RU2729778C1 - Control method of output power in resonance high-frequency generators of plasma sources - Google Patents

Control method of output power in resonance high-frequency generators of plasma sources Download PDF

Info

Publication number
RU2729778C1
RU2729778C1 RU2020109426A RU2020109426A RU2729778C1 RU 2729778 C1 RU2729778 C1 RU 2729778C1 RU 2020109426 A RU2020109426 A RU 2020109426A RU 2020109426 A RU2020109426 A RU 2020109426A RU 2729778 C1 RU2729778 C1 RU 2729778C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
current
voltage
phase
bridge
Prior art date
Application number
RU2020109426A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Сергеевич Сурминский
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "АВАНТ - СПЭЙС СИСТЕМС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "АВАНТ - СПЭЙС СИСТЕМС" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "АВАНТ - СПЭЙС СИСТЕМС"
Priority to RU2020109426A priority Critical patent/RU2729778C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2729778C1 publication Critical patent/RU2729778C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/46Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Abstract

FIELD: plasma technology.SUBSTANCE: method involves division of operation of generator into two alternating phases, wherein during the first phase at the output of the amplifier, generating a rectangular signal, tracking and compensating phase shift between output voltage of the half bridge and output current, providing a resonance mode of operation, and during the second phase at output of amplifier there formed is zero voltage, at that duration of both phases is controlled and adjustment of average values of output current and output power of generator is provided.EFFECT: simplified control of output power in resonant high-frequency generators of plasma sources at constant supply voltage of transistor half-bridge of output power amplifier, which allows to eliminate the additional controlled voltage source, reduce the generator dimensions and increase the system efficiency.7 cl, 2 tbl, 4 dwg

Description

Область техникиTechnology area

Изобретение относится к высокочастотным генераторам источников плазмы (плазматрон). Область применения включает в себя источники плазмы с емкостным или индуктивным плазменным разрядом.The invention relates to high-frequency generators of plasma sources (plasmatron). The field of application includes plasma sources with capacitive or inductive plasma discharge.

Уровень техникиState of the art

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.Sources of low-temperature plasma are widely used in industrial and space technology: plasma cleaning and spraying systems, production of integrated circuits, electric rocket motors. One of the ways to obtain plasma in such systems is a high-frequency plasma discharge. The discharge is formed in the working medium (inert gas) using an alternating electric field. An integral part of a high-frequency plasma source is a high-frequency generator. There are various topologies of such generators, but the resonant topology is the most compact and efficient.

Концепция такого генератора была представлена 2015 году на международной конференции «34th International Electric Propulsion Conference». Была опубликована соответствующая работа «Development of a Radio-Frequency Generator for RF Ion Thrusters». 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.The concept of such a generator was presented in 2015 at the 34th International Electric Propulsion Conference . The corresponding work " Development of a Radio-Frequency Generator for RF Ion Thrusters " has been published. https://pdfs.semanticscholar.org/47d5/2e3a1d896020ed09433a1a4591fe56f983a2.pdf. The paper describes the concept of a high-frequency generator for plasma sources, based on the topology of a series LC converter. Its purpose and operating mode are described. This is the closest solution to the technical nature known to the author.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Задачей предлагаемого технического решения является регулирование выходной мощности в резонансных высокочастотных генераторах источников плазмы при постоянном напряжение питания транзисторного полумоста выходного усилителя мощности.The task of the proposed technical solution is to control the output power in the resonant high-frequency generators of plasma sources at a constant supply voltage of the transistor half-bridge of the output power amplifier.

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.The technical result of the claimed technical solution is to provide the possibility of adjusting the output power in the resonant high-frequency generators of plasma sources at a constant supply voltage of the transistor half-bridge of the output power amplifier, which eliminates the need for an additional adjustable voltage source, reduces the size of the generator and increases the efficiency of the system.

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.The technical result of the claimed technical solution is achieved through the use of the method of resonant pulse modulation of the output signal of the power amplifier, namely, due to the fact that the method for regulating the output power in resonant high-frequency generators of plasma sources includes dividing the generator operation into two alternating phases, while during the first phase at the output of the amplifier, a rectangular signal is formed, the phase shift between the output voltage of the half-bridge and the output current is monitored, providing a resonant mode of operation, and during the second phase, a zero voltage is formed at the amplifier output, while the duration of both phases is controlled and the average values of the output current are adjusted and generator power output.

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.In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, a rectangular signal is formed at the output of the power amplifier, consisting of both a transistor half-bridge and a key driver, while the output of the amplifier is connected to an oscillatory circuit formed by a resonant capacitance and an inductive plasma discharge, followed by the formation of harmonic current oscillations in the circuit, measured fluctuations of the output current by the current sensor, which generates at its output a voltage signal proportional to the current in the circuit, determine the direction of the current by the polarity detector, determine the output voltage of the amplifier by the polarity detector, and send information about the polarity of the current and voltage to the logic controller, through which the phase shift between signals and adjust the control signals of the key driver so that the output voltage of the half-bridge is in phase with the current fluctuations in the circuit.

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.In a particular case, the implementation of the claimed technical zero voltage is formed by forming a logical zero at the input of the key driver by the control controller, while the key driver closes the upper key of the transistor half-bridge and opens the lower one, short-circuiting the oscillatory circuit.

В частном случае реализации заявленного технического устанавливают длительность второй фазы кратной периоду затухающих колебаний выходного тока.In the particular case of the implementation of the claimed technical, the duration of the second phase is set to be a multiple of the period of damped oscillations of the output current.

В частном случае реализации заявленного технического во второй фазе выходное напряжение усилителя мощности делают равным напряжению питания транзисторного полумоста усилителя.In the particular case of the implementation of the claimed technical in the second phase, the output voltage of the power amplifier is made equal to the supply voltage of the transistor half-bridge of the amplifier.

В частном случае реализации заявленного технического регулируют выходную мощность генератора при постоянном напряжении питания транзисторного полумоста.In the particular case of the implementation of the claimed technical regulate the output power of the generator at a constant supply voltage of the transistor half-bridge.

В частном случае реализации заявленного технического дополнительно регулируют напряжение питания транзисторного полумоста.In the particular case of the implementation of the claimed technical, the supply voltage of the transistor half-bridge is additionally regulated.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:Details, features, and advantages of the present invention follow from the following description of embodiments of the claimed technical solution using the drawings, which show:

Фиг. 1 - принципиальная электрическая схема резонансного высокочастотного генератора;FIG. 1 is a schematic electrical diagram of a resonant high-frequency generator;

Фиг. 2 - диаграмма сигналов генератора без модуляции;FIG. 2 - diagram of generator signals without modulation;

Фиг. 3 - диаграмма сигналов при резонансной импульсной модуляции;FIG. 3 is a signal diagram for resonant pulse modulation;

Фиг. 4 - Структура испытательного стенда.FIG. 4 - The structure of the test bench.

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.In the figures, the following positions are designated by numbers: 1 - controller; 2 - key driver; 3 - transistor half-bridge; 4 - analog-to-digital converter; 5 - rectifier; 6 - resonant capacitor; 7 - polarity detector; 8 - polarity detector; 9 - inductive plasma discharge; 10 - equivalent discharge resistance; 11 - equivalent discharge inductance; 12 - current sensor; 13 - power line; 14 - power sensor; 15 - power filter; 16 - control computer; 17 - generator; 18 - oscilloscope; 19 - voltage divider; 20 - flow regulator; 21 - current sensor; 22 - high voltage source; 23 - inductor; 24 - vacuum chamber; 25 - ion-optical system.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема последовательного резонансного генератора с индуктивным плазменным разрядом в качестве нагрузки.FIG. 1 shows a schematic diagram of a series resonant generator with an inductive plasma discharge as a load.

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.The circuit contains a control controller (1), which, via a digital interface, receives the values of the specified output power of the generator, and returns the value of the measured output power, amplitude and frequency of the output current.

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).The control controller output (1) is connected to the key driver (2). The key driver generates control signals at the gates of the half-bridge transistors (3). The output of the transistor half-bridge (3) is connected to a resonant circuit formed by a resonant capacitance (6) and an inductive plasma discharge (9). Plasma discharge (9) is presented in the form of an equivalent circuit consisting of an equivalent resistance (10) and an equivalent inductance (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).The resonant circuit is closed to the common wire through the current sensor (12). The output of the current sensor (12) is connected to the rectifier (5). The signal from the rectifier goes to the input of the analog-to-digital converter (4) and contains information about the average value of the output current. The inputs of the polarity detectors (7) and (8) are connected to the output of the half-bridge (3) and the output of the current sensor (12), respectively. The output signals of the polarity detectors (7) and (8) are fed to the controller (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.The plasma discharge is presented in the form of an equivalent circuit (9). Similarly, a capacitive plasma discharge can act as a load. In this case, the resonant capacitance (6) must be replaced by a resonant inductance.

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.Power supply is supplied from the bus (13). The power sensor (14) measures the total active power consumed by the power section of the circuit (3, 6, 9) from the power source. The power filter (15) is designed to smooth out the ripple of the current consumed by the circuit.

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.The generator operation algorithm, without the use of resonant pulse modulation, is as follows. A power amplifier consisting of a transistor half-bridge (3) and a key driver (2) generates a rectangular voltage at the terminals of the oscillatory circuit formed by a resonant capacitance (6) and an inductive plasma discharge (10). This leads to harmonic current fluctuations in the circuit.

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.The current sensor (12) measures the fluctuations in the output current and generates at its output a voltage signal proportional to the current in the loop. The polarity detector (8) determines the direction of the current, forming a log. 0 or log. 1 depending on the direction. At the same time, the polarity detector (7) determines the polarity of the amplifier output voltage. Information about the polarity of the current and voltage goes to the logic controller (1), where the phase shift between the signals is determined. Based on this information, the control signals of the key driver are adjusted so that the output voltage of the half-bridge (3) is in phase with the current fluctuations in the circuit.

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.Thus, the resonant mode of the generator is achieved. The resonant mode signal diagram is shown in FIG. 2. The output power of the generator with this control method is determined by the supply voltage of the half-bridge (3) and the equivalent discharge resistance (10). The output power is controlled by regulating the supply voltage of the half-bridge (13). This approach requires an additional regulated power supply, which increases the size and complexity of the system, and also reduces efficiency.

Заявленное техническое решение позволяет регулировать выходную мощность генератора при постоянном напряжении питания транзисторного полумоста (13).The claimed technical solution makes it possible to regulate the output power of the generator at a constant supply voltage of the transistor half-bridge (13).

Данный результат достигается с помощью резонансной импульсной модуляции (РИМ) выходного напряжения усилителя мощности.This is achieved by using resonant pulse modulation (RPM) on the output voltage of the power amplifier.

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.Unlike the classical method, when the half-bridge (3) is continuously switched synchronously with the change in the direction of the current in the oscillatory circuit (6, 9), the RIM method adds pauses to the amplifier operation, the duration of which is a multiple of the period of damped oscillations in the circuit. During the pauses, the output voltage of the amplifier is kept at zero, short-circuiting the oscillatory circuit. The signal diagram in the RLM mode is shown in FIG. 3.

Работа генератора делится на две фазы.The generator operation is divided into two phases.

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.The generator operates in the first phase according to the same algorithm as without the use of RIM. The power amplifier emits a series of rectangular pulses. The control controller (1), according to the signals from the polarity detectors (7, 8), monitors and compensates for the phase shift between the output voltage of the half-bridge and the output current, achieving a resonant mode of operation. As a result, the frequency and phase of the amplifier output voltage are approximately equal to the frequency and phase of the current in the circuit (6, 9). There is an increase in the amplitude of the output current and, as a consequence, the potential energy of the circuit.

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.During the second phase, the control controller (1) forms a logical zero at the input of the key driver (2). The key driver (2) closes the upper key of the transistor half-bridge (3) and opens the lower one. As a result, the output voltage of the amplifier is kept at zero, short-circuiting the oscillatory circuit. During the second phase, energy ceases to be pumped into the oscillating circuit, as a result of which there is a gradual attenuation of the circuit current.

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.The multiplicity of the duration of the second phase to the period of damped oscillations allows maintaining the resonant mode of operation, and minimizing the loss of transistors during switching, since the switching of transistors occurs at zero output current of bridge 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.Fluctuations of the current in the circuit are continuous in both phases, therefore energy enters the discharge also in both phases. By setting the duration of the first and second phases, it is possible to regulate the average current in the circuit and the average power supplied to the plasma discharge.

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.For the generator circuit shown in FIG. 1, the duration of the phases is calculated and generated by the control controller (1) based on the value of the set power. If the equivalent resistance (10) and inductance (11) of the discharge are known, then using the basic equations of electrodynamics, it is possible to unambiguously calculate the required duration of both phases to obtain the required output power.

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:For example, for an induction plasma discharge when using the equivalent circuit (9), the equation connecting the output active power of the generator and the phase duration, in the first approximation, has the following form:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
- количество периодов колебаний выходного тока в первой фазе;
Figure 00000002
- the number of periods of oscillation of the output current in the first phase;

Figure 00000003
- количество периодов колебаний выходного тока во второй фазе;
Figure 00000003
- the number of periods of oscillation of the output current in the second phase;

Figure 00000004
- суммарное количество периодов в обоих фазах;
Figure 00000004
- the total number of periods in both phases;

Figure 00000005
- коэффициент затухания резонансного контура;
Figure 00000005
- damping coefficient of the resonant circuit;

Figure 00000006
- выходная активная мощность генератора;
Figure 00000006
- output active power of the generator;

Figure 00000007
- эквивалентное сопротивление нагрузки;
Figure 00000007
- equivalent load resistance;

Figure 00000008
- напряжение питания полумоста;
Figure 00000008
- half-bridge supply voltage;

Figure 00000009
- математическая константа.
Figure 00000009
is a mathematical constant.

Если коэффициент затухания контура

Figure 00000005
и суммарная длительность фаз
Figure 00000004
достаточно малы, чтобы удовлетворить условию (
Figure 00000010
), то выходная мощность генератора может быть описана более простым уравнением:If the attenuation coefficient of the loop
Figure 00000005
and the total duration of the phases
Figure 00000004
small enough to satisfy the condition (
Figure 00000010
), then the generator output power can be described by a simpler equation:

Figure 00000011
Figure 00000011

Аналогичные уравнения быть получены для других схем замещения плазменного разряда, а также для емкостного плазменного разряда.Similar equations can be obtained for other equivalent circuits of a plasma discharge, as well as for a capacitive plasma discharge.

Метод РИМ позволяет регулировать выходную мощность генератора варьируя значения

Figure 00000002
и
Figure 00000003
. При этом нет необходимости варьировать напряжение питания
Figure 00000012
, что делается при классическом способе регулирования.The RIM method allows you to adjust the generator output power by varying the values
Figure 00000002
and
Figure 00000003
... There is no need to vary the supply voltage
Figure 00000012
, which is done with the classical method of regulation.

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.This method of controlling the output power was experimentally tested on an ion source with an inductive plasma discharge. For this, a prototype of a resonant high-frequency generator was developed, capable of operating in the RIM mode.

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).The generator was tested on the basis of a vacuum stand designed for testing high-frequency ion sources. The test bench structure is shown in FIG. 4. The stand included a prototype of a high-frequency generator (17) connected to a control computer (16). The generator output was connected to an ion source inductor (23) installed in a vacuum chamber (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

Figure 00000002
и
Figure 00000003
.Xenon was used as a working fluid. Gas was supplied by means of a flow regulator (20). The grids of the ion-optical system (25) were powered from a high-voltage constant voltage source (22). The generator output current was measured using an induction current sensor (19) connected to an oscilloscope (18). The output voltage of the generator by means of a voltage divider (23) was also measured using an oscilloscope (18). The current and voltage oscillograms were used to calculate the active output power of the generator. As an example, Tables 1 and 2 show the parameters of the stand and the values of the generator output power obtained by varying the values
Figure 00000002
and
Figure 00000003
...

Таблица 1. Параметры стенда.Table 1. Stand parameters.

ПараметрParameter ЗначениеValue Диаметр ионно-оптической системыIon optical system diameter Форма индуктораInductor shape ЦилиндрическаяCylindrical Число витковNumber of turns 5five Диаметр проводаWire diameter Расход рабочего телаWorking fluid consumption 1 см^31 cm ^ 3 Потенциал эмиссионного электродаEmission electrode potential 1500 В1500 V Потенциал ускоряющего электродаAccelerating electrode potential -500 В-500 V Напряжение питания генератораGenerator supply voltage 16sixteen Частота генератораGenerator frequency 2 МГц2 MHz

Таблица 2. Параметры регулирования.Table 2. Regulation parameters.

Фаза 1,

Figure 00000002
Phase 1,
Figure 00000002
Фаза 2,
Figure 00000003
Phase 2,
Figure 00000003
Выходная мощность, ВтOutput power, W 10ten 00 6969 9nine 11 5353 88 22 4343 77 33 3434 66 44 2525 5five 5five 19nineteen 44 66 14fourteen

Claims (14)

1. Способ регулирования выходной мощности в резонансных высокочастотных генераторах источников плазмы, 1. A method for regulating the output power in resonant high-frequency generators of plasma sources, включающий разделение работы генератора на две чередующиеся фазы,including the division of the generator into two alternating phases, при этом во время первой фазы на выходе усилителя мощности формируют прямоугольный сигнал, отслеживают и компенсируют фазовый сдвиг между выходным напряжением и выходным током, обеспечивая резонансный режим работы,at the same time, during the first phase, a rectangular signal is formed at the output of the power amplifier, the phase shift between the output voltage and the output current is monitored and compensated, providing a resonant mode of operation, а во время второй фазы на выходе усилителя формируют нулевое напряжение,and during the second phase, zero voltage is formed at the amplifier output, при этом управляют длительностью обоих фаз и обеспечивают регулировку средних значений выходного тока и выходной мощности генератора. in this case, the duration of both phases is controlled and the average values of the output current and output power of the generator are regulated. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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, 2. The method according to claim 1, characterized in that the square-wave signal is generated at the output of the power amplifier, which consists of both a transistor half-bridge and a key driver, while the amplifier output is connected to an oscillatory circuit formed by a resonant capacitance and an inductive plasma discharge, followed by the formation of harmonic oscillations current in the circuit, измеряют колебания выходного тока датчиком тока, который формирует на своем выходе сигнал напряжения, пропорциональный току в контуре,the fluctuations of the output current are measured by a current sensor, which forms at its output a voltage signal proportional to the current in the circuit, определяют направление тока детектором полярности, determine the direction of the current by the polarity detector, 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. the polarity detector determines the output voltage of the amplifier, and sends information about the polarity of the current and voltage to the logic controller, by means of which the phase shift between the signals is determined and the control signals of the key driver are adjusted so that the output voltage of the half-bridge is in phase with the current fluctuations in the circuit. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нулевое выходное напряжение во второй фазе 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. 3. The method according to claim 1, characterized in that the zero output voltage in the second phase is generated by generating a logical zero at the input of the key driver by the control controller, while the key driver closes the upper key of the transistor half-bridge and opens the lower one, short-circuiting the oscillatory circuit. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают длительность второй фазы, кратной периоду затухающих колебаний выходного тока.4. The method according to claim 1, characterized in that the duration of the second phase is set as a multiple of the period of damped oscillations of the output current. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что во второй фазе выходное напряжение усилителя мощности делают равным напряжению питания транзисторного полумоста усилителя.5. The method according to claim 1, characterized in that in the second phase the output voltage of the power amplifier is made equal to the supply voltage of the transistor half-bridge of the amplifier. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют выходную мощность генератора при постоянном напряжении питания транзисторного полумоста.6. The method according to claim 1, characterized in that the output power of the generator is controlled at a constant supply voltage of the transistor half-bridge. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно регулируют напряжение питания транзисторного полумоста.7. The method according to claim 1, characterized in that the supply voltage of the transistor half-bridge is additionally regulated.
RU2020109426A 2020-03-03 2020-03-03 Control method of output power in resonance high-frequency generators of plasma sources RU2729778C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020109426A RU2729778C1 (en) 2020-03-03 2020-03-03 Control method of output power in resonance high-frequency generators of plasma sources

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020109426A RU2729778C1 (en) 2020-03-03 2020-03-03 Control method of output power in resonance high-frequency generators of plasma sources

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2729778C1 true RU2729778C1 (en) 2020-08-12

Family

ID=72086297

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020109426A RU2729778C1 (en) 2020-03-03 2020-03-03 Control method of output power in resonance high-frequency generators of plasma sources

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2729778C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009073480A2 (en) * 2007-11-30 2009-06-11 Still River Systems Incorporated Matching a resonant frequency of a resonant cavity to a frequency of an input voltage
US20130284369A1 (en) * 2012-04-26 2013-10-31 Applied Materials, Inc. Two-phase operation of plasma chamber by phase locked loop
RU2564154C1 (en) * 2014-11-18 2015-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Control system of electrical rocket engine
EP3340746A1 (en) * 2016-12-22 2018-06-27 Technische Hochschule Mittelhessen Control unit for controlling a high frequency generator
RU2695541C1 (en) * 2018-07-02 2019-07-24 Акционерное общество "Концерн "Созвзедие" Device for inputting energy into gas-discharge plasma

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009073480A2 (en) * 2007-11-30 2009-06-11 Still River Systems Incorporated Matching a resonant frequency of a resonant cavity to a frequency of an input voltage
US20130284369A1 (en) * 2012-04-26 2013-10-31 Applied Materials, Inc. Two-phase operation of plasma chamber by phase locked loop
RU2564154C1 (en) * 2014-11-18 2015-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Control system of electrical rocket engine
EP3340746A1 (en) * 2016-12-22 2018-06-27 Technische Hochschule Mittelhessen Control unit for controlling a high frequency generator
RU2695541C1 (en) * 2018-07-02 2019-07-24 Акционерное общество "Концерн "Созвзедие" Device for inputting energy into gas-discharge plasma

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Trans. JSASS Aerospace Tech. Japan, 2016,Vol. 14, No.30, pp. 33-39. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7312584B2 (en) Plasma-generation power-supply device
RU2427068C2 (en) Resonant direct current converter and control method of this converter
KR101478626B1 (en) Plasma processing method and plasma processing device
JP2010114001A (en) Power source device for plasma generation
US5395453A (en) Apparatus and method for controlling oscillation output of magnetron
KR20020010195A (en) Microwave Oven and Control Method Thereof
KR101128768B1 (en) High frequency power supply
KR100864706B1 (en) High voltage power supply for generating capacitive coupled plasma
US4535458A (en) Laser apparatus
RU2729778C1 (en) Control method of output power in resonance high-frequency generators of plasma sources
JP2003285008A (en) Ultrasonic wave generation method and apparatus therefor
JPS61260915A (en) Power source for electric discharge machining
KR102316812B1 (en) A Method for Optimizing a Frequency Condition of Generating a Ultrasound and A Ultrasound Generating Apparatus Having a Optimized Frequency Condition
WO2003107496A1 (en) Laser beam machine and control method of the machine
CN110311575B (en) Power supply control method and device, power supply equipment and plasma generation equipment
KR102615048B1 (en) Laser processing apparatus and power supply apparatus thereof
JP3829233B2 (en) Control method of high frequency power supply
JP4879556B2 (en) High voltage charger
JP4210840B2 (en) Inverter device
JP3333294B2 (en) Power supply
RU2669382C1 (en) Method of generation of electrical quasi-harmonic vibrations in inductive-resistive load
KR20190047796A (en) A Method for Optimizing a Frequency Condition of Generating a Ultrasound and A Ultrasound Generating Apparatus Having a Optimized Frequency Condition
JP2000277840A (en) Charging and discharging circuit for pulse laser
KR102086335B1 (en) An ozone generator capable of controlling the amount of ozone generated by frequency variation
JP2015115399A (en) Laser power supply device and method for controlling laser power supply device