大功率微波电源的制备研究

王顺山，汪建华，胡 益

（武汉工程大学 湖北省等离子体化学与新材料重点实验室，湖北 武汉 430073）

0 引 言

随着科学技术的不断进步发展，微波技术被广泛应用到各个高新技术领域，微波等离子体技术也在最近几十年的发展中逐渐走向成熟。如今，微波已进入材料化学、物理、半导体、电子科学等专业领域[1]。湖北省等离子体化学与新材料重点实验室主要通过等离子体化学气相沉积技术合成金刚石薄膜材料，而大功率微波电源是制备金刚石薄膜的主要能量来源，为此，需要研制一种能够达到工业化使用标准的大功率微波电源[2]。在这种微波电源控制系统中，新型磁控管采用对称型谐振腔环形磁带和输出回路耦合电路，这样可以抑制模间串扰，增强输出耦合。大功率微波电源的额定功率可以达到10 kW，它的稳定性好，反应速度快，可靠性高，能量转换效率高，为工业制备高质量单晶金刚石和单晶硅等新材料行业领域提供了技术支持[3-4]。

1 微波电源设计

微波电源主要由两部分组成，一部分是微波发生器，即本文使用的磁控管，另一部分是为磁控管供能的微波源。为了研制微波电源，首先要通过Altium Designer软件设计出各个部分的电路图，再根据电路图制备出一台完整的微波电源，最后通过全面的检测和调试，使其达到工业生产的实用要求。

1.1 CK-619型磁控管

本文使用的磁控管型号是CK-619，这种连续波磁控管常常作为工业用微波功率设备微波电源的首选器件。它具有转换效率高、输出功率大、寿命长等特点[5]。该磁控管是金属陶瓷的外包结构，直热式纯钨阴极，磁场由外加环形磁铁提供，能量从轴向天线输出。CK-619型磁控管的实物如图1所示。

图1 磁控管实物图

磁控管由管芯和磁钢组成。管芯由阳极、阴极、能量输出器及磁路系统4部分组成。磁控管的内部结构如图2所示。

图2 磁控管内部结构图

磁控管的阳极由导电良好的金属材料构成，周围设有谐振空腔，靠近中心侧有一个槽，将磁控管内部分为多个独立空间，且在阳极腔内构成一个个并联的LC电路。如果一个谐振腔起振，必将带动临近的谐振腔起振。由于内部的闭环结构，谐振腔起振会在槽附近形成高频场，并辐射出微波。磁控管的阴极由钨丝绕成螺旋形状，通电流加热到一定的温度后具有发射电子的能力。电子在内部谐振腔做螺线摆运动，最终打在阳极上，通过连接在阳极上的能量输出天线将微波能量输出[6]。

1.2 微波源设计

为了使磁控管能够持续稳定地输出微波能量，需要微波电源的控制系统足够稳定，并能源源不断地为磁控管输送稳定的高压电。为此，本文将微波电源硬件电路设计为4个部分，包括电场电源、励磁电源、灯丝电源以及单片机控制电路。

1.2.1 电场电源

首先利用工频变压器将380 V的三相交流电进行升压处理，其次使用整流电路将交流电转换成直流电，最后再串联一个10 H的电感进行滤波处理，最终得到所需要的高压直流电。

在本设计中，先将380 V交流电用变压器进行升压处理，电场电源变压器实物如图3所示，变压器副边一个以星型连接，一个以三角形连接。将二者的输出端串联在一起，可以提供10 kV的高压电。考虑到磁控管所需要的直流电的电压过高，在进行整流处理时，可以采用多个三相桥式整流电路串联的方法来设计整流电路，这样既可以增加直流电的输出功率，又可以改善输出波形。串联12脉波整流电路如图4所示，两个三相整流桥其中的一个共阴极组与另一个的共阳极组串联在一起，然后从未连接在一起的共阳极组与共阴极组一端输出。此电路一般应用在高电压输出的设备中。由于电场电源部分需要产生10 kV的高压电，故选择此电路作为电场电源部分的整流电路，实际工作中可以满足实验和工业要求[7]。

图3 电场电源变压器实物图

图4 串联12脉波整流电路

1.2.2 励磁电源

按照实际的设计要求，励磁电源需要提供一个稳定的30 V直流电压，来保证电磁铁能够提供稳定的磁场。另外，还要能够调节输入电磁铁的电流大小。使用开关电源模块来设计励磁电路，以满足励磁电源的设计要求。设计的励磁电源框图如图5 所示。

图5 励磁电源设计框图

从设计框图可以看出，功率校正模块将220 V交流电转变为380 V直流电，降压模块将380 V直流电降压获得40 V直流电，串联稳压电路给电磁场提供一个稳定的电压，最后的输出调节模块通过调节线圈电流的大小来调节磁场的大小。

功率校正模块电路选择UCC28051作为主要校正器件。基于UCC28051的功率因素校正模块电路原理如图6所示。这种电路可以很好地完成对功率的校正，还可以避免谐波对电流的干扰，防止畸变的电流影响电路的正常运行，能够完全解决功率校正的问题[8]。

图6 功率校正模块电路

本文采用UC3843芯片为控制芯片作为降压模块电路的主控芯片，降压模块电路如图7所示[9]。

图7 降压模块电路图

降压模块电路可以将功率校正模块电路输出的高电压通过Buck型降压电路进行降压分流，通过其中的反馈电路对高电压和高电流逐次处理，反复进行降压分流，最后得到一个稳定的30 V电压。

1.2.3 灯丝电源

在常温下，磁控管灯丝的电阻为0.25 Ω，随着温度升高电阻也会略微增大，电阻值约为0.33 Ω。按照磁控管的参数要求，需要为磁控管的阴极灯丝提供一个有效值为12 V、47 A的正弦交流电。但是在预热一段时间后，阴极灯丝会发射出电子，并且会有部分电子回轰灯丝，使其温度升高，电阻增大。为此，需要将流过灯丝的电流降低到36 A。灯丝电源模块设计如图8所示。

图8 灯丝电源模块设计图

在正常运行过程中，灯丝电阻在预热阶段不断增大，并且工频交流电的幅值也在不断变化。为了使流经灯丝的电流保持稳定，设计了灯丝电源控制电路来保证电流的稳定性。灯丝电源控制电路如图9所示。该电路主要将220 V工频市电降压处理获得12 V交流电，将灯丝变压器一次侧的电流数值进行多次取样检测，之后用TRIAC（即双向可控硅）调节二次侧导通角的大小，从而完成对电流的 调整。

图9 灯丝电源控制电路图

该电源设计要求对流过阴极灯丝的电流进行持续调整，通过采样电路就能实时获得电流值，再将模拟量转换成数字量传递给控制芯片。控制芯片将得到的电流信号进行周期内的计算，求出平均数值，之后与给定的电流数据进行对比，将误差值传递到TRIAC上，以此控制TRIAC导通角的大小调整[10]。

1.2.4 单片机控制与显示电路

单片机控制与显示电路主要由控制芯片部分和一些外围电路组成。本文采用ATmega 16L控制芯片为整个微波电源系统的控制核心。该控制芯片能够利用按键和数码管进行可视化控制。在电路中，按键起到暂停启动和设定功率的作用，LED数码管用于冷却水流量和功率参数的实时设定和显示。单片机控制和显示电路如图10所示[11]。

图10 单片机控制和显示电路图

2 微波电源调试

微波电源的调试主要用到万用表和示波器。调试检测之前，首先要熟悉硬件原理图和PCB元器件布局，之后对各个元器件进行检测，最后对各个电路模块进行相关调试。

2.1 PCB的调试

电路板的焊接工作在电源安装的过程中完成，焊接好的电路板还不能直接投入使用，需要对电路板进行系统性的检测和调试。这里使用示波器验证其功能是否正常。调试检测时，需要对电路板上各个模块内的元器件进行检测，主要内容包括元器件是否存在缺焊、漏焊、焊接不牢、极性元器件焊接方向错误、元器件管脚存在短路等问题。若发现电路板存在不正常现象，应分析具体原因并排除故障，反复进行调试，直到达到设计要求。使用万用表测量电路板上各个电源端点对地阻抗并记录下来。

2.2 微波电源其他部分的调试

完成对PCB电路板的调试后，还需要完成对其他电路的检测调试过程，图11为通过示波器对励磁电源部分进行调试后的波形图，图12为灯丝电源输出波形图。从图中可以看出励磁电源的输出电压是直流30 V，其幅值波动较小；灯丝电源的输出是交流电压，其波形符合双向可控硅的导通角度，用万用表测量，其幅值在12 V。两者都满足设计 要求。

图11 励磁电源输出波形图

图12 灯丝电源输出波形图

实验室和工业制造往往需要电源能够保持输出功率在6 kW的条件下长时间稳定运行，保险起见，将微波电源的功率设置为7.5 kW进行开机测试。微波电源的实物安装以及上机调试现场如图13所示，在实际调试过程中，令微波电源运行10 h，每隔1小时记录一次实际功率。记录的实际功率波形如图14所示。

图13 微波电源上机调试现场图

图14 微波电源实际功率波形图

通过实际功率波形图可以看出，尽管微波电源的功率出现了轻微波动，但是波动在可以接受的范围内，微波电源的输出功率基本处于稳定状态。这说明这台微波电源已经达到了最初的设计预期。

3 结 语

基于对电源全方位的了解，对电源电路进行设计，经过实际的实物安装和对电源的反复检测调试，本文研制出了满足实验室和工业要求的微波电源。如今，随着科技的迅速发展，要研制出一台微波电源仍需要很多专业人才的共同努力，所以后续的实验研究工作意义重大，日后还需要对微波电源进行全方位的改进和优化，以期将微波电源做得更加 实用。