[发明专利]用于工业介质阻挡放电发生器应用的多功能零电压开关谐振逆变器

说明书

背景技术

臭氧被用于许多工业和半导体处理应用，例如包括清洁半导体晶圆和半导体处理设备的处理腔室；在半导体晶圆上制备绝缘膜；以及对水、食物和其它可消耗产品或工业产品进行消毒。

产生臭氧的一种技术涉及介质阻挡放电(dielectric barrier discharge)，在介质阻挡放电中，将高纯度氧气暴露于通过施加高压交流(AC)电力而产生的放电。放电将氧分子分解成其原子状态，从而允许氧气重组成臭氧(O3)和氧气(O2)的混合物。对于这种技术而言，臭氧浓度与臭氧产生系统的输出功率成正比。尽管增加输出功率使臭氧浓度增大，但对性能和可靠性的预期以及空间上的限制提供了经常相反的约束。

发明内容

本文中描述了用于臭氧产生器和其它介质阻挡放电系统的电力系统和电力控制技术。

根据某些实施方式，提供了电力系统，该电力系统具有：双谐振逆变器功率级，其使用并联谐振拓扑替代传统的硬切换拓扑；组合的脉宽调制(PWM)和频率调制(FM)控制方案，其用于甚至在轻负载下在任何操作下实现优异的动态范围和稳定性。

根据一个实施方式的电力系统包括：逆变器级，其向谐振槽和变压器提供信号，变压器最终将高电压AC信号供应到一个或更多个介质阻挡放电电池；反馈控制电路，其向逆变器级提供切换信号。逆变器级可以是借助反馈控制电路用相移零电压开关(ZVS)和与FM控制组合的PWM进行操作的全桥。

根据本发明的一个方面，电力系统和电力控制技术能够增加输出功率，同时提供从低于通过满功率产生臭氧所需的输出功率进行操作的能力。在一个实施方式中，在20kHz至40kH的范围内进行操作的系统的输出功率从5kW增大至10kW，同时提供在高达满功率的电力系统的最大输出的大约1％下操作的能力(注释：5kW系统的最大输出的5％臭氧浓度是～250W输出功率)。在特定实施方式中，均能够有5kW输出功率的两个动力系用于实现10kW输出功率。

在本发明的另一方面中，在不增加之前系统的大小的情况下实现电力系统和电力控制技术。在一个实施方式中，相比于传统的非谐振电力转换器，电力系统被装配在更小的空间中。

提供本发明内容是为了介绍简化形式的概念的选择，该简化形式的概念以下在具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在标识要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制要求保护的主题的范围。

附图说明

图1A是根据本发明实施方式的介质阻挡放电器的功率级的基本示图。

图1B示出根据本发明实施方式的软切换方案和导致的功率级输出的一组图线。

图2A是臭氧电池堆的等效电模型。

图2B是表示用于产生臭氧的介质阻挡放电电池，为了产生臭氧，可以通过本发明实施方式的电力系统供应高压交流电力信号。

图3是根据本发明实施方式的具有谐振逆变器功率级的单个动力系(power train)的示意图。

图4是根据本发明实施方式的介质阻挡放电器电力系统的框图。

图5A和图5B示出根据本发明第一实施方式的PWM和FM电流回路控制方案(图5A)和带有电力回路的系统电平控制方案(图5B)的基本框图。

图6A和图6B示出根据本发明某些实施方式的图5A中示出的PWM和FM电流回路控制方案的示意性示图。

图7示出根据本发明第二实施方式的PWM和FM电流回路控制方案的基本框图。

图8示出根据本发明第三实施方式的PWM和FM电流回路控制方案的基本框图。

图9示出根据本发明第四实施方式的PWM和FM电流回路控制方案的基本框图。

图10是根据本发明实施方式的带有PWM和FM控制的ZVS谐振逆变器电流回路的模拟示意图。

图11A至图11D示出在轻负载状况下目标ZVS谐振逆变器的实施方式的模拟图线和示波器波形。

图12A至图12D示出在满负载状况下目标ZVS谐振逆变器的实施方式的模拟图线和示波器波形。

具体实施方式

本文中公开了能够改进包括臭氧发生器的介质阻挡放电器的控制和功率输出的技术和电路。

根据本发明的实施方式，提供了一种电力系统和电力控制技术，其能够增大输出功率同时提供从低于产生臭氧所需的输出功率到满功率进行操作的能力。根据目标发明的特定实现方式，提供20-40kHz的电力系统频率范围以及低达10kW的～1％的带控制的10kW的输出功率。在特定实施方式中，使用均能够有5kW输出功率的两个动力系来实现10kW的输出功率。