一种射频电源系统的阻抗匹配方法、装置及电源系统与流程

1.本发明属于射频电源技术领域，具体涉及一种射频电源系统的阻抗匹配方法、装置及电源系统。


背景技术：

2.传统射频电源系统通过对阻抗数值的计算来判断所需的阻抗匹配值，并且需要外加步进电机对内部参数进行调节，以达到阻抗匹配的目的。
3.传统匹配箱内部真实模型参数多、结构复杂，对其进行阻抗匹配时的计算量大，难以找到最佳的匹配值，并且匹配箱需要外加步进电机对内部参数进行调节，导致射频电源系统成本很高。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明旨在公开一种射频电源系统的阻抗匹配方法、装置及电源系统，用于快速、精准的实现阻抗匹配，使射频电源系统达到最大的功率传输。
5.本发明的一方面公开了一种射频电源系统的阻抗匹配方法，包括：在射频电源通过可调匹配网络为负载进行供电的射频电源系统结构中，对射频电源系统输入侧的电压和电流进行采集得到采集数据；在可调匹配网络中，根据输入的电压参考值以及采集数据，对连接在射频电源系统输入侧和负载侧之间的电力电子变换器进行电流控制和电压控制，通过调整可调匹配网络的输入电压和电流值，改变可调匹配网络的等效阻抗，实现阻抗匹配。
6.本发明的另一方面公开了一种射频电源系统的阻抗匹配装置，所述阻抗匹配装置为可调匹配网络，连接在射频电源和负载之间；包括：电力电子变换器、电压控制模块和电流控制模块；所述电力电子变换器连接在射频电源系统输入侧和负载侧之间；所述电流控制模块，用于控制电力电子变换器的输出电流；所述电压控制模块，用于控制电力电子变换器的输出电压；在可调匹配网络中，根据输入电压参考值以及射频电源系统输入侧的电压和电流采集值，在电流控制模块中进行电流环路控制，在电压控制模块中进行电压环路控制，通过调整可调匹配网络的输入电压和电流值，改变可调匹配网络的等效阻抗，实现阻抗匹配。
7.本发明的另一方面还公开了一种射频电源系统，包括射频电源和阻抗匹配装置；所述射频电源通过阻抗匹配装置连接到负载，为负载供电；所述阻抗匹配装置中采用如上所述的射频电源系统的阻抗匹配方法，对电源系统进行阻抗匹配，使射频电源系统达到最大的功率传输。
8.本发明可实现以下有益效果：本发明公开的射频电源系统的阻抗匹配方法、装置及电源系统，可以大幅度简化匹配箱内部的复杂结构，大幅度简化传统匹配箱内部的复杂结构，并且能够快速、精准的实
现阻抗匹配，使射频电源系统达到最大的功率传输。通过电力电子变换器调节阻抗代替成本较高的电机调节，成本更低。电力电子变换器种类繁多，相容性较高，能轻易的结合电路自动控制的手段，具有易扩展性。
附图说明
9.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为本发明实施例中的射频电源系统的阻抗匹配方法流程图；图2为本发明实施例中的射频电源系统的阻抗匹配控制结构图；图3为本发明实施例中的电流环的闭环控制过程示意图；图4为本发明实施例中的电压环的闭环控制过程示意图；图5为本发明实施例中的所述电力电子变换器为boost升压变换器的控制结构图；图6为本发明实施例中的射频电源系统的阻抗匹配装置组成结构示意图。
具体实施方式
10.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。
11.实施例一本发明的一个实施例公开了一种射频电源系统的阻抗匹配方法，如图1所示，包括：步骤s1、在射频电源通过可调匹配网络为负载进行供电的射频电源系统结构中，对射频电源系统输入侧的电压和电流进行采集得到采集数据；步骤s2、在可调匹配网络中，根据输入的电压参考值以及采集数据，对连接在射频电源系统输入侧和负载侧之间的电力电子变换器进行电流控制和电压控制，通过调整可调匹配网络的输入电压和电流值，改变可调匹配网络的等效阻抗，实现阻抗匹配。
12.如图2给出了射频电源系统的阻抗匹配方法的控制结构图；具体的，在步骤s1中的电压和电流采集采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器进行。
13.在步骤s2中，在可调匹配网络中，采用电压环内置电流环的控制结构对电力电子变换器进行电流控制和电压控制。
14.进一步地，如图3所示，所述电压环内置电流环的控制结构中的电流环的闭环控制过程包括：1）霍尔电流传感器采集电感电流小信号分量得到采集的小信号分量测量值，与电感电流参考值小信号分量比较得到误差电流信号；2）误差电流信号通过电流控制器处理得到电感电压参考值小信号分量与霍尔电压传感器采集输入电压小信号分量得到的输入电压小信号分量测量值比较得到
开关管电压参考值小信号分量；经过前馈补偿、采样和计算延时si、输入电压v
in
得到开关管电压小信号分量；3）开关管电压小信号分量与输入电压小信号分量相加得到电感电压的小信号分量，经过拉氏变换后的电感运算得到电感电流小信号分量；电感电流小信号分量经过负输入阻抗-z
in
得到输入电压小信号分量；4）霍尔电流传感器采集电感电流小信号分量得到电感电流小信号分量测量值返回步骤1）；构成电流环的闭环控制。
15.其中，电流控制器中以电流误差小信号分量作为输入，可根据据使用场景选择现有的控制方法。实现根据电流误差小信号分量得到电感电压参考值小信号分量。
16.z
in
为电力电子变换器的输入阻抗。
17.进一步地，如图4所示，所述电压环内置电流环的控制结构中的电压环的闭环控制过程包括：1）输入电压参考值的小信号分量与霍尔电压传感器采集得到的输入电压小信号分量测量值做比较得到误差电压小信号分量；2）误差电压小信号分量经过电压控制器得到串联阻抗支路电流小信号分量与并联支路电流小信号分量的差值，并联阻抗电压小信号分量通过并联阻抗得到支路电流与电压控制器得到的电流相加；并通过采样和计算延时sv、电流环g
icl
得到电感电流小信号分量；3）电感电流小信号分量经过负输入阻抗-z
in
得到输入电压的小信号分量；4）霍尔电流传感器采集得到的电感电流小信号分量测量值，经过并联阻抗zs得到串联阻抗电压小信号分量与霍尔电压传感器采集得到的输入电压小信号分量测量值比较后得到并联阻抗电压小信号输入分量返回步骤2）；将采集的输入电压小信号分量测量值返回到步骤1）中，构成电压环的闭环控制。
18.其中，电压控制器以电压误差小信号分量作为输入，根据使用场景可以选择不同控制。比如选择一个积分器，以避免稳态误差，并选择一个极点，以增加增益边际。
19.优选的，附加的并联阻抗zs和串联阻抗z
p
的值要保证在交叉频率附件足够低，根据
应用于zeq（s）的广义bode准则，如果开环bode图的所有-180
°
、
±k·
360
°
相位交叉都具有负增益(即低于0 db)，则在闭环阻抗zeq中不会出现rhp极点。因此，通过选定阻抗类型，根据广义bode准则可以设置出串联阻抗zs并联阻抗zp。
20.在本实施例的一个优选的方案中，如图5所示，所述电力电子变换器为boost升压变换器。电流控制的输出信号，经pwm信号生成器和驱动电路后控制boost升压变换器的开关管s；通过调整开关管s的导通占空比，来调节匹配网络的输出电压和输出电流实现阻抗匹配。
21.具体的，boost升压变换器的电流环结构如图3所示，根据boost升压变换器的电流环结构得到的所述boost升压变换器的电流环传递函数：；；ci为电流控制器的控制函数，hi为霍尔电流传感器的传递函数，hv为霍尔电压传感器的传递函数，si代表电流控制器的采样和计算延时，ls为拉氏变换后的电感值。
22.具体的，boost升压变换器的电压环结构如图4所示，根据boost升压变换器的电压环结构得到的boost升压变换器的等效阻抗为：；其中，sv代表电压控制器的采样和计算延时，g
icl
为电流环传递函数，z
in
为输入阻抗，zs和z
p
分别为电压环内的附加串联阻抗与并联阻抗。
23.根据霍尔电流传感器和霍尔电压传感器采集的电流和电压值，控制boost升压变换器的等效阻抗值实现射频电源和负载之间的阻抗匹配。
24.综上所述，本发明实施例中的射频电源系统的阻抗匹配方法，可以大幅度简化匹配箱内部的复杂结构，大幅度简化传统匹配箱内部的复杂结构，并且能够快速、精准的实现阻抗匹配，使射频电源系统达到最大的功率传输。通过电力电子变换器调节阻抗代替成本较高的电机调节，成本更低。电力电子变换器种类繁多，相容性较高，能轻易的结合电路自动控制的手段，具有易扩展性。
25.实施例二本发明的一个实施例公开了一种射频电源系统的阻抗匹配装置，如图6所示，所述阻抗匹配装置为可调匹配网络，连接在射频电源和负载之间；包括：电力电子变换器、电压控制模块和电流控制模块；所述电力电子变换器连接在射频电源系统输入侧和负载侧之间；所述电流控制模块，用于控制电力电子变换器的输出电流；所述电压控制模块，用于控制电力电子变换器的输出电压；在可调匹配网络中，根据输入电压参考值以及射频电源系统输入侧的电压和电流
采集值，在电流控制模块中进行电流环路控制，在电压控制模块中进行电压环路控制，通过调整可调匹配网络的输入电压和电流值，改变可调匹配网络的等效阻抗，实现阻抗匹配。
26.具体的，所述电流控制模块内置在所述电压控制模块中；采用电压环内置电流环的控制结构对电力电子变换器进行电流控制和电压控制。
27.优选的，在本实施例中，通过霍尔电压传感器和霍尔电流传感器频采集电源系统输入侧的电压和电流采集值。
28.进一步地，电流控制模块包括电流控制器、误差电流计算模块、开关管电压计算模块和输入电压计算模块；其中，误差电流计算模块，用于将霍尔电流传感器采集到的电感电流小信号分量测量值与电感电流参考值小信号分量进行比较输出误差电流信号；电流控制器，用于对输入的误差电流信号进行电流控制输出电感电压参考值小信号分量；开关管电压计算模块，用于将电感电压参考值小信号分量与霍尔电压传感器采集到的输入电压小信号分量测量值进行比较得到开关管电压参考值小信号分量；经过前馈补偿、采样和计算延时si、输入电压v
in
得到开关管电压小信号分量；输入电压计算模块，用于将开关管电压小信号分量与输入电压小信号分量相加得到电感电压的小信号分量，经过拉氏变换后的电感运算得到电感电流小信号分量；经过负输入阻抗-z
in
得到输入电压小信号分量；输入电压小信号分量被霍尔电压传感器采集后得到输入电压小信号分量测量值输出到开关管电压计算模块；电感电流小信号分量被霍尔电流传感器采集后得到电感电流小信号分量测量值输出到误差电流计算模块。
29.其中，电流控制器中以电流误差小信号分量作为输入，可根据据使用场景选择现有的控制方法。实现根据电流误差小信号分量得到电感电压参考值小信号分量。
30.z
in
为电力电子变换器的输入阻抗。
31.进一步地，所述电压控制模块包括：电压控制器、误差电压计算模块、电感电流计算模块、输入电压计算模块和并联阻抗电压计算模块；其中，误差电压计算模块，用于将输入电压参考值的小信号分量与霍尔电压传感器
采集到的输入电压小信号分量测量值做比较输出误差电压小信号分量；电压控制器，用于对输入的误差电压小信号分量进行电压控制输出串联阻抗支路电流小信号分量与并联支路电流小信号分量的差值；电感电流计算模块，用于将并联阻抗电压小信号分量通过并联阻抗得到支路电流与电压控制器输出的电流相加，并通过采样和计算延时sv、电流环g
icl
得到电感电流小信号分量；输入电压计算模块，用于将输入的电感电流小信号分量经过负输入阻抗-z
in
得到输入电压的小信号分量；输入电压的小信号分量被霍尔电压传感器采集后得到输入电压小信号分量测量值分别输出到误差电压计算模块和并联阻抗电压计算模块；并联阻抗电压计算模块，用于将霍尔电流传感器采集电感电流小信号分量得到的电感电流小信号分量测量值，经过并联阻抗zs得到串联阻抗电压小信号分量与霍尔电压传感器采集到的输入电压小信号分量测量值比较后得到并联阻抗电压小信号输入分量输出到电感电流计算模块。
32.其中，电压控制器以电压误差小信号分量作为输入，根据使用场景可以选择不同控制。比如选择一个积分器，以避免稳态误差，并选择一个极点，以增加增益边际。
33.优选的，附加的并联阻抗zs和串联阻抗z
p
的值要保证在交叉频率附件足够低，根据应用于zeq（s）的广义bode准则，如果开环bode图的所有-180
°
、
±k·
360
°
相位交叉都具有负增益(即低于0 db)，则在闭环阻抗zeq中不会出现rhp极点。因此，通过选定阻抗类型，根据广义bode准则可以设置出串联阻抗zs并联阻抗zp。
34.在本实施例的一个优选的方案中，所述电力电子变换器为boost升压变换器。电流控制的输出信号，经pwm信号生成器和驱动电路后控制boost升压变换器的开关管s；通过调整开关管s的导通占空比，来调节匹配网络的输出电压和输出电流实现阻抗匹配。
35.具体的，根据boost升压变换器的电流环结构得到的所述boost升压变换器的电流环传递函数：；；ci
为电流控制器的控制函数，hi为霍尔电流传感器的传递函数，hv为霍尔电压传感器的传递函数，si代表电流控制器的采样和计算延时，ls为拉氏变换后的电感值。
36.具体的，根据boost升压变换器的电压环结构得到的boost升压变换器的等效阻抗为：；其中，sv代表电压控制器的采样和计算延时，g
icl
为电流环传递函数，z
in
为输入阻抗，zs和z
p
分别为电压环内的附加串联阻抗与并联阻抗。
37.根据霍尔电流传感器和霍尔电压传感器采集的电流和电压值，控制boost升压变换器的等效阻抗值实现射频电源和负载之间的阻抗匹配。
38.综上所述，本发明实施例中的射频电源系统的阻抗匹配方法，可以大幅度简化匹配箱内部的复杂结构，大幅度简化传统匹配箱内部的复杂结构，并且能够快速、精准的实现阻抗匹配，使射频电源系统达到最大的功率传输。通过电力电子变换器调节阻抗代替成本较高的电机调节，成本更低。电力电子变换器种类繁多，相容性较高，能轻易的结合电路自动控制的手段，具有易扩展性。
39.实施例三本发明的一个实施例公开了一种射频电源系统，包括射频电源和阻抗匹配装置；所述射频电源通过阻抗匹配装置连接到负载，为负载供电；所述阻抗匹配装置中采用如实施例一所述的射频电源系统的阻抗匹配方法，对电源系统进行阻抗匹配，使射频电源系统达到最大的功率传输。
40.本实施例的具体技术细节与有益的效果，与实施例一中相同，请参照实施例一中的具体内容，在此就不一一赘述了。
41.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。