一种基于Boost电路的有源阻抗匹配箱及其调节方法与流程

一种基于boost电路的有源阻抗匹配箱及其调节方法
技术领域
1.本发明涉及射频电源阻抗匹配技术领域，尤其涉及一种基于boost电路的有源阻抗匹配箱及其调节方法。


背景技术：

2.在射频电源-等离子体系统中，等离子体腔室的变化阻抗与射频电源的恒定输出阻抗并不相等，两者存在较大的阻抗匹配问题，导致反射功率的产生，进而产生严重的能量损耗。
3.常见的解决方法是：在射频电源与等离子体系统中增加一个可以调节的阻抗匹配网络，以使匹配网络的等效阻抗等于射频电源的阻抗，从而实现阻抗匹配，达到最大的输出功率。
4.在阻抗匹配网络的设计中，现有技术方法有：（1）改变匹配网络中电容大小。比如使用伺服步进电机改变电容极板的距离，但这个方法精度低、速度慢；（2）改变匹配网络中电感大小。比如通过控制策略改变电感串联的数量来改变电感的大小，但这个方法调节过程不够平滑。
5.现有的阻抗匹配网络存在以下不足：（1）调节速度过慢，无法响应急速变化的负载；（2）调节精度不够；（3）调节过程不够平滑。


技术实现要素：

6.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于boost电路的有源阻抗匹配箱及其调节方法，用以解决现有阻抗匹配网络存在的调节速度慢、调节精度不够、调节过程不够平滑等问题。
7.一方面，本发明公开了一种基于boost电路的有源阻抗匹配箱，所述有源阻抗匹配箱包括全波整流电路、电容、电容、电感、开关管、二极管及控制电路；其中，全波整流电路的输入端连接特征阻抗；全波整流电路的第一输出端分别连接电容的一端、电感的一端；电感的另一端分别连接开关管的漏极、二极管的阳极；二极管的阴极连接电容的一端；全波整流电路的第二输出端分别连接电容的另一端和电容的另一端；开关管的源极接地；控制电路的输出端连接开关管的栅极，控制电路用于控制有源阻抗匹配箱的等效输入阻抗等于特征阻抗。
8.在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：进一步，所述控制电路通过改变开关管的占空比，使得有源阻抗匹配箱中流过电感的实际电感电流信号与电容两端的实际电容电压信号满足，表示特征阻抗，从而控制有源阻抗匹配箱的等效输入阻抗等于特征阻抗。
9.进一步，所述控制电路包括电压环补偿电路、电流环补偿电路、载波发生器及pwm发生器；其中，电压环补偿电路，用于根据参考电容电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号，生成参考电感电流信号；电流环补偿电路，用于根据参考电感电流信号与实际电感电流信号比较得到的误差信号，生成参考电感电压信号；载波发生器，用于基于实际电容电压信号，输出幅度变化的载波信号；pwm发生器，用于将参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号作为开关管的调制波信号，并基于所述调制波信号和所述载波信号，生成控制开关管动作的pwm波。
10.进一步，所述电流环补偿电路包括：电流补偿控制器，用于采用电流环补偿函数对参考电感电流信号与实际电感电流信号比较得到的误差信号进行处理，生成参考电感电压信号；占空比调节控制器，用于根据参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号，生成理论调节后的电感电流信号；电感电流测量延迟控制器，用于在理论调节后的电感电流信号之后延迟测量得到实际电感电流信号，从而构成电流环补偿电路的闭环控制。
11.进一步，所述电压环补偿电路包括：电压补偿控制器，用于采用电压环补偿函数对参考电容电压信号与实际电
容电压信号比较得到的误差信号进行处理，生成参考电感电流信号；比例控制器，用于对理论调节后的电感电流信号经过比例放大倍，生成理论调节后的电容电压信号；电容电压测量延迟控制器，用于在理论调节后的电容电压信号之后延迟测量得到实际电容电压信号，从而构成电压环补偿电路的闭环控制。
12.进一步，所述占空比调节控制器的控制过程为：对参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号依次经过前馈补偿函数、零阶保持及计算延迟函数、比例系数为调节后的电容电压信号的比例放大函数，得到理论调节后的开关管电压信号；理论调节后的电容电压信号与理论调节后的开关管电压信号的误差信号经过比例放大，得到理论调节后的电感电流信号；其中，表示拉普拉斯变换。
13.进一步，占空比调节控制器的传递函数表示为：（1）其中，表示电容电压测量延迟控制器的延迟函数；电流环补偿电路的传递函数表示为：（2）其中，表示电感电流测量延迟控制器的延迟函数，表示电流环补偿函数；电压环补偿电路的传递函数表示为：
（3）其中，表示电压环补偿函数。
14.进一步，全波整流电路包括二极管、二极管、二极管及二极管；其中，二极管的阴极连接二极管的阳极，二极管的阴极连接二极管的阴极；二极管的阳极连接二极管的阳极，二极管的阴极连接二极管的阳极；将二极管的阴极、二极管的阳极分别作为全波整流电路的第一输出端、第二输出端；将二极管的阴极、二极管的阴极相连后作为全波整流电路的输入端。
15.另一方面，本发明还公开了一种基于boost电路的有源阻抗匹配箱的调节方法，所述方法包括：采集所述有源阻抗匹配箱中流过电感的实际电感电流信号、电容两端的实际电容电压信号；通过改变开关管的占空比，使得有源阻抗匹配箱中流过电感的实际电感电流信号与电容两端的实际电容电压信号满足，表示特征阻抗，从而控制有源阻抗匹配箱的等效输入阻抗等于特征阻抗。
16.在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：进一步，通过以下方式改变开关管的占空比：根据参考电容电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号，生成参考电感电流信号；根据参考电感电流信号与实际电感电流信号比较得到的误差信号，生成参考电感电压信号；基于实际电容电压信号，输出幅度变化的载波信号；将参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号作为开关管的调制波信号，并基于所述调制波信号和所述载波信号，生成控制开关管
动作的pwm波，以改变开关管的占空比。
17.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：本发明提供的基于boost电路的有源阻抗匹配箱及其调节方法，通过所提出的控制策略调整开关管的占空比，使得等效输入阻抗与特征阻抗相同，在负载变化时实现阻抗匹配，相比起无源阻抗匹配网络，更加快速、范围更大、精度更高、平滑性更好。
18.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
19.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；图1为本发明实施例1提供的基于boost电路的有源阻抗匹配箱的结构示意图；图2为本发明实施例1提供的控制电路的结构示意图；图3为本发明实施例1提供的控制电路采用双环控制的结构示意图；图4为本发明实施例1提供的占空比调节控制器的结构示意图；图5为本发明实施例2提供的基于boost电路的有源阻抗匹配箱的调节方法流程图。
具体实施方式
20.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
21.实施例1：
22.本发明的一个具体实施例，公开了一种基于boost电路的有源阻抗匹配箱，结构示意图如图1所示。
23.本实施例中的有源阻抗匹配箱包括全波整流电路、电容、电容、电感、开关管、二极管及控制电路；其中，全波整流电路的输入端连接特征阻抗；全波整流电路的第一输出端分别连接电容的一端、电感的一端；电感的另一端分别连接开关管的漏极、二极管的阳极；二极管的阴极连接电容的一端；全波整流电路的第二输出端分别连接电容的另一端和电容的另一端；开关管的源极接地；全波整流电路的第一输入端和第二输入端相连；控制电路的输出端连接开关管的栅极，控制电路用于控制有源阻抗匹配箱的等效输入阻抗等于特征阻抗。
24.在本实施例中，电容的作用在于参与等效阻抗的调节与全波整流电路的滤波。
电感、电容、二极管、开关管的参数设计与boost电路一致，为特征阻抗。本实施例中的有源阻抗匹配箱用于射频（rf）电源和腔体负载，具体实施过程中，rf电源串联特征阻抗后连接至全波整流电路的输入端，电容两端连接腔体负载。为从rf电源看过去的等效输入阻抗。
25.全波整流电路包括二极管、二极管、二极管及二极管；其中，二极管的阴极连接二极管的阳极，二极管的阴极连接二极管的阴极；二极管的阳极连接二极管的阳极，二极管的阴极连接二极管的阳极；将二极管的阴极、二极管的阳极分别作为全波整流电路的第一输出端、第二输出端；将二极管的阴极、二极管的阴极相连后作为全波整流电路的输入端。全波整流电路用于将交流电转换为直流电。
26.优选地，当等离子体阻抗变化时，所述控制电路通过改变开关管的占空比，使得有源阻抗匹配箱中流过电感的实际电感电流信号与电容两端的实际电容电压信号满足，考虑整流桥的阻抗，有源阻抗匹配箱的等效输入阻抗，从而控制有源阻抗匹配箱的等效输入阻抗等于特征阻抗。
27.优选地，本实施例中的控制电路的结构示意图如图2所示，包括电压环补偿电路、电流环补偿电路、载波发生器及pwm发生器。
28.电压环补偿电路，用于根据参考电容电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号，生成参考电感电流信号。
29.电流环补偿电路，用于根据参考电感电流信号与实际电感电流信号比较得到的误差信号，生成参考电感电压信号。
30.载波发生器，用于基于实际电容电压信号，输出幅度变化的载波信号；载波信号的类型为锯齿波或等腰三角波。
31.pwm发生器，用于将参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号作为开关管的调制波信号，并基于所述调制波信号和所述载波信号，
生成控制开关管动作的pwm波。这里，通过开关管的占空比，使得。从而实现阻抗匹配。
32.需要强调的是，控制电路工作过程中，将测量得到的电容两端的电压作为实际电容电压信号，将测量得到的电容两端的电压作为实际电容电压信号，将测量得到的流过电感的电流作为实际电感电流信号。此外，在控制电路中，需要生成误差信号的环节均可通过误差放大器实现。如在图2中，通过误差放大器、、完成了三处误差信号的生成。
33.电压环补偿电路与电流环补偿电路的类型不限定，可以是pid调节电路或是其他形式的补偿电路。补偿电路是控制电路的关键部分，它决定是否能够实现；为了使得控制电路能够让，补偿电路的参数设计必须使得图3、图4所示的控制系统稳定。其中，图3为控制电路采用双环控制（电流内环，电压外环）的结构示意图，图4为占空比调节控制器的结构示意图。
34.在图3中，电流环补偿电路包括电流补偿控制器、占空比调节控制器及电感电流测量延迟控制器。
35.电流补偿控制器，用于采用电流环补偿函数对参考电感电流信号与实际电感电流信号比较得到的误差信号进行处理，生成参考电感电压信号。实际实施过程中，电流环补偿函数由补偿电路的类型决定。具体参数则需要通过不断调节、观察伯德图的稳定性来确定。
36.占空比调节控制器，用于根据参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号，生成理论调节后的电感电流信号。
37.占空比调节控制器的控制过程为：对参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号依次经过前馈补偿函数、零阶保持及计算延迟函数、比例系数为调节后的电容电压信号的比例放大函数，得到理论调节后的开关管
电压信号；理论调节后的电容电压信号与理论调节后的开关管电压信号的误差信号经过比例放大，得到理论调节后的电感电流信号；其中，表示拉普拉斯算子。
38.电感电流测量延迟控制器，用于在理论调节后的电感电流信号之后延迟测量得到实际电感电流信号，从而构成电流环补偿电路的闭环控制。电感电流测量延迟控制器的延迟函数由测量设备决定。
39.在图3中，电压环补偿电路包括电压补偿控制器、比例控制器及电容电压测量延迟控制器。
40.电压补偿控制器，用于采用电压环补偿函数对参考电容电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号进行处理，生成参考电感电流信号。实际实施过程中，电压环补偿函数也由补偿电路的类型决定。具体参数则需要通过不断调节、观察伯德图的稳定性来确定。
41.比例控制器，用于对理论调节后的电感电流信号经过比例放大倍，生成理论调节后的电容电压信号。
42.电容电压测量延迟控制器，用于在理论调节后的电容电压信号之后延迟测量得到实际电容电压信号，从而构成电压环补偿电路的闭环控制。电容电压测量延迟控制器的延迟函数也由测量设备决定。
43.在上述控制电路中，占空比调节控制器的传递函数表示为：（1）其中，表示电容电压测量延迟控制器的延迟函数；在零阶保持及计算延迟函数中，假设采样时间为，则。
44.电流环补偿电路的传递函数表示为：（2）其中，表示电感电流测量延迟控制器的延迟函数。
45.电压环补偿电路的传递函数表示为：（3）其中，表示电感电流测量延迟控制器的延迟函数。
46.综上所述，本发明提供的基于boost电路的有源阻抗匹配箱，通过所提出的控制策略调整开关管的占空比，使得等效输入阻抗与特征阻抗相同，在负载变化时实现阻抗匹配，相比起无源阻抗匹配网络，更加快速、范围更大、精度更高、平滑性更好。
47.实施例2：
48.本发明实施例2提供了一种基于boost电路的有源阻抗匹配箱的调节方法，流程如图5所示，该方法包括以下步骤：步骤s1：采集所述有源阻抗匹配箱中流过电感的实际电感电流信号、电容两端的实际电容电压信号；步骤s2：通过改变开关管的占空比，使得有源阻抗匹配箱中流过电感的实际电感电流信号与电容两端的实际电容电压信号满足，表示特征阻抗，从而控制有源阻抗匹配箱的等效输入阻抗等于特征阻抗。
49.优选地，在本实施例中，通过以下方式改变开关管的占空比：步骤s21：根据参考电容电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号，生成参考电感电流信号；步骤s22：根据参考电感电流信号与实际电感电流信号比较得到的误差信号，生成参考电感电压信号；
步骤s23：基于实际电容电压信号，输出幅度变化的载波信号；步骤s24：将参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号作为开关管的调制波信号，并基于所述调制波信号和所述载波信号，生成控制开关管动作的pwm波，以改变开关管的占空比。
50.在步骤s21的具体实施过程中，执行：步骤s211：采用电压环补偿函数对参考电容电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号进行处理，由电压环补偿函数处理后生成参考电感电流信号；步骤s212：对理论调节后的电感电流信号经过比例放大，生成理论调节后的电容电压信号；步骤s213：在理论调节后的电容电压信号之后延迟测量得到实际电容电压信号，从而构成电压环补偿电路的闭环控制。
51.在步骤s22的具体实施过程中，执行：步骤s221：采用电流环补偿函数对参考电感电流信号与实际电感电流信号比较得到的误差信号进行处理，由电流环补偿函数处理后生成参考电感电压信号；步骤s222：根据参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号，生成理论调节后的电感电流信号；步骤s223：在理论调节后的电感电流信号之后延迟测量得到实际电感电流信号，从而构成电流环补偿电路的闭环控制。
52.步骤s222中，具体执行：对参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号依次经过前馈补偿函数、零阶保持及计算延迟函数、比例系数为理论调节后的电容电压信号的比例放大函数，得到理论调节后的开关管电压信
号；理论调节后的电容电压信号与理论调节后的开关管电压信号的误差信号经过比例放大，得到理论调节后的电感电流信号；其中，表示拉普拉斯变换。
53.本发明实施例的具体实施过程参见上述装置实施例即可，本实施例在此不再赘述。
54.由于本实施例与上述装置实施例原理相同，所以本方法也具有上述装置实施例相应的技术效果。
55.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
56.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于boost电路的有源阻抗匹配箱，其特征在于，所述有源阻抗匹配箱包括全波整流电路、电容、电容、电感、开关管、二极管及控制电路；其中，全波整流电路的输入端连接特征阻抗；全波整流电路的第一输出端分别连接电容的一端、电感的一端；电感的另一端分别连接开关管的漏极、二极管的阳极；二极管的阴极连接电容的一端；全波整流电路的第二输出端分别连接电容的另一端和电容的另一端；开关管的源极接地；控制电路的输出端连接开关管的栅极，控制电路用于控制有源阻抗匹配箱的等效输入阻抗等于特征阻抗。2.根据权利要求1所述的基于boost电路的有源阻抗匹配箱，其特征在于，所述控制电路通过改变开关管的占空比，使得有源阻抗匹配箱中流过电感的实际电感电流信号与电容两端的实际电容电压信号满足，表示特征阻抗，从而控制有源阻抗匹配箱的等效输入阻抗等于特征阻抗。3.根据权利要求2所述的基于boost电路的有源阻抗匹配箱，其特征在于，所述控制电路包括电压环补偿电路、电流环补偿电路、载波发生器及pwm发生器；其中，电压环补偿电路，用于根据参考电容电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号，生成参考电感电流信号；电流环补偿电路，用于根据参考电感电流信号与实际电感电流信号比较得到的误差信号，生成参考电感电压信号；载波发生器，用于基于实际电容电压信号，输出幅度变化的载波信号；pwm发生器，用于将参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号作为开关管的调制波信号，并基于所述调制波信号和所述载波信号，生成控制开关管动作的pwm波。4.根据权利要求3所述的基于boost电路的有源阻抗匹配箱，其特征在于，所述电流环补偿电路包括：电流补偿控制器，用于采用电流环补偿函数对参考电感电流信号与实际电感电流信号比较得到的误差信号进行处理，生成参考电感电压信号；占空比调节控制器，用于根据参考电感电压信号与实际电容电压信号比较
得到的误差信号，生成理论调节后的电感电流信号；电感电流测量延迟控制器，用于在理论调节后的电感电流信号之后延迟测量得到实际电感电流信号，从而构成电流环补偿电路的闭环控制。5.根据权利要求4所述的基于boost电路的有源阻抗匹配箱，其特征在于，所述电压环补偿电路包括：电压补偿控制器，用于采用电压环补偿函数对参考电容电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号进行处理，生成参考电感电流信号；比例控制器，用于对理论调节后的电感电流信号经过比例放大倍，生成理论调节后的电容电压信号；电容电压测量延迟控制器，用于在理论调节后的电容电压信号之后延迟测量得到实际电容电压信号，从而构成电压环补偿电路的闭环控制。6.根据权利要求5所述的基于boost电路的有源阻抗匹配箱，其特征在于，所述占空比调节控制器的控制过程为：对参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号依次经过前馈补偿函数、零阶保持及计算延迟函数、比例系数为调节后的电容电压信号的比例放大函数，得到理论调节后的开关管电压信号；理论调节后的电容电压信号与理论调节后的开关管电压信号的误差信号经过比例放大，得到理论调节后的电感电流信号；其中，表示拉普拉斯变换。7.根据权利要求6所述的基于boost电路的有源阻抗匹配箱，其特征在于，占空比调节控制器的传递函数表示为：（1）其中，表示电容电压测量延迟控制器的延迟函数；电流环补偿电路的传递函数表示为：
（2）其中，表示电感电流测量延迟控制器的延迟函数，表示电流环补偿函数；电压环补偿电路的传递函数表示为：（3）其中，表示电压环补偿函数。8.根据权利要求1所述的基于boost电路的有源阻抗匹配箱，其特征在于，全波整流电路包括二极管、二极管、二极管及二极管；其中，二极管的阴极连接二极管的阳极，二极管的阴极连接二极管的阴极；二极管的阳极连接二极管的阳极，二极管的阴极连接二极管的阳极；将二极管的阴极、二极管的阳极分别作为全波整流电路的第一输出端、第二输出端；将二极管的阴极、二极管的阴极相连后作为全波整流电路的输入端。9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于boost电路的有源阻抗匹配箱的调节方法，其特征在于，所述方法包括：采集所述有源阻抗匹配箱中流过电感的实际电感电流信号、电容两端的实际电容电压信号；通过改变开关管的占空比，使得有源阻抗匹配箱中流过电感的实际电感电流信号与电容两端的实际电容电压信号满足，表示特征阻抗，从而控制有源阻抗匹配箱的等效输入阻抗等于特征阻抗。10.根据权利要求9所述的基于boost电路的有源阻抗匹配箱的调节方法，其特征在于，通过以下方式改变开关管的占空比：根据参考电容电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号，生成参考电感电流信号；根据参考电感电流信号与实际电感电流信号比较得到的误差信号，生成参考电感电压信号；
基于实际电容电压信号，输出幅度变化的载波信号；将参考电感电压信号与实际电容电压信号比较得到的误差信号作为开关管的调制波信号，并基于所述调制波信号和所述载波信号，生成控制开关管动作的pwm波，以改变开关管的占空比。

技术总结
本发明涉及一种基于Boost电路的有源阻抗匹配箱及其调节方法，属于射频电源阻抗匹配技术领域，解决了现有阻抗匹配网络存在的调节速度慢等问题。有源阻抗匹配箱包括全波整流电路、电容、电容、电感、开关管、二极管及控制电路；全波整流电路的输入端连接特征阻抗；全波整流电路的第一输出端分别连接电容的一端、电感的一端；电感的另一端分别连接开关管的漏极、二极管的阳极；二极管的阴极连接电容的一端；全波整流电路的第二输出端分别连接电容的另一端和电容的另一端；开关管的源极接地；控制电路的输出端连接开关管的栅极，以控制有源阻抗匹配箱的等效输入阻抗等于特征阻抗。源阻抗匹配箱的等效输入阻抗等于特征阻抗。源阻抗匹配箱的等效输入阻抗等于特征阻抗。


技术研发人员：乐卫平 林伟群 姚志毅 杨佩铮
受保护的技术使用者：深圳市恒运昌真空技术有限公司
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/7/21