Способ регулирования выходной мощности в резонансных высокочастотных генераторах источников плазмы
CONTROL METHOD OF OUTPUT POWER IN RESONANCE HIGH-FREQUENCY GENERATORS OF PLASMA SOURCES

Область техники
Изобретение относится к высокочастотным генераторам источников плазмы (плазматрон). Область применения включает в себя источники плазмы с емкостным или индуктивным плазменным разрядом.
Уровень техники
Источники низкотемпературной плазмы широко применяются в промышленной и космической технике: плазменные системы очистки и напыления, производство интегральных микросхем, электроракетные двигатели. Одним из способов получения плазмы в таких системах является высокочастотный плазменный разряд. Разряд формируется в рабочем теле (инертном газе) с помощью переменного электрического поля. Неотъемлемой частью источника высокочастотной плазмы является высокочастотный генератор. Существуют различные топологии таких генераторов, но наиболее компактной и эффективной является резонансная топология.
34th International Electric Propulsion Conference
Development of a Radio-Frequency Generator for RF Ion Thrusters
Концепция такого генератора была представлена 2015 году на международной конференции «». Была опубликована соответствующая работа «». https://pdfs.semanticscholar.org/47d5/2e3a1d896020ed09433a1a4591fe56f983a2.pdf. В работе изложена концепция высокочастотного генератора для источников плазмы, основанная на топологии последовательного резонансного преобразователя (англ. series LC converter). Описано его назначение и режим работы. Это наиболее близкое решение по технической сущности известное автору.
Сущность изобретения
Задачей предлагаемого технического решения является регулирование выходной мощности в резонансных высокочастотных генераторах источников плазмы при постоянном напряжение питания транзисторного полумоста выходного усилителя мощности.
Техническим результатом заявленного технического решения является обеспечение возможности регулировки выходной мощности в резонансных высокочастотных генераторах источников плазмы при постоянном напряжении питания транзисторного полумоста выходного усилителя мощности, что позволяет отказаться от дополнительного регулируемого источника напряжения, обеспечить снижение габаритов генератора и повысить эффективность системы.
Технический результат заявленного технического решения достигается за счет применения метода резонансной импульсной модуляции выходного сигнала усилителя мощности, а именно за счет того, что способ регулирования выходной мощности в резонансных высокочастотных генераторах источников плазмы включает разделение работы генератора на две чередующиеся фазы, при этом во время первой фазы на выходе усилителя формируют прямоугольный сигнал, отслеживают и компенсируют фазовый сдвиг между выходным напряжением полумоста и выходным током, обеспечивая резонансный режим работы, а во время второй фазы на выходе усилителя формируют нулевое напряжение, при этом управляют длительностью обоих фаз и обеспечивают регулировку средних значений выходного тока и выходной мощности генератора.
В частном случае реализации заявленного технического решения прямоугольный сигнал формируют на выходе усилителя мощности, состоящего и транзисторного полумоста и драйвера ключей, при этом выход усилителя подключен к колебательному контуру, образованному резонансной емкостью и индуктивным плазменным разрядом, с последующим образованием гармонических колебаний тока в контуре, измеряют колебания выходного тока датчиком тока, который формирует на своем выходе сигнал напряжения, пропорциональный току в контуре, определяют направление тока детектором полярности, определяют детектором полярности выходное напряжения усилителя, и направляют информацию о полярности тока и напряжения в логический контроллер, посредством которого определяют фазовый сдвиг между сигналами и осуществляют корректировку сигналов управления драйвера ключей таким образом, чтобы выходное напряжение полумоста было синфазно колебаниям тока в контуре.
В частном случае реализации заявленного технического нулевое напряжение формируют посредством формирования на входе драйвера ключей контроллером управления логического нуля, при этом драйвер ключей закрывает верхний ключ транзисторного полумоста и открывает нижний, замыкая колебательный контур накоротко.
В частном случае реализации заявленного технического устанавливают длительность второй фазы кратной периоду затухающих колебаний выходного тока.
В частном случае реализации заявленного технического во второй фазе выходное напряжение усилителя мощности делают равным напряжению питания транзисторного полумоста усилителя.
В частном случае реализации заявленного технического регулируют выходную мощность генератора при постоянном напряжении питания транзисторного полумоста.
В частном случае реализации заявленного технического дополнительно регулируют напряжение питания транзисторного полумоста.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - принципиальная электрическая схема резонансного высокочастотного генератора;
Фиг. 2 - диаграмма сигналов генератора без модуляции;
Фиг. 3 - диаграмма сигналов при резонансной импульсной модуляции;
Фиг. 4 - Структура испытательного стенда.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции: 1 - контроллер; 2 - драйвер ключей; 3 - транзисторный полумост; 4 - аналогово-цифровой преобразователь; 5 - выпрямитель; 6 - резонансный конденсатор; 7 - детектор полярности; 8 - детектор полярности; 9 - индуктивный плазменный разряд; 10 - эквивалентное сопротивление разряда; 11 - эквивалентная индуктивность разряда; 12 - датчик тока; 13 - линия питания; 14 - датчик мощности; 15 - фильтр питания; 16 - управляющий компьютер; 17 - генератор; 18 - осциллограф; 19 - делитель напряжения; 20 - регулятор расхода; 21 - датчик тока; 22 - источник высокого напряжения; 23 - индуктор; 24 - вакуумная камера; 25 - ионно-оптическая система.
Раскрытие изобретения
На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема последовательного резонансного генератора с индуктивным плазменным разрядом в качестве нагрузки.
Схема содержит контроллер управления (1), который по цифровому интерфейсу принимает значения заданной выходной мощности генератора, и возвращает значение измеренной выходной мощности, амплитуду и частоту выходного тока.
Выход контроллера управления (1) подключен к драйверу ключей (2). Драйвер ключей формирует сигналы управления на затворах транзисторов полумоста (3). Выход транзисторного полумоста (3) подключен к резонансному контуру, образованному резонансной емкостью (6) и индуктивным плазменным разрядом (9). Плазменный разряд (9) представлен в виде схемы замещения, состоящей из эквивалентного сопротивления (10) и эквивалентной индуктивности (11).
Резонансный контур замыкается на общий провод через датчик тока (12). Выход датчика тока (12) подключен к выпрямителю (5). Сигнал с выпрямителя поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя (4) и содержит информацию о среднем значении выходного тока. Входы детекторов полярности (7) и (8) подключены к выходу полумоста (3) и выходу датчика тока (12) соответственно. Выходные сигналы детекторов полярности (7) и (8) поступают на котроллер (1).
Плазменный разряд представлен в виде схемы замещения (9). Аналогичным образом в качестве нагрузки может выступать емкостной плазменный разряд. В этом случае резонансная емкость (6) должна быть заменена резонансной индуктивностью.
Силовое питания подается от шины (13). Датчик мощности (14) измеряет полную активную мощность, потребляемую силовой частью схемы (3, 6, 9) от источника питания. Фильтр питания (15) предназначен для сглаживания пульсаций тока, потребляемого схемой.
Алгоритм работы генератора, без использования резонансной импульсной модуляции имеет следующий вид. Усилитель мощности, состоящий и транзисторного полумоста (3) и драйвера ключей (2), формирует напряжение прямоугольной формы на выводах колебательного контура, образованного резонансной емкостью (6) и индуктивным плазменным разрядом (10). Это приводит к возникновению гармонических колебаний тока в контуре.
Датчик тока (12) измеряет колебания выходного тока и формирует на своем выходе сигнал напряжения, пропорциональный току в контуре. Детектор полярности (8) определяет направление тока, формируя лог. 0 или лог. 1 в зависимости от направления. В тоже время детектор полярности (7) определяет полярность выходного напряжения усилителя. Информация о полярности тока и напряжения поступает в логический контроллер (1), где происходит определение фазового сдвига между сигналами. По данной информации осуществляется корректировка сигналов управления драйвера ключей таким образом, чтобы выходное напряжение полумоста (3) было синфазно колебаниям тока в контуре.
Таким образом достигается резонансный режим работы генератора. Диаграмма сигналов резонансного режима представлена на фиг. 2. Выходная мощность генератора при данном методе управления определяется напряжением питания полумоста (3) и эквивалентным сопротивлением разряда (10). Управление выходной мощностью осуществляется посредством регулирования напряжения питания полумоста (13). Такой подход требует дополнительного регулируемого источника питания, что приводит к увеличению габаритов и сложности системы, а также уменьшает КПД.
Заявленное техническое решение позволяет регулировать выходную мощность генератора при постоянном напряжении питания транзисторного полумоста (13).
Данный результат достигается с помощью резонансной импульсной модуляции (РИМ) выходного напряжения усилителя мощности.
В отличии от классического метода, когда полумост (3) непрерывно переключается синхронно со сменой направления тока в колебательном контуре (6,9), метод РИМ добавляет паузы в работу усилителя, длительность которых кратная периоду затухающих колебаний в контуре. Во время пауз выходное напряжение усилителя удерживается в нуле, замыкая колебательный контур накоротко. Диаграмма сигналов в режиме РИМ представлена на фиг. 3.
Работа генератора делится на две фазы.
Работа генератора в первой фазе происходит по тому же алгоритму, что и без использования РИМ. Усилитель мощности выдает серию прямоугольных импульсов. Контроллер управления (1) по сигналам детекторов полярности (7, 8) отслеживает и компенсирует фазовый сдвиг между выходным напряжением полумоста и выходным током, добиваясь резонансного режима работы. В результате частота и фаза выходного напряжения усилителя приблизительно равна частоте и фазе тока в контуре (6, 9). Происходит рост амплитуды выходного тока и, как следствие, потенциальной энергии контура.
Во время второй фазы контроллер управления (1) формирует на входе драйвера ключей (2) логический ноль. Драйвер ключей (2) закрывает верхний ключ транзисторного полумоста (3) и открывает нижний. В итоге выходное напряжение усилителя удерживается в нуле, замыкая колебательный контур накоротко. Во время второй фазы энергия перестает закачиваться в колебательный контур, в результате чего происходит постепенное затухания тока контура.
Кратность длительности второй фазы периоду затухающих колебаний позволяет сохранить резонансный режим работы, и минимизировать потери транзисторов на переключении, поскольку переключение транзисторов происходит при нулевом выходном токе моста 3.
Колебания тока в контуре непрерывны в обоих фазах, поэтому энергия поступает в разряд также в обоих фазах. Задавая длительность первой и второй фазы, можно регулировать средний ток в контуре и среднюю мощность, поступающую в плазменный разряд.
Для схемы генератора, представленной на фиг. 1, длительность фаз вычисляет и формирует контроллер управления (1) исходя из значения заданной мощности. Если эквивалентное сопротивление (10) и индуктивность (11) разряда известны, то используя базовые уравнения электродинамики можно однозначно вычислить требуемую длительность обоих фаз для получения требуемой выходной мощности.
Например, для индукционного плазменного разряда при использовании схемы замещения (9) уравнение, связывающее выходную активную мощность генератора и длительность фаз, в первом приближении имеет следующий вид:
- количество периодов колебаний выходного тока в первой фазе;
- количество периодов колебаний выходного тока во второй фазе;
- суммарное количество периодов в обоих фазах;
- коэффициент затухания резонансного контура;
- выходная активная мощность генератора;
- эквивалентное сопротивление нагрузки;
- напряжение питания полумоста;
- математическая константа.
Если коэффициент затухания контура  и суммарная длительность фаз  достаточно малы, чтобы удовлетворить условию (), то выходная мощность генератора может быть описана более простым уравнением:
Аналогичные уравнения быть получены для других схем замещения плазменного разряда, а также для емкостного плазменного разряда.
Метод РИМ позволяет регулировать выходную мощность генератора варьируя значения  и . При этом нет необходимости варьировать напряжение питания , что делается при классическом способе регулирования.
Данный метод регулирования выходной мощности был экспериментально апробирован на источнике ионов с индукционным плазменным разрядом. Для этого был разработан прототип резонансного высокочастотного генератора, способного функционировать в режиме РИМ.
Тестирование генератора проводилось на базе вакуумного стенда, предназначенного для испытаний высокочастотных источников ионов. Структура испытательного стенда представлена на фиг. 4. В состав стенда входил прототип высокочастотного генератора (17), подключенный к управляющему компьютеру (16). Выход генератора был подключен к индуктору источника ионов (23), установленному в вакуумной камере (24).
В качестве рабочего тела использовался ксенон. Газ подавался посредством регулятора расхода (20). Сетки ионно-оптической системы (25) запитывались от высоковольтного источника постоянного напряжения (22). Выходной ток генератора измерялся с помощью индукционного датчика тока (19), подключенного к осциллографу (18). Выходное напряжение генератора посредствам делителя напряжения (23) также измерялось с помощью осциллографа (18). По осциллограммам тока и напряжения вычислялась активная выходная мощность генератора. В качестве примера, в таблицах 1 и 2 представлены параметров стенда и значения выходной мощности генератора, полученные при варьировании значений  и .
Таблица 1. Параметры стенда.
Параметр
Значение
Диаметр ионно-оптической системы
Форма индуктора
Цилиндрическая
Число витков
5
Диаметр провода
Расход рабочего тела
1 см^3
Потенциал эмиссионного электрода
1500 В
Потенциал ускоряющего электрода
-500 В
Напряжение питания генератора
16
Частота генератора
2 МГц
Таблица 2. Параметры регулирования.
Фаза 1, <img file="00000002.jpg" he="9" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Фаза 2, <img file="00000003.jpg" he="10" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Выходная мощность, Вт
10
0
69
9
1
53
8
2
43
7
3
34
6
4
25
5
5
19
4
6
14