CN112467998B - 一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源 - Google Patents

一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源。所述电源包括主电路和控制电路；主电路包括依次连接的整流滤波模块、全桥逆变模块、原边谐振电感模块以及中频变压器模块；所述控制电路包括DSP控制器模块、信号检测模块。本发明能够提高等离子体电源的提高驱动能力、增强等离子体电源对多种等离子体发生器的适应性、提高电源效率、改善电源的动态特性及降低软硬件成本。

Description

一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源
技术领域
本发明属于等离子体领域，特别涉及到等离子体电源领域，具体一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源。
背景技术
等离子体技术作广泛应用于电子、通信、汽车、纺织、生物医疗等领域。等离子体的激发方式主要有电场、光、高能射线或高温等方法，工业中的制备方法常用高压电作为激励，通过电场加速气体中的电子、离子或高能粒子的运动，使其相互碰撞，将气体电离，从而生产等离子体。
由于等离子体负载瞬时变化剧烈，对电源系统的动态响应提出了较高的要求，传统的等离子体电源采用高压直流激励，具有难以抑制弧光放电、限流电阻损耗大量电能、易产生空心阴极效应，导致所处理工件上温度不均匀等缺点；而传统的中频高压电源体积和重量较大，动态响应慢，由于开关频率的提高，导致开关损耗增加，整体效率降低。并且随着等离子体应用的扩展，传统的电源由于仅适配某一类特定的等离子体发生器，难以满足品类日益丰富的等离子体发生器对电源的需求，并且电源硬件设计和软件控制单一，无法胜任多种等离子体发生器，多工作模式的场景。
鉴于此，基于移相全桥软开关的硬件拓扑设计可调整的原边电感，控制多个档位的能量密度，以适配不同的等离子体发生器负载对能量的需求；同时并利用峰值电流控制模式内外环的特点，根据等离子体负载的放电特性，控制峰值电流外环，实现多种工作模式的切换。
根据现有技术文献中提及，等离子体电源存在的体积大，效率低，功率因数低，动态响应慢(陈侃松,顾豪爽,孙奉娄,等.一种新型的中频交流等离子体电源[J].电路与系统学报,2006(04):78-81.)，负载适应能力弱等问题(贲洪奇,金祖敏,郝燕玲.峰值电流控制模式微等离子体氧化电源研究[J].电力电子技术,2004(02):59-61.)。
本发明旨在解决以上问题，提供一种体积小，效率高，动态响应快，多工作模式多能量密度适应不同负载的等离子体电源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的技术缺陷和不足，提供一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源，能够提高等离子体电源的提高驱动能力、增强等离子体电源对多种等离子体发生器的适应性、提高电源效率、改善电源的动态特性及降低软硬件成本。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源，包括主电路和控制电路；所述主电路包括依次连接的整流滤波模块、全桥逆变模块、原边谐振电感模块以及中频变压器模块；
所述整流滤波模块与三相交流输入电源连接；全桥逆变模块与控制电路连接，以实现由控制电路控制电源输出；原边谐振电感模块连接在全桥逆变模块中；中频变压器模块原边与全桥逆变模块相连接，副边连接负载；
所述控制电路包括DSP控制器模块、信号检测模块；DSP控制器模块与全桥逆变模块连接；信号检测模块检测主电路的电气参数并传递给DSP控制模块；DSP控制器模块将接收到的数据进行运算处理控制，并按照用户需求切换等离子体电源工作模式，对全桥逆变模块进行控制。
进一步地，所述主电路的工作原理如下：
三相交流输入电源连接整流滤波模块使交流电平滑滤波变为直流电；全桥逆变模块采用移相全桥软开关拓扑结构，直流电输入全桥逆变模块的移相全桥逆变电路，并且流经原边谐振电感模块，两路互补的PWM信号控制对角的两个功率开关管同时开通或者关断，将直流电转换为中频正弦波交流电；然后，中频正弦波交流电流入中频变压器模块进行电压变换；经过电压变换之后的中频高压正弦波交流电进入等离子体发生器负载，用于击穿工作气体产生等离子体。
进一步地，所述控制电路的工作原理如下：
信号检测模块检测整流滤波模块整流滤波后的母线电压V_BUS、初级峰值电流Ipri、变压器原边电流Ip_T以及输出电压V_OUT，将检测到的电压信号和电流信号传递至DSP控制模块；DSP控制模块对输入的信号进行运算，并根据峰值电流控制模式控制全桥逆变模块中四个功率开关管的开通与关断，实现多种工作模式下等离子体电源的工作，同时DSP控制模块还通过继电器控制原边谐振电感模块中多个电感的连接，实现不同能量密度的切换，以适应不同的负载需求。
进一步地，原边谐振电感模块包括三个原边谐振电感Lp和三个继电器开关S，根据负载的容值大小以及对能量密度的要求，通过DSP控制模块控制三个继电器开关S的开合，以切换三个电感Lp的不同连接，目的在于改变原边电流Ip_T的上升斜率，从而改变电源占空比，实现7种不同的能量密度，具体如下：
高能量密度档位high1、high2、high3分别对应第一电感LP1、第二电感LP2、第三电感LP3；中能量密度档位mid1、mid2、mid3分别对应的电感组合为第一电感LP1和第二电感LP2、第一电感LP1和第三电感LP3、第二电感LP2和第三电感LP3；低能量密度档位low对应的电感组合为第一电感LP1、第二电感LP2和第三电感LP3。
进一步地，中频变压器模块T带有包括一个初级和两个次级，初级与原边谐振电感模块中的原边谐振电感串联，其中一个次级为单匝线圈用于采集电压反馈信号即输出电压V_OUT；另一个次级输出中频高压电连接负载用于产生等离子体。
进一步地，控制电路采用双闭环控制结构的峰值电流控制模式，在现有技术的基础上根据负载的应用场景以及对电源的要求，构建多工作模式的等离子体电源，包括用户设定恒功率工作模式、用户设定恒电压工作模式、用户设定恒电流工作模式。
进一步地，所述双闭环控制结构中，内环固定为一个比较器，反向端连接信号检测模块的初级峰值电流Ipri，同向端连接外环的输出结果；外环包括功率外环、电压外环和电流外环；功率外环、电压外环和电流外环分别通过选择器连接内环；
功率外环包括功率PI控制器和乘法器，乘法器连接信号检测模块的初级峰值电流Ipri与母线电压V_BUS进行乘法运算，将乘法结果输出到功率PI控制器的同向端，功率PI控制器的反向端连接用户设定的功率，利用功率PI控制器得到输出功率与用户设定的功率的差值，并进行PI运算，将PI运算的结果传递至内环比较器的同向端，通过比较器输出控制PWM的开通或者关断，实现对主电路的控制，达到恒定输出功率的目的；
同理，电压PI控制器与电流PI控制器的原理与功率PI控制器相同，同向端去除乘法器，分别直接使用输出电压V_OUT与原边电流Ip_T进入对应的PI控制器，反向端分别是相应的用户设定的电压和电流，分别实现恒定输出电压和电流的目的；
通过选择器确定与内环连接的外环，进而确定等离子体电源的工作模式。
进一步地，等离子体电源的控制流程包括以下步骤：
S1、用户设定等离子体发生器的类型；
S2、用户设定等离子体电源的工作模式；
S3、原边谐振电感模块根据步骤S1和步骤S2自动选择能量密度；
S4、装载对应的最小工作占空比；
S5、读取信号检测模块的数据；
S6、执行用户设定的工作模式；
S7、判断电源是否稳定工作，若此时电源的输出已经与用户设定相匹配，则执行S8；如果电源输出并未达到用户设定，则返回步骤S5，继续读取检测模块的数据，通过调整PWM占空比D以调整电源输出，直到电源输出与用户设定匹配为止；
S8、判断占空比是否小于该能量密度下允许的最大占空比，若是则说明此时能量密度匹配等离子体发生器，电源工作正常，返回步骤S5；否则说明能量密度较低，电源停止并报警，提醒用户调整能量密度。
进一步地，等离子体发生器包括直喷发生器、旋转发生器及宽幅发生器，不同的等离子体发生器对输出电压以及能量密度的要求均不同；
工作模式包括恒功率工作模式、恒电压工作模式和恒电流工作模式。
进一步地，根据用户设定的发生器类型与工作模式，装载对应的最小工作占空比输出DSP控制信号，使等离子体电源工作，并产生等离子体；
步骤S7中，调整PWM的占空比D，以达到恒定功率/电压/电流模式的要求，通过判断PWM占空比D的变化量△D是否小于10％，确定电源是否已经进入稳定工作状态。
相比与现有技术，本发明的优点在于：
(1)提高了电源的效率。全桥逆变模块采用移相全桥软开关拓扑，实现零电压开关，降低了开关管在开通和关断时的损耗，提高了电源的效率。
(2)提高了动态响应和保护的可靠性。本发明采用“峰值电流控制模式”的双闭环控制，使系统具有以下优点：①逐周期控制，动态响应快，调节性能好，当输入或输出变化时，电流随之变化，并立即调整脉冲宽度；②易于实现限流和过流保护；③系统是一阶的，稳定裕量大，稳定性好；④为变压器提供了优秀的磁通平衡，减少了磁通饱和。
(3)提高了电源对多种负载的适应能力。通过在电源内添加多组不同感量的谐振电感，以控制初级峰值电流的上升斜率，影响开关管的占空比，进而达到控制能量密度的目的。利用这种方式，在面对多种等离子体发生器负载时，通过调整谐振电感的感量，可以使等离子体电源更好的匹配等离子体发生器，提高了电源的驱动能力，和对负载适应能力。(第一是为了补偿等离子体发生器容性负载，形成串联谐振；第二是为了在等离子体内部)
(4)提供了多种工作模式以应对不同的等离子体应用场景。根据系统使用的“峰值电流控制模式”的双闭环特点，只要修改外环为相应的功率外环、电压外环、或电流外环就可以达到恒压输出、恒功率输出、恒电流输出的工作模式，足以应对等离子体多种应用场景的工艺需求，提升了等离子体电源的价值。
附图说明
图1为本发明实施例中一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源的结构示意图；
图2为本发明实施例中等离子体电源的主电路原理图；
图3为本发明实施例中等离子体电源多工作模式原理图；
图4为本发明实施例中等离子体电源控制流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。
实施例：
一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源，如图1所示，包括主电路和控制电路；所述主电路包括依次连接的整流滤波模块、全桥逆变模块、原边谐振电感模块以及中频变压器模块；
所述整流滤波模块与三相交流输入电源连接；全桥逆变模块与控制电路连接，以实现由控制电路控制电源输出；原边谐振电感模块连接在全桥逆变模块中；中频变压器模块原边与全桥逆变模块相连接，副边连接负载。
所述控制电路包括DSP控制器模块、信号检测模块；DSP控制器模块与全桥逆变模块连接；信号检测模块检测主电路的电气参数并传递给DSP控制模块；DSP控制器模块将接收到的数据进行运算处理控制，并按照用户需求切换等离子体电源工作模式，对全桥逆变模块进行控制。
如图2所示，本实施例中，整流滤波模块和全桥逆变模块的结构如下：
整流滤波模块由VD1-VD6 6个二极管组成三相不控整流桥，将三相交流电整流成直流电；全桥逆变模块由Q1-Q4 4个功率开关管组成全桥结构，通过控制模块的PWM驱动，将直流电逆变为交流电。
如图2所示，所述主电路的工作原理如下：
三相交流输入电源连接整流滤波模块使交流电平滑滤波变为直流电；全桥逆变模块采用移相全桥软开关拓扑结构，直流电输入全桥逆变模块的移相全桥逆变电路，并且流经原边谐振电感模块，两路互补的PWM信号控制对角的两个功率开关管同时开通或者关断，将直流电转换为中频正弦波交流电；然后，中频正弦波交流电流入中频变压器模块进行电压变换；经过电压变换之后的中频高压正弦波交流电进入等离子体发生器负载，用于击穿工作气体产生等离子体。
如图2所示，所述控制电路的工作原理如下：
信号检测模块检测整流滤波模块整流滤波后的母线电压V_BUS、初级峰值电流Ipri、变压器原边电流Ip_T以及输出电压V_OUT，将检测到的电压信号和电流信号传递至DSP控制模块；DSP控制模块对输入的信号进行运算，并根据峰值电流控制模式控制全桥逆变模块中四个功率开关管的开通与关断，实现多种工作模式下等离子体电源的工作，同时DSP控制模块还通过继电器控制原边谐振电感模块中多个电感的连接，实现不同能量密度的切换，以适应不同的负载需求。
如图2所示，原边谐振电感模块包括三个原边谐振电感Lp和三个继电器开关S，根据负载的容值大小以及对能量密度的要求，通过DSP控制模块控制三个继电器开关S的开合，以切换三个电感Lp的不同连接，目的在于改变原边电流Ip_T的上升斜率，从而改变电源占空比，实现7种不同的能量密度，具体如下：
高能量密度档位high1、high2、high3分别对应第一电感LP1、第二电感LP2、第三电感LP3；中能量密度档位mid1、mid2、mid3分别对应的电感组合为第一电感LP1和第二电感LP2、第一电感LP1和第三电感LP3、第二电感LP2和第三电感LP3；低能量密度档位low对应的电感组合为第一电感LP1、第二电感LP2和第三电感LP3。
如图2所示，中频变压器模块T带有包括一个初级和两个次级，初级与原边谐振电感模块中的原边谐振电感串联，其中一个次级为单匝线圈用于采集电压反馈信号即输出电压V_OUT；另一个次级输出中频高压电连接负载用于产生等离子体。
如图3所示，控制电路采用双闭环控制结构的峰值电流控制模式，在现有技术的基础上根据负载的应用场景以及对电源的要求，构建多工作模式的等离子体电源，包括用户设定恒功率工作模式、用户设定恒电压工作模式、用户设定恒电流工作模式。
如图3所示，所述双闭环控制结构中，内环固定为一个比较器，反向端连接信号检测模块的初级峰值电流Ipri，同向端连接外环的输出结果；外环包括功率外环、电压外环和电流外环；功率外环、电压外环和电流外环分别通过选择器连接内环；
功率外环包括功率PI控制器和乘法器，乘法器连接信号检测模块的初级峰值电流Ipri与母线电压V_BUS进行乘法运算，将乘法结果输出到功率PI控制器的同向端，功率PI控制器的反向端连接用户设定的功率，利用功率PI控制器得到输出功率与用户设定的功率的差值，并进行PI运算，将PI运算的结果传递至内环比较器的同向端，通过比较器输出控制PWM的开通或者关断，实现对主电路的控制，达到恒定输出功率的目的；
同理，电压PI控制器与电流PI控制器的原理与功率PI控制器相同，同向端去除乘法器，分别直接使用输出电压V_OUT与原边电流Ip_T进入对应的PI控制器，反向端分别是相应的用户设定的电压和电流，分别实现恒定输出电压和电流的目的；
通过选择器确定与内环连接的外环，进而确定等离子体电源的工作模式。
如图4所示，等离子体电源的控制流程包括以下步骤：
S1、用户设定等离子体发生器的类型；
等离子体发生器包括直喷发生器、旋转发生器及宽幅发生器，不同的等离子体发生器对输出电压以及能量密度的要求均不同；
S2、用户设定等离子体电源的工作模式，包括恒功率工作模式、恒电压工作模式和恒电流工作模式；
S3、原边谐振电感模块根据步骤S1和步骤S2自动选择能量密度；
S4、根据用户设定的发生器类型与工作模式，装载对应的最小工作占空比输出DSP控制信号，使等离子体电源工作，并产生等离子体；
S5、读取信号检测模块的数据；
S6、执行用户设定的工作模式；
S7、通过判断PWM占空比D的变化量△D是否小于10％，确定电源是否已经进入稳定工作状态，若此时电源的输出已经与用户设定相匹配，则执行S8；如果电源输出并未达到用户设定，则返回步骤S5，继续读取检测模块的数据，通过调整PWM占空比D以调整电源输出，直到电源输出与用户设定匹配为止；
S8、判断占空比是否小于该能量密度下允许的最大占空比，若是则说明此时能量密度匹配等离子体发生器，电源工作正常，返回步骤S5；否则说明能量密度较低，电源停止并报警，提醒用户调整能量密度。

Claims (5)

1.一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源，其特征在于，包括主电路和控制电路；所述主电路包括依次连接的整流滤波模块、全桥逆变模块、原边谐振电感模块以及中频变压器模块；
所述整流滤波模块与三相交流输入电源连接；全桥逆变模块与控制电路连接，以实现由控制电路控制电源输出；原边谐振电感模块连接在全桥逆变模块中；中频变压器模块原边与全桥逆变模块相连接，副边连接负载；
所述控制电路包括DSP控制器模块、信号检测模块；DSP控制器模块与全桥逆变模块连接；信号检测模块检测主电路的电气参数并传递给DSP控制模块；DSP控制器模块将接收到的数据进行运算处理控制，并按照用户需求切换等离子体电源工作模式，对全桥逆变模块进行控制；
所述主电路的工作原理如下：
三相交流输入电源连接整流滤波模块使交流电平滑滤波变为直流电；全桥逆变模块采用移相全桥软开关拓扑结构，直流电输入全桥逆变模块的移相全桥逆变电路，并且流经原边谐振电感模块，两路互补的PWM信号控制对角的两个功率开关管同时开通或者关断，将直流电转换为中频正弦波交流电；然后，中频正弦波交流电流入中频变压器模块进行电压变换；经过电压变换之后的中频高压正弦波交流电进入等离子体发生器负载，用于击穿工作气体产生等离子体；
所述控制电路的工作原理如下：
信号检测模块检测整流滤波模块整流滤波后的母线电压V_BUS、初级峰值电流Ipri、变压器原边电流Ip_T以及输出电压V_OUT，将检测到的电压信号和电流信号传递至DSP控制模块；DSP控制模块对输入的信号进行运算，并根据峰值电流控制模式控制全桥逆变模块中四个功率开关管的开通与关断，实现多种工作模式下等离子体电源的工作，同时DSP控制模块还通过继电器控制原边谐振电感模块中多个电感的连接，实现不同能量密度的切换，以适应不同的负载需求；
控制电路采用双闭环控制结构的峰值电流控制模式，根据负载的应用场景以及对电源的要求，构建多工作模式的等离子体电源，包括用户设定恒功率工作模式、用户设定恒电压工作模式、用户设定恒电流工作模式；
所述双闭环控制结构中，内环固定为一个比较器，反向端连接信号检测模块的初级峰值电流Ipri，同向端连接外环的输出结果；外环包括功率外环、电压外环和电流外环；功率外环、电压外环和电流外环分别通过选择器连接内环；
功率外环包括功率PI控制器和乘法器，乘法器连接信号检测模块的初级峰值电流Ipri与母线电压V_BUS进行乘法运算，将乘法结果输出到功率PI控制器的同向端，功率PI控制器的反向端连接用户设定的功率，利用功率PI控制器得到输出功率与用户设定的功率的差值，并进行PI运算，将PI运算的结果传递至内环比较器的同向端，通过比较器输出控制PWM的开通或者关断，实现对主电路的控制，达到恒定输出功率的目的；
同理，电压PI控制器与电流PI控制器的原理与功率PI控制器相同，同向端去除乘法器，分别直接使用输出电压V_OUT与原边电流Ip_T进入对应的PI控制器，反向端分别是相应的用户设定的电压和电流，分别实现恒定输出电压和电流的目的；
通过选择器确定与内环连接的外环，进而确定等离子体电源的工作模式；
等离子体电源的控制流程包括以下步骤：
S1、用户设定等离子体发生器的类型；
S2、用户设定等离子体电源的工作模式；
S3、原边谐振电感模块根据步骤S1和步骤S2自动选择能量密度；
S4、装载对应的最小工作占空比；
S5、读取信号检测模块的数据；
S6、执行用户设定的工作模式；
S7、判断电源是否稳定工作，若此时电源的输出已经与用户设定相匹配，则执行S8；如果电源输出并未达到用户设定，则返回步骤S5，继续读取检测模块的数据，通过调整PWM占空比D以调整电源输出，直到电源输出与用户设定匹配为止；
S8、判断占空比是否小于该能量密度下允许的最大占空比，若是则说明此时能量密度匹配等离子体发生器，电源工作正常，返回步骤S5；否则说明能量密度较低，电源停止并报警，提醒用户调整能量密度。
2.根据权利要求1所述的一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源，其特征在于，原边谐振电感模块包括三个原边谐振电感Lp和三个继电器开关S，根据负载的容值大小以及对能量密度的要求，通过DSP控制模块控制三个继电器开关S的开合，以切换三个电感Lp的不同连接，目的在于改变原边电流Ip_T的上升斜率，从而改变电源占空比，实现7种不同的能量密度，具体如下：
高能量密度档位high1、high2、high3分别对应第一电感LP1、第二电感LP2、第三电感LP3；中能量密度档位mid1、mid2、mid3分别对应的电感组合为第一电感LP1和第二电感LP2、第一电感LP1和第三电感LP3、第二电感LP2和第三电感LP3；低能量密度档位low对应的电感组合为第一电感LP1、第二电感LP2和第三电感LP3。
3.根据权利要求2所述的一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源，其特征在于，中频变压器模块T带有包括一个初级和两个次级，初级与原边谐振电感模块中的原边谐振电感串联，其中一个次级为单匝线圈用于采集电压反馈信号即输出电压V_OUT；另一个次级输出中频高压电连接负载用于产生等离子体。
4.根据权利要求1所述的一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源，其特征在于，等离子体发生器包括直喷发生器、旋转发生器及宽幅发生器，不同的等离子体发生器对输出电压以及能量密度的要求均不同；
工作模式包括恒功率工作模式、恒电压工作模式和恒电流工作模式。
5.根据权利要求1所述的一种能量密度可调整的多工作模式等离子体电源，其特征在于，根据用户设定的发生器类型与工作模式，装载对应的最小工作占空比输出DSP控制信号，使等离子体电源工作，并产生等离子体；
步骤S7中，调整PWM的占空比D，以达到恒定功率/电压/电流模式的要求，通过判断PWM占空比D的变化量△D是否小于10％，确定电源是否已经进入稳定工作状态。
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