高频磁场等离子发生系统的阻抗匹配特性研究

久智光电子材料科技有限公司　樊立强　王增慧　潘　健

高频磁场等离子发生系统的阻抗匹配特性研究

久智光电子材料科技有限公司樊立强王增慧潘健

高频磁场等离子工艺可以生产纯度高、羟基含量低的高品质石英玻璃产品。本文针对高频磁场等离子工艺的核心设备等离子发生系统进行理论分析和实践总结，得出了有效改善等离子发生系统阻抗匹配状况的方法，对提升等离子发生系统的工作效率和改善石英产品品质有一定帮助。

高频；等离子；阻抗匹配；电子管；振荡

一、引言

随着科技的发展与进步，石英玻璃由于其优良的物理、化学性能，在半导体、新型光源、精密仪器等领域占有越来越重要的地位。高频等离子熔制工艺由于使用等离子体做热源，能够生产出纯度高、羟基含量低的高品质石英玻璃。在此工艺中，高频等离子发生系统是整个设备的核心所在。结合工作实践和积累总结，我们发现对等离子发生器系统进行合理的阻抗匹配，能够有效提高等离子发生系统的工作效率，进而提升产品品质和生产效率，同时各部件的使用寿命也能相应延长，降低成本。

二、原理及分析

高频等离子发生系统的功率输出将负载端等离子线圈内的压缩空气电离，产生等离子弧，其中心温度达6000-8000K，可将石英粉料熔化生产石英玻璃产品。在电气构成上，等离子发生系统可分三为个部分：电源部分、控制部分和振荡部分，如图1所示。

图1　高频等离子发生系统架构

从能量的观点来看，等离子发生系统如同是一个能量转换器，它将直流电源的能量转换成交流能量，并最终分成两个部分：一部分用于系统功率输出；另一部分能量被系统内部损耗。因此，提高发生系统的工作效率就必须要最大限度地降低控制系统的损耗。对等离子发生系统进行合理的阻抗匹配将对降低内部损耗很有帮助，使功率输出尽可能最大化输送至负载。结合实际生产设备，功率输出是通过并联谐振电路中的电感线圈来实现的。相当其可等效为电阻和电感线圈串联后再与电容器并联并与前端电源组成并联谐振电路，如图2所示。

图2　等效并联谐振电路

图3 等离子发生系统等效电路

在实际情况下，电感线圈的电阻很小，可忽略不计。因此并联谐振电路呈现高阻抗状态，而电子管是高内阻器件，所以必须将电子管与并联谐振电路合理配合使用，才能将高频余弦脉冲的基波成分充分选择，向后端负载实现高效率的有效输出。

图3所示为等离子发生系统回路的简化等效电路，电源的电势为，内阻为Ri，后端接上等效阻抗Rd，则流过Rd的 电流为：

则等效负载上得功率为：经微分求取极值可知，当，即负载等效电阻等于电源内阻时，电源输出功率最大。因此，等离子发生系统的输出功率的效率高低受电子管内阻和谐振电路的等效阻抗的共同影响。

从改变电子管的内阻值和谐振电路等效阻抗这两个角度考虑提升等离子发生系统阻抗匹配程度的方向和措施：

1.等离子发生系统的振荡回路可简化为如图4所示，其中电子管内阻使用表示。

图4　等离子发生系统振荡回路简化图

图5　改变引线位置后的振荡回路简化图

所以在实际过程中，在已经确认等离子发生系统无其他不良或故障的情况下，如果电子管输出功率依然较小，则应考虑问题有可能是电子管内阻较小造成的。此时可将并联馈电线收接，等效于增加电子管内阻。另外，根据工作实践经验，在电子管屏极回路串联电阻，或者在电子管阴极电路中串联一个阴极电阻，使产生的电流实现负反馈功能，均可有效增大电子管的等效内阻，进而改善阻抗匹配水平，实现提升输出功率的目的。

2.等离子发生系统的工作原理是经控制电路和振荡电路在等离子线圈施加高频交变电场，进而在线圈内侧产生快速变化的磁场。流经等离子线圈的压缩空气被快速电离，负载线圈与等离子体电流形成等效的变压器进行能量传输。

通过改变谐振电路的等效阻抗Rd，使其等于或接近电子管内阻，同样可以实现等离子发生系统的阻抗匹配度优化进而提升输出功率。结合反射阻抗理论，在负载线圈和等离子体电流形成的耦合电路中，改变互感系数大小即调整压缩空气流速、等离子线圈的匝距、有效截面等参数以及回路自身的阻抗参数均可改变谐振电路的等效阻抗，使槽路电压降低，阳流增大，从而实现改善阻抗匹配程度，实现提升等离子发生系统功率输出的目的。

3.在使用高频等离子发生器的实际生产中，由于石英粉料的型号差异以及下料量变化，等离子发生系统的负载功率经常出现变化，需作出相应调整，以满足要求的石英产品品质、生产效率和降低不必要功耗的要求。

4.由于电源电压的变化会引起电子管工作点的改变，使电子管内阻受到影响，因此灯丝电源和直流电源输入的稳定程度也是不可忽视的一个方面。而在选择电容、电感等元件时，应尽量选取使用本身参数对温度、湿度稳定性高的元件，避免由于环境变化造成的等离子发生系统的阻抗匹配程度降低。

三、总结

本文从能量的观点出发，认为等离子发生系统是一个能量转换器，寻求解决实际转换效率不高的现状。通过对等离子发生系统的谐振电路和等效电路分析，得出从阻抗匹配角度的改善问题的方法。改善内容基本分为改变振荡回路电子管内阻阻值和谐振电路等效阻抗两个方向的多个方法和措施。由于实际生产工艺和所使用设备的差异，本文所给出的方法和措施可能并不一定适用各种等离子发生系统，但运用阻抗匹配理论并结合自身实际情况，应可以有效改善等离子发生系统的功率输出和实际效率。整体而言，本文对等离子发生系统的性能改善和效率提升提供了一个新角度，并富有一定的指导意义。

［1］童诗白.模拟电子技术基础（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［2］刘继舒.大功率射频激光电源的仿真设计［D］.硕士学位论文：华中科技大学，2009，05.

［3］付柱翠，陈颖等.电子元器件可靠性技术教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2010.

［4］吴兆麟，袁俊国，于非.高频感应加热装置的负载匹配方法［J］.电力电子技术，Vol.33，No.4，1999：29-32.

［5］宣三，龚绍文.高频功率电子学［M］.北京：科学出版社，1993.

本研究获得河北省重大科技成果转化项目（项目编号：14041101Z）资助 。