高頻磁場等離子發(fā)生系統(tǒng)的阻抗匹配特性研究

久智光電子材料科技有限公司　樊立強　王增慧　潘　健

高頻磁場等離子發(fā)生系統(tǒng)的阻抗匹配特性研究

久智光電子材料科技有限公司樊立強王增慧潘健

高頻磁場等離子工藝可以生產(chǎn)純度高、羥基含量低的高品質石英玻璃產(chǎn)品。本文針對高頻磁場等離子工藝的核心設備等離子發(fā)生系統(tǒng)進行理論分析和實踐總結，得出了有效改善等離子發(fā)生系統(tǒng)阻抗匹配狀況的方法，對提升等離子發(fā)生系統(tǒng)的工作效率和改善石英產(chǎn)品品質有一定幫助。

高頻；等離子；阻抗匹配；電子管；振蕩

一、引言

隨著科技的發(fā)展與進步，石英玻璃由于其優(yōu)良的物理、化學性能，在半導體、新型光源、精密儀器等領域占有越來越重要的地位。高頻等離子熔制工藝由于使用等離子體做熱源，能夠生產(chǎn)出純度高、羥基含量低的高品質石英玻璃。在此工藝中，高頻等離子發(fā)生系統(tǒng)是整個設備的核心所在。結合工作實踐和積累總結，我們發(fā)現(xiàn)對等離子發(fā)生器系統(tǒng)進行合理的阻抗匹配，能夠有效提高等離子發(fā)生系統(tǒng)的工作效率，進而提升產(chǎn)品品質和生產(chǎn)效率，同時各部件的使用壽命也能相應延長，降低成本。

二、原理及分析

高頻等離子發(fā)生系統(tǒng)的功率輸出將負載端等離子線圈內的壓縮空氣電離，產(chǎn)生等離子弧，其中心溫度達6000-8000K，可將石英粉料熔化生產(chǎn)石英玻璃產(chǎn)品。在電氣構成上，等離子發(fā)生系統(tǒng)可分三為個部分：電源部分、控制部分和振蕩部分，如圖1所示。

圖1　高頻等離子發(fā)生系統(tǒng)架構

從能量的觀點來看，等離子發(fā)生系統(tǒng)如同是一個能量轉換器，它將直流電源的能量轉換成交流能量，并最終分成兩個部分：一部分用于系統(tǒng)功率輸出；另一部分能量被系統(tǒng)內部損耗。因此，提高發(fā)生系統(tǒng)的工作效率就必須要最大限度地降低控制系統(tǒng)的損耗。對等離子發(fā)生系統(tǒng)進行合理的阻抗匹配將對降低內部損耗很有幫助，使功率輸出盡可能最大化輸送至負載。結合實際生產(chǎn)設備，功率輸出是通過并聯(lián)諧振電路中的電感線圈來實現(xiàn)的。相當其可等效為電阻和電感線圈串聯(lián)后再與電容器并聯(lián)并與前端電源組成并聯(lián)諧振電路，如圖2所示。

圖2　等效并聯(lián)諧振電路

圖3 等離子發(fā)生系統(tǒng)等效電路

在實際情況下，電感線圈的電阻很小，可忽略不計。因此并聯(lián)諧振電路呈現(xiàn)高阻抗狀態(tài)，而電子管是高內阻器件，所以必須將電子管與并聯(lián)諧振電路合理配合使用，才能將高頻余弦脈沖的基波成分充分選擇，向后端負載實現(xiàn)高效率的有效輸出。

圖3所示為等離子發(fā)生系統(tǒng)回路的簡化等效電路，電源的電勢為，內阻為Ri，后端接上等效阻抗Rd，則流過Rd的 電流為：

則等效負載上得功率為：經(jīng)微分求取極值可知，當，即負載等效電阻等于電源內阻時，電源輸出功率最大。因此，等離子發(fā)生系統(tǒng)的輸出功率的效率高低受電子管內阻和諧振電路的等效阻抗的共同影響。

從改變電子管的內阻值和諧振電路等效阻抗這兩個角度考慮提升等離子發(fā)生系統(tǒng)阻抗匹配程度的方向和措施：

1.等離子發(fā)生系統(tǒng)的振蕩回路可簡化為如圖4所示，其中電子管內阻使用表示。

圖4　等離子發(fā)生系統(tǒng)振蕩回路簡化圖

圖5　改變引線位置后的振蕩回路簡化圖

所以在實際過程中，在已經(jīng)確認等離子發(fā)生系統(tǒng)無其他不良或故障的情況下，如果電子管輸出功率依然較小，則應考慮問題有可能是電子管內阻較小造成的。此時可將并聯(lián)饋電線收接，等效于增加電子管內阻。另外，根據(jù)工作實踐經(jīng)驗，在電子管屏極回路串聯(lián)電阻，或者在電子管陰極電路中串聯(lián)一個陰極電阻，使產(chǎn)生的電流實現(xiàn)負反饋功能，均可有效增大電子管的等效內阻，進而改善阻抗匹配水平，實現(xiàn)提升輸出功率的目的。

2.等離子發(fā)生系統(tǒng)的工作原理是經(jīng)控制電路和振蕩電路在等離子線圈施加高頻交變電場，進而在線圈內側產(chǎn)生快速變化的磁場。流經(jīng)等離子線圈的壓縮空氣被快速電離，負載線圈與等離子體電流形成等效的變壓器進行能量傳輸。

通過改變諧振電路的等效阻抗Rd，使其等于或接近電子管內阻，同樣可以實現(xiàn)等離子發(fā)生系統(tǒng)的阻抗匹配度優(yōu)化進而提升輸出功率。結合反射阻抗理論，在負載線圈和等離子體電流形成的耦合電路中，改變互感系數(shù)大小即調整壓縮空氣流速、等離子線圈的匝距、有效截面等參數(shù)以及回路自身的阻抗參數(shù)均可改變諧振電路的等效阻抗，使槽路電壓降低，陽流增大，從而實現(xiàn)改善阻抗匹配程度，實現(xiàn)提升等離子發(fā)生系統(tǒng)功率輸出的目的。

3.在使用高頻等離子發(fā)生器的實際生產(chǎn)中，由于石英粉料的型號差異以及下料量變化，等離子發(fā)生系統(tǒng)的負載功率經(jīng)常出現(xiàn)變化，需作出相應調整，以滿足要求的石英產(chǎn)品品質、生產(chǎn)效率和降低不必要功耗的要求。

4.由于電源電壓的變化會引起電子管工作點的改變，使電子管內阻受到影響，因此燈絲電源和直流電源輸入的穩(wěn)定程度也是不可忽視的一個方面。而在選擇電容、電感等元件時，應盡量選取使用本身參數(shù)對溫度、濕度穩(wěn)定性高的元件，避免由于環(huán)境變化造成的等離子發(fā)生系統(tǒng)的阻抗匹配程度降低。

三、總結

本文從能量的觀點出發(fā)，認為等離子發(fā)生系統(tǒng)是一個能量轉換器，尋求解決實際轉換效率不高的現(xiàn)狀。通過對等離子發(fā)生系統(tǒng)的諧振電路和等效電路分析，得出從阻抗匹配角度的改善問題的方法。改善內容基本分為改變振蕩回路電子管內阻阻值和諧振電路等效阻抗兩個方向的多個方法和措施。由于實際生產(chǎn)工藝和所使用設備的差異，本文所給出的方法和措施可能并不一定適用各種等離子發(fā)生系統(tǒng)，但運用阻抗匹配理論并結合自身實際情況，應可以有效改善等離子發(fā)生系統(tǒng)的功率輸出和實際效率。整體而言，本文對等離子發(fā)生系統(tǒng)的性能改善和效率提升提供了一個新角度，并富有一定的指導意義。

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本研究獲得河北省重大科技成果轉化項目（項目編號：14041101Z）資助 。