一种中频方波等离子体激发电源
阅读说明：本技术 一种中频方波等离子体激发电源 (Medium-frequency square wave plasma excitation power supply ) 是由 刘力 张小彬 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本申请涉及特种电源技术领域,特别地涉及一种中频方波等离子体激发电源,包括：电压调整模块、应力吸收与预输出电路、逆变与输出模块；其中,所述电压调整模块的输入端与外界输入信号连接,所述电压调整模块、所述应力吸收与预输出电路、所述逆变与输出模块依次电性连接；输入信号通过电压调整模块输入调整电压,经由逆变与输出模块逆变为交流电,并由应力吸收与预输出电路前端的尖峰电压稳定下一周期的逆变器输入电压。本申请中,输入信号通过电压调整模块输入调整电压,经由逆变与输出模块逆变为交流电输出方波,同时应力吸收与预输出电路吸收逆变与输出模块输入电压应力端,提高了安全性能,延长了使用寿命。(The application relates to the technical field of special power supplies, in particular to an intermediate frequency square wave plasma excitation power supply, which comprises: the device comprises a voltage adjusting module, a stress absorbing and pre-outputting circuit and an inverting and outputting module; the input end of the voltage adjusting module is connected with an external input signal, and the voltage adjusting module, the stress absorbing and pre-outputting circuit and the inverting and outputting module are sequentially and electrically connected; the input signal is input into the adjusting voltage through the voltage adjusting module, is inverted into alternating current through the inverting and outputting module, and is stabilized by the peak voltage at the front end of the stress absorbing and pre-outputting circuit. In this application, input signal passes through voltage adjustment module input adjustment voltage, via the contravariant and output module contravariant for alternating current output square wave, stress absorption and output circuit absorb contravariant and output module input voltage stress end in advance simultaneously, have improved the security performance, have prolonged life.)
技术领域
本申请涉及特种电源技术领域，特别地涉及一种中频方波等离子体激发电源。
背景技术
特种电源即特殊种类的电源，其主要是输出电压特别高，输出电流特别大，或者对稳定度、动态响应及纹波要求特别高，或者要求电源输出的电压或电流是脉冲或其它一些要求。这就使得在设计及生产此类电源时有比普通电源更特殊甚至更严格的要求。目前国产等离子体激发电源即为特种电源的一种。
在特定容器里，注入特定的混合气体，在特定高压与高温的条件下，外加特定的电场使该气体放电，气体放电可以产生等离子体，被外加电场加速的部分电离气体中的电子与中性分子发生碰撞，把从电场得到的能量传给气体，电子与中性分子的弹性碰撞导致分子动能增加，表现为温度升高；而非弹性碰撞则导致激发(分子或原子中的电子由低能级跃迁到高能级)、离解(分子分解为原子)或电离(分子或原子的外层电子由束缚态变为自由电子)，高温气体通过传导、对流与辐射把能量传给周围环境。在特定条件下，给定容积中输入能量与损失能量相等，电子与重粒子(离子、分子与原子)间能量传递的速率与碰撞频率(单位时间内碰撞的次数)成正比，在稠密的气体中，碰撞频繁，两类粒子的平均(温度)很容易达到平衡，因此电子温度与气体温度大致相等，这是气压在一个大气压以上时的通常情况，一般称热等离子体或平衡等离子体。产生这种等离子体的核心设备就是等离子体激发电源。
等离子体的不同应用工艺对等离子体激发电源要求也不同，这些要求主要是指脉冲的形状、电压多高、频率是多少等等。而目前等离子体激发电源输出波形多为正弦波(曲线型)，并非方波，而对于一些特殊场合，如一些等离子体的应用工艺，需要离子体激发电源输出方波。
有鉴于此，本申请提出了一种中频方波等离子体激发电源。
发明内容
为了解决或至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种中频方波等离子体激发电源，包括：电压调整模块、应力吸收与预输出电路、逆变与输出模块；其中，所述电压调整模块的输入端与外界输入信号电性连接，所述电压调整模块、所述应力吸收与预输出电路、所述逆变与输出模块依次电性连接；
输入信号通过电压调整模块输入调整电压，经由逆变与输出模块逆变为交流电并输出方波，并由应力吸收与预输出电路吸收逆变与输出模块电压应力，，该电压应力并为输出的下一周期提供稳定的电压，提高装置的整体安全性能。
上述方案中，输入信号通过电压调整模块输入调整电压，经由逆变与输出模块逆变为交流电输出方波，同时应力吸收与预输出电路吸收逆变与输出模块输入端电压应力，提高安全性能。
作为本发明进一步的方案，所述电压调整模块包括至少两个以上并联相连的电压调整电路。
作为本发明进一步的方案，所述逆变与输出模块包括至少两个以上并联相连的逆变与输出电路。
作为本发明进一步的方案，所述电压调整电路包括：包括二极管D1、整流管Q1-sr、电感L1-a、MOS管Q1；
所述二极管D1的负极与电容C1的一端电性连接，所述二极管D1的正极与所述电感L1-a的一端、所述MOS管Q1的漏极电性连接，所述电感L1-a的另一端与所述应力吸收与预输出电路、所述逆变与输出模块电性连接，所述MOS管Q1的源极与所述应力吸收与预输出电路电性连接，所述MOS管Q1的栅极接外界信号；
所述整流管Q1-sr的源极与所述二极管D1的正极电性连接，所述整流管Q1-sr的漏极与二极管D1的负极电性连接，所述整流管Q1-sr的栅极接外界信号。
作为本发明进一步的方案，所述逆变与输出电路包括：MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7、MOS管Q8、电感L2、电阻R1；
其中，所述MOS管Q5的漏极与所述二极管D1的负极、所述MOS管Q6的漏极电性连接，所述MOS管Q5的源极与所述MOS管Q7的漏极、所述电阻R1的一端电性连接，所述MOS管Q6的源极与电感L2的一端、所述MOS管Q8的漏极电性连接；
所述MOS管Q7、所述MOS管Q8的源极均与所述应力吸收与预输出电路中的二极管D5的负极电性连接；
所述电感L2的另一端与所述电阻R1的另一端电性连接；
所述MOS管Q5、所述MOS管Q6、所述MOS管Q7、所述MOS管Q8的栅极均外接触发信号。
作为本发明进一步的方案：还包括与所述电阻R1并联的电容C2或者待激发成等离子的气体。
作为本发明进一步的方案所述应力吸收与预输出电路包括：二极管D5、二极管D6、电容C3、电阻R4、电阻R5；
所述二极管D6的正极与所述电容C1的另一端、所述MOS管Q1的源极电性连接，所述二极管D6的负极与所述电容C3的一端、所述二极管D5的正极电性连接，所述二极管D5的负极与所述电感L1-a的一端电性连接；
所述二极管D5的负极与所述电感L1-a、所述逆变与输出模块3电性连接，所述电容C3的另一端与所述二极管D1的负极、所述逆变与输出模块3电性连接；
所述电阻R5与所述电容C3并联，所述电阻R4与所述二极管D5并联。
作为本发明进一步的方案，所述电压调整模块包括一个电压调整电路。
作为本发明进一步的方案，所述逆变与输出模块包括一个逆变与输出电路。
作为本发明进一步的方案：所述MOS管Q1、所述MOS管Q 5、所述MOS管Q 6、所述MOS管Q 7、所述MOS管Q 8均为N型SIC MOSFET或IGBT。
有益效果：
1、本申请中，输入信号通过电压调整模块输入调整电压，经由逆变与输出模块逆变为交流电输出方波，在这过程中，输出为0或输出电压跳变时，逆变与输出模块关断输出，应力吸收与预输出电路会吸收逆变与输出模块关断所带来的尖峰电压，同时逆变与输出模块输出的电压应力并为输出的下一周期提供稳定的电压，为后续逆变与输出模块打开准备。
2、本申请通过逆变桥电路把储能电感与输出隔离，同时为储在电感的能量提供到输入的释放回路(即信号输入Vin端)，解决了输出为0V或电压跳变时储存在电感的能量带来的各种应力问题，实现了大功率(电感工作连续模式)方波输出。
3、本申请中，电容C1、电容C2、电感L1-a、MOS管Q1、二极管D1；电容C1、电容C2、电感L1-b、MOS管Q2、二极管D2共同构成交错BUCK；MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7、MOS管Q8构成逆变与输出电路；通过Buck实现调压，逆变实现交流输出，在输出为0V时或电压跳变时可以关断逆变桥，可以把电感能量通过二极管D1(或二极管D2)与二极管D5给电容C3充电，或通过二极管D1(或二极管D2)与二极管D6、二极管D5把能量回馈给信号输入Vin端，或以电容C1作为输入、电容C3作为输出构成BUCK，均可实现各种方波输出。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的实施方式，下面将对相关的附图做出简单介绍。可以理解，下面描述中的附图仅用于示意本申请的一些实施方式，本领域普通技术人员还可以根据这些附图获得本文中未提及的许多其他的技术特征和连接关系等。
图1为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源的结构示意图。
图2为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源的电路原理图。
图3为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源的稳态时序图。
图4为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源输出的第一种方波示意图。
图5为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源输出的第二种方波示意图。
图6为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源输出的第三种方波示意图。
图7为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源输出的第四种方波示意图。
附图标记说明：
1、电压调整模块；11、电压调整电路；2、应力吸收与预输出电路；3、逆变与输出模块；31、逆变与输出电路。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请进行详细说明。
实施方式一
本申请人发现，在等离子体激发电源技术领域中，国产等离子体激发电源正弦波多，并没有较好的方式实现输出方波。而对于一些特殊场合，例如：等离子体的应用工艺对等离子体激发电源要求之一，脉冲需要为方波，方可满足生产工艺。
为此，本申请的第一实施方式提出了中频方波等离子体激发电源，参阅图1，图1为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源的结构示意图，主要包括：
电压调整模块1、应力吸收与预输出电路2、逆变与输出模块3；其中，所述电压调整模块1的输入端与外界输入信号电性连接，所述电压调整模块1、所述应力吸收与预输出电路2、所述逆变与输出模块3依次电性连接。
输入信号通过电压调整模块1输入调整电压，经由逆变与输出模块3逆变为交流电输出方波，在这过程中，输出为0或输出电压跳变时，逆变与输出模块3关断输出，应力吸收与预输出电路2会吸收逆变与输出模块3关断所带来的尖峰电压，同时稳定预输出电压(即稳定下一周期的逆变器输入电压)，为后续逆变与输出模块3打开准备。
其中，所述逆变器为吸收逆变与输出模块3中的逆变电流部分。
可以理解的是，本申请方案中，通过电容C1来输入信号，主要为实现功率输入。
具体的，参阅图2，图2为本申请提供的另一种中频方波等离子体激发电源的电路原理图。其中，所述电压调整模块1包括至少一个以上的电压调整电路11。所述电压调整电路11包括二极管D1、整流管Q1-sr、电感L1-a、MOS管Q1。
所述二极管D1的负极与电容C1的一端电性连接，所述二极管D1的正极与所述电感L1-a的一端、所述MOS管Q1的漏极电性连接，所述电感L1-a的另一端与所述应力吸收与预输出电路2、所述逆变与输出模块3电性连接，所述MOS管Q1的源极与所述应力吸收与预输出电路2电性连接，所述MOS管Q1的栅极接外界信号；
所述整流管Q1-sr与二极管D1并联，具体为所述整流管Q1-sr的源极与所述二极管D1的正极电性连接，所述整流管Q1-sr的漏极与二极管D1的负极电性连接，所述整流管Q1-sr的栅极接外界信号。
需要说明的是，本申请实施方式的方案中，电压调整电路11的数量可以为一个，也可以为多个。
参阅图2所示，电压调整电路11的数量优选为四个，四个电压调整电路11依次并联相连。
为方便理解多个电压调整电路11并联相连，本申请以两个为例进行说明，此时电压调整模块1还包括二极管D2、整流管Q2-sr、电感L1-b、MOS管Q2。
所述二极管D2的负极与电容C1的一端电性连接，所述二极管D2的正极与所述电感L1-b的一端、所述MOS管Q2的漏极电性连接，所述电感L1-b的另一端与所述应力吸收与预输出电路2、所述逆变与输出模块3电性连接，所述MOS管Q2的源极与所述MOS管Q1的源极电性连接，所述MOS管Q2的栅极接外界信号；
所述整流管Q2-sr的源极与所述二极管D1的正极电性连接，所述整流管Q2-sr的漏极与二极管D1的负极电性连接，所述整流管Q2-sr的栅极接外界信号。
由于上述方案中，MOS管Q1的源极、MOS管Q2的源极相连，二极管D1、二极管D2的负极也均与电容C1相连，所以实现了两个电压调整电路并联。
此外，本申请人发现；当逆变与输出模块3关断时，会产生以下两个问题：
1.电压尖峰；
2.逆变器前面的电压不稳。
上述两个问题，都会导致MOS管的应力超标，长时间必然导致整体装置损坏，同时影响后期周期输出的方波电压稳定性。为此，本申请人经过设计引入应力吸收与预输出电路2，可以吸收逆变与输出模块3输入端电压应力，逆变与输出模块3输出的电压应力为输出的下一周期提供稳定的电压，可实现稳定后面周期方波电压，从而完善电源性能、保护整体电路，延长使用寿命等。
具体的，参与图2，本申请中，所述应力吸收与预输出电路2包括：二极管D5、二极管D6、电容C3、电阻R4、电阻R5。
所述二极管D6的正极与所述电容C1的另一端、所述MOS管Q1的源极电性连接，所述二极管D6的负极与所述电容C3的一端、所述二极管D5的正极电性连接，所述二极管D5的负极与所述电感L1-a的一端电性连接。
所述二极管D5的负极与所述电感L1-a、所述逆变与输出模块3电性连接，所述电容C3的另一端与所述二极管D1的负极、所述逆变与输出模块3电性连接。
所述电阻R5与所述电容C3并联，所述电阻R4与所述二极管D5并联。
上述方案中，对于逆变与输出电路31的输入端电压应力，可以通过电容C3来吸收，而在二极管D5未开通前，靠电阻R4、电容C3的阻容吸收，从而提高了整体的安全性能。
电压调整模块通过电感调整电压，与电容C1、电容C3构成输出的电压调整电路。
所述逆变与输出模块3包括至少一个以上的逆变与输出电路31。当逆变与输出电路31的数量为两个及以上时，多个逆变与输出电路31之间彼此并联。
其中，所述逆变与输出电路31包括MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7、MOS管Q8、电感L2、电阻R1、电容C2。
其中，所述MOS管Q5的漏极与所述二极管D1的负极、所述MOS管Q6的漏极电性连接，所述MOS管Q5的源极与所述MOS管Q7的漏极、电阻R1的一端电性连接，所述MOS管Q6的源极与电感L1-b、所述MOS管Q8的漏极电性连接，
所述MOS管Q7、所述MOS管Q8的源极均与二极管D5的负极电性连接，
所述电感L2的另一端与电阻R1的另一端电性连接，所述电阻R1与所述电容C2并联。
所述MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7、MOS管Q8的栅极均外接触发信号。
同时为了说明逆变与输出电路31的并联方式，本申请仍旧以两个逆变与输出电路31进行说明：
当逆变与输出电路31数量为两个时，即逆变与输出模块还包括：
MOS管Q9、MOS管Q10、MOS管Q11、MOS管Q12、电感L3、电阻R2、电容C4
所述MOS管Q9的漏极与所述二极管D1的负极、所述MOS管Q10的漏极电性连接，所述MOS管Q9的源极与所述MOS管Q11的漏极、电阻R2的一端电性连接，所述MOS管Q10的源极与电感L1-b、所述MOS管Q12的漏极电性连接；
所述MOS管Q11、所述MOS管Q12的源极均与二极管D5的负极电性连接；
所述电感L3的另一端与电阻R2的另一端电性连接，所述电阻R2与所述电容C4并联。
所述MOS管Q9、MOS管Q10、MOS管Q11、MOS管Q12的栅极均外接触发信号。
可以看出，上述方案中，MOS管Q9、MOS管Q10的漏极均与MOS管Q5、MOS管Q6的漏极相连，MOS管Q7、MOS管Q8的源极均与MOS管Q11、MOS管Q12的源极相连，从而实现了多个逆变与输出电路31并联。
此外要强调的是，所述电容C2、所述电容C4也可以为其他负载，例如为电阻R1或者待激发成等离子的气体等。
当然，本申请的方案中，仅有电阻R1作为负载也可以实现。
同时为了降低成本，本申请中，所述MOS管Q1、所述MOS管Q 5、所述MOS管Q 6、所述MOS管Q 7、所述MOS管Q 8均为N型SIC MOSFET或IGBT，VDss为1200V。
可以理解的是，本申请的前级别是多相电压调整电路Ai,(i为大于等于1的整数)，后面由多个逆变桥与多个输出电路(即逆变与输出模块3)组成，每个逆变桥与相应输出电路用Bi(i为大于等于1的整数)表示，i个输出可做多路输出(输出路数K，2<＝K<＝n)，也可并在一起做单路输出，即K＝1。
本申请的适用范围为：
输入：DC600V---DC1200V；
输出功率10KW---150KW；
输出方波电压(600----1000V)与频率(5KHZ---150KHZ)。
工作原理说明：
本申请中，电容C1、电容C2、电感L1-a、MOS管Q1、二极管D1；电容C1、电容C2、电感L1-b、MOS管Q2、二极管D2共同构成交错BUCK；MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7、MOS管Q8构成逆变与输出电路；通过Buck实现调压，逆变实现交流输出，在输出为0V时或电压跳变时可以关断逆变桥，可以把电感能量通过二极管D1(或二极管D2)与二极管D5给电容C3充电，或通过二极管D1(或二极管D2)与二极管D6、二极管D5把能量回馈给信号输入Vin端，或以电容C1作为输入、电容C3作为输出构成BUCK，均可实现各种方波输出。
通过逆变桥电路31把储能电感与输出隔离，当逆变桥关断时，通过吸收与预输出电路解决了输出为0或输出电压跳变时逆变桥输入端的电压尖峰与逆变桥输入端电压不稳问题，从而实现了大功率方波输出，电容C3、电阻R5在后级(即逆变与输出模块3)隔离前提下，作为前级输出或负载。
当逆变桥关断时，通过吸收与预输出电路解决了输出为0或输出电压跳变时逆变桥输入端的电压尖峰与逆变桥输入端电压不稳问题，从而实现了大功率方波输出。
为了方便理解本发明，本申请以逆变与输出模块3包括两个逆变与输出电路31、所述电压调整模块1包括两个电压调整电路11为例，图3为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源的稳态时序图，图4为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源输出的方波示意图，图5为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源输出的第二种方波示意图，图6为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源输出的第三种方波示意图，图7为本申请提供的一种中频方波等离子体激发电源输出的第四种方波示意图。下面结合图3、图4-图7进行说明：
在t0-t1时间内∶电感L1-a充电阶段，图中的I1流向电容C1、MOS管Q6、电感L2、电容C2(或负载)、MOS管Q7、电感L1-a、MOS管Q1、电容C1；同时L1-b放电，I2的流向L1-b、二极管D2、MOS管Q6、电感L2、电容C2(或负载)、电感Q7、电感L1-b；
在t1-t2时间内∶电感L1-a放电阶段，I1流向电感L1-a、二极管D1、MOS管Q6、电感L2、电容C2(或负载)、MOS管Q7、电感L1-a；同时电感L1-b放电，I2的流向电感L1-b、二极管D2、MOS管Q6、电感L2、电容C2(或负载)、MOS管Q7、电感L1-b；
在t2-t3时间内∶电感L1-b充电阶段，I2流向电容C1、MOS管Q6、电感L2、电容C2(或负载)、MOS管Q7、电感L1-b、MOS管Q2、电容C1；同时电感L1-a放电，I1的流向电感L1-a、二极管D1、MOS管Q6、电感L2、电容C2(或负载)、MOS管Q7、电容L1-a；
在t3-t4时间内∶电容L1-a放电阶段，I1流向电容L1-a、二极管D1、MOS管Q6、电感L2、电容C2(或负载)、MOS管Q7、电容L1-a；同时电容L1-b放电，I2的流向电感L1-b、二极管D2、MOS管Q6、电感L2、电容C2(或负载)、MOS管Q7、电感L1-b；
在t4-t5时间内∶电感L1-a充电阶段，I1流向电容C1、MOS管Q5、电容C2(或负载)、电感L2、MOS管Q8、电感L1-a、MOS管Q1、电容C电感L；同时电感L1-b放电，I的流向电感L1-b、二极管D2、MOS管Q5、电容C2(或负载)、电感L2、MOS管Q8、电感L1-b；
在t5-t6时间内∶电感L1-b放电阶段，I2流向电感L1-b、二极管D2、MOS管Q5、电容C2(或负载)、电感L2、MOS管Q8、电感L1-b；同时电感L1-a放电，I1的流向电感L1-a、二极管D1、MOS管Q5、电容C2(或负载)、电感L2、MOS管Q8、电感L1-a；
在t6-t7时间内∶电感L1-b充电阶段，I2流向电容C1、MOS管Q5、电容C2(或负载)、电感L2、MOS管Q8、电感L1-b、MOS管Q2、电容C1；同时电感L1-a放电，I1的流向电感L1-a、二极管D1、MOS管Q5、电容C2(或负载)、电感L2、MOS管Q8、电感L1-a；
在t7-8时间内∶电感L1-b放电阶段，I2流向电感L1-b、二极管D2、MOS管Q5、电容C2(或负载)、电感L2、MOS管Q8、电感L1-b；同时电感L1-a放电，I1的流向电感L1-a、二极管D1、MOS管Q5、电容C2(或负载)、电感L2、MOS管Q8、电感L1-a。
从上可以看出，根据输入输出的关系，该方案占空比D》0.5，前后级的发波是相互独立的，且本申请的输出端总是输出方波，并可以输出多种类型的方波。
最后应说明的是，本领域的普通技术人员可以理解，为了使读者更好地理解本申请，本申请的实施方式提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。
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