Dijital çift modlu yüksek verimli RF güç kaynağı
Fotovoltaik cihaz endüstrisinin güçlü gelişimi ile, radyo frekansı güç sistemleri, magnetron püskürtme ve plazma ile geliştirilmiş kimyasal buhar biriktirme (PECVD) gibi çeşitli uygulama senaryolarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Radyo frekansı güç sistemlerinin gelişme eğilimi, otomatik empedans eşleştirmesi elde etmek için sürekli ayarlanabilir çıkış gücü, kararlı frekans, yük değişikliklerinin gerçek zamanlı takibini sağlamak için minyatürleştirmeye yaklaşmalı, olay ve yansıyan gücü göstermeli ve voltaj sabit dalga oranı (SWR), sistem hatası Aşırı akım ve aşırı ısınma koruması ve arıza alarmı gibi işlevlere sahipken, uzaktan kumanda ve veri depolama işlevleri diğer ekipmanlarla birlikte kullanılabilir. Şu anda, evsel radyo frekansı güç kaynağı sistemindeki radyo frekansı güç kaynaklarının çoğu, büyük gürültü, büyük ısı üretimi, düşük ömür, sabit frekans ve yüksek çalışma voltajı gereksinimleri olan güç amplifikatörleri olarak elektronik tüpler kullanıyor ve bu da transistör çekirdekli radyo frekansı güç sistemini çekiyor. Ar-Ge personelinden büyük ilgi. Nispeten konuşursak, transistör RF güç kaynağının boyutu küçüktür, dönüştürme verimliliği yüksektir, gürültü rakamı düşüktür ve hizmet ömrü uzundur Çoklu paralel tasarımlar da RF çıkış gücünü artırabilir. Kararlılık perspektifinden bakıldığında, transistör RF güç kaynağı daha iyi frekans kararlılığına ve güç kararlılığına sahiptir ve performans göstergeleri doğrudan cihaz analizinin doğruluğu ile ilgilidir. Dijital bir bakış açısından, dijital radyo frekansı güç kaynakları daha güvenilir ve daha basit kontrol yöntemlerine sahiptir ve daha fazla uygulama senaryosuna uyum sağlamak için çeşitli çıkış frekansı seçeneklerini artırabilir.
Bu yazıda tasarlanan çift modlu radyo frekansı güç kaynağı, yüksek güçlü ve çift frekanslı radyo frekansı sinyallerinin üretimini gerçekleştirebilen radyo frekansı güç sisteminin temel bileşenlerinden biridir.DDS sinyal kaynağının frekans çıkışı ve rezonans ağının anahtarlanması, sonunda ikili işlemi gerçekleştirmek için mikroişlemci tarafından kontrol edilir. Frekans seçim çıkışı. Sistem esas olarak DDS sinyal kaynağı, sürücü aşaması, güç amplifikatörü aşaması ve frekans seçim ağından oluşur; bunların arasında amplifikatör aşaması doğrusal olmayan bir E sınıfı güç amplifikatörü kullanır. Bu makale, yüksek verimli E Sınıfı güç amplifikatörünün çalışma mekanizmasının teorik olarak türetilmesi ve analizine ve frekans seçim ağının tasarımına odaklanacak ve üzerinde Multisim simülasyon doğrulaması ve kart düzeyinde test gerçekleştirecektir.
1 Çift modlu RF güç kaynağı tasarımı
Çift modlu radyo frekansı güç kaynağı temel olarak bir mikroişlemci, bir voltaj dijital ayarlanabilir DC güç kaynağı, bir DDS sinyal kaynağı, bir sürücü aşaması, bir amplifikatör aşaması ve bir frekans seçim ağından oluşur.DDS, Amerikan ADI şirketinin AD9850 yongasını kullanır; MOSFTE ve Alman IXYS şirketi seçilir. Sürücü, sürüş aşaması ve yükseltme aşaması olarak kullanılır; frekans seçim ağı, sayısal kontrol seçici anahtarı ile değiştirilir. Çift modlu radyo frekansı güç kaynağının blok şeması Şekil 1'de gösterilmektedir.
1.1 E sınıfı güç amplifikatörünün çalışma prensibi
Güç amplifikatörü aşaması, Sınıf E güç amplifikatörü modelini benimser.Diğer güç amplifikatörleri ile karşılaştırıldığında, teorik dönüşüm verimliliği% 100'e yakın olabilir ve yüksek frekans koşullarında hala yüksek verimliliği koruyacaktır. Yaygın olarak kullanılmaktadır. E Sınıfı amplifikatörün transistörleri, Şekil 2'de gösterildiği gibi anahtar modunda çalışır, C0 paralel bir kapasitördür ve ayrıca transistörün çıkış kapasitörü içerir; DC güç kaynağı VDD, devreye radyo frekansı boğucu RFC aracılığıyla bağlanır; L1C1, yüksek kaliteli bir faktör rezonans ağı oluşturur , RL yükünün merkez frekansında bir sinüs dalga formu sağlamak için bir bant geçiren filtre olarak. E Sınıfı güç amplifikatörünün yüksek dönüşüm verimliliğini elde etmek için, amplifikatör, bir anahtarlama cihazı olarak, yalnızca hızlı bir anahtarlama hızına değil, aynı zamanda küçük bir açık dirence de ihtiyaç duyar. Ayrıca sinyal kaynağının görev döngüsü% 50 değilse, yüksek frekans koşullarında geçiş yapmak zor olacaktır, bu nedenle sinyal kaynağının kalitesi de E Sınıfı güç amplifikatörünün çalışma verimini doğrudan etkiler.RF sinyal kaynağının tasarımı bir sonraki bölümde verilmiştir. Dışarı.
Bir transistörün eşdeğer anahtarı aslında yalnızca yarım döngü için çalışacaktır.İletiminin yarı döngüsü sırasında, kendi voltaj düşüşü V1 (t) sıfıra dönecektir.Kesintisinin yarı döngüsü sırasında, V1 (t) voltajı azaltılacaktır. Dairesel bir pozitif darbeden oluşur. Yüksek voltajlı DC öngerilim gücü, radyo frekansı kısma bobini L0 aracılığıyla transistör tahliyesine bağlanır. Radyo frekansı bobini ve eşdeğer anahtar, bir şarj ve deşarj döngüsü oluşturur. Anahtar kapalıyken, DC güç kaynağı bobine enerji gönderir; anahtar açıldığında, jikle döngünün geri kalanına enerji gönderir.
E Sınıfı güç amplifikatörünün teorik modelinin analizini ve türetilmesini kolaylaştırmak için aşağıdaki varsayımlar yapılır:
(1) Transistör, parazitik direnç ve reaktans olmaksızın ideal bir anahtarlama elemanıdır;
(2) Giriş RF sinyalinin görev döngüsü% 50'dir;
(3) Rezonans ağı L1C1'in kalite faktörü Q çok büyüktür ve çıktı saf bir sinüs dalgasıdır;
(4) Radyo frekansı bobini ideal bir endüktanstır ve yalnızca DC'nin geçmesine izin verir;
(5) RL yükü, 50 direnç değeriyle ideal bir dirençtir.
Şekil 3, ideal koşullar altında yüksek verimli E Sınıfı güç amplifikatörünün eşdeğer modelini göstermektedir.
E Sınıfı güç amplifikatörleri, genliği VDD ile ilgili olan RL'ye sinüzoidal sinyaller sağlayabilir, son aşamanın çıkış gücü Pout = VDD2 / 2RL'dir, amplifikatörün çıkış gücünü değiştirmek isterseniz, DC'yi yalnızca yük değişmeden kaldığında değiştirmeniz gerekir. Öngerilim voltajı elde edilebilir.
Yukarıdaki formülden, Tablo 1'de gösterildiği gibi, RL = 50 olduğunda 13.56 MHz ve 27.12 MHz'lik iki farklı frekans modunda L0, C0, L1 ve C1 devre parametrelerinin spesifik değerlerini elde edebiliriz.
1.2 RF sinyal kaynağı
RF sinyal kaynağının parametreleri ve kararlılığı, RF güç kaynağının normal ve kararlı bir şekilde çalışıp çalışamayacağını belirler. E sınıfı güç amplifikatörleri için, anahtarlama gecikmesi ve sinyal kararlılığı dikkate alınmalıdır ve optimum çalışma durumu, transistörün anahtarlama gecikmesinin tüm sistem döngüsünün% 5'ini geçememesidir. Bu tasarımda kullanılan sinyal kaynağının çalışma frekansı 13.56 MHz ve 27.12 MHz'dir, yani anahtarlama gecikmesi 3.6 ns ve 1.8 ns aralığında olmalıdır. Aynı zamanda, Alman IXYS firmasının MOSFTE'si için, kendi içinde belirli bir anahtarlama kaybı vardır ve bu da RF güç kaynağının maksimum çıkış verimliliğini sınırlar.
Bu metin, radyo frekansı sinyal kaynağı olarak DDS kullanır, frekans kararlılığı, radyo frekansı gücünün% 0,005'inin tasarım gereksinimlerini tam olarak karşılayabilir. Kontrol kısmı STM32F103 mikroişlemci kullanır, dokunmatik ekranı seri port üzerinden bağlar, iki çeşit çıkış frekansı seçimini taşır. Aynı zamanda, dijital devre çalışmasının güvenilirliğini sağlamak için, dijital sinyali analog ağdan izole etmek için DDS çıkış portu ile sürücü aşaması giriş portu arasına 1: 1 yüksek frekanslı bir transformatör eklenir. Sinyal kaynağının 13.56 MHz frekansındaki çıkış dalga formu Şekil 4'te gösterilmektedir. Yükselme süresi 3,1 ns, düşme süresi 2,95 ns ve görev döngüsü% 50'dir.
1.3 Frekans seçim ağı
E sınıfı bir güç amplifikatöründe, transistörün boşaltma çıkış dalga formu, çalışma frekansında temel dalganın ve harmonik bileşenlerin üst üste binmesi olarak kabul edilebilen yarım dönemli bir darbedir. Bu nedenle, seri olarak L ve C'den oluşan rezonans ağının rolü, temel dalgayı korumak ve daha yüksek harmonik bileşenleri filtrelemektir, böylece RF güç kaynağı çıkışı, çalışma frekansının standart bir sinüs dalgasıdır.
Bu tasarım iki çalışma frekansını gerçekleştirdiğinden, frekans seçici bir ağ oluşturmak için farklı parametrelere sahip iki rezonans ağı kümesi gerekir. Mikroişlemci, iki rezonant ağ arasında geçiş yapmak için röleyi kontrol eder. Spesifik parametre değerleri Tablo 1'de verilmiştir.
2 Deneysel sonuçlar ve analiz
IXYS MOSFET'in veri sayfasına göre, çıkış kapasitans değeri farklı geçit-kaynak gerilimi altında farklıdır. Bu, eşdeğer paralel kapasitans C0'ın farklı DC öngerilim voltajları altında değişmesine neden olur ve devre, optimum durum çalışmasından saparak, çıkış gücünde bir azalmaya ve dönüşüm verimliliğinde bir azalmaya neden olur. Yani, farklı DC ön gerilim voltajları altında farklı dönüşüm verimlilikleri vardır. Multisim simülasyonunu sırasıyla iki tür çalışma frekansı altında sonuca taşıyın, IXYS Firmasının sunduğu SPICE simülasyon modelini kullanın, simülasyon analizini sürücünün ve MOSFET'in gerçek cihazına göre farklı frekanslarda gerçekleştirin, simülasyon verileri Tablo 2'de gösterilmiştir.
Tablo 2'den görülebileceği gibi 13,56 MHz çalışma frekansı altında, DC öngerilim voltajı artırılarak çıkış gücü artırılabilir.
DC bias voltajı 200 V olduğunda, çıkış gücü 485 W ve dönüşüm verimliliği% 92,72'ye ulaşabilir.Aynı zamanda tasarımın fiziksel testi sırasında, yük iyi eşleştiğinde dönüşüm verimliliği% 90'ın üzerine çıkabilir. Bu parametre, Çin Bilimler Akademisi Mikroelektronik Enstitüsü'nün RFG-300 katı hal radyo frekansı güç kaynağının% 86 dönüşüm verimliliğinden çok daha iyidir.
Bu metin, Şekil 5'te gösterildiği gibi, eşdeğer 50 ayni yükte çıkış dalga biçimini ölçmüştür. Giriş DC öngerilim voltajı 150 V, ölçülen çıkış gücü 254 W ve dönüştürme verimliliği% 90,1'dir.
Şekil 6, sürücü aşamasının, MOSFET boşaltma aşamasının ve RF güç kaynağı çıkışının voltaj dalga biçimlerini göstermektedir. Sürüş sinyalinin yükselen kenarı geldiğinde, transistör açılır ve boşaltma kaynağı voltajı sıfıra dönmeye zorlanır. Paralel kondansatör C0 nedeniyle, boşaltma voltajı şu anda henüz sıfıra düşürülmemiştir ve MOSFET aslında 1,5 'luk bir açık dirence sahiptir. Bu süre boyunca, voltaj ve akım aynı anda sıfır değildir, bu nedenle burada güç kaybı meydana gelir. . C0'ı etkileyen iki ana faktör vardır, biri drenaj kaynağı voltajı VDS'nin artmasıyla azalması, diğeri ise sıcaklık artışı ile artmasıdır. Bir güç kaybı olduğunda, kaçınılmaz olarak bağlantı sıcaklığında bir artışa yol açacaktır ve bağlantı sıcaklığındaki bir artış, güç dağılımında bir artışa yol açacak ve sonunda MOSFET'i yakacaktır. Dolayısıyla makul ısı dağılımı da çok gereklidir. Yukarıdaki formülle hesaplanan C0'ın teorik değeri, MOSFET'in gerçek çıktı kapasitans değerinden daha küçüktür ve bu da güç kaybına ve verimlilik düşüşüne neden olur.
Yukarıda belirtilen sorunu çözmek için, eşdeğer paralel kapasitansı azaltmayı düşünün, bu makale paralel endüktans yöntemini benimser, L2 ve C2'yi MOSFET boşaltma aşaması ile toprak arasına seri olarak bağlayın. Boşaltma voltajının bir DC bileşeni olduğu için, C2'nin işlevi DC'yi bloke etmektir.C2'nin değeri paralel kapasitörden çok daha büyük olduğunda, ihmal edilebilir. Burada L2 = 4 H, C2 = 1000 pF. İyileştirilmiş dalga biçimi, boşaltma kaynağı voltajı VDS ve boşaltma akımı kimliğinin aynı anda varlığını ortadan kaldıran ve güç dönüştürme verimliliğini artıran Şekil 7'de gösterilmektedir.
Aynı sürücüyü ve MOSFET test devresinin çeşitli parametrelerini 27.12 MHz çalışma frekansında kullanarak, DC öngerilim voltajı 200 V olduğunda, çıkış gücü 449 W'tır ve dönüşüm verimliliği% 87'ye ulaşabilir. İki rezonans frekansının rezonans ağını röle aracılığıyla devreye bağlayın ve insan-bilgisayar arayüzü talimatlar gönderir.Mikroişlemci, DDS çıkış frekansını ve rezonans ağ yolunu aynı anda değiştirir ve farklı çıkış arayüzlerinden çıkışlar verir, böylece çift frekans modu çalışmasını gerçekleştirir durum. Prototip testinden sonra beklenen deneysel sonuçlara ulaşıldı.
Son olarak, National Instruments'ın veri toplama kartını kullanarak, frekans kararlılığı ve güç kararlılığı LabView ana bilgisayar yazılımı kullanılarak test edildi ve Şekil 8 ve Şekil 9'da gösterildiği gibi çıkış gücü ve frekans değişim eğrileri çizildi. Nominal çıkış gücünde çalışırken, güç kararlılığının ±% 0,5'ten az olduğu ve frekans kararlılığının ± 10 ppm olduğu hesaplanmıştır.
3 Sonuç
Devre simülasyonu ve kart düzeyinde hata ayıklamadan sonra, bu makale, 300 W RF gücünde uzun vadeli kararlı bir çıktı sağlayan dijital çift modlu yüksek verimli bir RF güç kaynağı tasarlar. Dokunmatik ekran kontrolü ile 13.56 MHz ve 27.12 MHz çıkış frekansları arasında geçiş yapmak mümkündür ve çıkış gücü sürekli olarak ayarlanabilir. 13.56 MHz ve 27.12 MHz çalışma frekanslarında, çıkış gücü 300 W olduğunda, dönüşüm verimliliği sırasıyla% 90.1 ve% 88'e ulaşabilir. Nominal çıkış gücünde çalışırken, güç kararlılığı ±% 0,5'ten azdır ve frekans kararlılığı ± 10 ppm'dir.
Referanslar
JIANG C, HU C, WEI J, ve diğerleri.Nötr ışın enjeksiyon uygulaması için RF tahrikli negatif iyon kaynağı prototipi için güç kaynağı sisteminin tasarımı.Füzyon Mühendisliği ve Tasarımı, 2017, 117: 100-106.
Ma Meiyan.Radyo Frekansı Gücü Araştırmasına Genel Bakış Elektronik Ölçüm Teknolojisi, 2016, 39 (12): 1-4.
Liu Jishu. Yüksek güçlü radyo frekansı lazer güç kaynağının simülasyon tasarımı Wuhan: Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 2009.
Sun Xiaotao. Vakum püskürtme sistemi için RF güç amplifikatörü ve empedans eşleştirmesinin anahtar teknolojileri üzerine araştırma Hefei: Hefei Teknoloji Üniversitesi, 2014.
Hua Zaijun, Huang Fengchen, Chen Zhao ve diğerleri.Yeni bir seri-indüktör paralel ayarlı DE-1 sınıfı güç amplifikatörü tipi.Elektronik Teknolojinin Uygulanması, 2018, 44 (8): 147-150.
SOKAL N O, MEDIANO A. Uzun süredir kullanılan yanlış bir dalga formunu düzeltmek için optimum RF sınıfı-E anahtar voltajı dalga formunun yeniden tanımlanması.2013.
CANTRELL W H. Yüksek Q sınıfı E güç amplifikatörü için ayarlama analizi Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri Üzerine IEEE İşlemleri, 2000, 48 (12): 2397-2402.
Chen Sidi, Zheng Yaohua, Zhang Guohao. Yüksek verimli ve yüksek harmonik bastırma güç amplifikatörünün tasarımı. Elektronik teknoloji uygulaması, 2015, 41 (4): 60-62, 68.
yazar bilgileri:
Li Yadong, Zhao Ergang, Yu Mei, Wei Na, Zhang Jianjun
(Elektronik Bilgi ve Optik Mühendisliği Okulu, Nankai Üniversitesi, Tianjin 300350)
-
- "Academic Paper" Buck devre çıkış kapasitansı ESR'nin tetikleme moduna göre çevrimiçi izleme yöntemi
