CN112532198B - 一种射频离子源阻抗匹配方法及装置 - Google Patents

一种射频离子源阻抗匹配方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种射频离子源阻抗匹配方法及装置，将谐振电路串接在逆变电路与射频离子源之间，通过谐振方式使射频离子源获得同相位的正弦电压和电流，当射频离子源等效阻抗发生改变时，会导致负载回路的谐振频率发生改变，通过谐波识别和扫频检测方法获得谐振电路和射频离子源的谐振频率，通过改变逆变电路开关管驱动信号的频率来改变逆变电路的输出频率，使逆变电路的输出频率与负载回路的谐振频率一致，重新谐振，从而解决阻抗匹配的问题，保证最大功率传输。

Description

一种射频离子源阻抗匹配方法及装置
技术领域
本发明属于射频离子源技术领域，尤其涉及一种通过RLC谐振网络实现射频离子源阻抗匹配的方法及装置。
背景技术
目前，在使用的大功率射频离子源大多数采用逐级放大式的电源进行供电（可参考Jiang, C., et al., Design of power supply system for the prototype RF-driven negative ion source for neutral beam injection application. FusionEngineering and Design, 2017. 117: p. 100-106.），提供射频能量，通过在电源和射频离子源之间串接匹配箱的方法实现阻抗匹配，保证最大功率传输（即电压电流同相位，负载为阻性）。匹配箱一般有L型、T型、Π型等拓扑结构，含有多组串并联的电容或者多组电容和电感的串并联（可参考Jiang, C.C., et al., Analysis and Experimental Study ofImpedance Matching Characteristic of RF Ion Source on Neutral Beam Injector.Ieee Transactions on Plasma Science, 2018. 46(7): p. 2677-2679.）。采用匹配箱实现阻抗匹配存在以下弊端：
一是在大功率背景下，匹配箱通常需要做得很大很笨重（几十到几百公斤），元器件较多，通常包含若干个电容或者电感，因此成本也较高。
二是在射频离子源等效阻抗变动时需要手动调节匹配箱参数完成匹配，频率调节效果不明显，难以实现在线远程调节。
三是由于射频离子源阻抗变化速度非常快，目前采用匹配箱的方法不能实时实现阻抗匹配，导致离子源工作效率低，而且由此产生的过电压严重威胁了离子源的安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种射频离子源阻抗匹配方法及装置，以解决匹配箱实现阻抗匹配体积大、笨重以及成本高的问题，以及手动调节匹配箱参数时频率调节效果不明显，难以实现在线远程调节的问题。
本发明独立权利要求的技术方案解决了上述发明目的中的一个或多个。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种射频离子源阻抗匹配方法，电路结构包括驱动电路、逆变电路、谐振电路以及检测电路，所述驱动电路的输入端与检测电路的输出端连接，所述驱动电路的输出端与逆变电路的控制端连接，所述谐振电路和射频离子源串接在所述逆变电路的输出端，所述检测电路串接在所述谐振电路与射频离子源之间，所述逆变电路的输入端通过整流滤波电路与交流电源连接，所述阻抗匹配方法包括以下步骤：
步骤1：检测负载回路中的电压信号和电流信号，识别所述电压信号和电流信号中的谐波分量，并记录谐波分量中的基波频率；
步骤2：将谐波分量中的基波频率反馈给驱动电路，驱动电路根据基波频率调节逆变电路开关管驱动信号的频率，使逆变电路开关管驱动信号的频率等于所述基波频率；
步骤3：检测电路持续工作，判断总谐波分量是否超过给定阈值，如果总谐波分量超过给定阈值，则转入步骤2，否则转入步骤3。
本发明中，将谐振电路串接在逆变电路与射频离子源之间，通过谐振方式使射频离子源获得同相位的正弦电压和电流，当射频离子源等效阻抗发生改变时，会导致负载回路的谐振频率发生改变，通过谐波识别和扫频检测方法获得谐振电路和射频离子源的谐振频率，通过改变逆变电路开关管驱动信号的频率来改变逆变电路的输出频率，使逆变电路的输出频率与负载回路的谐振频率一致，重新谐振，从而解决阻抗匹配的问题，保证最大功率传输。由于射频离子源可以等效为一个电感和一个电阻的串联，可以替代掉谐振电路中的电阻和电感，因此，很多情况下只需一个电容即可实现射频离子源的阻抗匹配，减少了元器件数量，大大降低了体积、重量和成本。由于改变谐振频率是通过改变PWM驱动信号的频率来实现的，因此调节速度快，效率高，提高了射频离子源工作效率，且不存在严重失配问题，避免了过电压对射频离子源安全性的影响。本发明不采用逐级放大式的电源拓扑结构，而采用逆变拓扑结构，使得使用谐振电路解决阻抗匹配问题成为现实，当射频离子源等效阻抗发生变化时，频率调节效果好，方便在线远程调节或者实现实时自动调节。
进一步地，所述给定阈值为射频离子源注入能量的3%。
本发明还提供一种射频离子源阻抗匹配装置，包括驱动电路、逆变电路、谐振电路以及检测电路，所述驱动电路的输入端与检测电路的输出端连接，所述驱动电路的输出端与逆变电路的控制端连接，所述谐振电路和射频离子源串接在所述逆变电路的输出端，所述检测电路串接在所述谐振电路与射频离子源之间，所述逆变电路的输入端通过整流滤波电路与交流电源连接；
所述驱动电路，用于为逆变电路的开关管提供频率可调的PWM驱动信号，以及识别所述检测电路反馈的基波频率，根据所述基波频率调节PWM驱动信号；
所述谐振电路，用于改变逆变电路负载端的电气参数，使负载端处于谐振状态；
所述检测电路，用于检测负载回路中的电压信号和电流信号，识别所述电压信号和电流信号中的谐波分量，记录谐波分量中的基波频率，并在总谐波分量超过给定阈值时将基波频率反馈给驱动电路。
进一步地，所述逆变电路为桥式逆变电路、正激逆变电路或反激逆变电路。
进一步地，所述谐振电路为RLC谐振电路、RC谐振电路、LC谐振电路或电容器。
进一步地，所述检测电路包括电压传感器、电流传感器和谐波检测器；所述电压传感器用于检测负载回路中的电压信号，所述电流传感器用于检测负载回路中的电流信号，所述谐波检测器用于识别所述电压信号和电流信号中的谐波分量，记录谐波分量中的基波频率，并在总谐波分量超过给定阈值时将基波频率反馈给驱动电路。
有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种射频离子源阻抗匹配方法及装置，在射频离子源等效阻抗发生变化时通过调节逆变电路的输出频率，使逆变电路的输出频率与负载回路谐振频率一致，再次实现谐振匹配，保证了最大功率传输，解决了阻抗匹配问题，方便在线远程调节或者实现自动调节；谐振电路与逆变电路可以实现集成，谐振电路在很多情况下仅一个电容器即可实现，不需要另外增加阻抗匹配装置，减少了元器件数量，大大降低了体积、重量和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中射频离子源阻抗匹配装置的电路原理图；
图2是本发明实施例中一种射频离子源阻抗匹配方法的流程图；
其中，1-驱动电路，2-谐振电路，3-射频离子源等效电路，4-检测电路。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例所提供的一种射频离子源阻抗匹配方法，如图1所示，该方法涉及到的电路结构包括驱动电路1、逆变电路（D1~D4/Q1~Q4）、RLC谐振电路2以及检测电路4，驱动电路1的输入端与检测电路4的输出端连接，驱动电路1的输出端与逆变电路的控制端连接，谐振电路2和射频离子源3串接在逆变电路（D1~D4/Q1~Q4）的输出端，检测电路4串接在谐振电路2与射频离子源3之间，逆变电路的输入端通过整流滤波电路（Z/C1）与交流电源AC连接。
驱动电路1用于为逆变电路的开关管Q1~Q4提供频率可调的PWM驱动信号，以及识别谐波检测器反馈的基波频率，根据基波频率调节PWM驱动信号，使逆变电路的输出频率与负载回路的谐振频率一致，实现阻抗匹配，保证了最大功率传输。
逆变电路包括但不限于桥式逆变电路、正激逆变电路、反激逆变电路以及其他类型逆变电路。逆变电路根据驱动电路1提供的PWM驱动信号将由整流滤波电路（Z/C1）转换后的直流电逆变成与PWM驱动信号频率一致的交流电。
谐振电路2包括但不限于RLC谐振电路、RC谐振电路、LC谐振电路或电容器，谐振电路2用于改变逆变电路负载端的电气参数，使负载端处于谐振状态。由于射频离子源可以等效为一个电感和一个电阻的串联，可以替代掉谐振电路2中的电阻和电感，因此，很多情况下只需一个电容即可实现射频离子源的阻抗匹配，减少了元器件数量，大大降低了体积、重量和成本。
检测电路4包括电压传感器、电流传感器和谐波检测器；电压传感器用于检测负载回路中的电压信号，电流传感器用于检测负载回路中的电流信号，谐波检测器用于识别电压信号和电流信号中的谐波分量，记录谐波分量中的基波频率，并在总谐波分量超过给定阈值时将基波频率反馈给驱动电路1。在谐波分量的基波频率下，电压电流信号最接近正弦信号，畸变小，此时电路消耗的无功功率最小，负载端处于谐振状态，电路中电流谐波分量最少，同等功率下负载器件上的电压和电流幅值最小。
如图2所示，该方法的具体步骤为：
步骤1：电压传感器、电流传感器分别检测负载回路中的电压信号和电流信号，谐波检测器识别电压信号和电流信号中的谐波分量，记录谐波分量中的基波频率。
步骤2：谐波检测器将谐波分量中的基波频率反馈给驱动电路1，驱动电路1根据基波频率调节逆变电路开关管Q1~Q4驱动信号的频率，使逆变电路开关管Q1~Q4驱动信号的频率在基波频率内。
步骤3：检测电路持续工作，判断总谐波分量是否超过给定阈值，如果总谐波分量超过给定阈值，则转入步骤2，使开关管Q1~Q4驱动信号的频率跟随谐波分量中的基波频率，使负载端获得标准的正弦波，否则转入步骤3。本实施例中，给定阈值为射频离子源注入能量的3%，给定阈值由可接受的电压电流相位差决定，原则上电压电流相位差越小越好。
在射频离子源等效阻抗发生变化时，会导致负载回路（包括谐振电路、检测电路以及射频离子源等效电路）的谐振频率改变，通过谐波检测器识别谐波含量，通过驱动电路扫频获取基波频率，并根据基波频率调节开关管Q1~Q4的PWM驱动信号频率，改变逆变电路的输出频率，使逆变电路的输出频率与负载回路的谐振频率一致，重新实现了谐振，从而解决阻抗匹配的问题，保证了最大功率传输。谐振电路与逆变电路可以集成，无需外挂。由于改变谐振频率是通过改变PWM驱动信号的频率来实现的，因此调节速度快，效率高，提高了射频离子源工作效率，且不存在严重失配问题，避免了过电压对射频离子源安全性的影响。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种射频离子源阻抗匹配方法，其特征在于：电路结构包括驱动电路、逆变电路、谐振电路以及检测电路，所述驱动电路的输入端与检测电路的输出端连接，所述驱动电路的输出端与逆变电路的控制端连接，由所述谐振电路、检测电路以及射频离子源依次连接组成支路，所述支路与所述逆变电路的输出端连接，所述逆变电路的输入端通过整流滤波电路与交流电源连接，所述阻抗匹配方法包括以下步骤：
步骤1：检测负载回路中的电压信号和电流信号，识别所述电压信号和电流信号中的谐波分量，并记录谐波分量中的基波频率；
步骤2：将谐波分量中的基波频率反馈给驱动电路，驱动电路根据基波频率调节逆变电路开关管驱动信号的频率，使逆变电路开关管驱动信号的频率等于所述基波频率；
步骤3：检测电路持续工作，判断总谐波分量是否超过给定阈值，如果总谐波分量超过给定阈值，则转入步骤2，否则转入步骤3。
2.如权利要求1所述的射频离子源阻抗匹配方法，其特征在于：所述给定阈值为射频离子源注入能量的3%。
3.一种射频离子源阻抗匹配装置，其特征在于：包括驱动电路、逆变电路、谐振电路以及检测电路，所述驱动电路的输入端与检测电路的输出端连接，所述驱动电路的输出端与逆变电路的控制端连接，由所述谐振电路、检测电路以及射频离子源依次连接组成支路，所述支路与所述逆变电路的输出端连接，所述逆变电路的输入端通过整流滤波电路与交流电源连接；
所述驱动电路，用于为逆变电路的开关管提供频率可调的PWM驱动信号，以及识别所述检测电路反馈的基波频率，根据所述基波频率调节PWM驱动信号；
所述谐振电路，用于改变逆变电路负载端的电气参数，使负载端处于谐振状态；
所述检测电路，用于检测负载回路中的电压信号和电流信号，识别所述电压信号和电流信号中的谐波分量，记录谐波分量中的基波频率，并在总谐波分量超过给定阈值时将基波频率反馈给驱动电路。
4.如权利要求3所述的射频离子源阻抗匹配装置，其特征在于：所述逆变电路为桥式逆变电路、正激逆变电路或反激逆变电路。
5.如权利要求3所述的射频离子源阻抗匹配装置，其特征在于：所述谐振电路为RLC谐振电路、RC谐振电路、LC谐振电路或电容器。
6.如权利要求3所述的射频离子源阻抗匹配装置，其特征在于：所述检测电路包括电压传感器、电流传感器和谐波检测器；所述电压传感器用于检测负载回路中的电压信号，所述电流传感器用于检测负载回路中的电流信号，所述谐波检测器用于识别所述电压信号和电流信号中的谐波分量，记录谐波分量中的基波频率，并在总谐波分量超过给定阈值时将基波频率反馈给驱动电路。
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