CN101454863A - 用于光谱测定的发电机 - Google Patents
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Abstract
一种用于感应线圈(26)的射频发电机(10)，所述感应线圈用于在喷灯(27)内激发感应耦合等离子体以便进行光谱测定。该发电机(10)包括开关电路(12)，用于经由栅极驱动电压(22)使固态开关器件(20)在导通和截止之间交替地切换，从而将射频电能提供给包括感应线圈(26)和并联电容(25)的谐振负载电路(16)。用于每一个固态开关器件(20)的栅极驱动电路(24)包括与感应线圈(26)的引线互感耦合的部分(30)，用于提供栅极驱动电压(22)。该电路减少了元件，因此用于激发和维持感应耦合等离子体以便进行光谱测定的射频发电机就相对便宜些。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于感应线圈的射频(RF)发电机，这种感应线圈用于激发感应耦合等离子体(ICP)以便进行光谱测定。
背景技术
本文引用的参考文献或其他作为现有技术给出的文献不应被认为已承认该文献在本申请的优先权期限内在澳大利亚是已知的或者其所含的信息是常识的一部分。
在光谱测定法中，ICP可用作质谱分析(MS)的离子源或作为原子发射光谱测定(OES)的光源。ICP装置可由一个或更多与喷灯组件同轴安装的水冷感应线圈构成，通过该喷灯组件以仔细控制的速率引入氩气。射频电能被提供给感应线圈。氩不导电，所以其不通过感应线圈的射频电磁场被加热，直到等离子体被“轰击”，例如被氩中通过高电压火花所产生的小放电“轰击”。此放电产生足够的电子和离子以与射频电磁场相互作用，从而为离子和电子生成的过程产生足够的热以变成自持式的，从而维持该等离子体。
在光谱测定法应用中，等离子体的温度通常在3000开尔文(K)到10,000K范围内。变化的电磁场的频率可以在几兆赫兹(MHz)到许多GHz(千兆赫兹)的范围内，但是相对容易地将等离子体激发到适当温度的那个特别有用的范围是10MHz与50MHz之间。
用于提供射频电能的发电机必须能够产生用于激发和维持等离子体的足够大的功率，例如在500瓦特(W)到3千瓦特(kW)范围内。它还必须能够处理快速且显著的负载阻抗变化，例如在等离子体出乎意料地熄灭时会出现这种情况。它必须还能够处理例如在等离子体的激发和持续产生之间出现的的非恒定负载阻抗情况。
在光谱测定仪器中，另一重要因素是射频发电机的成本。光谱测定仪器装备是昂贵的，且其领域是竞争激烈的，因而如果这些仪器的制造商要在市场中保持竞争力的话，则要对诸如射频发电机或振荡器之类的部件进行成本限制。
本发明的一个目的是为光谱测定法提供用于激发和维持感应耦合等离子体的相对便宜的射频发电机。
发明内容
根据本发明，提供一种用于感应线圈的射频(RF)发电机，这种感应线圈用于激发感应耦合等离子体(ICP)以便进行光谱测定，所述射频(RF)发电机包括：
可在直流电源两端连接的开关电路，该开关电路包括固态开关器件，其每一个具有用于接收栅极驱动电压的栅极电极，籍此该固态开关器件可在导通和截止之间交替地切换，从而提供射频电能；
负载电路，来自开关电路的射频电能与其耦合，且该负载电路包括感应线圈和为并联谐振连接的电容；
用于每一个固态开关器件的栅极驱动电路，每一个栅极驱动电路包括与负载电路的一部分互感耦合的一部分，以使该栅极驱动电路提供栅极驱动电压。
更有利地，负载电路的所述部分是感应线圈的引线。
优选地，各个栅极驱动电路中与感应线圈的引线互感耦合的那部分是电感环，其可与感应线圈的引线平行延伸。
在本发明一实施例中，射频MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的全桥按射频频率进行切换，并通过耦合网络连接到并联的感应线圈和电容。用于MOSFET的栅极驱动电压最好是从用于等离子体感应线圈的框架引线旁边所放置的电感耦合环中获得的。这种安排是有利的，因为它将框架引线用作初级电感器并由此不再需要附加的部件从而降低了成本。此外，可例如经由印刷电路板上的导电迹线相对便宜地提供电感耦合环(即次级电感器)。可选地，栅极驱动电压可从负载电路的其他各部分获得。例如，它可从用于在开关电路与并联连接的感应线圈和电容之间耦合的电感中获得。
可使用交流到直流的转换器从交流供电电源获得用于固态开关电路的直流电源。交流到直流转换器可以是隔离的或非隔离的，且最好是二级转换器，其在隔离直流到直流转换器之前有交流到直流功率因数校正(PFC)转换器。还可使用非隔离直流到直流转换器。射频发电机的输出控制可通过直流电源电压的变化而实现，二级转换器的第二级有可能被用于改变上述输出直流电压。被调整的输出变量可以是输出功率、电流、电压或这些的某种组合，它们基于当前等离子体的情况而变化。调整感应线圈中的电流而非功率或其他量，使得控制变得容易，且在等离子体被发起或在它消失时不需要任何改变。在这些时候，等离子体阻抗在大范围内改变，但对电流进行调整会保证存在强磁场以便于点火，并在等离子体存在时使功率保持可接受地恒定。
与现有技术的固态发电机相比，本发明的各优选实施例具有更高的电源电压，使得寄生电感不再是问题，并通过MOSFET的全桥配置中固有的箝位对过电压进行很好的控制。这些实施例与仅使用一个或两个开关部件的现有技术固态发电机相比，其优点在于，使用了四个部件，且热耗在它们之间分布，从而使得冷却的任务变得更简单。
此外，在本发明的一些实施例中，通过将MOSFET开关器件所看到的负载设计成使得MOSFET输出电容在MOSFET被导通之前就被充分放电，从而发电机电路的效率可变得非常高。
为更好地理解本发明并示出如何执行它，因此现在将参考附图仅通过非限制性的示例开始描述各实施例。
附图简述
图1是表示根据本发明一实施例的射频发电机电路的功能框图；
图2示出根据本发明优选实施例的采用RF MOSFET的全桥的发电机；
图3示出图2的发电机电路，但其包括用于控制射频负载电流的修改；
图4示出图2的发电机电路的的另一修改，在负载电路中采用电容分压器；
图5示出根据本发明的使用互耦合交错式等离子体感应线圈的发电机的另一实施例；
图6是用于本发明一实施例的示出栅极驱动电路的电感环部分的结构部分的立体图。
具体实施方式
参考图1，根据本发明一实施例的射频发电机10包括可在直流电源14两端连接的开关电路12，其经由耦合电路18对负载电路16提供射频电能。开关电路12包括至少两个固态开关器件20，每一个具有用于从各个栅极驱动电路24接收栅极驱动电压的栅电极22，使固态开关器件20在导通和截止之间交替地切换，从而向负载电路16提供射频电能。负载电路16包括感应线圈26及平行连接的电容器25。感应线圈26用于在等离子体喷灯27中激发ICP以便进行光谱测定。感应线圈26通常与等离子体喷灯27同轴，例如氩的等离子体形成气体按受控的流速穿过等离子体喷灯27。感应线圈26包括框架引线28，且每个栅极驱动电路24包括与感应线圈26的框架引线28互感耦合的部件30，用于对栅极驱动电路24提供反馈以向栅电极22提供栅极驱动电压，从而使固态开关器件20在导通和截止之间进行切换。
电路10的输出可经由微处理机控制器32控制，其可根据负载电路变量的反馈来改变直流输入电源电压14(参见标号34)，这种负载电路变量的反馈可以是如标号36所示的感应线圈26中的电流。微处理机控制器32还可为栅极驱动电路24提供偏压38。一旦通过微处理机控制器32启动射频发电机10电路的运行，它就是自激振荡的。
由图2所示的实施例示出具有全桥开关电路的发电机电路50，该全桥开关电路包括四个射频金属氧化物半导体场效应晶体管(RF MOSFET)51、52、53和54(M1、M2、M3、M4)，每一个都是DE375-501N21A(IXYS RF)型或等价型号。此MOSFET的配置可用来向等离子体产生约1.5到2.0kW的射频功率输出。引入的直流电源56被电容器58(C10)旁路，以对感应线圈60(L5)中的射频电流提供低阻抗返回通路。电磁干扰(EMI)滤波器57位于直流电源56和电容器58之间。
电量从MOSFET 51-54的全桥通过负载耦合电感器61、62、63和64(L1、L2、L3和L4)耦合到感应线圈60(L5A)。在缺乏漏源电容器66、67、68和69(C6、C7、C8和C9)的情况下，感应线圈60(L5A)和相关引线80、82电感(L5B、L5C)与负载电容器70(C5)的并联组合以及负载耦合电感器62和63(L2和L3)在MOSFET 52(M2)和53(M3)导电时的串联组合(或负载耦合电感器61和64(L1和L4)在MOSFET 51(M1)和54(M4)导电时的串联组合)被设计成按指定的运行频率谐振，通常在13MHz到50MHz频率范围内。这些部件的最佳值将取决于感应线圈60(L5A)的电感、在感应线圈60内耦合到等离子体喷灯59内的等离子体的情况、以及等离子体的温度和大小，所以它们可通过模拟和试验确定。这些部件必须被设计成能够在发电机电路50的这部分内传送高射频电流。负载电容器70(C5)内的小量寄生电感不对电路运行产生实质影响。
漏源电容器66、67、68和69(C6、C7、C8和C9)在MOSFET51、52、53和54(M1、M2、M3和M4)上从漏极连接到源极。它们用来限制MOSFET上的漏源电压漂移。它们的值是取限制漏源电压与由需要MOSFET每一周期对它们放电引起的降低的电能转换效率之间的折衷。它们的存在还增大发电机电路50的运行功率，由于漏源电容器66、67、68或69与非导电MOSFET51、52、53、54上的负载耦合电感器61、62、63或64(L1、L2、L3或L4)之间的串联组合有效地与邻近导电MOSFET的负载耦合电感器并联出现。例如，在MOSFET 52(M2)导电时，负载耦合电感器61(L1)与连接到非导电MOSFET 51(M1)的电容器66(C6)之间的串联组合与负载耦合电感器62(L2)有效并联，因为电源导线72、74通过旁路电容器58(C10)而保持在同一射频电势。
用于MOSFET 51、52、53和54(M1、M2、M3和M4)的栅极驱动是通过来自负载电路的电感反馈获得的。这分别从耦合环77、76、79和78(L7、L6、L9和L8)获得，其与由到等离子体感应线圈60(L5A)的框架引线提供的电感器80和82(L5B和L5C)互感耦合。耦合环76和77(L6和L7)与框架引线80(L5B)耦合，然而耦合环78和79(L8和L9)与框架引线82(L5C)耦合。到耦合环76、77、78和79(L6、L7、L8和L9)的连接的相位是这样的：使得在MOSFET 52和53(M2和M3)导电的同时MOSFET 51和54(M1和M4)不导电。在运行频率的振荡周期的相反相位上，MOSFET 51和54(M1和M4)导电而MOSFET 52和53(M2和M3)处于不导电状态。
或者，不使用引线80和82，电感反馈可从耦合电感器61、62、63和64(L1、L2、L3和L4)获得。在此实施例中，栅极驱动电感器76、77、78和79(L6、L7、L8和L9)分别与耦合电感器62、61、64和63(L2、L1、L4和L3)互感耦合。
栅极驱动电路包括执行两种功能的栅极电容器84、86、88和90(C1、C2、C3和C4)。它们提供隔直流功能以防止到MOSFET 51、52、53和54(M1、M2、M3和M4)的偏置电源的短路。栅极电容器84-90还用来设置各个栅极驱动电路的谐振频率，该栅极驱动电路包括耦合环76、77、78和79(L6、L7、L8和L9)的电感以及栅极电容器84、86、88、90(C1、C2、C3和C4)与各个MOSFET 51、52、53和54(M1、M2、M3和M4)的栅极输入电容的串联组合。栅极驱动电路的谐振频率通常被设置成高于运行频率以使发电机50的直流到射频电能转换效率达到最大。
通过射频扼流圈91、92、93、94、95和96(RFC1，RFC2A，RFC2B，RFC3，RFC4A和RFC4B)，从受微处理机控制系统102控制的直流偏置电源97、98、99和100中耦合出用于MOSFET51、52、53和54(M1、M2、M3和M4)的栅源偏压。电阻器111、112、113和114(R1、R2、R3和R4)分别在各个MOSFET51、52、53和54的栅极和源极之间连接，并在缺乏来自微处理机控制偏置电源97-100的偏压的情况下将栅源偏压设为零，以确保MOSFET51-54不导电直到施加偏压以起动发电机电路50的振荡。
控制感应线圈60(L5A)中的射频电流以控制等离子体喷灯59中的等离子体的温度是最方便的。此功能是通过使用射频变流器116(T1)容易执行，该变流器的初级绕组与由感应线圈60(L5A)、其相关联的框架引线80和82(L5B和L5C)以及电容器C5形成的谐振电路串联连接。来自变流器116(T1)的次级绕组的输出可与镇流电阻器连接，且然后在等离子体线圈电流检测器118中整流以生成直流反馈信号，该信号可通过微处理机控制系统102中的模数转换器测量。依次，微处理机控制系统102控制对发电机电路50提供直流电源的可变直流电源56的输出电压。通过这种方法，建立感应线圈60(L5A)内的射频电流。
用于控制感应线圈60中的射频电流的可选方法(由图3所示)是通过测量一些或所有MOSFET 51、52、53、54上的栅源电压，因为此电压是从栅极耦合电感器76、77、78、79中获得、且因此与感应线圈60中的电流成比例。如图3所示，包括常规二极管整流器117(D4、D5)和电容器119(C13、C14)的栅电压检测电路被用来在线路121上生成直流电压，该电压由微处理机控制系统102测量，并又被用来控制直流电源56，从而使感应线圈60中的射频电流达到稳定。
直接模拟控制来自等离子体检测器输出的可变电源的也是可能的。该微处理机控制系统102还通过测量电流感测电阻102(R5)两端的电降来监控由射频发电机50带来的直流电源电流。通过这种方法，如果电弧在感应线圈60两端形成，则对射频发电机50的各部件提供附加的保护。可变直流电源56和微处理机控制系统102都是从交流干线电源获得电能的。
图4(其中与图2中相同的部件使用与图2中相同的附图标记)示出固态射频电源50的另一实施例，该固态射频电源50使用电容器70a和70b(C5A和C5B)的电容分压器代替谐振电容器70(C5)，该电容分压器通过关于接地电势平衡电感或工作线圈60的电势以最小化等离子体电势。针对此实施例，有必要使用关于接地电势被平衡的可变直流电源56。在所有其他各方面中，此版本的射频发电机50的运行与图4所示的一致。
微处理机控制系统102在起动射频发电机50时是有帮助的。它控制起动MOSFET 51、52、53和54(M1、M2、M3和M4)的导电的栅源偏置电源97、98、99和100。为起动射频发电机50，微处理机控制系统102最初将可变直流电源56设置到减小电压(例如50伏特)，且然后渐渐将栅极偏置电源97、98、99和100增大到栅极阈值电压以起动导电，如通过电流感测电阻器102(R5)两端上的压降所测得的。在这一点上，建立振荡并可将可变直流电源56的输出电压增加到最终操作值(例如200伏特)。如等离子体系统已知的那样，通过电离火花放电到流入等离子体喷灯59的氩气，引发等离子体放电。
为栅极驱动电路的电感反馈使用感应线圈60的框架引线80、82作为初级电感器提供几种优点。首先它减少元件部分。此外进一步的简化也是可能的，因为可容易提供耦合环76、77、78和79，例如经由适当成形的铜条，或者经由印刷电路板上的导电迹线(以下将要描述)。耦合环76、77、78和79还具有低电感，这允许MOSFET 51、52、53、54(M1、M2、M3、M4)的直接栅极驱动；即不需要放大栅极驱动电路中的元件部分。
图2的电路的示例元件部分值：
电路标记 部件描述 值
66，67，68，69 漏源电容器 (C6，C7，C8，C9) 160pF
61，62，63，64 储能(TANK)反馈 (L1，L2，L3，L4) 450nH
电感器
84，86，88，90 栅极耦合电容器 (C1，C2，C3，C4) 1.2nF
76，77，78，79 栅极印刷电路板电感 (L6，L7，L8，L9) 30nH
器
60 电感(工作)线圈 (L5A) 270nH
80，82 电感(工作)线圈列 (L5B，L5C) 13nH
70 储能电容器 (C5) 200pF
111，112，11 栅源电阻器 (R1，R2，R3，R4) 10K
3，114
91，92，93，94 偏置电感器 (RFC1，RFC2A，RFC2B，220uH
，95，96 RFC3，RFC4A，RFC4B)
77和76到 栅极电感耦合系数 L6/L7到L5B 0.035
80
78和79到 L8/L9到L5C 0.035
82
对于如上所释的射频发电机，典型的直流到射频的能量转换效率在190伏特的DC电源电压下高于80％。
图5(其中与图2相同的部件使用与图2相同的附图标记)示出针对使用互感耦合的、交错式等离子体感应线圈60a和60b(L5A/1、L5A/2)的固态RF电源50’的可选实施例，如特纳(Turner)(美国专利5,194,731)所述。在此配置中，有必要采用关于接地电势平衡的直流电源56’。在此配置中，需要两个电源旁路电容器58a和58b(C10A、C10B)。还需要附加的射频扼流圈91a(RFC1B)以建立偏压基准点，因为用于MOSFET51和53(M1和M3)的偏置电源97和99必须现在相对于负直流电源导线74’漂移，而非相当于如图2中的实施例中的接地电势。在所有其他各方面，此版本的射频发电机50’的运行与图2中所示的一致。
用于可变直流电源56的功率因数校正升压器和直流到直流的转换器可根据已有的技术来制造或者完整的转换器可作为元件从电源制造商处购买。对此应用没有具体要求，除了输出电压为约200V之外。
参考图6(其中与图2相同的部件使用与图2相同的附图标记)，用于根据本发明图2实施例的电源50的结构200的一部分包括支承两对相反朝向的印刷电路板204、206的框架202。其中等离子体喷灯(未示出)是可定位的感应线圈60，包括结构上支承相对于印刷电路板204、206和框架202的组件200的感应线圈60的引线80和82。感应线圈60及其引线80和82可由在发电机50运行时冷却剂流经其的铜管构成。
印刷电路板204包括导电迹线210，其每一个具有与引线80相邻并与其平行延伸的部分，且该部分分别提供感应耦合环76(L6)和77(L7)。电容器84(C1)和86(C2)以及MOSFET51(M1)和52(M2)是安装在印刷电路板204上的导电迹线210上的分立部件。相对于引线82的耦合环78、79、以及电容器88、90(C3、C4)和MOSFET53和54(M3和M4)的类似排列(在图6中不可见)由另一印刷电路板206提供。为清楚说明相对于感应线圈60的框架引线80、82的感应耦合环76、77的排列，各种附加的部件已从图6的说明中被略去。这些被省略的部件包括电容器70、66、67、58(C5、C6、C7、C10)、电感器61、62(L1、L2)、电阻器111、112(R1、R2)、以及射频扼流圈91、92和93(RFC1、RFC2A、RFC2B)。
其中感应耦合环76、77、78和79经由印刷电路板204和206上的导电迹线210提供的电路拓扑使容易实现且节省成本的构造成为可能。
在此描述的本发明容许不同于那些具体描述过的内容的变体、修改和/或添加，且可以理解本发明包括落在以下权利要求的范围之内的所有这些变体、修改和/或添加。
Claims (13)
1.一种用于感应线圈的射频(RF)发电机，所述感应线圈用于激发感应耦合等离子体(ICP)以便进行光谱测定，所述射频(RF)发电机包括：
可在直流电源两端连接的开关电路，所述开关电路包括固态开关器件，每一个固态开关器件都具有用于接收栅极驱动电压的栅极电极，籍此所述固态开关器件可在导通和截止之间交替地切换以便提供射频电能；
负载电路，来自所述开关电路的射频电能与其耦合，且所述负载电路包括所述感应线圈和为并联谐振而连接的电容；
用于各个固态开关器件的栅极驱动电路，每一个栅极驱动电路包括与所述负载电路的一部分互感耦合的一部分，以使所述栅极驱动电路提供所述栅极驱动电压。
2.如权利要求1所述的射频(RF)发电机，其特征在于，所述负载电路的所述部分是所述感应线圈的引线。
3.如权利要求2所述的RF发电机，其特征在于，各个栅极驱动电路的所述部分是电感环。
4.如权利要求3所述的RF发电机，其特征在于，所述电感环与所述感应线圈的引线平行延伸。
5.如权利要求3或4所述的RF发电机，其特征在于，各个电感环由印刷电路板上的导电迹线提供。
6.如权利要求1至5中任一项所述的RF发电机，其特征在于，所述固态开关器件是绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的RF发电机，其特征在于，所述开关器件包括按全桥配置排列的四个MOSFET。
8.如权利要求1至7中任一项所述的RF发电机，它包括直流电压电源，其中，直流电压是可变的以便改变所述发电机的输出。
9.如权利要求8所述的RF发电机，其特征在于，所述直流电压是可以根据来自所述负载电路的测得的变量而变化的。
10.如权利要求9所述的RF发电机，其特征在于，来自所述负载电路的测得的变量是所述感应线圈谐振电路中的RF电流。
11.如权利要求8所述的RF发电机，其特征在于，所述DC电压是可以根据所述固态开关器件中的至少一个的栅极驱动电压而变化的。
12.如权利要求8至11中任一项所述的RF发电机，其特征在于，所述直流电压电源包括可连接到交流供电电源的交流到直流转换器。
13.如权利要求12所述的RF发电机，其特征在于，所述交流到直流转换器是二级转换器，所述二级转换器具有交流到直流功率因数校正转换器以及其后的直流到直流转换器。
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