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威廉希尔官方网站 进行PWM方波控制，在功率晶体管驱动下，经高频谐振升压威廉希尔官方网站 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、驱动威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 提供控制信号，在晶体管驱动下，经高频谐振升压威廉希尔官方网站 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控制威廉希尔官方网站

控制威廉希尔官方网站 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同相比例放大威廉希尔官方网站 接人EA-与CS+，u1输出信号经R6、C5的RC串联威廉希尔官方网站 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构成分压威廉希尔官方网站 接入VREF与EA+，SLOPE与VC端用R15相接，PWRGND接地，脚FREQSET、DELATSET经RC并联威廉希尔官方网站 接地。

2.2高频谐振升压威廉希尔官方网站

在高频升压威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 提供控制信号，在功率晶体管驱动下，经高频谐振升压威廉希尔官方网站 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。