用于為臭氧生產(chǎn)單元提供能量的緊湊的、可配置電源的制作方法
【專利摘要】高頻電功率向臭氧生產(chǎn)單元的供給的改進能夠使用文中所述的系統(tǒng)和技術來實現(xiàn)。操作在遠大于負載頻率的切換頻率下的DC到DC轉換器的應用支持了用于為此種單元供電的高壓AC的生成，同時允許了元件尺寸的減小以及負載調諧電路中質量因子的減小。用于獲得一個或多個切換及負載頻率的可控功率逆變器可利用反饋技術來控制，以在外部提供的功率及負載條件中的一個或多個發(fā)生變化時向臭氧生產(chǎn)單元提供穩(wěn)定的、高質量功率。浪涌保護電路也可提供以選擇性地引入電流限制電阻，直至輸入DC總線已被有效初始化，該有效初始化由從DC總線獲得的測量值來確定。電流限制電阻可以是正溫度系數(shù)熱敏電阻。
【專利說明】用于為臭氧生產(chǎn)單元提供能量的緊湊的、可配置電源

【技術領域】
[0001]本申請主要涉及功率轉換且特別涉及用于在活性氣體發(fā)生器中點燃等離子體的功率轉換。

【背景技術】
[0002]臭氧對許多需要高水平氧化的應用來說是有用的。例如，臭氧可用于飲用水的消毒并且早自19世紀初就已經(jīng)被用于水處理。近來，臭氧已被應用于半導體器件處理。臭氧在半導體器件處理中的一種應用是通過在晶片上生長絕緣膜或氧化薄膜以在半導體晶片上形成絕緣層，例如，高質量Si02的高沉積率化學氣相沉積能夠使用TEOS/臭氧處理器來完成。
[0003]臭氧在半導體器件處理中的另一種應用是用于清潔半導體晶片及設備。臭氧對于從半導體晶片表面或處理室移除碳氫化合物來說特別有用。利用臭氧來進行清潔是有優(yōu)勢的，因為它避免了對需要昂貴處理的危險化學品的使用。相反，臭氧不存在有毒廢物處理問題，因為臭氧可分解為氧氣而無殘留。
[0004]臭氧生成器包括一個或多個獨立的臭氧生成部件，又稱為臭氧生產(chǎn)單元。每一臭氧生產(chǎn)單元通常包括相對的電極板及電介質阻隔件。電介質阻隔件可抵靠電極板之一放置，從而在電介質阻隔件及相對的電極板間形成通道。在操作中，氧氣(O2)被提供至生產(chǎn)單元并被允許穿過該通道，于是，氧氣被電極板之間的放電激活，從而導致至少部分氧原子分解并重組成臭氧(O3)分子。
[0005]為引起放電或熔解(即點燃等離子體)，高電壓AC功率被施加到每一臭氧生產(chǎn)單元的相對電極板之間。已確定施加約8千伏、峰到峰(peak-to-peak)在約30kHz到約40kHz之間的相對高頻率的AC負載電壓對于至少某些這種臭氧生產(chǎn)單元的操作來說是優(yōu)選的。因為大部分應用從設施主功率獲得這種單元驅動電壓，故臭氧單元功率系統(tǒng)有必要將來自于設施功率水平的電壓水平(例如，208伏AC或480伏AC三相功率)增加或者以其他方式升高。另外，功率系統(tǒng)有必要將設施供給功率的相對低值的頻率(例如50/60HZ)增加到操作的優(yōu)選頻率的相對高值。
[0006]臭氧生產(chǎn)單元可被建模為電阻器及兩極瞬態(tài)電壓抑制器的串聯(lián)組合與電容器的并聯(lián)。電功率的應用可能被產(chǎn)生于臭氧單元的電容器的較大無功負載阻抗所限制。具有這種較無功成分的電負載易導致大量熱損失或者以其他方式對電源元件造成壓力。工作在增加的功率水平下的這種元件有必要向負載傳輸適當?shù)目捎霉β?即非無功功率)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]希望提供一種被配置為有效地向一個或多個臭氧生產(chǎn)單元供電的緊湊的功率系統(tǒng)配置。另外，在每一實例中，希望在具有普遍這種緊湊功率系統(tǒng)的同時實現(xiàn)靈活性，該緊湊功率系統(tǒng)易于調節(jié)或者能夠以其他方式被配置為用于需要不同功率需求的臭氧生產(chǎn)應用。更進一步，希望在初始化時給這種功率系統(tǒng)提供增強的保護措施以保護其免受可能由不受控制的浪涌電流造成的損壞。
[0008]文中描述的是設備和技術，用于實現(xiàn)減少為一個或多個臭氧生產(chǎn)單元供電的一個或多個電源系統(tǒng)的尺寸，為調整針對不同額定功率的這種功率系統(tǒng)提供靈活性，并提供浪涌電流保護。
[0009]在一方面中，文中描述的至少一個實施方式提供了向至少一個臭氧生產(chǎn)單元供電的方法。該方法包括接收未調節(jié)的DC電壓，以第一切換頻率對未調節(jié)的DC電壓進行切換，將被切換的DC電壓轉換為經(jīng)調節(jié)的DC高壓，其中經(jīng)調節(jié)的DC高壓遠大于所述未調節(jié)的DC電壓。該方法還包括以至少一個臭氧生產(chǎn)單元的優(yōu)選操作頻率范圍內(nèi)的第二切換頻率對DC高壓進行切換以及通過串聯(lián)電感將被切換的DC高壓耦合至至少一個臭氧生產(chǎn)單元。該串聯(lián)電感與至少一個臭氧生產(chǎn)單元的內(nèi)部電容共同形成臭氧生產(chǎn)單元的優(yōu)選操作頻率范圍內(nèi)的諧振，該諧振適于使至少一個臭氧生產(chǎn)單元經(jīng)受窄帶、AC高壓。
[0010]在另一方面中，文中描述的至少一個實施方式提供了用于為至少一個臭氧生產(chǎn)單元提供能量的功率轉換器。該功率轉換器包括DC到DC轉換器，DC到DC轉換器具有被配置為接收未調節(jié)的DC電壓的輸入以及被配置為提供由未調節(jié)的DC電壓得出的經(jīng)調節(jié)的DC高壓的輸出。具體地，DC高壓的幅度遠大于未調節(jié)的DC電壓的幅度。該功率轉換器還包括高頻功率逆變器，高頻功率逆變器具有與DC到DC轉換器的輸出通信的輸入。高頻功率逆變器被配置為在輸出處提供由DC高壓得出的高頻AC電壓。串聯(lián)電感耦合在高頻功率逆變器的輸出與至少一個臭氧生產(chǎn)單元之間。串聯(lián)電感與至少一個臭氧生產(chǎn)單元的內(nèi)部電容在高頻AC電壓下共同形成諧振，該諧振出現(xiàn)在至少一個臭氧生產(chǎn)單元的優(yōu)選操作頻率范圍內(nèi)。[0011 ] 在至少一個實施方式中，功率轉換器包括第一控制器，第一控制器具有接收DC到DC轉換器的DC高壓輸出的指示的感測輸入、被配置為接收目標DC高壓的指示的參考輸入和與DC到DC轉換器通信的控制輸出。第一控制器被配置為響應于目標DC高壓和在感測輸入處接收的DC高壓的指示對DC到DC轉換器的操作進行調整。功率轉換器還包括第二控制器，第二控制器具有被配置為接收被提供至至少一個臭氧生產(chǎn)單元的負載電壓和負載電流中的至少一個的輸出指示的傳感輸入、被配置為接收操作負載功率的指示的參考電源輸入、以及與高頻功率逆變器通信的控制輸出。第二控制器被配置為響應于接收到的操作負載功率的指示以及負載電壓和負載電流中的至少一個的指示對高頻功率逆變器的操作進行調整。
[0012]在另一方面中，文中描述的至少一個實施方式提供了用于給至少一個臭氧生產(chǎn)單元供電的方法。該方法包括將未調節(jié)的DC電壓轉換為經(jīng)調節(jié)的DC高壓，經(jīng)調節(jié)的DC高壓的幅度遠大于所述未調節(jié)的DC電壓的幅度。響應于DC高壓參考輸入控制未調節(jié)的DC電壓到經(jīng)調節(jié)的DC高壓的轉換。將DC高壓轉換為高頻AC電壓。響應于負載功率參考輸入控制DC高壓到高頻AC電壓的轉換，使得由高頻AC電壓傳輸?shù)碾姽β试谕ㄟ^串聯(lián)電感施加至至少一個臭氧生產(chǎn)單元時與負載功率參考輸入相對應。
[0013]在另一方面中，文中描述的至少一個實施方式提供了用于向至少一個臭氧生產(chǎn)單元供電的功率轉換器。該功率轉換器包括被配置為對AC輸入電壓進行整流的整流器和并聯(lián)耦合至整流器的總線電容器?？偩€電容器被配置為響應于被整流的AC輸入電壓產(chǎn)生未調節(jié)的DC電壓。功率轉換器還包括第一和第二傳感器和功率轉換器，功率轉換器耦合至總線電容器并且被配置為當耦合至至少一個臭氧生產(chǎn)單元時響應于未調節(jié)的DC電壓生成高頻AC輸出電壓。第一傳感器被配置為測量總線電容器的電壓。第二傳感器被配置為測量整流器以及總線電容器之間的電流。功率轉換器還包括耦合在整流器與總線電容器之間的可控電流限制電阻?？煽仉娏飨拗齐娮柽€與第一傳感器和第二傳感器中的每一個通信并且被配置為在初始化期間提供電流限制電阻并且在初始化完成后提供充分短路。
[0014]在又一個方面中，文中描述的至少一個實施方式提供了向至少一個臭氧生產(chǎn)單元供電的方法。該方法包括對AC輸入電壓進行整流，通過被整流的AC輸入電壓將總線電容器充電到DC操作電壓，以及將DC操作電壓在被施加至至少一個臭氧生產(chǎn)單元時轉換到高頻AC電壓。該方法還包括區(qū)分總線電容器的初始化狀態(tài)與總線電容器的初始化完成狀態(tài)；以及響應于測量到的電壓和電流改變串聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻在初始化期間限制到總線電容器的電流，另外在初始化完成時允許未經(jīng)限制的電流。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]將通過本公開的非限制性實施方式參照給出的多個附圖在下面進一步詳細描述本公開，其中在附圖的多個視圖中，相同的參考標號表示相同部分，在附圖中:
[0016]圖1示出了具有涌入電流保護的緊湊臭氧功率系統(tǒng)的實施方式的示意圖；
[0017]圖2示出了圖1所示的緊湊臭氧功率系統(tǒng)的DC到DC功率轉換器的實施方式的更詳細示意圖；
[0018]圖3示出了圖1所示的緊湊臭氧功率系統(tǒng)的功率逆變器及振蕩電路的更詳細示意圖；
[0019]圖4示出了模塊化臭氧功率系統(tǒng)的替換實施方式的示意圖；
[0020]圖5示出了用于向至少一個臭氧生產(chǎn)單元提供功率的過程的實施方式的流程圖；
[0021]圖6示出了用于向至少一個臭氧生產(chǎn)單元提供功率的過程的實施方式的流程圖；
[0022]圖7示出了用于向至少一個臭氧生產(chǎn)單元提供功率的過程的另一實施方式的流程圖；
[0023]圖8A示出了與圖4中示出的第一控制器關聯(lián)的反饋控制環(huán)路的示例的圖解框圖；
[0024]圖8B示出了與圖4中示出的第二控制器關聯(lián)的反饋控制環(huán)路的示例的圖解框圖；
[0025]圖8C示出了圖4中示出的第二控制器關聯(lián)的反饋控制環(huán)路的替換實施方式的圖解框圖。

【具體實施方式】
[0026]在優(yōu)選實施方式的以下具體描述中，將對所述附圖、【具體實施方式】進行參照，其中附圖構成說明書的一部分，說明書將通過圖示在附圖中示出，本公開通過【具體實施方式】進行實踐。應該理解，在不違背本公開范圍的前提下，可利用其他實施方式并作出結構性的改變。
[0027]文中示出的細節(jié)是通過示例且僅用于本公開的實施方式的示意性討論，并且存在于提供被認為是本公開的原理和概念方面的最有用及最易于理解的描述的情況下。在這方面，不試圖更詳細地示出本公開的、超出本公開的基本理解所必須的結構性細節(jié)。結合附圖的描述使得各種形式的本公開如何可在實踐中具體化對本領域的技術人員來說變得顯而易見。另外，在不同附圖中，相同的參考標號和標示表示相同元件。
[0028]文中描述的是用于向至少一個臭氧生產(chǎn)單元提供功率的設備和技術。
[0029]圖1示出了緊湊臭氧功率系統(tǒng)100的實施方式的示意圖。通常，功率系統(tǒng)100從外部功率源102 (諸如設施提供的電力干線)接收電功率，并將外部提供的功率轉換為負載功率104,負載功率104適用于操作一個或多個活性氣體生成器,諸如臭氧生產(chǎn)單兀106。例如，外部電源102可以是公共設施提供的50/60Hz、208伏、三相AC功率(例如，具有線A (LINE A)、線B(LINE B)、線C(LINE C)以及地或地(EARTH)參考)。因為這種公共設施提供的功率可隨時間變化，故功率系統(tǒng)100優(yōu)選地適用于在外部功率源102的變化下提供預期的負載功率，例如，在約±10%范圍內(nèi)變化(如從約180伏到約230伏AC)。功率系統(tǒng)100可被配置為適用其他電力干線，諸如480伏AC，從而類似地工作在480伏AC標稱電壓的特定范圍內(nèi)(如從約430伏到約530伏AC)。
[0030]通常，取決于外部功率源102及臭氧生產(chǎn)單元106的需求，外部功率源102以及被提供至臭氧生產(chǎn)單元106的轉換后的功率可具有任何不同的電壓、電流及頻率。在至少某些實施方式中，提供至臭氧生產(chǎn)單元106的電負載功率104包括約8千伏且頻率介于約20kHz到約40kHz之間的峰到峰AC電壓。應理解，由于要適應于操作一個或多個臭氧生產(chǎn)單元，可提供不同的電壓及頻率。
[0031]對于外部供應功率102是AC的應用，功率系統(tǒng)100包括用于首先將外部提供的AC功率轉換為DC的整流器模塊108。在外部供應功率102是三相AC的示意性示例中，功率系統(tǒng)100包括用于接收輸入AC功率并提供整流輸出110的三相整流器模塊108。整流輸出110耦合在濾波電容器(也稱為總線電容Cb)兩端，濾波電容器被配置為使整流輸出110平滑化以更接近于用于給DC總線112供電的DC電壓。在示意性示例中，相對于功率系統(tǒng)100的其他部分，DC總線112未經(jīng)調節(jié)且工作在較低電壓下。
[0032]雖然未示出，但應該理解，功率系統(tǒng)100的前端包括整流器108及總線電容器CB，還可包括一個或多個主AC熔絲(未示出)，例如每條線一個，以在任何異常操作時保護其免于災難性的故障，功率系統(tǒng)100還可包括電磁干擾(EMI)濾波器(也未示出)。例如，這種EMI濾波器通常設置在電子線路中以防止任何由功率系統(tǒng)100生成的電子干擾被引導回電力干線102。更進一步地，應該理解，功率系統(tǒng)100可包括一個或多個偏置電源(未示出)，因為可能有助于給在功率系統(tǒng)100的工作中使用的電子線路供電。這種偏置電源能夠由輸入電力干線102供電，對于三相電源102來說，包括一條、兩條或所有三條引線。特別地，通過將偏置電源102直接連接到三相電源102的所有三條引線，緩解了可能要求大容量保持電容器來適應Sem1-F47事件的需要?？蛇x地或附加地，這種偏置電源可由DC總線112供電。
[0033]功率系統(tǒng)100還包括至少一個功率轉換器114，功率轉換器114的輸入耦合到低電壓的、未經(jīng)調節(jié)的DC總線112。在至少某些實施方式中，功率轉換器可被配置為DC到DC轉換器，DC到DC轉換器所提供的輸出同樣是DC電壓，但具有與低電壓的、未經(jīng)調節(jié)的DC總線112不同的值。例如，功率轉換器114可被配置為將低電壓的、未經(jīng)調節(jié)的DC總線112的相對低電壓升高(即增加)到相對高的、經(jīng)調節(jié)的DC電壓。功率轉換器114的輸出可耦合到高壓的、經(jīng)調節(jié)的DC總線116中。由于臭氧生產(chǎn)單元106通常需要遠大于由電力干線102提供的電壓的工作電壓，故任何由功率轉換器114提供的增加有助于滿足負載需要以及放松功率系統(tǒng)100的后端部分的設計限制。在至少某些實施方式中，經(jīng)調節(jié)的DC總線116的電壓遠大于低壓的、未經(jīng)調節(jié)的總線112的電壓(例如介于約200伏和350伏DC之間)。高壓的、經(jīng)調節(jié)的DC總線116的示例工作電壓Vhv DC可介于約I千伏到約2千伏之間或更大。
[0034]功率系統(tǒng)100還包括功率逆變器118，功率逆變器118具有耦合到高壓的、經(jīng)調節(jié)的DC總線116的輸入。功率逆變器118將高壓的、經(jīng)調節(jié)的DC總線116的電壓轉換到較高頻AC輸出電壓120。較高頻AC輸出120被耦合到諧振或振蕩電路122，該諧振或振蕩電路122由至少一個諧振串聯(lián)電感器Lk和一個或多個臭氧生產(chǎn)單元106形成。串聯(lián)電感器Lk與一個或多個臭氧生產(chǎn)單元106的內(nèi)部電容在高頻AC電壓下共同形成諧振，該諧振出現(xiàn)在至少一個臭氧生產(chǎn)單元的優(yōu)選工作頻率范圍內(nèi)的。可由串聯(lián)電感Lk及臭氧生產(chǎn)單元106的內(nèi)部電容CEQ(未示出)形成的串聯(lián)L-C諧振器的諧振頻率&可表示為:
[0035]=等式 1
[0036]在至少某些實施方式中，較高頻AC輸出120Vhvac近似于方波，例如，產(chǎn)生于功率逆變器118的切換操作。振蕩電路122的諧振可通過對與一個或多個臭氧生產(chǎn)單元106的等效內(nèi)部電容Ceq結合的串聯(lián)電感器Lk的電感進行選擇來進行調節(jié)，以建立諧振頻率&并確定相應的質量因子或“Q”。通過對功率逆變器118的較高電壓AC輸出120 (例如切換的I或2千伏方波)進行濾波，能夠與具有小于5的Q值的振蕩電路122 —起工作。在某些實施方式中，約3或4的Q值就足夠。由Q值表示的振蕩電路122的選擇可排斥近似方波AC輸出120的頻譜中的某些部分。因此，通過對功率逆變器118的切換頻率以及振蕩電路122的諧振或中心頻率fo和Q值的適當調整，能夠產(chǎn)生基本正弦的AC電壓以用于傳輸至一個或多個臭氧生產(chǎn)單元106。例如，功率逆變器118結合振蕩電路122可產(chǎn)生正弦波，該正弦波具有介于約20kHz到約40kHz之間的頻率、以及約8千伏峰到峰的電壓幅度(響應于I千伏的DC輸入)。
[0037]在至少某些實施方式中，振蕩電路122被進一步調諧以減少無功功率成分。例如，可選擇串聯(lián)電感Lk的電感值，使得電感Lk的串聯(lián)電抗在預期的頻率工作范圍內(nèi)(例如在約20kHz到約40kHz之間)有效地抵消一個或多個臭氧生產(chǎn)單元106的等效串聯(lián)電容的電抗。然而，通常要求緊湊的臭氧功率系統(tǒng)100適應不同數(shù)量的臭氧生產(chǎn)單元106，有時被稱為臭氧生產(chǎn)單元“堆”。因此，一個或多個臭氧生產(chǎn)單元106的等效內(nèi)部電容Ceq取決于給定單元堆中組合的臭氧生產(chǎn)單元106的具體數(shù)目。
[0038]例如，這種臭氧生產(chǎn)單元106的堆的等效電容可被確定為堆中每一臭氧生產(chǎn)單元106的獨立等效電容的并聯(lián)組合。通常存在功率系統(tǒng)100能夠適應的單元106的某些最大數(shù)目。例如，示例臭氧單元的等效電容負載為約I毫微法。5千瓦的功率系統(tǒng)100可供電給約14個這種臭氧單元。當已知每單元106的等效內(nèi)部電容(例如大約InF)時,對單元106的此最大數(shù)目的確定，允許對具有最大數(shù)目單元的單元堆的等效內(nèi)部電容的估計進行確定。因此，可基于此最大等效內(nèi)部電容Ceq max來選擇串聯(lián)電感Lk以有效的抵消或以其他方式最小化臭氧生產(chǎn)單元106堆處的無功功率成分。
[0039]在至少某些實施方式中，振蕩電路122包括與一個或多個臭氧生產(chǎn)單元106的并聯(lián)設置的可選的并聯(lián)電容CK。在至少某些實施方式中，電容器Ck的電容值可以被選擇為補償特定堆中臭氧生產(chǎn)單元106的數(shù)量變化。例如，并聯(lián)電容器Ck的電容值可以被選擇為使得在工作頻率范圍內(nèi)，無功負載近似等于功率系統(tǒng)100所能適應的最大數(shù)目的臭氧生產(chǎn)單元106的無功負載與特定堆的一個或多個臭氧生產(chǎn)單元106的無功負載的差。因此，電容器Ck的電抗與臭氧生產(chǎn)單元106特定配置的等效內(nèi)部電容器Ceq的組合可維持在近似相等的值，即最大電容值Ceq MX。串聯(lián)電感器Lk可被選擇為有效地抵消并聯(lián)電容器Ck及臭氧生產(chǎn)單元106的等效內(nèi)部電容Ceq的組合的電容電抗。
[0040]更具體地，圖2示出了用于實施DC到DC轉換器114的至少一種途徑。DC到DC轉換器114包括功率逆變器124，功率逆變器124用于通過對來自于低壓的、未經(jīng)調節(jié)的DC總線112的DC進行切換來將低壓的、未經(jīng)調節(jié)的DC總線112轉換為交變電流(AC)。這種逆變器124的示例包括一個或多個開關、以及可用于對切換的DC(即AC)電壓的頻率進行控制的控制電路。
[0041]在至少某些實施方式中，逆變器124包括固態(tài)開關元件。逆變器124的被切換的輸出可呈現(xiàn)不同的波形，諸如方波、改變的正弦波及純正弦波。逆變器124也可呈現(xiàn)不同的拓撲結構。此拓撲之一是已知的全橋或H橋逆變器電路，如圖所示。全橋電路包括至少四半導體開關SA、SB、SC和Sd以及反并聯(lián)二極管Da、Db、Dc和Dd。來自于低壓的、未經(jīng)調節(jié)的DC總線112的輸入被施加到橋的第一相反終端對(即頂端和底端終端)，如圖所示。從橋的第二相反終端對126獲得AC輸出。半導體開關SA、SB、S。和Sd中的每一個均可由各自的控制輸入端128控制。在至少某些實施方式中，每一半導體開關SpSpSc^P Sd與各自的二極管的Da、Db、Dc和Dd并聯(lián)連接。因此，每一開關元件的控制決定了各自二極管是否有效的“接入”(開關開)或“脫離”(開關關)該橋。
[0042]在至少某些實施方式中，上述被切換的DC波形的方波AC演繹(rendit1n)通過逆變器124的半導體開關SA、SB、S。和Sd中的一個或多個的脈沖寬度調制(PWM)來獲得。通過對控制輸入端128的控制對方波脈沖寬度的調制或調節(jié)可被用作調整或調節(jié)逆變器輸出電壓的方法。這種調節(jié)對于在一個或多個功率源102 (圖1)或負載條件發(fā)生變化時維持DC的傳輸是有優(yōu)勢的。
[0043]一旦被轉換到AC，電壓水平可通過使用變壓器改變到任何實際需要電壓水平。示意性DC到DC轉換器114包括此變壓器130，變壓器130具有與由被切換的DC電壓驅動的逆變器124的負載端126通信的初級繞組131a。DC阻斷電容器C1可被包括在某些實施方式中，位于負載端126之一與變壓器130之間。在示意性示例中，變壓器130的初級繞組131a具有圍繞磁芯的相應數(shù)量的匝，次級繞組131b也具有圍繞磁芯的相應數(shù)量的匝。輸出電壓的幅度(至少部分)通過次級繞組131b的匝數(shù)與初級繞組131a的匝數(shù)之比確定。因此，在次級繞組131b獲得的變壓器輸出可以是高壓或是從逆變器124獲得的輸入的升高演繹。有益地，變壓器130還使負載(諸如一個或多個臭氧生產(chǎn)單元106)與外部功率源102隔離。
[0044]功率系統(tǒng)100的磁性元件(諸如在變壓器130的芯中使用的那些磁性元件)的物理尺寸通常與工作頻率成反比。因此，DC到DC轉換器114的變壓器130的尺寸可以通過以較高頻率(例如與實際一樣高)操作全波逆變器124的半導體開關SA、SB、S。和Sd來減小。在至少某些實施方式中，半導體開關SA、SB、S。和Sd以近似于基礎半導體技術的最大切換頻率被操作。例如，MOSFET可以以位于約300kHz和約600kHz之間的轉換頻率被操作。由于半導體技術的進步允許更高的切換頻率，此半導體開關可被應用到文中描述的電路，特別是功率逆變器電路，諸如功率逆變器114，以允許甚至更高的操作切換頻率，從而允許任何磁性元件(諸如升壓變壓器130)的尺寸的進一步減小。
[0045]其他的輸入電壓水平可適用于文中描述的相同系統(tǒng)架構或者根據(jù)特定輸入電源有微小的改變。例如480伏輸入應用可通過將高頻變壓器130的匝數(shù)減少到使用208伏的輸入應用時的一半來適應。另外，某些元件，如開關SA、SB、Sc和Sd及二極管Da、Db、Dc和Dd(圖2)可根據(jù)需要通過具有合適額定電壓和/或電流的元件代替。再次，對于480伏的輸入應用，208伏示意性實施方式中的開關和二極管可通過具有更高額定電壓的開關和二極管(優(yōu)選具有相同覆蓋面積)代替?？商娲蚋郊拥?，在三相整流器模塊108 (圖1)中的整流器二極管也可被具有更高額定電壓的二極管(優(yōu)選具有相同覆蓋面積)代替。通過這種方式，電路的余下部分通常是相同的，而與輸入電壓無關。
[0046]應該注意，更高頻率(例如300-600kHz或更高)的切換還減輕對功率系統(tǒng)100中其他元件(諸如如上所述可能被包含的任何EMI電力線濾波器)的要求。能夠在甚至更高頻率下進行切換的半導體器件中的至少一類是碳化硅。因此，應該理解，其他高頻半導體開關器件，如碳化硅器件，也可被用來實現(xiàn)功率逆變器124的開關SA、SB、S。和Sd以支持甚至更聞的切換頻率，從而允許功率轉換器114的某些電路兀件的尺寸的進一步減小。有益地，通過文中描述的不同技術的應用實現(xiàn)的一個或多個元件尺寸、重量和熱損失的減小有助于它們構建更小、更輕以及更有效的功率系統(tǒng)。在至少某些實施方式中，這種功率系統(tǒng)能夠利用不超過約一個印制電路板或模塊進行配置。這種通過減少電路板或模塊的數(shù)量實現(xiàn)的簡化因此減小了一個或多個功率系統(tǒng)的成本和復雜度，同時還提高了穩(wěn)定性。例如，單電路板或模塊配置防止或以其他方式最小化對在多個模塊間互連電纜或電纜線束的需要。
[0047]被升高的AC能夠例如通過整流器132被再次轉換到直流，整流器132被配置為對變壓器130的次級繞組的AC進行整流，如圖所示。此整流器132可以是半波整流器或全波整流器。升壓變壓器130的整流AC輸出可例如通過一個或多個串聯(lián)電感Ltj及并聯(lián)電容器C。濾波以使升高的DC輸出平滑化。因此，響應于低壓的、未經(jīng)調節(jié)的DC總線112的輸入的功率轉換器的輸出對相對高壓的、經(jīng)調節(jié)的DC總線116進行供電。對于圖1的示意性示例中描述的向功率系統(tǒng)100的208伏AC輸入，高壓DC總線114具有至少約I千伏DC的值。通過這種方式將較低壓DC總線(例如200到350伏DC)提高到更高電壓(例如I千伏)，還允許具有較低“Q” (例如小于約5)的振蕩電路122 (圖1)對功率逆變器118的方波AC輸出120進行充分地濾波以操作一個或多個臭氧生產(chǎn)單元106。對所提供的高壓DC總線116的調節(jié)可由一個或多個反饋控制環(huán)路完成。例如，可將高壓DC輸出電壓Vhv的測量提供給適于調整全橋轉換器114的操作的控制環(huán)路以將高壓DC輸出電壓維持在電力負載范圍內(nèi)(例如無負載到全負載)的容差內(nèi)(如+/_10%)。此反饋控制環(huán)的操作將在下面更詳細的描述。
[0048]在至少某些實施方式中，功率逆變器118包括較高壓半橋逆變器，如圖3所示。例如，功率逆變器118可適于對較高壓DC總線116進行切換。功率逆變器118可與DC到DC轉換器114(圖1)的功率逆變器124類似，至少在如圖所示分別并聯(lián)各自的二極管De、Df的半導體切換元件SE、Sf的使用和控制方面類似。優(yōu)選地，功率逆變器118的切換元件SE、Sf可被操作為產(chǎn)生方波，該方波的頻率與至少一個臭氧生產(chǎn)單元106的優(yōu)選操作頻率相對應。例如，功率逆變器118的方波輸出基頻可介于約20kHz與40kHz之間。
[0049]下面參考圖4，示出了模塊化功率系統(tǒng)臭氧功率系統(tǒng)200的另一實施方式的示意圖。再次，功率系統(tǒng)200從外部功率源202諸如從設備提供的電力干線接收電功率，并將外部提供的功率202轉換為適于操作一個或多個臭氧生產(chǎn)單元206的電負載功率VOT。對于設施提供的功率202為AC的應用，功率系統(tǒng)200首先包括用于將設施供給的AC轉換到DC電壓的整流器208。整流輸出208耦合在濾波電容器(又稱為總線電容器Cb)兩端?？偩€電容器Cb兩端的電壓給DC總線212供電。
[0050]功率系統(tǒng)200還包括至少一個功率轉換器214，功率轉換器214具有耦合到低壓的、未經(jīng)調節(jié)的DC總線212的輸入。在至少某些實施方式中，功率轉換器214被配置為DC到DC轉換器，DC到DC轉換器所提供的輸出同樣是DC電壓，但具有與低壓的、未經(jīng)調節(jié)的DC總線212不同的值。例如，功率轉換器214被配置為將低壓的、未經(jīng)調節(jié)的DC總線212的較低電壓升高(即增加)到較高的、經(jīng)調節(jié)的DC電壓。功率轉換器214的輸出耦合到高壓的、經(jīng)調節(jié)的DC總線216。在至少某些實施方式中，經(jīng)調節(jié)的DC總線216的電壓遠大于低壓的、未經(jīng)調節(jié)的DC總線212的電壓。
[0051]在至少某些實施方式中，功率系統(tǒng)200還包括功率逆變器218，功率逆變器218的輸入耦合到高壓的、經(jīng)調節(jié)的DC總線216。功率逆變器218將高壓的、經(jīng)調節(jié)的DC總線216的電壓轉換到較高頻AC輸出220。較高頻AC輸出220耦合到諧振或振蕩電路222，諧振或振蕩電路222由至少一個諧振串聯(lián)電感Lk及一個或多個臭氧生產(chǎn)單元206形成。串聯(lián)電感Lk與一個或多個臭氧生產(chǎn)單元206的內(nèi)部電容在高頻AC電壓中形成諧振。優(yōu)選地，諧振&出現(xiàn)在至少一個臭氧生產(chǎn)單元206的優(yōu)選操作頻率范圍內(nèi)。
[0052]在至少某些實施方式中，DC到DC轉換器214基本與上面根據(jù)圖2示出和描述的一樣，具有可控全橋功率逆變器。類似地，在至少某些實施方式中，功率轉換器218基本與上面根據(jù)圖3示出和描述的一樣，具有可控半橋功率逆變器。在至少某些實施方式中，功率系統(tǒng)200包括與DC到DC轉換器214通信的第一控制器230。第一控制器230感測與DC到DC轉換器214關聯(lián)的一個或多個電參數(shù)值232。例如，第一控制器230能夠從DC到DC轉換器214接收一個或多個逆變器電流Iinv(參考圖2)、高壓DC輸出Vhv以及輸出電流響應于這些值，第一控制器230可向DC到DC轉換器214的全橋功率逆變器的一個或多個開關SA、SB、S。和Sd提供切換控制信號228。例如，第一控制器230可包括相移脈寬調制器，相移脈寬調制器通過使一個半橋的切換相對于其他半橋進行相位移動來實現(xiàn)全橋功率級的控制。可操作為電壓模式或者電流模式控制器的此設備的示例是可從德克薩斯州達拉斯的德州儀器公司買到的型號為UCC3895的部件。切換的一種具體形式被稱為修正的相移零電壓開關(ZVS)脈寬調制(PWM)切換。
[0053]功率系統(tǒng)200也包括與功率逆變器218通信的第二控制器240。第二控制器240感測與功率逆變器218關聯(lián)的一個或多個電參數(shù)值242。例如，第二控制器240能夠從功率逆變器218接收輸出電流1tit (參考圖3)、高頻AC輸出Vinv 220。響應于這些值，第二控制器240可向逆變器218的半橋的一個或多個開關提供切換控制信號238。例如，第二控制器240還可包括相移脈寬調制器，相移脈寬調制器通過使一個半橋的切換進行相位移動來實現(xiàn)半橋功率級的控制。在至少某些實施方式中，可從加尼福尼亞州的圣何塞的安森美半導體公司買到的型號NCP1395的部件可用于第二控制器240。
[0054]在至少某些實施方式中，第一和第二控制器230、240中的至少一個接收外部控制輸入。例如，第二控制器240具有用于接收負載功率調整設定(例如根據(jù)具體應用處于預定額定千瓦下)的輸入241。此設定可通過用戶可調的控制來完成，諸如按鈕或通過配置設定，諸如在功率系統(tǒng)200的初始化配置或重配置期間完成的內(nèi)部調整。在示意性實施方式中，此輸入能夠適應從小于約I千瓦到大于5千瓦或更高的功率范圍。在示意性實施方式中，第二控制器240可選地向第一控制器230提供輸入231 (虛線示出)。例如，第二控制器230的負載功率調整的用戶所選設定對傳輸?shù)截撦d(例如一個或多個臭氧生產(chǎn)單元206)的功率值進行設定。結合地，第二控制器向第一控制器230提供輸入，致使DC高電壓總線響應于用戶調整的負載功率而變化。即可用較低負載功率設定來減小DC高電壓總線216的電壓水平，此特征允許功率的保存以及系統(tǒng)部件的不必要磨損和損耗的減少。
[0055]圖5示出了用于向至少一個臭氧生產(chǎn)單元供電的過程300的實施方式的流程圖。在305中，接收未經(jīng)調節(jié)的DC電壓。例如，未經(jīng)調節(jié)的電壓可從整流器模塊108的濾波輸出接收，諸如，由圖1所示的功率系統(tǒng)100提供。在310中，以極高的切換頻率對未經(jīng)調節(jié)的DC進行切換。例如，未經(jīng)調節(jié)的DC被施加到全橋功率逆變器，諸如，圖2所示的全橋功率逆變器124。在315中，被切換的DC被轉換為經(jīng)調節(jié)的DC高壓。DC電壓水平的這種增加例如可由圖2中示出的功率轉換器114的升壓變壓器130完成。高壓DC的調節(jié)也可通過調整來自功率轉換控制器(諸如，圖4中示出的第一控制器230)的切換控制信號128來完成。因此，DC高壓的調節(jié)可在負載條件范圍內(nèi)以及功率源102的變化下完成。在320中，對以臭氧生產(chǎn)單元優(yōu)選的切換頻率對高壓DC進行切換。如文中所述，此優(yōu)選頻率已知介于約20kHz和約40kHz之間。此切換可通過功率逆變器118、218完成(圖1和圖3)。在325中，將被切換的高壓DC (例如高頻方波)通過與一個或多個臭氧生產(chǎn)單元形成振蕩電路的串聯(lián)電感Lk耦合到一個或多個臭氧生產(chǎn)單元106。
[0056]再次參考圖1，在功率系統(tǒng)100的至少某些實施方式包括涌入電流保護電路140。在示意性示例中，涌入電流保護電路140包括耦合于整流模塊108的輸出與總線電容器Cb一端之間的、由正溫度系數(shù)熱敏電阻Rptc提供的串聯(lián)電阻。在從整流器模塊108向功率系統(tǒng)100施加功率時(即在上電時)，串聯(lián)電阻Rpt。將控制或以其他方式限制流入總線電容器Cb的最大電流。涌入電流保護電路140還包括有源開關142，有源開關142被配置為與串聯(lián)電阻Rpt。并聯(lián)。有源開關142可包括可控的單級單擲開關，諸如開關晶體管(例如M0SFET)或可控硅整流器(SCR)。
[0057]涌入電流保護電路140還包括涌入電流控制器144。涌入電流控制器144被配置為接收總線電容器Cb兩端(例如來自電壓傳感器V)的一個或多個電壓以及從整流器108流向總線電容器(；(例如來自電流傳感器A)的電流的指示。涌入電流控制器144進一步被配置或以其他方式編程為確定總線電容器Cb何時被充電到例如高于預定閾值電壓。例如，此閾值電壓可被識別為最小可接受總線操作電壓的某一百分比(例如90% Vmin)。在某些實施方式中，涌入電流控制器144向可控開關142提供切換控制信號，以使正常情況下打開的開關關閉或者以其他方式使串聯(lián)電阻RPT。短路。由開關142提供的充分短路有效地從該電路中移除了串聯(lián)電阻，從而允許電流以基本不受限的方式從整流器108流向總線電容器。在至少某些實施方式中，串聯(lián)電阻Rptc通常已知是正溫度系數(shù)熱敏電阻。因此，串聯(lián)電阻被配置為在有源開關142的操作發(fā)生故障時進行自我保護。即串聯(lián)電阻能夠響應于電流浪涌通過電阻器增加其阻值以有效的控制或以其他方式限制任何這種電流浪涌。
[0058]圖6示出了向至少一個臭氧生產(chǎn)單元供電的過程400的實施方式的流程圖。在405中，最初(即在上電之前)在臭氧功率系統(tǒng)100的整流器控制模塊108的輸出與總線電容器Cb之間施加電流限制電阻(諸如RPT。)。在410中，給功率系統(tǒng)施加功率。更具體地，在415中，向總線電容器施加AC輸入電壓以為總線電容器Cb充電。充電電流流經(jīng)電流限制電阻RPT。。當總線電容器Cb被充電到高于某閾值時，其被認為初始化完成。如果在420中總線電容器Cb未初始化完成，則在415中整流AC輸入電壓經(jīng)過串聯(lián)電阻Rptc繼續(xù)給總線電容器充電。然而，如果在420中總線電容器Cb已完成初始化，則在425中可將電流限制電阻短路或從電路中移除。在430中，在總線電容器Cb的兩端建立的DC電壓由功率系統(tǒng)100轉換到高頻AC，以用于給臭氧生產(chǎn)單元106供電。在至少某些實施方式中，如果在435中功率系統(tǒng)斷電，則在預期后期的上電中，能夠在405中在整流器輸出與總線電容器之間施加電流限制電阻(例如通過打開開關142)。
[0059]以下參考圖7，示出了向至少一個臭氧室供電的過程的另一實施方式的流程圖450。在455中的初始化期間，在整流器模塊108與總線電容器Cb之間施加電流限制電阻RpxcO在460中，分別測量流經(jīng)串聯(lián)電阻Rptc的電流Ibus以及總線電容Cb兩端的電壓VCAP。如果總線電壓VeAP小于預定的閾值電壓VTH，則表示總線電容器Cb還沒有被完全充滿或沒有初始化完成。在這種情況下，在455中的初始化期間，電流限制電阻Rpt。仍存在于整流器模塊108和總線電容Cb之間，并在460中監(jiān)測Ibus及Vcapo然而，如果在465中電壓Vcap大于或等于閾值電壓Vth，則隨后確定電流Ibus是否大于預定的電流閾值ITH。如果電流維持在電流閾值Ith之上，那么在455中的初始化期間，繼續(xù)施加電流限制電阻RPrc。在初始化期間，在460中也繼續(xù)監(jiān)測Ibus及Vcap的值，同樣在465中將Vcap和Vth進行比較。一旦電壓Vcap已經(jīng)增加到大于閾值Vth且電流回落到低于閾值Ith，可推斷出總線電容器Cb已被充分充電。響應于這種情況，在475中，將電流限制電阻RPT。短路或者從電路中移除。在至少某些實施方式中，如果在480中功率系統(tǒng)斷電，在預測的隨后上電時，能夠再次在455中施加電流限制電阻。
[0060]圖8A示出了用于改變功率轉換器114、214(圖2，圖4)的切換操作的反饋控制系統(tǒng)500的示例的示意圖，使得DC到DC轉換器的高壓DC輸出遵循參考。在至少某些實施方式中，反饋控制系統(tǒng)的至少一部分與圖4中示出的第一控制器230的應用相關聯(lián)。在第一、內(nèi)部控制環(huán)路中，在第一求和網(wǎng)絡502處形成變壓器130 (圖2)的初級繞組處的目標或參考切換電流設定ISET—HF與測量到的實際切換電流IINV—FBK(例如反饋)之間的差。該反饋可通過對切換電流Iinv的測量(例如通過第一傳感器，諸如圖2所示的電流傳感器A1或者其他合適的感測電路(pick-off circuit))來獲得。求和網(wǎng)絡502的輸出代表誤差信號，誤差信號被確定為參考Isetjif與反饋IINV—FBK切換電流之間的差。誤差信號可根據(jù)需要通過由GcHF(s)塊503代表的調節(jié)網(wǎng)絡進行調節(jié)(例如放大)。被調節(jié)的誤差信號被用來改變或者調整切換控制電路，切換控制電路的傳遞函數(shù)由GpwmHF塊508代表。被切換的電流根據(jù)需要或升高或降低并且以其他方式調節(jié)，相應的傳遞函數(shù)由GppmHF(S)塊504代表?？蓱糜谇袚Q電流的被感測部分的任何信號調節(jié)(例如，放大)的傳遞函數(shù)可由GlfbkHF(S)塊506代表。因此，誤差電流(即，ISet_hf-1inv_fbk)可用來驅動或以其他方式改變轉換器124、214(圖2和圖4)的操作以改變切換電流Iinv。
[0061]由GpwmHF塊508表不的不例控制器提供控制信號,控制信號適于在轉換器124中調節(jié)切換以控制切換電流IINV，從而通過使從求和節(jié)點502獲得的差變?yōu)镺來有效地閉合環(huán)路。此控制信號可被配置為對開關SA、SB、S。和Sd的操作施加一種或多種脈寬調制和頻率調制模式。因此內(nèi)部控制環(huán)路操作以調整切換電流Iinv以匹配接收到的或參考切換電流設定Iset HF。在至少某些實施方式中，控制器230向轉換器124提供脈寬調制信號，由此控制所產(chǎn)生的切換電流IINV。在擾蕩后，建立內(nèi)部環(huán)路的穩(wěn)定時間可由值T1表示。
[0062]在第二、外部控制環(huán)路中，在第二求和網(wǎng)絡510處形成表示用于高壓DC總線
216(圖4)的預期電壓設定的輸入或參考高壓Vhv SET與用于高壓DC總線216的實際電壓設定的指示Vhv fbk之間的差。該反饋可通過對高壓DC總線電壓的測量(例如，通過合適的傳感器或其他合適的感測電路，諸如圖2所示的電壓傳感器V)獲得。外部控制環(huán)路還包括GvfbkHF(S)塊512，其表示可施加至測量的高壓DC總線電壓Vhf的任何信號調節(jié)電路(諸如一個或多個信號增益及濾波電路)的傳遞函數(shù)。GoutHF(S)塊514表示設置在對轉換器電流Iinv進行采集的點與Vhf的感測點之間的任何電路的傳遞函數(shù)。
[0063]第二求和網(wǎng)絡510的輸出表不誤差信號,誤差信號被確定為參考高壓與高壓DC總線的反饋樣本(如Vhv set-Vhv fbk)的差。誤差信號可根據(jù)需要被調節(jié)以生成與目標或參考切換電流設定ISET—HF相關的信號。GvHF⑶塊501表示任何此電路的傳遞函數(shù)。因此，誤差電壓可用來驅動或以其他方式改變轉換器124、214(圖2及圖4)的操作以改變切換電流IINV，從而產(chǎn)生高壓DC電壓的Vhf的所需變化。
[0064]在擾蕩后，建立外部環(huán)路的穩(wěn)定時間可由時間值T2表示。類似地，內(nèi)部環(huán)路的穩(wěn)定時間可由時間值T1表示。在至少某些實施方式中，內(nèi)部環(huán)路提供比外部環(huán)路更快的響應時間，使得T1CT215在至少某些實施方式中，T2的值可以幾倍于T1的值。在至少某些實施方式中，T2的值可至少是T1的值的約十倍。
[0065]圖8B示出了用于改變功率轉換器100、200 (圖2，圖4)的切換操作的第二反饋控制系統(tǒng)550的示例的示意圖。使得功率轉換器100、200(圖1，圖4)的輸出電流Iqut遵循可調參考電流。在至少某些實施方式中，第二反饋控制系統(tǒng)550的至少一部分與圖4所示的第二控制器240相關。在第一反饋環(huán)路中，在第一求和網(wǎng)絡558處形成目標或參考負載電流設定ISET—_與實際功率轉換器輸出電流1tt的測量(即反饋)1TT—FBK的差。輸出電流1ut_fbk的測量可通過測量輸出電流1t的傳感器(如圖3所示的電流傳感器A或者其他合適的感測電路)來確定。第一求和網(wǎng)絡558的輸出表不誤差信號，該誤差信號被確定為參考ISET—?與反饋1T—?電流的差。根據(jù)需要，可通過調節(jié)網(wǎng)絡調節(jié)(例如放大)誤差信號，調節(jié)網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)由GcLF(S)塊555表示。
[0066]調節(jié)的誤差信號可用來改變或以其他方式調整切換控制電路，諸如功率逆變器118,218的切換電路SE、SF。切換控制電路決定切換電路SE、SF的操作以產(chǎn)生需要的被切換的輸出電流。在至少某些實施方式中，可提供多于一個的切換控制電路(諸如脈寬調制電路)以及頻率調制電路，脈寬調制電路的傳遞函數(shù)由KpwmLF塊560a表示，頻率調制電路的傳遞函數(shù)由KfmLF塊560b表不。來自于切換控制電路中的每一個的輸出信號在組合網(wǎng)絡561中結合。被切換的電流可根據(jù)其他要求被濾波及調節(jié)，相應的傳遞函數(shù)由GpwkLF(S)塊562表示?？蓱糜谇袚Q電流的感測部分的任何信號調節(jié)的函數(shù)可由GlfbkLF(S)塊567表示。因此，誤差電流(如ISET—CM1-1ott-FBK)能用來驅動或以其他方式改變逆變器118、218(圖2、圖4)的操作以改變功率轉換器的輸出電流I.。
[0067]在某些實施方式中，提供第二反饋環(huán)路以控制參考負載電流設定Iset _。特別地，第二控制環(huán)路根據(jù)功率轉換器100、200的功率水平操作。即，輸出功率遵循可調的參考功率水平PSET。在示例性實施方式中，在第二求和網(wǎng)絡552處形成參考或目標負載功率設定Pset(如0kW〈PSET〈5kW)與實際輸出功率Pfbk(例如反饋)的測量的差或誤差信號。實際輸出功率的指不可被確定或以其他方式估計為輸出電壓Vhv與輸出電流Ihv之積，輸出電壓Vhv與輸出電流1^在0(:到DC轉換器114、124(圖2及圖4)的輸出處可測?？赏ㄟ^向乘積電路556施加每個被感測的輸出來獲得乘積。例如，輸出電壓Vhv可通過第一傳感器獲得,如不于圖2的電壓傳感器V。類似地，輸出電流Ihv可通過第二傳感器獲得，如示于圖2的電流傳感器A2?？蛇x的或附加地，輸入電壓Vbus和輸入電流Ibus的測量可被用作估計實際輸出功率Pfbk的替代途徑。Kvb (s)塊554a代表采樣輸出電壓Vhv與乘積電路556之間的電路的傳遞函數(shù)。同樣，Kib(S)塊554b代表米樣輸出電流Ihv與乘積電路556之間的電路的傳遞函數(shù)。
[0068]第二求和網(wǎng)絡552的輸出表示誤差信號，該誤差信號被確定為參考Pset與反饋Pfbk功率水平的差。誤差信號根據(jù)需要可由PID(Z)塊551修正或調節(jié)(如比例、積分、微分)以將功率的測量轉換為電流Iseuf的測量。在某些實施方式中，修正的功率誤差信號根據(jù)需要通過由Gpke(S)塊553表示的調節(jié)網(wǎng)絡(例如預放大器)進一步調節(jié)。
[0069]在擾蕩后，外部環(huán)路的穩(wěn)定時間可由時間值T4表示。類似地，內(nèi)部環(huán)路的穩(wěn)定時間可由時間值T3表示。在至少某些實施方式中，內(nèi)部環(huán)路提供比外部環(huán)路更快的響應時間，使得Τ3〈τ4。在至少某些實施方式中，第二反饋控制系統(tǒng)550的內(nèi)部環(huán)路控制環(huán)路提供比第一反饋控制系統(tǒng)500的內(nèi)部和外部環(huán)路控制環(huán)路更慢的響應時間(穩(wěn)定時間T3)(即WT1)。
[0070]圖8C示出了包括到第一控制系統(tǒng)500的聯(lián)接的第二反饋控制系統(tǒng)550’的可選實施方式的示意圖。在所示實施方式的聯(lián)接的控制器中，在第三求和網(wǎng)絡563處形成目標或參考高壓DC Vhv qk與到第一求和網(wǎng)絡558 (例如反饋)參考輸入之間的差異或誤差信號。第三求和網(wǎng)絡563的輸出Vhv SET被提供作為第一控制環(huán)路500 (圖8A)的第二求和網(wǎng)絡510的輸入以建立高壓經(jīng)調節(jié)的DC總線216(圖2)的電壓水平。S卩，目標負載電流設定Iset _的采樣可通過電路修正(傳遞函數(shù)由kpv(s)塊564表示)并與接收到的高壓設定命令Vhv■結合以生成目標高壓DC總線設定Vhv SET。聯(lián)接的控制環(huán)路的穩(wěn)定時間相對于其他控制環(huán)路而言是最慢的。因此，聯(lián)接的控制環(huán)路的穩(wěn)定時間防止了所有其他控制環(huán)路之中的交互。
[0071]有益地，由于當輸出功率需求相對低時降低高壓總線的操作值的能力，故能夠實現(xiàn)了提高功率級效率。另一優(yōu)勢是改善了可靠性，因為當高壓總線被降低時，出現(xiàn)了降低的電壓壓力。
[0072]在至少某些實施方式中，功率系統(tǒng)100被配置為給臭氧生成單元106的任何組合提供約O瓦到約5千瓦的電力。一個或多個此功率系統(tǒng)100、200也能組合(如并聯(lián))以向一個或多個臭氧生產(chǎn)單元106、206提供比單功率系統(tǒng)100、200所能提供的功率更大的功率。
[0073]然而，在閱讀了前面描述之后，本公開的許多變化及修改對于本【技術領域】的普通技術人員將會變得更加清晰，應該理解，通過示例示出及描述的特定實施方式絕不能被認為是對本發(fā)明的限制。例如，盡管控制環(huán)路是在模擬操作的背景下進行描述的，應該理解，一個或多個控制環(huán)也可實現(xiàn)為數(shù)字控制器。另外，本公開的描述參考了具體的優(yōu)選實施方式，但是對于本領域的技術人員來說，在本公開的精神和范圍內(nèi)將出現(xiàn)各種變型。注意，提供的前述示例僅用于說明的目，絕不能被認為是對本公開的限制。
[0074]當參考示例性的方式描述本公開時，應該理解這里使用的詞語是描述和說明性的詞語，而不是限制性的詞語。如前所述，在不違背本公開的范圍以及精神的情況下，可在如當前所列和修改的所附權利要求的范圍內(nèi)在其多個方面進行變更。盡管在文中參考具體的方法、材料及實施方式描述了本公開，但是本公開并不打算被文中公開的具體描述所限制；相反，在所附的權利要求的范圍內(nèi)，本公開可延伸到所有功能性等同的結構、方法及應用。
【權利要求】
1.一種用于向至少一個臭氧生產(chǎn)單元供電的方法，包括: 接收未調節(jié)的IX:電壓； 以第一切換頻率對所述未調節(jié)的IX:電壓進行切換； 將被切換的IX:電壓轉換為經(jīng)調節(jié)的IX:高壓，所述經(jīng)調節(jié)的IX:高壓遠大于所述未調節(jié)的IX:電壓； 以所述至少一個臭氧生產(chǎn)單元的優(yōu)選操作頻率范圍內(nèi)的第二切換頻率對所述％高壓進行切換；以及 通過串聯(lián)電感將被切換的％高壓耦合至所述至少一個臭氧生產(chǎn)單元，所述串聯(lián)電感與所述至少一個臭氧生產(chǎn)單元的內(nèi)部電容共同形成所述臭氧生產(chǎn)單元的優(yōu)選操作頻率范圍內(nèi)的諧振，所述諧振適于使所述至少一個臭氧生產(chǎn)單元經(jīng)受窄帶、八高壓。
2.權利要求1所述的方法，其中對于通過對公用設施提供的…功率進行整流而獲得的未調節(jié)的IX:電壓，所述IX:高壓位于約與約2”之間。
3.權利要求1所述的方法，其中將被切換的IX:電壓轉換為經(jīng)調節(jié)的IX:高壓包括:將所述被切換的IX:電壓施加到升壓變壓器的初級繞組，所述升壓變壓器的物理尺寸與所述第一切換頻率成反比。
4.權利要求1所述的方法，其中，所述第一切換頻率大于約300紐2。
5.權利要求1所述的方法，其中，所述臭氧生產(chǎn)單元的所述優(yōu)選操作頻率范圍位于約20詘2與約40詘2之間。
6.權利要求5所述的方法，其中，所述⑷高壓是約8”的峰峰值。
7.權利要求6所述的方法，其中產(chǎn)生于所述串聯(lián)電感及所述至少一個臭氧生產(chǎn)單元的所述內(nèi)部電容的0小于約5。
8.權利要求1所述的方法。其中，對所述未調節(jié)的％電壓和所述IX:高壓中的一個或多個進行切換包括相移零電壓開關脈寬調制。
9.權利要求8所述的方法，還包括響應于用于驅動所述至少一個臭氧生產(chǎn)單元的預定功率對所述未調節(jié)的IX:電壓和所述IX:高壓中的一個或多個進行切換。
10.權利要求1所述的方法，還包括相應地調整所述IX:高壓到可調的輸出功率。
11.用于為至少一個臭氧生產(chǎn)單元提供能量的功率轉換器，包括: 00到IX:轉換器，具有被配置為接收未調節(jié)的IX:電壓的輸入以及被配置為提供由所述未調節(jié)的IX:電壓得出的經(jīng)調節(jié)的IX:高壓的輸出，所述IX:高壓的幅度遠大于所述未調節(jié)的00電壓的幅度。 高頻功率逆變器，具有與所述IX:到IX:轉換器的輸出通信的輸入，所述高頻功率逆變器被配置為在輸出處提供由所述IX:高壓得出的高頻…電壓；以及 串聯(lián)電感，耦合在所述高頻功率逆變器的輸出與所述至少一個臭氧生產(chǎn)單元之間，所述串聯(lián)電感與所述至少一個臭氧生產(chǎn)單元的內(nèi)部電容在所述高頻…電壓下共同形成諧振，所述諧振出現(xiàn)在至少一個臭氧生產(chǎn)單元的優(yōu)選操作頻率范圍內(nèi)。
12.權利要求11所述的功率轉換器，其中，對于通過對公用設施提供的⑷功率進行整流而獲得的未調節(jié)的％電壓，所述IX:高壓位于約與約2”之間。
13.權利要求11所述的功率轉換器，其中，所述IX:到IX:轉換器和所述高頻功率逆變器中的每一個均包括相應的多個可控開關，所述多個可控開關分別操作在相應切換頻率下。
14.權利要求3所述的功率轉換器，其中，所述IX:到IX:轉換器包括升壓變壓器，所述升壓變壓器的物理尺寸被選擇為與所述相應的多個可控開關的所述相應切換頻率成反比。
15.權利要求14所述的功率轉換器，其中，所述IX:到IX:轉換器的所述多個可控開關的相應切換頻率約大于300紐2。
16.權利要求11所述的功率轉換器，還包括: 第一控制器，具有接收所述IX:到IX:轉換器的IX:高壓輸出的指示的感測輸入、被配置為接收目標IX:高壓的指示的參考輸入和與所述IX:到IX:轉換器通信的控制輸出，所述第一控制器被配置為響應于所述目標IX:高壓和在所述感測輸入處接收的所述IX:高壓的指示對所述IX:到IX:轉換器的操作進行調整；以及 第二控制器，具有被配置為接收被提供至至少一個臭氧生產(chǎn)單元的負載電壓和負載電流中的至少一個的輸出指示的傳感輸入、被配置為接收操作負載功率的指示的參考電源輸入、以及與所述高頻功率逆變器通信的控制輸出，所述第二控制器被配置為響應于接收到的操作負載功率的指示以及負載電壓和負載電流中的至少一個的指示對高頻功率逆變器的操作進行調整。
17.權利要求16所述的功率轉換器，其中，所述第二控制器包括與所述第一控制器的所述參考輸入通信的目標IX:高壓輸出。
18.權利要求16所述的功率轉換器，其中，所述第一控制器和所述第二控制器中的至少一個包括相移零電壓開關脈寬調制器。
19.權利要求12所述的功率轉換器，其中，所述臭氧生產(chǎn)單元的所述優(yōu)選操作頻率位于約20詘2與約40詘2之間。
20.權利要求12所述的功率轉換器，還包括與所述至少一個臭氧生產(chǎn)單元并聯(lián)耦合的并聯(lián)電容，所述并聯(lián)電容的值能夠選擇為補償增加或移除的臭氧生產(chǎn)單元的內(nèi)部電容，從而為所述功率轉換器維持基本恒定的無功負載。
21.一種用于給至少一個臭氧生產(chǎn)單元供電的方法，包括: 將未調節(jié)的IX:電壓轉換為經(jīng)調節(jié)的IX:高壓，所述經(jīng)調節(jié)的IX:高壓的幅度遠大于所述未調節(jié)的IX:電壓的幅度； 響應于IX:高壓參考輸入控制所述未調節(jié)的IX:電壓到所述經(jīng)調節(jié)的IX:高壓的轉換； 將所述IX:高壓轉換為高頻⑷電壓；以及 響應于負載功率參考輸入控制所述IX:高壓到所述高頻…電壓的轉換，使得由所述高頻八￠:電壓傳輸?shù)碾姽β试谕ㄟ^串聯(lián)電感施加至至少一個臭氧生產(chǎn)單元時與所述負載功率參考輸入相對應。
22.權利要求21所述的方法，其中，對于對由公用設施提供的⑷功率進行整流而獲得的未調節(jié)的IX:電壓，所述IX:高壓位于約與約2”之間。
23.權利要求21所述的方法，其中，對所述未調節(jié)的IX:電壓和所述IX:高壓中的一個或多個進行切換包括相移零電壓開關脈寬調制。
24.用于向至少一個臭氧生產(chǎn)單元供電的功率轉換器，包括: 整流器，被配置為對…輸入電壓進行整流； 總線電容器，并聯(lián)耦合至所述整流器，所述總線電容器被配置為響應于被整流的⑷輸入電壓產(chǎn)生未調節(jié)的IX:電壓； 功率轉換器，耦合至所述總線電容器并且被配置為當耦合至至少一個臭氧生產(chǎn)單元時響應于所述未調節(jié)的IX:電壓生成高頻⑷輸出電壓； 第一傳感器，被配置為測量所述總線電容器的電壓； 第二傳感器，被配置為測量所述整流器以及所述總線電容器之間的電流；以及可控電流限制電阻，耦合在所述整流器與所述總線電容器之間，所述可控電流限制電阻還與所述第一傳感器和所述第二傳感器中的每一個通信并且被配置為在初始化期間提供電流限制電阻并且在初始化完成后提供充分短路。
25.權利要求24所述的功率轉換器，其中，所述可控電流限制電阻包括與可控開關并聯(lián)耦合的串聯(lián)電阻器，所述可控開關與所述第一傳感器及所述第二傳感器通信并且在初始化期間被開啟且在初始化完成后被關閉。
26.權利要求25所述的功率轉換器，其中，所述可控開關包括半導體器件。
27.權利要求25所述的功率轉換器，其中，所述串聯(lián)電阻器包括正溫度系數(shù)熱敏電阻。
28.—種向至少一個臭氧生產(chǎn)單元供電的方法，包括: 對八輸入電壓進行整流； 通過被整流的⑷輸入電壓將總線電容器充電到IX:操作電壓； 在所述IX:操作電壓被施加至至少一個臭氧生產(chǎn)單元時將所述IX:操作電壓轉換到高頻^電壓； 區(qū)分所述總線電容器的初始化狀態(tài)與所述總線電容器的初始化完成狀態(tài)；以及響應于測量到的電壓和電流改變串聯(lián)電阻，所述串聯(lián)電阻在初始化期間限制到所述總線電容器的電流，另外在初始化完成時允許未經(jīng)限制的電流。
29.權利要求27所述的方法，其中，區(qū)分初始化狀態(tài)與初始化完成狀態(tài)的動作包括測量所述總線電容器兩端的電壓和測量流入所述總線電容器的電流。
30.權利要求27所述的方法，其中區(qū)分動作包括: 測量所述總線電容器兩端的電壓； 將測量到的電壓與電壓閾值進行比較； 測量流入所述總線電容器的電流；以及 將測量到的電流與電流閾值進行比較，測量到的電壓高于閾值電壓且測量到的電流低于閾值電流表示所述初始化完成狀態(tài)。
【文檔編號】C01B13/11GK104321273SQ201380022479
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2013年3月19日 優(yōu)先權日:2012年3月28日
【發(fā)明者】肯·特蘭, 田豐, 陳星 , 李國華 申請人:Mks儀器股份有限公司