产生等离子体的高压脉冲电源的研制

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对旋转开关导通时间 !" # ! （ $%!&’ 时为 ()* ） 极大， 而充电时间常数 !$ 相对开关关断时间 !" + ! （ $%!&’ 时为 $" +()*） 相差不大， 则只需几个周期电容很快 能充到很高电压， 这样经过最初的几个周期后所产 生的脉冲电压将可保持电压高幅值。而当负载侧接 上 (,! 水阻时， 放电时间常数为 !" -.)*， 与导通时 间 !" # ! 相差不大， 此时在工频交流正半周期， 脉冲 电压值可视为对电源波形的周期性斩波， 因为储能 电容在开关关断状态充上的能量将在开关导通放电 期间很快放光， 使得下一个周期充电时电容电压将 仍跟随电源电压变化而不是维持在较高水平； 而负 半周期， 电源不会对电容充电且电容上已没有剩余 储能， 所以形成的脉冲将有半个工频周期值为零。 显然如果等离子体反应器上产生的是此种脉冲波 形， 等离子体产生将仅限于正半周期， 效率低下； 对 于等离子体反应器作为负载的情况， 未发生放电时， 由于装置电容相对储能电容不大， 因而放电时间常 数 !/ 0 "（ 约 "" 1 #$ 主要取决于装置电阻， 1 #$ 2 # 1 ） 为 -.!)*， 远大于开关导通时间 !" # !， 与分压器做 负载的情况基本相同， 脉冲电压可上升到气体击穿 电压， 使之发生放电。 !" 实验数据及分析 $<$ 使用 34567849 (:%+$; 型号的数字示波器、 普通探头及 $!!! < $ 高压探头， 对该脉冲发生器的放 电波形进行了实测： 首先用 34567849 //$+; 信号发 生器源直接产生 +!= 直流电压加于电刷旋转开关， 使用普通探头得电压波形见图 ( （ >） ， 未外加负载， 通道负载约 $?!， 电机转速 %!! @ < )64 （ 理论频率 $%!&’） ， 所获 波 形 频 率 $(#" .&’； 其 后 施 加 .!!=、 (!&’ 交流电压于整流硅堆整流， 分压器作负载， 使 用高压探头测量得到相关脉冲波形见图 ( （ A） ， 电机 转速 %!!@ < )64 （ 理 论 频 率 $%!&’ ） ， 所获波形频率 $(-&’； 加 +,= 直流电压于碳刷开关， 等离子体反应 腔作负 载， 测得的波形见图 ( （ B） ， 电机转速为 +:!@ < )64 （ 理论频率 %:&’ ） ， 所获频率 (#C .&’。从 实验波形可知， 在较低电压下 （ +!= ） ， 脉冲波形占空 比保持约 %!D E .!D ， 并不随电机转速而 变 化 很 多， 且与先前理论分析的占空比 ./D 相差不大； 而 等离子体反应腔作负载并产生放电时的仿真及实验 波形也基本相符， 从而验证了碳刷旋转开关形成脉 冲理论并用于低温等离子体激发的可行性。增加电 源电压后由于出现碳刷与触头的起灭弧问题以及电 弧、 碳刷电阻的非线性， 脉冲波形的占空比增大且产 生了纹波。无论在低电压还是高电压下， 产生脉冲
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目前， 产生等离子体的方法有很多 [\ 电压
［ &］
， 如加热
该装置由一个储能电容、 一套交流高压电源发 生器 （ 包括调压器、 升压变压器） 、 一个二极管整流 硅堆、 多个水阻、 一个分压器和一个碳刷型旋转开关 组成， 其电路结构见图 ! 。该装置ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ产生重复率为 % 2 &%%34， 幅值为 5 #%/6 的高压脉冲电压。 !$ #" 碳刷型旋转开关 碳刷型旋转开关是产生高压脉冲的关键， 它由 一个可调速的交流电机带动， 电机转速从 % 2 8%%%N ^ +*. 任意可调， 该旋转开关物理结构见图 # 。定子部
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第 88 卷 第 # 期 #%%= 年" " # 月
高" 电" 压" 技" 术
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用于产生等离子体的高压脉冲电源的研制
朱志杰! ，张贵新! ，刘" 亮! ，罗承沐! ，刘敏传#
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（ !$ 清华大学电机与应用电子技术系， 北京 !%%%&’ ； #$ 北京四方继保自动化股份有限公司， 北京 !%%%&( ）
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（ (%’==%%( ） ； 清华大学基础研究基金 （ _J ‘a #%%(%(8 ） ! 国家自然科学基金资助项目
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’++< 年 ’ 月
高I 电I 压I 技I 术
第 44 卷第 ’ 期
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分用绝缘材料尼龙加工而成， 沿圆周方向定子左右 两侧对称的开有 !" 个槽通孔， 然后将碳刷至于槽 内， 并用紧固螺栓挤压碳刷尾部的弹簧， 同时由于碳 刷头部已经顶到转子， 这将使得弹簧充分的压紧。 采用这种结构， 当碳刷头部由于与转子的摩擦而发 生磨损时， 弹簧力将使剩余碳刷外移， 碳刷头部仍可 随时与转子上金属触头接触导通。定子上共开有 !" 个槽通孔， 左右对称分布， 左右侧面各 # 个， 每个 槽孔相 隔 $%& 。转 子 部 分 同 样 由 绝 缘 材 料 尼 龙 制 成， 左右两侧共开 $ 个槽孔放入金属触头， 同一侧两 金属触头通过置于转子内部的金属导线连接导通， 左右两侧面金属触头角度相差 ’’( %& 。工作时， 将 定子上连续的八组螺栓用金属薄片覆盖导通， 即将 !" 个螺栓分成两组， 一组接至储能电容高压侧， 另 一组接至等离子体装置正电极。使用此种电极结 构， 随转子转动， 当左侧面金属触头转至某碳刷处 时， 左侧面开关导通 （ 右侧面开关此时并未导通） ， 储能电容上电压通过左侧面开关传至等离子体装置 正电极； 当转子再转过 ’’( %& 时， 左侧面开关关断， 此时右侧面开关正好转至右侧某个碳刷处， 开关导 通， 同样加压于正电极。采用这种方式可获得频率 ! ) !" （ " * "+ ） （ " 为电机转速， , * -./） 的高压脉冲。 !" 脉冲主电路仿真和分析 利用 0.-12./3 对不同的负载情形下脉冲发生电 路 （ 图 4） 进行了仿真： 用库中参数可设的 5678 元件 作为碳刷 开 关 的 替 代， 由于碳刷 （ 矩 形） 宽度为 " --， 与金属触头 （ 弧 形） 直 接 接 触 的 长 度 #9 为 +( ! --左右， 转子金属触头弧长约为 # : ) !+ --， 转 子半径 $ ) 4% --， 倍率 # 8 ) !" ， 计算可得占空比 # ) （’ #9 ; #: ） （ * ’ !$ % # 8 ） 实际应用时随工 "<4= ， 作电压逐渐加高 （ > !+++? ） ， 碳刷与金属触头间由 于起灭弧问题将使得碳刷与金属触头之间的接触长 度加长， 并引起占空比的明显变化。因此仿真时将 开关的导通占空比设为 #+= ， 并设置 5678 开关的 上升时间为 +( !-0， 下降时间为 ’+ -0； 而对等离子 体反应器作为负载的情况， 视为电阻 $ @ 与电容 & @ ［ !+ ］ 的并 联 ， 并 通 过 简 单 估 算 得 & @ " ’+ @A， $@ " %B"。等离子体在较低气压下一定频率的千伏左 右脉冲电压即可使其放电， 因此一旦负载上电压到 达放电所需值时， 等离子体反应器中将发生放电。 放电过程中， 等离子体部分的阻抗按指数形式衰减 变化， 取表达式为 $ @ ) % C !+ " D E ’ % ’ ( ; $+［ !!］， 其中 ’ 0 指电阻衰减时间常数， $+ 指半导电化电阻， 都是反应 腔内气压 ) ， 脉冲频率 !， 电源电压值 * 的函数， 仿真 时取 ’ 0 ) F% #0 ， $+ ) %+3" ， 采用文 ［ !’ ， !4 ］ 中提到 的放电过程连续控制方法进行仿真， 得到相关电压