高频高压等离子体发生过程与系统设计

针对传统直流等离子体发生器电源效率不高、驱动管热损耗大等问题，设计了一个高效率低损耗的高频高压等离子体发生器。该系统通过移相全桥控制电路进行PWM方波控制，在功率晶体管驱动下，经高频谐振升压电路对输入信号升压，实现等离子体的稳定发生。实验结果表明，该系统与传统直流等离子体发生器相比电源效率提升了5.4%。

作为物质的第四态，等离子体因其独特的离子效应、优良的导电性、显著的集体运动行为等特点，已经在能源、信息、材料、化工、医疗、空间物理等领域得到了广泛的重视和应用。在等离子体应用和推广的同时，各领域也对等离子体发生器的设计提出了更多的要求。由于传统直流等离子体发生器能耗较大、效率不足，为满足现代化工业的更高需求，新型高效的等离子体发生器的设计研究就显得愈发重要。

针对传统直流等离子体发生器存在的问题，设计了一种高频高压等离子体发生器。该系统由移相全桥PWM控制模块、功率驱动模块、高稳定性双谐振升压模块等模块构成，可以实现输入电源效率的有效提升、驱动电路热损耗现象的极大降低和等离子体的稳定发生。

1高频高压等离子体发生方法

当在感应线圈上施加高频电场后，部分空气电离产生的带电粒子做高速运动，二次碰撞气体原子，形成雪崩电离，并在垂直于磁场方向的截面上形成闭合环形涡流。根据等离子体涡流效应：

E=nФωsin（（1）t）（1）

其中E为感应电动势，n为匝数，Ф为磁通量且满足Ф=BS，ω为交变电流频率。可知电流的频率越高，磁通变化率越大，感应电动势越大，涡流效果越显著，等离子体束越稳定。由于高频交变电流涡流效应的存在，等离子体束具有趋肤效应。趋肤效应穿透深度的计算公式为：

因此，当放电尖端的电压和交变电流的频率分别达到相关阈值时，能够发生具有良好稳定性和高电子密度的等离子。在高频高压下通过气体放电的方式可以稳定产生等离子体。

2高频高压等离子体发生系统

基于上文所阐述推导的以高频高压原理产生等离子体的理论基础，设计从如何有效提升输入电源效率并降低驱动电路开关管热损耗出发，设计了一种高频高压等离子体发生器。系统框图如图1：

系统通过移相全桥控制电路提供控制信号，在晶体管驱动下，经高频谐振升压电路对输入信号升压，实现等离子体的稳定发生。

2.1全桥移相PWM控制电路

控制电路以UC3875芯片为核心进行PWM控制，实现对后驱动桥臂导通相位0～180°的相位移动控制和0～100%的占空比控制。

C1、C4、C6为VCC供电段的滤波电容，C7、C8、C9為接地电容，输入信号INA、INB经u1、U2同相比例放大电路接人EA-与CS+，u1输出信号经R6、C5的RC串联电路接入EA/OUT，R4、R5、R7、R8为限流电阻，电源信号经C3滤波后，由R1、R2、R3构成分压电路接入VREF与EA+，SLOPE与VC端用R15相接，PWRGND接地，脚FREQSET、DELATSET经RC并联电路接地。

2.2高频谐振升压电路

在高频升压电路的设计上，系统采用以LC谐振为理论基础的高频谐振固态特斯拉升压电路。电路由低压输入端、主电容组、谐振通断器、初次级线圈、放电尖端构成，可以在放电端形成高压电场，以实现在高频高压条件下的等离子体发生。

C1～C30为耐压值达1200V的高压电容组，谐振通断器串于电容组输入端与初级线圈一端，信号经谐振在次级放电端实现放大。

3等离子体发生系统实验结果与分析

3.1实验仪器与设备

功率分析仪WT500、数字示波器DL9140、函数信号发生器AFG3252、高压探棒、螺旋测微器、数字直流电源、12V20A开关电源、接地棒等。

3.2数据测量与分析

（1）谐振频率测量

首先对激励信号的参数进行配置，设置其峰峰值电压幅度为lv，波形为正弦波，无偏置电压，相位偏移为0°。记录响应信号波形，绘制数据表格：

当系统工作频率为262kHz时，响应信号的幅度达到最大值6.00V，此时最大增益系数为15.56dB，因此该频率即为系统的谐振频率。此时响应信号的参数：信号频率为262kHz，电压幅值为6v，信号波形为正弦波。

（2）系统工作效率

设置系统工作频率为262kHz，将功率分析仪WT500的电压探头对应接入系统的测试端口，调节功率分析仪的测量模式、量程、接线设置并选择合适的滤波窗口和传感器参数。在系统稳定发生等离子体时，测得系统的效率为87.4%。

实验数据表明：系统的谐振频率为262kHz。放电尖端稳定发生等离子体时，系统的工作效率为82.4%，与传统直流等离子体发生器最高77%效率相比，提高了5.4%，实现了驱动管耗的降低和输入电源效率的提升。

4结论

针对传统直流等离子体发生器电源效率不高、驱动管损耗较大等问题，设计了一种高频高压等离子体发生系统。该系统通过移相全桥控制电路提供控制信号，在功率晶体管驱动下，经高频谐振升压电路对输入信号升压，实现等离子体的稳定发生。实验结果表明，系统工作频率稳定在262kHz，系统的工作效率为82.4%，与传统直流等离子体发生器最高77%效率相比，提高了5.4%，实现了驱动管耗的降低和输入电源效率的提升。