīng)延長，降低成本。

二、原理及分析

高頻等離子發(fā)生系統(tǒng)的功率輸出將負(fù)載端等離子線圈內(nèi)的壓縮空氣電離，產(chǎn)生等離子弧，其中心溫度達(dá)6000-8000K，可將石英粉料熔化生產(chǎn)石英玻璃產(chǎn)品。在電氣構(gòu)成上，等離子發(fā)生系統(tǒng)可分三為個部分：電源部分、控制部分和振蕩部分，如圖1所示。

圖1　高頻等離子發(fā)生系統(tǒng)架構(gòu)

從能量的觀點(diǎn)來看，等離子發(fā)生系統(tǒng)如同是一個能量轉(zhuǎn)換器，它將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成交流能量，并最終分成兩個部分：一部分用于系統(tǒng)功率輸出；另一部分能量被系統(tǒng)內(nèi)部損耗。因此，提高發(fā)生系統(tǒng)的工作效率就必須要最大限度地降低控制系統(tǒng)的損耗。對等離子發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行合理的阻抗匹配將對降低內(nèi)部損耗很有幫助，使功率輸出盡可能最大化輸送至負(fù)載。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備，功率輸出是通過并聯(lián)諧振電路中的電感線圈來實(shí)現(xiàn)的。相當(dāng)其可等效為電阻和電感線圈串聯(lián)后再與電容器并聯(lián)并與前端電源組成并聯(lián)諧振電路，如圖2所示。

圖2　等效并聯(lián)諧振電路

圖3 等離子發(fā)生系統(tǒng)等效電路

在實(shí)際情況下，電感線圈的電阻很小，可忽略不計(jì)。因此并聯(lián)諧振電路呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)，而電子管是高內(nèi)阻器件，所以必須將電子管與并聯(lián)諧振電路合理配合使用，才能將高頻余弦脈沖的基波成分充分選擇，向后端負(fù)載實(shí)現(xiàn)高效率的有效輸出。

圖3所示為等離子發(fā)生系統(tǒng)回路的簡化等效電路，電源的電勢為，內(nèi)阻為Ri，后端接上等效阻抗Rd，則流過Rd的 電流為：

則等效負(fù)載上得功率為：經(jīng)微分求取極值可知，當(dāng)，即負(fù)載等效電阻等于電源內(nèi)阻時(shí)，電源輸出功率最大。因此，等離子發(fā)生系統(tǒng)的輸出功率的效率高低受電子管內(nèi)阻和諧振電路的等效阻抗的共同影響。

從改變電子管的內(nèi)阻值和諧振電路等效阻抗這兩個角度考慮提升等離子發(fā)生系統(tǒng)阻抗匹配程度的方向和措施：

1.等離子發(fā)生系統(tǒng)的振蕩回路可簡化為如圖4所示，其中電子管內(nèi)阻使用表示。

圖4　等離子發(fā)生系統(tǒng)振蕩回路簡化圖

圖5　改變引線位置后的振蕩回路簡化圖

所以在實(shí)際過程中，在已經(jīng)確認(rèn)等離子發(fā)生系統(tǒng)無其他不良或故障的情況下，如果電子管輸出功率依然較小，則應(yīng)考慮問題有可能是電子管內(nèi)阻較小造成的。此時(shí)可將并聯(lián)饋電線收接，等效于增加電子管內(nèi)阻。另外，根據(jù)工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在電子管屏極回路串聯(lián)電阻，或者在電子管陰極電路中串聯(lián)一個陰極電阻，使產(chǎn)生的電流實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋功能，均可有效增大電子管的等效內(nèi)阻，進(jìn)而改善阻抗匹配水平，實(shí)現(xiàn)提升輸出功率的目的。

2.等離子發(fā)生系統(tǒng)的工作原理是經(jīng)控制電路和振蕩電路在等離子線圈施加高頻交變電場，進(jìn)而在線圈內(nèi)側(cè)產(chǎn)生快速變化的磁場。流經(jīng)等離子線圈的壓縮空氣被快速電離，負(fù)載線圈與等離子體電流形成等效的變壓器進(jìn)行能量傳輸。

通過改變諧振電路的等效阻抗Rd，使其等于或接近電子管內(nèi)阻，同樣可以實(shí)現(xiàn)等離子發(fā)生系統(tǒng)的阻抗匹配度優(yōu)化進(jìn)而提升輸出功率。結(jié)合反射阻抗理論，在負(fù)載線圈和等離子體電流形成的耦合電路中，改變互感系數(shù)大小即調(diào)整壓縮空氣流速、等離子線圈的匝距、有效截面等參數(shù)以及回路自身的阻抗參數(shù)均可改變諧振電路的等效阻抗，使槽路電壓降低，陽流增大，從而實(shí)現(xiàn)改善阻抗匹配程度，實(shí)現(xiàn)提升等離子發(fā)生系統(tǒng)功率輸出的目的。

3.在使用高頻等離子發(fā)生器的實(shí)際生產(chǎn)中，由于石英粉料的型號差異以及下料量變化，等離子發(fā)生系統(tǒng)的負(fù)載功率經(jīng)常出現(xiàn)變化，需作出相應(yīng)調(diào)整，以滿足要求的石英產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)效率和降低不必要功耗的要求。

4.由于電源電壓的變化會引起電子管工作點(diǎn)的改變，使電子管內(nèi)阻受到影響，因此燈絲電源和直流電源輸入的穩(wěn)定程度也是不可忽視的一個方面。而在選擇電容、電感等元件時(shí)，應(yīng)盡量選取使用本身參數(shù)對溫度、濕度穩(wěn)定性高的元件，避免由于環(huán)境變化造成的等離子發(fā)生系統(tǒng)的阻抗匹配程度降低。

三、總結(jié)

本文從能量的觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為等離子發(fā)生系統(tǒng)是一個能量轉(zhuǎn)換器，尋求解決實(shí)際轉(zhuǎn)換效率不高的現(xiàn)狀。通過對等離子發(fā)生系統(tǒng)的諧振電路和等效電路分析，得出從阻抗匹配角度的改善問題的方法。改善內(nèi)容基本分為改變振蕩回路電子管內(nèi)阻阻值和諧振電路等效阻抗兩個方向的多個方法和措施。由于實(shí)際生產(chǎn)工藝和所使用設(shè)備的差異，本文所給出的方法和措施可能并不一定適用各種等離子發(fā)生系統(tǒng)，但運(yùn)用阻抗匹配理論并結(jié)合自身實(shí)際情況，應(yīng)可以有效改善等離子發(fā)生系統(tǒng)的功率輸出和實(shí)際效率。整體而言，本文對等離子發(fā)生系統(tǒng)的性能改善和效率提升提供了一個新角度，并富有一定的指導(dǎo)意義。

［1］童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［2］劉繼舒.大功率射頻激光電源的仿真設(shè)計(jì)［D］.碩士學(xué)位論文：華中科技大學(xué)，2009，05.

［3］付柱翠，陳穎等.電子元器件可靠性技術(shù)教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［4］吳兆麟，袁俊國，于非.高頻感應(yīng)加熱裝置的負(fù)載匹配方法［J］.電力電子技術(shù)，Vol.33，No.4，1999：29-32.

［5］宣三，龔紹文.高頻功率電子學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1993.

本研究獲得河北省重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：14041101Z）資助 。