DE112022003244T5 - HIGH FREQUENCY PULSE AC POWER SUPPLY WITH HIGH POWER DENSITY AND LONG LIFE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer. Die Stromversorgung weist einen Hochfrequenzimpuls-Wechselstrom-Stromversorgungskörper, einen austauschbarer Stecksockel, einen Leistungsverteilungsschalter und eine Lebensdauererkennungseinheit auf. Eine Elektrolytkondensator-Array-Einheit ist als steckbare und austauschbare Moduleinheit konzipiert, so dass die Kapazitätsspanne der Elektrolytkondensator-Array-Einheit nicht vervielfacht werden muss, um eine bestimmte Lebensdauer einer Hochspannungsimpuls-Stromversorgung zu gewährleisten, der Konfigurationsspielraum der Elektrolytkondensator-Array-Einheit verringert wird, und die Leistungsdichte einer Ansteuerungsstromversorgung verbessert wird. Eine vom Leistungsverteilungsschalter ausgegebene DC-Busspannung wird von der Lebensdauererkennungseinheit erfasst und mit einem unteren Lebensdauergrenzwert verglichen, und wenn die DC-Busspannung unter dem unteren Lebensdauergrenzwert liegt, wird der Leistungsverteilungsschalter so gesteuert, dass er ausgeschaltet wird, um einen Benutzer zum Austausch der Elektrolytkondensator-Array-Einheit aufzufordern, wodurch die Lebensdauer der gesamten Stromversorgung verlängert wird.The invention relates to a high frequency pulse AC power supply with high power density and long life. The power supply comprises a high frequency pulse AC power supply body, a replaceable plug-in base, a power distribution switch and a life detection unit. An electrolytic capacitor array unit is designed as a plug-in and replaceable module unit, so that the capacitance range of the electrolytic capacitor array unit does not need to be multiplied to ensure a certain life of a high voltage pulse power supply, the configuration margin of the electrolytic capacitor array unit is reduced, and the power density of a drive power supply is improved. A DC bus voltage output from the power distribution switch is detected by the lifetime detection unit and compared with a lower lifetime limit, and when the DC bus voltage is below the lower lifetime limit, the power distribution switch is controlled to turn off to prompt a user to replace the electrolytic capacitor array unit, thereby extending the lifetime of the entire power supply.
Description
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der chinesischen Patentanmeldung Nr.
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das technische Gebiet der Stromversorgung, insbesondere auf eine Hochfrequenzimpuls-AC-(Wechselstrom)-Stromversorgung mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer.The present disclosure relates to the technical field of power supply, particularly to a high-power-density, long-life, high-frequency pulse AC (alternating current) power supply.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Die Hochfrequenz-AC-Stromversorgung ist in Niedertemperatur-Plasmaquellen weit verbreitet und gibt hauptsächlich Impulsenergie aus, um verschiedene Arten von Niedertemperatur-Plasmaelektroden zur Erzeugung plasmaaktiver Teilchen anzusteuern und so eine sichere, stabile und zuverlässige Anwendung von Niedertemperatur-Plasmaquellen in verschiedenen Bereichen zu gewährleisten. Derzeit ist die Integration und Miniaturisierung der Niedertemperatur-Plasmaquellenvorrichtung ein unvermeidlicher Trend in der Anwendung und Entwicklung, und der größte Teil des Volumens und des Gewichts der Plasmaquellenvorrichtung konzentriert sich auf die Ansteueranregungsstromversorgungseinheit, so dass die Optimierung der Ansteueranregungsstromversorgung, insbesondere die am häufigsten verwendete Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung, um eine hohe Leistungsdichte und lange Lebensdauer der Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung zu erreichen, das zentrale Kernproblem ist, um die Integration und Miniaturisierung der Plasmaquellenvorrichtung zu realisieren. Der Elektrolytkondensator ist einer der Kondensatoren und hat eine positive Elektrode, die aus einer Metallfolie (im Allgemeinen Aluminium oder eine flache Pfanne) besteht. Derzeit ist der Aluminium-Elektrolytkondensator auf dem Markt am weitesten verbreitet oder geläufiger. Die Oxidschicht in der Nähe der positiven Elektrode ist ein Elektrolyt, und die Kathode besteht aus leitenden Materialien, einem Elektrolyt und anderen Materialien. Der Elektrolytkondensator ist eine wichtige Komponente der Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung und ist außerdem die größte und schwächste Komponente in der Stromversorgung. Sein Betriebszustand wirkt sich direkt auf die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Hochfrequenz-AC-Stromversorgung aus.High frequency AC power supply is widely used in low temperature plasma sources, mainly outputting pulse energy to drive various types of low temperature plasma electrodes to generate plasma active particles, thus ensuring safe, stable and reliable application of low temperature plasma sources in various fields. At present, the integration and miniaturization of low temperature plasma source device is an inevitable trend in application and development, and most of the volume and weight of plasma source device is concentrated in the driving excitation power supply unit, so how to optimize the driving excitation power supply, especially the most commonly used high frequency pulse AC power supply, to achieve high power density and long life of high frequency pulse AC power supply is the central core problem to realize the integration and miniaturization of plasma source device. Electrolytic capacitor is one of the capacitors and has a positive electrode made of metal foil (generally aluminum or flat pan). At present, the most common or common type of aluminum electrolytic capacitor on the market is the aluminum electrolytic capacitor. The oxide layer near the positive electrode is an electrolyte, and the cathode is composed of conductive materials, electrolyte and other materials. The electrolytic capacitor is an important component of the high frequency pulse AC power supply, and it is also the largest and weakest component in the power supply. Its working condition directly affects the safety and reliability of the high frequency AC power supply.
Wenn die Hochfrequenz-AC-Stromversorgung verwendet wird, hält der Elektrolytkondensator der Hochfrequenzspannung lange Zeit stand und seine Lebensdauer nimmt schnell ab. Um die Lebensdauer der Stromversorgung rechtzeitig zu beobachten, ist es daher notwendig, den Wartungszustand des Elektrolytkondensators zu überwachen. Derzeit umfassen die Verfahren zur Überwachung des Betriebszustands des Elektrolytkondensators hauptsächlich ein Offline-Überwachungsverfahren und ein Online-Überwachungsverfahren. Die bestehenden Schemata sind wie folgt. (1) Ein Leistungsfaktor-Korrekturwandler wird hinzugefügt, um den Zustand des Elektrolytkondensators auf der Grundlage der Analyse der Kondensatorwelligkeitsspannung zu überwachen. (2) Ein isolierter Stromverstärker wird hinzugefügt, um die Spannungswerte von zwei Kondensatoren zu einem bestimmten Zeitpunkt im Zyklus zur Berechnung der Werte von ESR (Equivalent Series Resistance; äquivalenter Serienwiderstand) und C zu erfassen. (3) Ein Online-Verlusterkennungsverfahren des Ausgangsstufenkondensators des DC-DC-Wandlers (Gleichspannungswandlers) wird auf der Grundlage einer Stufenanregung vorgeschlagen.When the high frequency AC power supply is used, the electrolytic capacitor will withstand the high frequency voltage for a long time and its service life will decrease rapidly. Therefore, in order to observe the service life of the power supply in time, it is necessary to monitor the maintenance status of the electrolytic capacitor. At present, the methods for monitoring the working status of the electrolytic capacitor mainly include an offline monitoring method and an online monitoring method. The existing schemes are as follows. (1) A power factor correction converter is added to monitor the state of the electrolytic capacitor based on the analysis of the capacitor ripple voltage. (2) An isolated current amplifier is added to detect the voltage values of two capacitors at a certain time in the cycle to calculate the values of ESR (Equivalent Series Resistance) and C. (3) An online loss detection method of the output stage capacitor of the DC-DC converter (DC-DC converter) is proposed based on step excitation.
Um die Lebensdauer des Elektrolytkondensators zu überwachen, werden in der Regel der äquivalente Serienwiderstandswert und der Kapazitätswert des Elektrolytkondensators überwacht. In der Regel wird der Spannungswert des Elektrolytkondensators im Entladezustand beobachtet, der äquivalente Serienwiderstandswert und der Kapazitätswert werden anhand des Spannungswertes geschätzt, der äquivalente Serienwiderstandswert und der Kapazitätswert werden mit den vorgegebenen Werten verglichen, und schließlich wird festgestellt, ob die Lebensdauer erreicht ist oder nicht. Die Lebensdauer des Kondensators kann auch durch Messung des Änderungswerts des Kondensators anhand der relevanten Parameter wie Leistungsausgang, Umgebungstemperatur und Versuchsdauer des Elektrolytkondensators berechnet werden.In order to monitor the life of the electrolytic capacitor, the equivalent series resistance value and the capacitance value of the electrolytic capacitor are usually monitored. Typically, the voltage value of the electrolytic capacitor in the discharge state is observed, the equivalent series resistance value and the capacitance value are estimated based on the voltage value, the equivalent series resistance value and the capacitance value are compared with the predetermined values, and finally it is determined whether the service life is reached or not. The life of the capacitor can also be calculated by measuring the change value of the capacitor based on the relevant parameters such as power output, ambient temperature and trial period of the electrolytic capacitor.
Derzeit werden bei dem Verfahren zur Überwachung des Lebenszustands des Elektrolytkondensators die C- und ESR-Werte des Elektrolytkondensators anhand des Eingangsstroms, der Ausgangsspannungswelligkeit und des Leistungsausgangs berechnet, was derzeit auch ein gängiges Verfahren zur Überwachung der Lebensdauer des Elektrolytkondensators ist. Wie im Patent
Basierend auf den technischen Lösungen und Anwendungsszenarien des Standes der Technik ist das Design kompliziert, die Kosten sind hoch, die Stromversorgung ist sperrig und die Leistungsdichte ist gering. Darüber hinaus dient der Nennbetriebszustand des Elektrolytkondensators, der in der Hochfrequenz- und Hochspannungsimpuls-AC-Stromversorgung im Bereich der Niedertemperatur-Plasmaentladung verwendet wird, der Ausgabe von Hochimpulsstromleistung, so dass der Lebensverlust des Elektrolytkondensators schneller ist, was wiederum den Lebensverlust der Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung beschleunigt.Based on the prior art technical solutions and application scenarios, the design is complicated, the cost is high, the power supply is bulky, and the power density is low. In addition, the rated operating state of the electrolytic capacitor used in the high frequency and high voltage pulse AC power supply in the field of low temperature plasma discharge is to output high pulse current power, so the life loss of the electrolytic capacitor is faster, which in turn reduces the life loss of the high frequency pulse AC -Power supply accelerates.
ÜBERBLICKOVERVIEW
Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, eine Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer bereitzustellen, um eine hohe Leistungsdichte und lange Lebensdauer der Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung zu realisieren.The present disclosure aims to provide a high power density and long life high frequency pulse AC power supply to realize high power density and long life of the high frequency pulse AC power supply.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die vorliegende Offenbarung die nachfolgenden technischen Lösungen vor.To solve the problem, the present disclosure provides the following technical solutions.
Die Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer weist einen Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgungskörper, einen austauschbarer Stecksockel, einen Leistungsverteilungsschalter und eine Lebensdauererkennungseinheit auf.The high power density and long life high frequency pulse AC power supply has a high frequency pulse AC power supply body, a replaceable socket base, a power distribution switch and a life detection unit.
Eine Elektrolytkondensator-Array-Einheit in dem Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgungskörper ist in dem austauschbaren Stecksockel angeordnet. Der Leistungsverteilungsschalter ist zwischen der Elektrolytkondensator-Array-Einheit und einer Wechselrichterschaltungseinheit in dem Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgungskörper angeordnet, und ein Ausgangsende und ein Steuerende des Leistungsverteilungsschalters sind mit der Lebensdauererkennungseinheit verbunden.An electrolytic capacitor array unit in the high frequency pulse AC power supply body is arranged in the replaceable plug socket. The power distribution switch is arranged between the electrolytic capacitor array unit and an inverter circuit unit in the high frequency pulse AC power supply body, and an output end and a control end of the power distribution switch are connected to the lifetime detection unit.
Die Lebensdauererkennungseinheit ist dazu ausgebildet, eine DC-Busspannungsausgabe von dem Leistungsverteilungsschalter zu erkennen, die DC-Busspannung mit einem unteren Lebensdauergrenzwert zu vergleichen, und eine Schalterausschaltanweisung auszugeben, wenn die DC-Busspannung unter dem unteren Lebensdauergrenzwert liegt. Der Leistungsverteilungsschalter ist dazu ausgebildet, entsprechend der Schalterausschaltanweisung ausgeschaltet zu werden.The lifetime detection unit is configured to detect a DC bus voltage output from the power distribution switch, compare the DC bus voltage with a lower lifetime limit, and issue a switch turn-off instruction when the DC bus voltage is below the lower lifetime limit. The power distribution switch is configured to be turned off according to the switch turn-off instruction.
Optional weist die Lebensdauererkennungseinheit eine DC-Busspannungserkennungseinheit und eine Hysterese-Vergleichsaktionseinheit auf.Optionally, the lifetime detection unit includes a DC bus voltage detection unit and a hysteresis comparison action unit.
Ein Eingangsende der DC-Busspannungserkennungseinheit ist mit dem Ausgangsende des Leistungsverteilungsschalters verbunden, und ein Ausgangsende der DC-Busspannungserkennungseinheit ist mit einem Eingangsende der Hysterese-Vergleichsaktionseinheit verbunden. Die DC-Busspannungserkennungseinheit ist dazu ausgebildet, die DC-Busspannungsausgabe mittels des Leistungsverteilungsschalters auszugeben und die DC-Busspannung an die Hysterese-Vergleichsaktionseinheit zu übertragen.An input end of the DC bus voltage detection unit is connected to the output end of the power distribution switch, and an output end of the DC bus voltage detection unit is connected to an input end of the hysteresis comparison action unit. The DC bus voltage detection unit is designed to output the DC bus voltage output by means of the power distribution switch and to transmit the DC bus voltage to the hysteresis comparison action unit.
Ein Ausgangsende der Hysterese-Vergleichsaktionseinheit ist mit dem Steuerende des Leistungsverteilungsschalters verbunden, und die Hysterese-Vergleichsaktionseinheit ist dazu ausgebildet, die DC-Busspannung mit dem unteren Lebensdauergrenzwert zu vergleichen und die Schalterausschaltanweisung auszugeben, wenn die DC-Busspannung unter dem unteren Lebensdauergrenzwert liegt.An output end of the hysteresis comparison action unit is connected to the control end of the power distribution switch, and the hysteresis comparison action unit is configured to compare the DC bus voltage with the lower life limit and issue the switch off instruction when the DC bus voltage is below the lower life limit.
Die Lebensdauererkennungseinheit ist ferner dazu ausgebildet, die DC-Busspannung mit einem oberen Grenzwert der Hysterese-Bandbreite zu vergleichen, eine Einschaltanweisung auszugeben, wenn die DC-Busspannung größer als der obere Grenzwert der Hysterese-Bandbreite ist, und den Leistungsverteilungsschalter so zu steuern, dass er entsprechend der Schaltereinschaltanweisung eingeschaltet wird.The lifetime detection unit is further configured to compare the DC bus voltage with an upper limit of the hysteresis bandwidth, issue a turn-on instruction when the DC bus voltage is greater than the upper limit of the hysteresis bandwidth, and control the power distribution switch to turn on according to the switch turn-on instruction.
Optional weist die Lebensdauererkennungseinheit ferner eine Kondensatoralterungs-Austauschanzeigeeinheit auf.Optionally, the service life detection unit further comprises a capacitor aging replacement display unit.
Ein Steuerende der Kondensatoralterungs-Austauschanzeigeeinheit ist mit dem Ausgabeende der Hysterese-Vergleichsaktionseinheit verbunden, und die Hysterese-Vergleichsaktionseinheit ist dazu ausgebildet, die Kondensatoralterungs-Austauschanzeigeeinheit so zu steuern, dass sie entsprechend der Schaltereinschaltanweisung aufleuchtet.A control end of the capacitor aging replacement display unit is connected to the output end of the hysteresis comparison action unit, and the hysteresis comparison action unit is configured to control the capacitor aging replacement display unit to light up according to the switch turn-on instruction.
Entsprechend den von der vorliegenden Offenbarung bereitgestellten bestimmten Ausführungsformen, hat die vorliegende Offenbarung die folgenden technischen Effekte.According to the specific embodiments provided by the present disclosure, the present disclosure has the following technical effects.
Die vorliegende Offenbarung sieht eine Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer vor. Eine Elektrolytkondensator-Array-Einheit ist als steckbare und austauschbare Moduleinheit konzipiert, so dass die Kapazitätsspanne der Elektrolytkondensator-Array-Einheit nicht vervielfacht werden muss, um eine bestimmte Lebensdauer einer Hochspannungsimpuls-Stromversorgung zu gewährleisten, der Anordnungsspielraum der Elektrolytkondensator-Array-Einheit verringert wird, und die Leistungsdichte einer Ansteuerungsstromversorgung verbessert wird. Eine vom Leistungsverteilungsschalter ausgegebene DC-Busspannung wird von der Lebensdauererkennungseinheit erfasst und mit einem unteren Lebensdauergrenzwert verglichen, und wenn die DC-Busspannung unter dem unteren Lebensdauergrenzwert liegt, wird der Leistungsverteilungsschalter so gesteuert, dass er ausgeschaltet wird, um einen Benutzer zum Austausch der Elektrolytkondensator-Array-Einheit aufzufordern, wodurch die Lebensdauer der gesamten Stromversorgung verlängert wird.The present disclosure provides a high frequency pulse AC power supply with high power density and long life. An electrolytic capacitor array unit is designed as a pluggable and replaceable modular unit so that the capacitance range of the electrolytic capacitor array unit does not need to be multiplied In order to ensure a certain service life of a high-voltage pulse power supply, the arrangement margin of the electrolytic capacitor array unit is reduced, and the power density of a driving power supply is improved. A DC bus voltage output from the power distribution switch is detected by the life detection unit and compared with a lower life limit, and when the DC bus voltage is below the lower life limit, the power distribution switch is controlled to be turned off to notify a user to replace the electrolytic capacitors. to prompt the array unit, thereby extending the life of the entire power supply.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
Zur besseren Veranschaulichung der technischen Lösungen in den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung oder im Stand der Technik werden die für die Ausführungsformen erforderlichen beigefügten Zeichnungen im Folgenden kurz beschrieben. Es ist offensichtlich, dass die beigefügten Zeichnungen in der folgenden Beschreibung lediglich einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigen, und Fachleute können ohne schöpferischen Aufwand noch andere Zeichnungen aus diesen beigefügten Zeichnungen ableiten.
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1 zeigt ein Strukturdiagramm einer Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer gemäß der vorliegenden Offenbarung. -
2 zeigt ein Grundschaltbild einer Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer gemäß der vorliegenden Offenbarung. -
3 zeigt ein Wellenformdiagramm in einer Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung mit einer kapazitiven Last vom 50 pF gemäß der vorliegenden Offenbarung.3(a) zeigt ein Wellenformdiagramm eines PWM-(Pulsweitenmodulation)-Ansteuerungssignals,3(b) zeigt ein Wellenformdiagramm einer Ausgangsimpulsspannung,3(c) zeigt ein Wellenformdiagramm eines Ausgangsimpulsstroms, und3(d) zeigt ein Stromwellenformdiagramm einer Primärseite eines Hochspannungstransformators. -
4 zeigt ein allgemeines Trend-Wellenformdiagramm in der Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung mit der kapazitiven Last von 50 pF gemäß der vorliegenden Offenbarung.4(a) zeigt ein Spannungswellenform-Trenddiagramm eines Filterelektrolytkondensators auf einer DC-Bus-Seite,4(b) zeigt ein Stromwellenform-Trenddiagramm des Filterelektrolytkondensators auf einer DC-Bus-Seite, und4(c) zeigt ein Wellenform-Trenddiagramm eines Impulsstroms, der von der Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung ausgegeben wird. -
5 zeigt ein Wellenformdiagramm nach stationärer Verstärkung in der Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung mit der kapazitiven Last von 50 pF gemäß der vorliegenden Offenbarung.5(a) zeigt ein Spannungswellenformdiagramm nach stationärer Verstärkung des Filterelektrolytkondensators auf einer DC-Bus-Seite,5(b) zeigt ein Stromwellenformdiagramm nach stationärer Verstärkung des Filterelektrolytkondensators auf einer DC-Bus-Seite, und5(c) zeigt ein Wellenformdiagramm nach stationärer Verstärkung des Impulsstroms, der von der Hochfrequenzimpuls-DC-Stromversorgung ausgegeben wird. -
6 zeigt ein Simulationswellenformdiagramm eines Alterungswärmeverbrauchsproblems einer DC-Bus-Filterelektrolytkondensator-Array-Einheit gemäß der vorliegenden Offenbarung.6(a) zeigt ein Simulationswellenformdiagramm einer DC-Busspannung,6(b) zeigt ein Kurvendiagramm der Kondensator-Array-ESR-Verlustleistung, und6(c) zeigt ein Simulationswellenformdiagramm eines Kondensator-Array-Stroms. -
7 zeigt ein detailliertes stationäres Wellenformdiagramm des Alterungswärmeverbrauchsproblems der DC-Bus-Filterelektrolytkondensator-Array-Einheit gemäß der vorliegenden Offenbarung.7(a) zeigt ein detailliertes stationäres Wellenformdiagramm der DC-Busspannung,7(b) zeigt ein Kurvendiagramm der Kondensator-Array-ESR-Verlustleistung, wenn der parasitäre Widerstand ESR 1 Milliohm beträgt,7(c) zeigt ein Kurvendiagramm der Kondensator-Array-ESR-Verlustleistung, wenn der parasitäre Widerstand ESR 10 Milliohm beträgt,7(d) zeigt ein Kurvendiagramm der Verlustleistung des Kondensator-Array-ESR, wenn der parasitäre Widerstand ESR 100 Milliohm beträgt, und7(e) zeigt ein detailliertes stationäres Wellenformdiagramm des Kondensator-Array-Stroms. -
8 zeigt ein paralleles Strukturdiagramm eines herkömmlichen DC- Bus- Fi lterkondensator-Arrays. -
9 zeigt ein allgemeines Trend-Wellenformdiagramm der Wärmeverbrauchssimulation eines herkömmlichen Kondensator-Array-Parallelschemas.9(a) zeigt ein allgemeines Trend-Wellenformdiagramm der Wärmeverbrauchssimulation der DC-Busspannung,9(b) zeigt ein allgemeines Trend-Kurvendiagramm der Wärmeverbrauchssimulation der Kondensator-Array-ESR-Verlustleistung, und9(c) zeigt ein allgemeines Trend-Wellenformdiagramm der Wärmeverbrauchssimulation des Kondensator-Array-Stroms. -
10 zeigt ein detailliertes stationäres Wellenformdiagramm der Wärmeverbrauchssimulation eines herkömmlichen Kondensator-Array-Parallelschemas,10(a) zeigt ein detailliertes stationäres Wellenformdiagramm der Wärmeverbrauchssimulation der DC-Busspannung,10(b) zeigt ein detailliertes stationäres Kurvendiagramm der Wärmeverbrauchssimulation der Kondensator-Array-ESR-Verlustleistung eines 1-Pfad-Kondensatorzweigs,10(c) zeigt ein detailliertes stationäres Kurvendiagramm der Wärmeverbrauchssimulation der Kondensator-Array-ESR-Verlustleistung eines 2-Pfad-Kondensatorzweigs,10(d) zeigt ein detailliertes stationäres Kurvendiagramm der Wärmeverbrauchssimulation der Kondensator-Array-ESR-Verlustleistung eines 3-Pfad-Kondensatorzweigs, und10(e) zeigt ein detailliertes stationäres Wellenformdiagramme der Wärmeverbrauchssimulation des Kondensator-Array-Stroms. -
11 zeigt ein Schaltdiagramm der zeitlich veränderlichen Simulation der Alterungsbeständigkeit eines DC-Bus-Filterelektrolytkondensators gemäß der vorliegenden Offenbarung. -
12 zeigt ein PWR-Modell-Diagramm eines Modells mit variablem Widerstand gemäß der vorliegenden Offenbarung. -
13 zeigt ein Busspannungs-Wellenformdiagramm in einer Saber-Simulationsumgebung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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1 shows a structural diagram of a high power density, long life, high frequency pulse AC power supply according to the present disclosure. -
2 shows a basic circuit diagram of a high power density, long life, high frequency pulsed AC power supply according to the present disclosure. -
3 shows a waveform diagram in a high frequency pulsed AC power supply with a 50 pF capacitive load according to the present disclosure.3(a) shows a waveform diagram of a PWM (pulse width modulation) drive signal,3(b) shows a waveform diagram of an output pulse voltage,3(c) shows a waveform diagram of an output pulse current, and3(d) shows a current waveform diagram of a primary side of a high voltage transformer. -
4 shows a general trend waveform diagram in the high frequency pulse AC power supply with the 50 pF capacitive load according to the present disclosure.4(a) shows a voltage waveform trend diagram of a filter electrolytic capacitor on a DC bus side,4(b) shows a current waveform trend diagram of the filter electrolytic capacitor on a DC bus side, and4(c) shows a waveform trend diagram of a pulse current output from the high frequency pulse AC power supply. -
5 shows a waveform diagram after steady-state amplification in the high frequency pulse AC power supply with the 50 pF capacitive load according to the present disclosure.5(a) shows a voltage waveform diagram after steady-state amplification of the filter electrolytic capacitor on a DC bus side,5(b) shows a current waveform diagram after steady-state amplification of the filter electrolytic capacitor on a DC bus side, and5(c) shows a waveform diagram after steady-state amplification of the pulse current output from the high-frequency pulse DC power supply. -
6 shows a simulation waveform diagram of an aging heat consumption problem of a DC bus filter electrolytic capacitor array unit according to the present disclosure.6(a) shows a simulation waveform diagram of a DC bus voltage,6(b) shows a graph of the capacitor array ESR dissipation, and6(c) shows a simulation waveform diagram of a capacitor array current. -
7 shows a detailed steady state waveform diagram of the aging heat consumption problem of the DC bus filter electrolytic capacitor array unit according to the present disclosure.7(a) shows a detailed steady-state waveform diagram of the DC bus voltage,7(b) shows a graph of the capacitor array ESR power dissipation when the parasitic resistance ESR is 1 milliohm,7(c) shows a graph of the capacitor array ESR power dissipation when the parasitic resistance ESR is 10 milliohms,7(d) shows a graph of the power dissipation of the capacitor array ESR when the parasitic resistance ESR is 100 milliohms, and7(e) shows a detailed steady-state waveform diagram of the capacitor array current. -
8th shows a parallel structure diagram of a conventional DC bus filter capacitor array. -
9 shows a general trend waveform diagram of the heat consumption simulation of a conventional capacitor array parallel scheme.9(a) shows a general trend waveform diagram of the heat consumption simulation of the DC bus voltage,9(b) shows a general trend curve diagram of the heat consumption simulation of the Capacitor array ESR dissipation, and9(c) shows a general trend waveform diagram of the capacitor array current heat consumption simulation. -
10 shows a detailed steady-state waveform diagram of the heat consumption simulation of a conventional capacitor array parallel scheme,10(a) shows a detailed stationary waveform diagram of the heat consumption simulation of the DC bus voltage,10(b) shows a detailed steady-state curve diagram of the heat consumption simulation of the capacitor array ESR power dissipation of a 1-path capacitor branch,10(c) shows a detailed steady-state curve diagram of the heat consumption simulation of the capacitor array ESR power dissipation of a 2-path capacitor branch,10(d) shows a detailed steady-state curve diagram of the heat consumption simulation of the capacitor array ESR dissipation of a 3-path capacitor branch, and10(e) shows a detailed steady-state waveform diagram of the capacitor array current heat consumption simulation. -
11 shows a circuit diagram of the time-varying simulation of the aging durability of a DC bus filter electrolytic capacitor according to the present disclosure. -
12 shows a PWR model diagram of a variable resistance model according to the present disclosure. -
13 shows a bus voltage waveform diagram in a Saber simulation environment according to the present disclosure.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Die technischen Lösungen in den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden klar und vollständig unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen in der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es ist offensichtlich, dass es sich bei den beschriebenen Ausführungsformen lediglich um einige und nicht um alle Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung handelt. Basierend auf der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, fallen alle anderen Ausführungsformen, die von Fachleuten ohne schöpferischen Aufwand erzielt werden können, in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung.The technical solutions in the embodiments of the present disclosure will be clearly and completely described below with reference to the accompanying drawings in the embodiment of the present disclosure. It is apparent that the described embodiments are only some and not all embodiments of the present disclosure. Based on the embodiment of the present disclosure, all other embodiments that can be achieved without any creative effort by those skilled in the art are within the scope of the present disclosure.
Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, eine Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer bereitzustellen, um eine hohe Leistungsdichte und lange Lebensdauer der Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung zu realisieren.The present disclosure aims to provide a high power density and long life high frequency pulse AC power supply to realize high power density and long life of the high frequency pulse AC power supply.
Um die oben genannten Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung klarer und verständlicher zu machen, wird die vorliegende Offenbarung im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und spezifischen Ausführungsformen näher beschrieben.In order to make the above objects, features and advantages of the present disclosure more clear and understandable, the present disclosure will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings and specific embodiments.
Wie in
Eine Elektrolytkondensator-Array-Einheit in dem Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgungskörper ist in dem austauschbaren Stecksockel angeordnet.An electrolytic capacitor array unit in the high frequency pulse AC power supply body is arranged in the replaceable socket.
Der Leistungsverteilungsschalter ist zwischen der Elektrolytkondensator-Array-Einheit und einer Wechselrichterschaltungseinheit in dem Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgungskörper angeordnet, und ein Ausgangsende und ein Steuerende des Leistungsverteilungsschalters sind mit der Lebensdauerkennungseinheit verbunden.The power distribution switch is arranged between the electrolytic capacitor array unit and an inverter circuit unit in the high frequency pulse AC power supply body, and an output end and a control end of the power distribution switch are connected to the life detection unit.
Die Lebensdauerkennungseinheit wird dazu verwendet, eine DC-Busspannungsausgabe von dem Leistungsverteilungsschalter zu erkennen, die DC-Busspannung mit einem unteren Lebensdauergrenzwert zu vergleichen, und eine Schalterausschaltanweisung auszugeben, wenn die DC-Busspannung unter dem unteren Lebensdauergrenzwert liegt. Der Leistungsverteilungsschalter wird dazu verwendet, den Schalter entsprechend der Schalterausschaltanweisung auszuschalten.The life detection unit is used to detect a DC bus voltage output from the power distribution switch, compare the DC bus voltage with a life lower limit, and issue a switch turn-off instruction when the DC bus voltage is below the life lower limit. The power distribution switch is used to turn off the switch according to the switch turn-off instruction.
Die Elektrolytkondensator-Array-Einheit und der austauschbare Stecksockel bilden eine austauschbare, steckbare Elektrolytkondensator-Array-Einheit, die zum Filtern einer pulsierenden DC-Spannung nach der Vorstufen-Gleichrichtung in eine stabile DC-Busspannung verwendet wird. Um sicherzustellen, dass der pulsierende Spitzenwert der DC-Busspannung so gering wie möglich ist, ist der Kapazitätswert des Elektrolytkondensator-Arrays in der Einheit im Allgemeinen groß. Eine zweite Funktion der austauschbaren, steckbaren Elektrolytkondensator-Array-Einheit besteht außerdem in der Bereitstellung des momentanen Impulsstroms, d. h. der Impulsleistung, für die Nachstufen-Hochfrequenzimpulsspannung. Aufgrund der begrenzten Kapazität und des Volumens besteht die austauschbare steckbare Elektrolytkondensator-Array-Einheit aus einem Elektrolytkondensator mit großer Kapazität.The electrolytic capacitor array unit and the replaceable plug-in base form a replaceable plug-in electrolytic capacitor array unit, which is used to filter a pulsating DC voltage after pre-stage rectification into a stable DC bus voltage. In order to ensure that the pulsating peak value of the DC bus voltage is as small as possible, the capacitance value of the electrolytic capacitor array in the unit is generally large. In addition, a second function of the replaceable plug-in electrolytic capacitor array unit is to provide the instantaneous pulse current, that is, the pulse power, for the post-stage high-frequency pulse voltage. Due to the limited capacity and volume, the replaceable plug-in able electrolytic capacitor array unit consisting of a large capacity electrolytic capacitor.
Die Lebensdauerkennungseinheit weist eine DC-Busspannungserkennungseinheit und eine Hysterese-Vergleichsaktionseinheit auf.The lifetime detection unit includes a DC bus voltage detection unit and a hysteresis comparison action unit.
Ein Eingangsende der DC-Busspannungserkennungseinheit ist mit dem Ausgangsende des Leistungsverteilungsschalters verbunden, und ein Ausgangsende der DC-Busspannungserkennungseinheit ist mit einem Eingangsende der Hysterese-Vergleichsaktionseinheit verbunden. Die DC-Busspannungserkennungseinheit wird dazu verwendet, die DC-Busspannungsausgabe mittels des Leistungsverteilungsschalters auszugeben und die DC-Busspannung an die Hysterese-Vergleichsaktionseinheit zu übertragen.An input end of the DC bus voltage detection unit is connected to the output end of the power distribution switch, and an output end of the DC bus voltage detection unit is connected to an input end of the hysteresis comparison action unit. The DC bus voltage detection unit is used to output the DC bus voltage output by means of the power distribution switch and transmit the DC bus voltage to the hysteresis comparison action unit.
Ein Ausgangsende der Hysterese-Vergleichsaktionseinheit ist mit dem Steuerende des Leistungsverteilungsschalters verbunden. Die Hysterese-Vergleichsaktionseinheit wird dazu verwendet, die DC-Busspannung mit dem unteren Lebensdauergrenzwert zu vergleichen und die Schalterausschaltanweisung auszugeben, wenn die DC-Busspannung unter dem unteren Lebensdauergrenzwert liegt.An output end of the hysteresis comparison action unit is connected to the control end of the power distribution switch. The hysteresis comparison action unit is used to compare the DC bus voltage with the lower life limit and output the switch turn-off instruction when the DC bus voltage is below the lower life limit.
Die Lebensdauererkennungseinheit wird ferner dazu verwendet, die DC-Busspannung mit einem oberen Grenzwert der Hysterese-Bandbreite zu vergleichen, eine Einschaltanweisung auszugeben, wenn die DC-Busspannung größer als der obere Grenzwert der Hysterese-Schleifenbreite ist, und den Leistungsverteilungsschalter so zu steuern, dass er entsprechend der Schaltereinschaltanweisung eingeschaltet wird.The life detection unit is further used to compare the DC bus voltage with an upper limit of the hysteresis loop width, issue a power-on instruction when the DC bus voltage is greater than the upper limit of the hysteresis loop width, and control the power distribution switch so that it is switched on according to the switch switch-on instructions.
Die Lebensdauererkennungseinheit weist ferner eine Kondensatoralterungs-Austauschanzeigeeinheit auf. Ein Steuerende der Kondensatoralterungs-Austauschanzeigeeinheit ist mit dem Ausgangsende der Hysterese-Vergleichsaktionseinheit verbunden. Die Hysterese-Vergleichsaktionseinheit wird dazu verwendet, die Kondensatoralterungs-Austauschanzeigeeinheit so zu steuern, dass sie entsprechend der Schalterausschaltanweisung aufleuchtet.The life detection unit further includes a capacitor aging replacement display unit. A control end of the capacitor aging replacement display unit is connected to the output end of the hysteresis comparison action unit. The hysteresis comparison action unit is used to control the capacitor aging replacement display unit to light up according to the switch turn-off instruction.
Die Kondensatoralterungs-Austauschanzeigeeinheit weist eine LED-(Leuchtdioden)-Anzeigeschaltung auf. Wenn ein Logiksignal empfangen wird, leuchtet eine kleine Lampe auf, um einen Benutzer daran zu erinnern, das Zubehör der Elektrolytkondensator-Array-Einheit auszutauschen, da die Lebensdauer der Elektrolytkondensatoreinheit der Stromimpulsstromversorgung abgelaufen ist.The capacitor aging replacement display unit has an LED (light-emitting diode) display circuit. When a logic signal is received, a small lamp lights up to remind a user to replace the accessories of the electrolytic capacitor array unit because the life of the electrolytic capacitor unit of the current pulse power supply has expired.
Der Leistungsverteilungsschalter ist ein Leistungsumschaltungstransistor oder ein steuerbares Relais. Die Leistungsverteilungsschaltereinheit ist eine komplette Maschinenschutzschaltereinheit, und ihre Hauptfunktion besteht darin, dass der Leistungsverteilungsschalter bei einem abnormalen Ausfall der Stromversorgung oder bei Erkennung eines eingestellten Unterbrechungslogikfunktionszustands von einem Einschaltzustand in einen Ausschaltzustand wechselt, um die DC-Eingangsleistung zu unterbrechen und damit den Nachstufen-Impulsleistungsausgang zu unterbrechen.The power distribution switch is a power switching transistor or a controllable relay. The power distribution switch unit is a complete machine protection switch unit, and its main function is that when the power supply fails abnormally or a set interrupt logic function state is detected, the power distribution switch changes from an on state to an off state to interrupt the DC input power, thereby interrupting the post-stage pulse power output.
Vorzugsweise ist die DC-Busspannungserkennungseinheit eine Widerstandsspannungs-Frequenzweiche oder ein Spannungswandler.Preferably, the DC bus voltage detection unit is a resistive voltage crossover or a voltage converter.
Das Ausgangsende der Hysterese-Vergleichsaktionseinheit ist mit einem Steuerende der LED-Anzeigeschaltung verbunden, die für die Beleuchtung entsprechend der Schalterausschaltanweisung verwendet wird.The output end of the hysteresis comparison action unit is connected to a control end of the LED display circuit used for lighting according to the switch turn-off instruction.
Der Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgungskörper weist eine Gleichrichtereinheit, eine Elektrolytkondensator-Array-Einheit, eine Wechselrichterschaltungseinheit, eine Hochspannungstransformatoreinheit und eine Ansteuerungsschaltungseinheit auf.The high frequency pulse AC power supply body includes a rectifier unit, an electrolytic capacitor array unit, an inverter circuit unit, a high voltage transformer unit, and a drive circuit unit.
Ein Eingangsende der Gleichrichtereinheit ist mit dem Netz verbunden, und ein Ausgangsende der Gleichrichtereinheit ist mit einem Eingangsende der Elektrolytkondensator-Array-Einheit verbunden. Die Gleichrichtereinheit wird dazu verwendet, das Netz von 220 V in eine pulsierende DC-Busspannung gleichzurichten und die pulsierende DC-Busspannung an die Elektrolytkondensator-Array-Einheit zu übertragen.An input end of the rectifier unit is connected to the grid, and an output end of the rectifier unit is connected to an input end of the electrolytic capacitor array unit. The rectifier unit is used to rectify the grid from 220V into a pulsating DC bus voltage and transmit the pulsating DC bus voltage to the electrolytic capacitor array unit.
Ein Ausgangsende der Elektrolytkondensator-Array-Einheit ist über den Leistungsverteilungsschalter mit einem Eingangsende der Wechselrichterschaltungseinheit verbunden. Die Elektrolytkondensator-Array-Einheit wir dazu verwendet, die pulsierende DC-Busspannung in eine stabile DC-Busspannung zu filtern und die stabile DC-Busspannung über den Leistungsverteilungsschalter in die Wechselrichterschaltungseinheit zu übertragen.An output end of the electrolytic capacitor array unit is connected to an input end of the inverter circuit unit via the power distribution switch. The electrolytic capacitor array unit is used to filter the pulsating DC bus voltage into a stable DC bus voltage and transfer the stable DC bus voltage to the inverter circuit unit via the power distribution switch.
Ein Ausgangsende der Wechselrichterschaltungseinheit ist mit einem Eingangsende der Hochspannungstransformatoreinheit verbunden. Die Wechselrichterschaltungseinheit wird dazu verwendet, die stabile DC-Busspannung in eine AC-Rechteckwellenspannung zu invertieren und die AC-Rechteckwellenspannung an die Hochspannungstransformatoreinheit zu übertragen.An output end of the inverter circuit unit is connected to an input end of the high-voltage transformer unit. The inverter circuit unit is used to invert the stable DC bus voltage into an AC square wave voltage and transmit the AC square wave voltage to the high voltage transformer unit.
Ein Ausgangsende der Hochspannungstransformatoreinheit ist mit einer Plasmaelektrodenlast verbunden. Die Hochspannungstransformatoreinheit wird dazu verwendet, die AC-Rechteckwellenspannung in eine Impulsspannung umzuwandeln und die Plasmaelektrodenlast mittels der Impulsspannung mit Strom zu versorgen.An output end of the high voltage transformer unit is connected to a plasma electrode load. The high voltage transformer unit is used to convert the AC square wave voltage into a pulse voltage and supply power to the plasma electrode load by means of the pulse voltage.
Die Ansteuerungsschaltungseinheit ist mit der Wechselrichterschaltungseinheit verbunden. Die Ansteuerungsschaltungseinheit wird dazu verwendet, ein Rechteckwellenansteuerungssignal zu erzeugen und die Wechselrichterschaltungseinheit so anzusteuern, dass sie entsprechend dem Rechteckwellenansteuerungssignal eingeschaltet und ausgeschaltet wird.The drive circuit unit is connected to the inverter circuit unit. The drive circuit unit is used to generate a square wave drive signal and drive the inverter circuit unit to turn on and off according to the square wave drive signal.
Die Gleichrichtereinheit weist vier Gleichrichterdioden oder vier synchrone MOS-(Metall-Oxid-Halbleiter)-Schalttransistoren auf.The rectifier unit has four rectifier diodes or four synchronous MOS (metal oxide semiconductor) switching transistors.
Die Wechselrichterschaltungseinheit weist vier MOS-Schalttransistoren und vier Spannungsregler auf.The inverter circuit unit has four MOS switching transistors and four voltage regulators.
Ein Spannungsregler ist zwischen einem Gate und einer Source jedes MOS-Schalttransistors angeordnet.A voltage regulator is arranged between a gate and a source of each MOS switching transistor.
Die Ansteuerungsschaltungseinheit ist ein Steuerchip für die Wechselrichterbrückenschaltung oder ein digitaler Regler.The driving circuit unit is an inverter bridge circuit control chip or a digital controller.
In der vorliegenden Offenbarung ist es nicht erforderlich, die Kapazitätsspanne des DC-Bus-Filterkondensator-Arrays (Elektrolytkondensators) zu multiplizieren, um eine bestimmte Lebensdauer der Hochspannungsimpuls-Stromversorgung zu gewährleisten, was zu einem großen Volumen der gesamten Hochspannungsimpuls-Stromversorgung führt. Durch die Verringerung des Anordnungsspielraums des Filterkondensators löst die Lösung der vorliegenden Offenbarung das Problem der Arbeitszeit und der Lebensdauer der Hochspannungsimpuls-Stromversorgung, beseitigt den zusätzlichen Anordnungsspielraum des Elektrolytkondensators, reduziert das Volumen der Ansteuerungsstromversorgung erheblich, verbessert die Leistungsdichte der Ansteuerungsstromversorgung, und realisiert die Integrations- und Miniaturisierungsanforderungen der Niedertemperatur-Plasmaquelle. Aufgrund des Problems der Alterung des Elektrolytkondensators, das durch die Verringerung des Kondensatoranordnungsspielraums verursacht wird, ist der DC-Bus-Filterelektrolytkondensator als austauschbare Steckmoduleinheit konzipiert. Entsprechend dem Prinzip, dass die Alterung des ESR des Elektrolytkondensators zunimmt und die Kapazität C abnimmt, wird nur das DC-Busspannungssignal erkannt, und die Hysterese-Vergleichsaktionseinheit bestimmt, ob die DC-Busspannung eine vorbestimmte Lebensdauerschutz-Hysterese-Bandbreite überschreitet. Wenn der Lebensparameter des Elektrolytkondensators den vorbestimmten Grenzwert erreicht, schaltet die Hysterese-Vergleichsaktionseinheit den Leistungsverteilungsschalter an dem DC-Leistungseingangsende aus und zeigt ein Kondensatoralterungs-Austauschanzeigesignal an, um den Benutzer darüber informieren, das die Elektrolytkondensator-Array-Moduleinheit ersetzt werden muss, wodurch die Funktion der Verlängerung der Lebensdauer der gesamten Stromversorgung realisiert wird.In the present disclosure, it is not necessary to multiply the capacitance margin of the DC bus filter capacitor array (electrolytic capacitor) to ensure a certain service life of the high-voltage pulse power supply, resulting in a large volume of the entire high-voltage pulse power supply. By reducing the arrangement margin of the filter capacitor, the solution of the present disclosure solves the problem of working time and service life of the high-voltage pulse power supply, eliminates the extra arrangement margin of the electrolytic capacitor, greatly reduces the volume of the drive power supply, improves the power density of the drive power supply, and realizes the integration and miniaturization requirements of the low-temperature plasma source. Due to the problem of aging of the electrolytic capacitor caused by the reduction of the capacitor arrangement margin, the DC bus filter electrolytic capacitor is designed as a replaceable plug-in module unit. According to the principle that the aging of the electrolytic capacitor ESR increases and the capacitance C decreases, only the DC bus voltage signal is detected, and the hysteresis comparison action unit determines whether the DC bus voltage exceeds a predetermined life protection hysteresis bandwidth. When the life parameter of the electrolytic capacitor reaches the predetermined limit, the hysteresis comparison action unit turns off the power distribution switch at the DC power input end and displays a capacitor aging replacement indication signal to inform the user that the electrolytic capacitor array module unit needs to be replaced, thereby realizing the function of extending the service life of the entire power supply.
Eine schematische Darstellung der grundlegenden Simulationsschaltungsstruktur der Energieumwandlung entsprechend der Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer ist wie in
(1) In der AC-Gleichrichter-Simulationsschaltung simuliert eine AC-Quelle v_sin eine AC-Netzspannung von 50 Hz, die an eine Brückendiode zur Gleichrichtung des Stroms weitergeleitet wird, und eine Diode in der Simulationsschaltung besteht aus einer idealen Leistungsdiode. Die Amplitude stellt eine Amplitude dar, und die Frequenz stellt eine Frequenz dar.(1) In the AC rectifier simulation circuit, an AC source v_sin simulates an AC line voltage of 50 Hz, which is passed to a bridge diode to rectify the current, and a diode in the simulation circuit is composed of an ideal power diode. The amplitude represents an amplitude, and the frequency represents a frequency.
(2) In der Schaltung des Elektrolytkondensator-Arrays entspricht die eigentliche Elektrolytkondensator-Array-Einheit einem einzelnen Kondensator und einem Serienwiderstandsmodell. Der Prozess der Kondensatoralterung spiegelt sich hauptsächlich in der Abnahme des Kapazitätswerts und dem Anstieg des Ersatzwiderstandswertes wider. In der Simulationsschaltung wird der Prozess der Kondensatoralterung durch Änderung der beiden Parameter simuliert. Das Modellsymbol ⓘ, ist eine Stromsonde zum Testen eines Zweigstroms in einer Saber-Simulationsumgebung, das Ausgangssignal Iin, das den beiden Stromsonden entspricht, ist ein Gesamtstrom des Leistungseingangs, Icap ist ein Gesamtstrom der Kondensator-Array-Zweige, das Kondensatorsymbol ist ein Elektrolytkondensator-Array, und seine entsprechende Kapazität in der Simulationsumgebung ist auf 4,7 Millifarad (4,7 m) festgelegt; der Induktivitätswert des Induktivitätssymbols ist 0,1 Mikroheng (0,1 µH); und das Symbol ⓥ, steht für eine Spannungssonde zum Testen der Zweigspannung in der Saber-Simulationsumgebung.(2) In the electrolytic capacitor array circuit, the actual electrolytic capacitor array unit corresponds to a single capacitor and a series resistance model. The process of capacitor aging is mainly reflected in the decrease of the capacitance value and the increase of the equivalent resistance value. In the simulation circuit, the process of capacitor aging is simulated by changing the two parameters. The model symbol ⓘ, is a current probe for testing a branch current in a saber simulation environment, the output signal I in corresponding to the two current probes is a total current of the power input, I cap is a total current of the capacitor array branches, the capacitor symbol is an electrolytic capacitor array, and its corresponding capacitance in the simulation environment is fixed at 4.7 millifarads (4.7 m); the inductance value of the inductance symbol is 0.1 microheng (0.1 µH); and the symbol ⓥ, represents a voltage probe for testing the branch voltage in the Saber simulation environment.
(3) Die Hochfrequenz-Wechselrichter-Simulationsschaltung wird durch vier ideale MOS-Schalttransistoren realisiert. Ein 15-V-Spannungsregler wird zwischen Gate und Source jedes MOS-Schalttransistors eingefügt, um die Gate-Source-Spannung eines MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors) vor dem Durchbrennen aufgrund einer Überschreitung der Grenzwerte zu schützen. Der Leistungsschalttransistor in der „Leistungsverteilungsschalter“-Einheit in einem Architektur-Blockdiagramm von
(4) Die Hochspannungstransformatoreinheit besteht aus einem idealen DC-DC-Transformator. In der Simulationsschaltung wird das Übersetzungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärseite auf 10:500 festgelegt, und die Impulsspannung Upulse wird ausgegeben. Die Hochspannungsseite der Sekundärseite des Transformators ist direkt mit einer kapazitiven Last verbunden. Hier entspricht die Plasmaelektrodenlast dem kapazitiven Modell.(4) The high-voltage transformer unit is composed of an ideal DC-DC transformer. In the simulation circuit, the transformation ratio between the primary and secondary sides is set to 10:500, and the pulse voltage U pulse is output. The high-voltage side of the secondary side of the transformer is directly connected to a capacitive load. Here, the plasma electrode load corresponds to the capacitive model.
(5) Die Simulationsschaltung in einer Ansteuerungssignaleinheit verwendet eine ideale Modellvorrichtung, um zwei komplementäre PWM-Signalformen zu realisieren. Die Signale PWM_A und PWM_D sind identisch und erzeugen Rechteckwellen-Ansteuerungssignale mit 50kHz und 10us Impulsbreite. Die Signale PWM_B und PWM_C sind identisch und erzeugen komplementäre Signale zu PWM_A. Diese erzeugten Signale werden jeweils in ein vcvs-Modell mit Isolationsfunktion eingespeist, um einen Brückenschalttransistor einer Hochfrequenz-Wechselrichterschaltung so anzusteuern, dass dieser ein- und ausgeschaltet wird. Im prinzipiellen Simulationsschaltungsmodell von 
Im Vergleich zu der herkömmlichen Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung ist in der vorliegenden Offenbarung die DC-Bus-Filterelektrolytkondensator-Array-Einheit in einem steckbaren Austauschtyp konzipiert, und die DC-Busspannungserkennungseinheit, die Hysterese-Vergleichsaktionseinheit, die Leistungsverteilungsschalteinheit und die Kondensatoralterungs-Austauschanzeigeeinheit sind hinzugefügt. Die DC-Busspannungserkennungseinheit erkennt das DC-Busspannungssignal. Wenn das Busspannungssignal einen von der Hysterese-Vergleichsaktionseinheit festgelegten Grenzwert für die Lebensdauer überschreitet, gibt die Hysterese-Vergleichsaktionseinheit zwei Arten von Steuersignalen aus. Die erste Signalart steuert den Leistungsverteilungsschalter, um den Leistungseingang abzuschalten und zu unterbrechen. Die zweite Art von Steuersignal wird an die Kondensatoralterungs-Austauschanzeigeeinheit gesendet, um den Benutzer daran zu erinnern, das Zubehör des Kondensators auszutauschen, wenn die Bus-Filterelektrolytkondensator-Array-Einheit die Lebensdauergrenze erreicht hat.Compared with the traditional high-frequency pulse AC power supply, in the present disclosure, the DC bus filter electrolytic capacitor array unit is designed in a plug-in replacement type, and the DC bus voltage detection unit, the hysteresis comparison action unit, the power distribution switching unit and the capacitor aging replacement display unit are added. The DC bus voltage detection unit detects the DC bus voltage signal. When the bus voltage signal exceeds a lifetime limit set by the hysteresis comparison action unit, the hysteresis comparison action unit outputs two types of control signals. The first type of signal controls the power distribution switch to turn off and interrupt the power input. The second type of control signal is sent to the capacitor aging replacement indicator unit to remind the user to replace the accessories of the capacitor when the bus filter electrolytic capacitor array unit has reached the service life limit.
Entsprechend der Lösung, die durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt wird, kann der Zahlenbereich der Bus-Filterkondensatoren stark reduziert werden, und der endgültige Impulsleistungsausgang wird nicht beeinträchtigt. Unter der Prämisse, die Lebensdauer der Stromversorgung zu gewährleisten, ist das Integrationsproblem der Niedertemperatur-Plasmaquelle gut gelöst, was hilfreich ist, um die Anforderungen an die Miniaturisierungsfunktion der Niedertemperatur-Plasmaquelle zu erfüllen. Darüber hinaus kann die Langlebigkeitsfunktion der gesamten Ansteuerungsstromversorgung nur durch einfaches Erkennen der DC-Busspannung und Austauschen des Zubehörs des Kondensator-Arrays realisiert werden, wodurch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Niedertemperatur-Plasmaquelle gewährleistet wird.According to the solution provided by the present disclosure, the number range of the bus filter capacitors can be greatly reduced, and the final pulse power output is not affected. Under the premise of ensuring the service life of the power supply, the integration problem of the low-temperature plasma source is well solved, which is helpful to meet the requirements of the miniaturization function of the low-temperature plasma source. In addition, the longevity function of the entire drive power supply can be realized only by simply detecting the DC bus voltage and replacing the accessories of the capacitor array, thereby ensuring the service life and reliability of the low-temperature plasma source.
Die prinzipielle Beschreibung und die experimentelle Überprüfung der vorliegenden Offenbarung sind wie folgt.The principle description and experimental verification of the present disclosure are as follows.
1.1 Lebensdauerproblem von DC-Bus-Filterelektrolytkondensator-Einheit in Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung1.1 Life problem of DC bus filter electrolytic capacitor unit in high frequency pulse AC power supply
Im Vergleich zu einer herkömmlichen industriellen Schaltstromversorgung ist das Problem der Lebensdauer des DC-Bus-Filterelektrolytkondensators in einer Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung, die im Bereich der Niedertemperatur-Plasmaelektrodenentladung eingesetzt wird, gravierender. Die Wellenform der Simulationsanalyse für das Problem der Lebensdauer ist in
Aus
Mit der Alterung des Elektrolytkondensators steigt der entsprechende ESR-Wert im Inneren des Elektrolytkondensators allmählich an, und der Kapazitätswert C nimmt allmählich ab. Die Verringerung des Kapazitätswerts C führt direkt zur Erhöhung des Spitzenwerts der Busspannungsschwankung, was dem Prinzip der Lösung der vorliegenden Offenbarung entspricht. Daher konzentriert sich die Lösung der vorliegenden Offenbarung auf die Analyse des Alterungsproblems, das durch die Änderung des parasitären Widerstands ESR verursacht wird.
Aus den Leistungswellenformen und den elektrischen Wellenformen, die der Änderung des parasitären Widerstands Rcap des Elektrolytkondensators ESR in
1.2 Herkömmlicher Aufbau einer DC-Bus-Filterkondensatoreinheit1.2 Conventional design of a DC bus filter capacitor unit
Um das Problem zu lösen, dass der ESR mit der Alterung des Elektrolytkondensators ansteigt, wird bei herkömmlichen industriellen Schaltstromversorgungen in der Regel die Form der Parallelschaltung mehrerer Kondensator-Array-Zweige gewählt, um den parasitären Widerstand der gesamten Kondensatoreinheit zu verringern. Das schematische Diagramm des Aufbauschemas ist in
Aus
1.3 Prinzip des Lebensdauererkennungsverfahrens für DC-Bus-Filterelektrolytkondensatoren1.3 Principle of life detection method for DC bus filter electrolytic capacitors
Entsprechend dem bekannten theoretischen Forschungsergebnis bedeuten Parameteränderungen durch die Alterung des Elektrolytkondensators, dass der Kapazitätswert allmählich abnimmt und der parasitäre Widerstand allmählich zunimmt, und es ist bekannt, dass die Abnahme des Kapazitätswerts zu einer Erhöhung des Spitze-Spitze-Werts der DC-Busspannungsschwankung führt. Das Verfahren zur Erkennung von Elektrolytkapazität, das von der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt wird, basiert auf dem Grad des Einflusses des Anstiegs des ESR auf den Spitze-Spitze-Wert der DC-Busspannungsschwankung. Das schematische Diagramm der prinzipiellen Simulation ist in
Es ist aus
In der vorliegenden Offenbarung kann die DC-Busspannung einfach abgetastet werden, und die Hysterese-Spannungsgrenzwerte Uth_H und Uth_L (220 V und 203 V), die dem vorbestimmten parasitären Alterungswiderstandswert Rcap_esr (0,05 Ohm) entsprechen, können als Standard verwendet werden, um zu bestimmen, dass der Lebensdauergrenzwert des Elektrolytkondensator-Arrays erreicht ist, was eine theoretische Grundlage hat und in der technischen Praxis angewendet werden kann.In the present disclosure, the DC bus voltage can be simply sampled, and the hysteresis voltage limits U th_H and U th_L (220 V and 203 V) corresponding to the predetermined parasitic aging resistance value R cap_esr (0.05 ohm) can be used as a standard to determine that the lifetime limit of the electrolytic capacitor array is reached, which has a theoretical basis and can be applied in technical practice.
Die vorliegende Offenbarung hat die folgenden Vorteile.The present disclosure has the following advantages.
(1) Im Vergleich zu der herkömmlichen Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung weist die Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung der vorliegenden Offenbarung ein kleineres Volumen und eine höhere Leistungsdichte auf und kann die Integration und Miniaturisierung der Niedertemperatur-Plasmaquellenvorrichtung realisieren.(1) Compared with the conventional high-frequency pulse AC power supply, the high-frequency pulse AC power supply of the present disclosure has a smaller volume and higher power density, and can realize the integration and miniaturization of the low-temperature plasma source device.
(2) Im Vergleich zu der herkömmlichen Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung ist das DC-Bus-Filterelektrolytkondensator-Array mit schwacher Lebensdauer austauschbar und einsteckbar konzipiert, so dass die Gesamtlebensdauer der gesamten Maschine verlängert wird und die Zuverlässigkeit höher ist.(2) Compared with the traditional high frequency pulse AC power supply, the weak life DC bus filter electrolytic capacitor array is designed to be replaceable and pluggable, so that the overall life of the whole machine is extended and the reliability is higher.
(3) Im Vergleich zu der herkömmlichen Hochfrequenzimpuls-AC-Stromversorgung wird die Schaltungsstruktur um einen einfachen Echtzeit-Überwachungsprozess der DC-Busspannung ergänzt, und die Hysterese-Vergleichsaktionseinheit ist so konzipiert, dass sie die Funktion der Echtzeit-Überwachung und der Anzeige der Lebensdauer des Kondensators realisiert.(3) Compared with the traditional high-frequency pulse AC power supply, the circuit structure is supplemented with a simple real-time monitoring process of DC bus voltage, and the hysteresis comparison action unit is designed to have the function of real-time monitoring and service life display of the capacitor realized.
(4) Im Vergleich zu einer herkömmlichen industriellen Schaltstromversorgung ist das Verfahren zur Überwachung der Lebensdauer des Elektrolytkondensators einfacher. Durch die Erforschung des Gesetzes der Alterungseigenschaft des DC-Bus-Filterkondensators, d.h. die Eigenschaften des abnehmenden Kapazitätswertes und des zunehmenden Alterungswiderstandes, wird die signifikante Änderung des Spitze-Spitze-Wertes der Busspannungsschwankung direkt herbeigeführt, und die Alterungslebensdauer-Grenzwertparameter werden indirekt durch die Einstellung des Bandbreitenwertes einer Busspannungsschwankungshysterese widergespiegelt, so dass die Funktion der Echtzeitüberwachung der Lebensdauer realisiert wird, was für praktische technische Anwendungen förderlicher ist.(4) Compared with traditional industrial switching power supply, the life monitoring method of electrolytic capacitor is simpler. Through the exploration of the law of aging characteristic of DC bus filter capacitor, that is, the characteristics of decreasing capacitance value and increasing aging resistance, the significant change of peak-to-peak value of bus voltage fluctuation is directly brought about, and the aging life limit parameters are indirectly reflected by setting the bandwidth value of bus voltage fluctuation hysteresis, so that the function of real-time monitoring of life is realized, which is more conducive to practical engineering applications.
Ausführungsformen der vorliegenden Spezifikation werden schrittweise beschrieben. Jede Ausführungsform konzentriert sich auf die Unterschiede zu anderen Ausführungsformen, und gleiche oder ähnliche Teile zwischen den Ausführungsformen können sich aufeinander beziehen.Embodiments of the present specification are described step by step. Each embodiment focuses on differences from other embodiments, and like or similar parts between embodiments may relate to each other.
In dieser Spezifikation werden einige bestimmte Ausführungsformen zur Veranschaulichung der Prinzipien und Implementierungen der vorliegenden Offenbarung verwendet. Die Beschreibung der vorstehenden Ausführungsformen dient der Veranschaulichung des Verfahrens und der Kernideen der vorliegenden Offenbarung. Darüber hinaus können Fachleute verschiedene Modifikationen in Bezug auf spezifische Implementierungen und den Anwendungsbereich in Übereinstimmung mit den Ideen der vorliegenden Offenbarung vornehmen. Abschließend sei darauf hingewiesen, dass der Inhalt dieser Spezifikation nicht als Einschränkung der vorliegenden Offenbarung zu verstehen ist.In this specification, some specific embodiments are used to illustrate the principles and implementations of the present disclosure. The description of the above embodiments serves to illustrate the method and core ideas of the present disclosure. Moreover, those skilled in the art may make various modifications with respect to specific implementations and scope of application in accordance with the ideas of the present disclosure. Finally, it should be noted that the content of this specification should not be construed as a limitation of the present disclosure.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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