（电力电子与电力传动专业论文）40kw中频脉冲溅射电源设计.pdf

a b s t r a c t w i t hc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o n ，a n dt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r eh i g h e r q u a l i t yo fc o a t i n gp r o d u c t i o ni sr e q u i r e d t h ep r o d u c t i o ni sb a d l y n e e d e d i tr e q u i r e st h a t t h ec o a t i n ge q u i p m e n t sh a v eh i g h e rp r e c i s i o n ，b e t t e rs t a b i l i t y , h i g h e re f f i c i e n c y a n d q u a l i t y a sa ni m p o r t a n tb r a n c ho f t h ec o a t i n gt e c h n o l o g i e s ，m a g n e t r o ns p u t t e r i n gi sa l s o b e i n gd e v e l o p e d i tc a nb e c l a s s i f i e di n t od cm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，u n b a l a n c e d m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，r fm a g n e t r o ns p u t t e r i n ga n dp u l s em a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，e t c b e c a u s et h ep u l s em a g n e t r o ns p u t t e r i n gh a sah i g h e re f f i c i e n c yi nt h ep r o c e s so fc o a t i n g a n ds p u t t e r i n g ，i tb e c o m e sp o p u l a ri nt h ef i e l do ft h em a g n e t r o ns p u t t e r i n g p u l s em a g n e t r o ns p u r e r i n gp o w e rs o u r c ei st h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h e m a g n e t r o ns p u r e r i n gp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h es t u d i e so fe x p e r i m e n ta n dt e s t i n g c o r r e l a t i v e ，p u l s em a g n e t r o ns p u t t e r i n gp o w e rs o u r c ec a l ld ow e l li nt h e 矗e q u e n c y b e t w e e nlo k h zt o2 0 0 k h z s i n c eh i g hf r e q u e n c yc a nc a u s eh i 曲s w i t c h i n gl o s s e s ，s o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g yw i l lb ea p p l i e dt or e d u c et h es w i t c h i n gl o s s e s t h em a j o rt a s ko f t h ep a p e ri st od e s i g na2 0 k wm i d f r e q u e n c yp u l s em a g n e t r o ns p u t t e r i n gp o w e rs o u r c e b a s e do ns o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g y p h a s es h i f t e dc o n t r o lw i l lb ea p p l i e di nt h es o u r c et oi m p l e m e n tz v s i tw i l lr e d u c e t h es w i t c h i n gl o s s e sa n de n h a n c et h ee f f i c i e n c yo ft h es o r r c c b yu s i n g2 0 k h zs w i t c h i n g f r e q u e n c y , t h e s o u r eh a sag o o dp e r f o r m a n c eo na r c e x t i n g u i s h i n g t h eo u t p u t o v e r c u r r e n tp r o t e c t i v ev a l u ec a nb ec h a n g e db ym a n u a l ，a n di tc a na c h i e v eo v e r c u r r e n t p r o t e c t i o nl e s st h a n1p s ，w h e ns o u r c eg e tr i do ft h ef a u l ta u t o m a t i c a l l y , i tc a n r e c o v e rb y i t s e l f t h ep r o t e c t i o no ft h ep o w e rs o u r c eb e c o m e sr e l i a b l ea n dp r e f e c tb yu s i n g m u l t i s t a g ep r o t e c t i n gf u c t i o n s d u r i n gt h ed e s i g n a t i o no ft h es o u r c e ，e m ca n dr e l i a b i l i t y i sc o n s i d e r e da sm u c ha sp o s s i b l e b e c a u s eo ft h ee f f o r tw eh a d p a i d ，t h er e l i a b i l i t ya n d w o r k i n gl i f eo ft h es o u r c ea r ei m p r o v e d t h es o u r c eb a s e do nd i g i t a ld e s i g n a t i o n ，i th a s t w oc o n t r o lm o d e ：1 0 c a lc o n t o la n dr e m o t ec o n t r 0 1 l o c a lc o n t r o lc a nr e a l i z et h e f u n c t i o n so fd i s p l a yo ft h ec u r r e n t ，v o l t a g ea n dd u t yc y c l e f i r s t l y , t h ec o n s t i t u t i o na n dp r i n c i p l eo ft h es y s t e mi si n t r o d u c e di nt h ep a p e r s e c o n d l y , i m p l e m e n t a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed i s c u s s e d a tl a s t ，e x p e r i m e n t a l r e s u l t so ft h ep o w e rs o u r c ea r es h o w na n da n a l y s e d ，i n c l u d i n gv o l t a g ew a v e f o r ma n d 英文摘要 e f f i c i e n c y k e yw o r d s ：m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；p h a s e s h i f t e d z v s ；s o f ts w i t c h i n g ； m i c r o c o n t r o l l e r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文! 垒q k 盟虫麴壁独遗牡电退逡让：。除论文中已经注明引用的 内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表 的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位 论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全 文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中 国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服 务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在 年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：己劾锄乙导师签 吼夕一罗年7 月歹日 4 0 k w 中频脉冲磁控溅射电源 第1 章课题背景与电源总体设计 1 8 4 2 年，g r o v e 发现骥极溅射现象，经过一百多年的发展，磁控溅射邑成为真 空镀膜技术中应用最广泛、发展最迅速的技术之一。磁控溅射能够有效降低靶室的 工作压力和靶的工作电压，提高膜层的沉积速率，降低基片温度，减小等离子体对 膜层的破坏，在许多情况下，用它铺备的薄膜特性远优子用其它物理气象沉积方法 制备的薄膜。由于磁控溅射引起的这种沉积涂层性能优良，磁控溅射技术目前已在 磨损、润滑、光学和电子半导体等功能性薄膜领域，特别是大面积镀膜生产中得到 广泛应焉。潲 1 1 磁控溅射的分类及目前研究现状铂 ( 1 ) 平衡磁控溅射。平衡磁控溅射即为常规磁控溅射。利用磁场对二次电子的 约束作用，将其限制在靶材表面的“跑道 内，增加气体离化率，提高等离子体密 度，降低溅射沉积气压。但平衡磁控溅射仅可在距离靶面6 0 m m 范围内产生高密度 等离子体，在物理结构上限制了大面积镀膜，并且平筏磁控溅射“跑道 表面的优 先刻蚀作用饺靶材的利用率较低( 约3 0 ) 。 ( 2 ) 非平衡磁控溅射。非平衡磁控溅射最早由b w i n d o w 和n s a v i d e s 提出，通 过改变乾材表面磁场分布，控制二次电子运动方向和等离子特性及其范围，对于平 面环形磁控靶，当外圈的磁场被加强，部分磁力线不能与内圈磁场形成封闭磁路， 开放性地指向离靶面更远的地方。因此靶面的二次电子不再被拘束于靶面，而是沿 着磁力线飞向更远的地方。在电子飞行过程中不断发生碰撞，电离气体分子，产生 等离子体，于是磁路的改变扩展了等离子体区域，有利于基体施加偏压，吸引离子 轰击薄膜。但是，假如内圈的磁场大于外圈磁场，磁力线将更多的延伸到真空室壁 左，电子也将耗损予真空室壁，反而不利于等离子体区域的扩展，基体没有浸没于 等离子体中。 ( 3 ) 多靶非平衡磁控溅射。为了弥补单靶成膜不均匀的缺点，进一步扩展等离 予体区域，开发了多靶薹譬平衡磁控溅射。其中，对靶毒善平衡磁控溅射被广泛应用， 封闭式结构将磁力线封闭于对靶之间，形成电子的“闭合阱 。筹离子体填充整个 第1 章课题背景与电源的总体设计 对向靶区域，基体获得良好的轰击效应。镜像结构部分磁力线指向真空室壁，中心 试样区的等离子体并未因此而得到增强，因此实际中主要使用闭合式结构非平衡对 靶磁控溅射。为了制备复合薄膜，两块靶采用不同的金属材料，在反应气体气氛下， 可以获得合金化合物膜层。 ( 4 ) 射频磁控溅射。反应磁控溅射中，金属靶与反应气体作用，在靶表面覆盖 上一层绝缘层，造成“靶中毒”，导致靶面正电荷积累，从而产生弧光放电击穿绝 缘层。当然，利用直流电源进行绝缘材料的溅射是不可行的。利用射频电源正负电 压的交替作用，负半周期吸引a r 离子进行溅射，正半周期吸引电子与靶材表面的 正电荷中和，如此重复可对绝缘材料进行溅射沉积，而不会发生弧光放电现象。 ( 5 ) 脉冲磁控溅射。由于射频电源有一半功率未消耗在溅射上，其溅射利用率 较直流溅射低很多，因此有人提出脉冲磁控溅射。脉冲磁控溅射可采用脉冲电源， 或采用直流与脉冲耦合的电源。脉冲分为单极性和双极性。单极性脉冲电源可以获 得瞬间高溅射电压，但不适用于绝缘材料溅射；双极性脉冲在其正脉冲段可吸引电 子，中和靶面正电荷，阻止电荷积累引发的弧光放电。由上可知，双极性脉冲电源 的特性更适合溅射镀膜。 1 2 脉冲磁控溅射技术 磁控溅射分为直流磁控溅射，非平衡磁控溅射，射频磁控溅射，脉冲磁控溅射 等。直流溅射及射频溅射是传统的薄膜沉积方法，但由于存在沉积速率低、辐射损 伤大等缺点，限制了它们的广泛应用。而脉冲磁控溅射的提出与应用较好的解决了 这些问题有效克服了在沉积氧化物绝缘材料时阴极靶的弧光放电现象，可沉积高质 量的氧化物涂层。脉冲磁控溅射可在低气压下稳定工作，具有较高的沉积效率。另 外，脉冲磁控溅射也可以对绝缘材料镀膜，其工艺也是其它磁控溅射无法达到的。 以上优点决定了脉冲磁控溅射技术成为当今磁控溅射领域的发展热门。 在磁控溅射镀膜设备中，磁控电源是保证产品质量的重要部分之一。其这些磁 控电源对镀件工艺起着至关重要的作用。随着生产和科技不断发展，用户对产品质 量的要求越来越高，需求量也越来越高。所以要求镀膜设备具有良好的可靠性、稳 定性，有较高的镀膜效率和镀膜质量。这促使了磁控电源从传统的变压器，或可控 4 0 k w 中频脉冲磁控溅射电源 硅电源迅速的过渡到了开关电源的领域中，这不仅提高了磁控溅射的效率和工艺， 也满足了镀膜工厂节能环保的要求。同时也降低了镀膜设备的总体成本、重量和体 积，方便生产，为镀膜的大规模生产创造了条件8 1 7 1 钔。 1 3 脉冲磁控溅射对电源要求 脉冲磁控溅射技术是目前比较先进的磁控溅射技术，而国内磁控电源技术的发 展相对落后，如可控硅电源等相对落后的电源仍有使用，类似这种电源有很多缺点， 其中，其动态特性不能满足镀件的工艺的要求以及溅射效率低是跟本问题所在，因 此，脉冲磁控溅射电源存在着广泛的市场和发展空间。 脉冲磁控电源的一个不比拟的优点是可以抑制溅射靶面的异常放电，因此脉冲 溅射技术实现的关键在于大功率脉冲电源。为了在正半周内完全中和负半周中靶面 绝缘层表面积累的正电荷，脉冲电压必须具有一定的波形参数。s s c h i l l e r 等通过计 算指出脉冲电压的频率应为数十千赫。日本真空技术株式会社研制的a 2 k ( a c t i v e a r ek i l l e r ) 脉冲溅射电源频率为2 0 k h z ；德国莱宝公司设计的非平衡对靶溅射设备 使用的溅射电源输出频率为4 0 k h z 。研究表明，脉冲磁控溅射电源的脉冲频率设计 在中频1 0 k h z - 2 0 0 k h z 时，可以有效防止靶材电弧放电及稳定反应溅射沉积工艺， 实现高速沉积、高质量反应薄膜。 9 1 1 0 】 图1 1 单位时间内异常放电次数与脉冲频率关系图 f i g 1 1f i g u r eo fc o r r e l a t i o nc u r v eu n i tt i m eo fa b n o r m a ld i s c h a r g et i m e sw i t hp u l s ef r e q u e n c y 第l 章课题背景与电源的总体设计 在溅射过程中，由于阴极靶面不清洁或有氧化物，在达到金属异常辉光放电前 必要经过化合物异常辉光放电。这一过程将引起弧困难和较大的电流波动。通常利 用恒流可以有效的达到控制电流涌动的目的。也可以设计电流保护点法来解决此问 题。这同时也要求电源工作在恒流状态时必须设置过电压保护，工作在恒压状态时， 必须设置过电流保护。 由上所述，中脉磁控溅射电源通常为：1 0 k h z - - - ，2 0 0 k i - i z ，工作在恒流或恒压状 态，要求在恒流状态时，具有过电压保护，工作在恒压状态时，具有过电流保护。 1 4 电源各项指标 此课题来源于某公司新产品的研发，包括技术革新，所以首先要求该电源工作 稳定可靠。据公司要求该电源专用于全对称双极性磁控溅射，采用先进的高频开关 电源技术，要求动态响应好，参数调节范围宽且稳定可靠，保护措施完善合理，且 要具备体积小、重量轻、效率高等优点。 各项参数指标要求如下： 输入电压：3 8 0 v 5 ，5 0 - - 一6 0 h z ，三相交流； 输入空气开关：配3 位1 0 0 a 空开； 输出功率：0 4 0 k w ； 输出占空比：0 一- 8 0 ； 输出电流：o 4 0 a ； 工作电压：0 1 0 0 0 v ； 灭弧时间：3 t s 。 1 5 本文研究的主要内容 ( 1 ) 提高本电源的效率，使用了零电压软开关提高电源的效率。 ( 2 ) 电压调节 电源可调节恒定输出电压，电压从o 1 0 0 0 v 可调。 ( 3 ) 占空比调节 电源可调节输出脉冲占空比，占空比从0 8 0 可调。 4 0 k w 中频脉冲磁控溅射电源 ( 4 ) 电源具有稳压功能，且保护措施完善合理，有合理的报警实现电源的可维护。 ( 5 ) 电压、电流、占空比的显示。 ( 6 ) 具有远程控制功能，可以进行数据的回馈，为上位机数据库服务。方便用户对 电源的特性与工作状态进行时实监测与控制。 1 6 电源的系统设计 中频脉冲磁控溅射电源总框图如下： 图1 2 电源总框图 f i g 1 2s o u r c et o t a lb l o c kd i a g r a m 由图1 2 ，电源输入通过空气开关进入电源的可控硅全桥整流环节，可控硅全 桥整流控制及驱动采用的是t r 6 b 2 a 模块，此模块具有恒压和恒流两种工作模式。 本文将该模块设定为恒压工作模式，为了防止后级短路对可控硅造成损坏，在这里 设计了过电流保护，过流保护是为了防止前级电路其它设备被损坏，以及减小因电 源短路对电网引起冲击影响，该部分的具体连线见附录。 第l 章课题背景与电源的总体设计 经过可控硅整流器后，得到一个直流母线电压，经电容滤波后提供给全桥移相 变换器。全桥移相变换器由u c 3 8 7 5 控制电路、i g b t 模块、谐振电容、谐振电感、 隔直电容、升压变压器构成，实现直流逆变升压功能，电源的这部分具有高效率、 低成本、高动态特性等优点。全桥移相变换器设有过流保护、直通保护、过温度保 护等保护与相应报警模块。 升压电路得到高压脉冲方波后，经共模滤波网络，得到交流接近方波的波形， 从而达到电源的设计要求。共模电感中设计有集成差模电感，可以实现差模滤波功 能，但集成的差模电感不能太大，否则，电感对磁心的要求更高。在滤波网络之前 设有电流与电压的峰值检波电路，实现电流、电压和占空比的显示，并设计了相关 的报警电路和保护电路。 本电源还设计了风扇调速系统，以满足节能的要求，同时也降低了电源的噪声， 使电源内部达到恒温的目的，并将检测到的温度显示出来，当处于远程监控状态时， 可以实时的观测到电源的温度，限于篇幅本文从略。 监控核心实现了远程控制与近程控制切换功能，当选择近程控制，即手动控制 时，可以实现手动启动与停止，并实现键盘给定，报警面板显示，复位等功能。当 选择远程控制时，即可实现远程计算机控制，可以完成在人机界面中显示电压、电 流、占空比、工作温度、各报警工位点。并为远程计算机建立历史操作数据库以及 电压、电流、占空比、电源的工作温度曲线图显示和报警次数和原因记录提供条件， 方便管理。无论工作在远程控制还是手动控制，图中的d g 是占空比的给定值，i 。 为输出保护电流的给定值，它并不是最大电流保护，它可以根据负载不同的需要去 调节这个电流值，由于输出是脉冲式，所以这个电流只能在最大保护电流之下调节。 而且它的设定与过流保护不同，它是直接通过调节占空比来调整最大输出电流值， 所以其动态特性非常好，不易产生离子化“失败 的现象。p 。为可控硅模块的给定 值，由于它的调节范围为：0 - - 1 0 v ，所以当监控核心输出控制电压时，需要线性放 大，将其值放大到0 - 1 0 v 之间，使其可以得到充分的调节。可控硅整流器工作在恒 压状态时，此值为电压给定值，此时需将0 - 5 3 7 v 对应到o 1 0 v 之间，实现对应 电压精确可控。t d 为温度给定，这里的温度给定值决定了风扇的转速，同时t d 也 4 0 k w 中频脉冲磁控溅射电源 是风扇控制子系统反馈给控制核心的温度值。当工作在近程控制时，此反馈值直接 被忽略，工作在远程控制模式时，此温度值需要与其它数据组合成帧传送到远程计 算机上。 第2 章辅助电源设计与驱动电路设计 第2 章辅助电源设计与驱动电路设计 2 1 辅助电源的设计 由于控制电路信号较弱，抗干扰能力差，而开关电源由于开关噪声的原因，加 入主电源的电磁干扰会使控制电路工作不稳定，所以，本文对控制电路部分单独采 用线性电路为它提供电，以提高其抗干扰能力。对于电源的驱动部分，由于驱动功 率较大，如果采用线性电源会增加其变压器所占用的空间，同时对于相同功率的工 频变压器的体积会很大，也增加了电源的重量，因此，本文中设计了开关反激式电 源为主电源的驱动电路提供电源，其具有体积小，重量轻，输出功率大，输出电压 稳定等优点，满足了本文中主电源的要求。 2 1 1 开关电源部分 一、u c 3 8 4 3 的介绍与总体设计 开关电源部分，采用t i 公司的u c 3 8 4 3 作为控制核心，采用8 0 k h z 的开关频 率，有效的减小了变压器的体积，同时电源的功率开关管选择c o o lm o s f e t ，它 具有导通电阻小，开关速度快，高耐压等优点，电源具有输出电压稳定，带有过流 保护与欠电压锁定功能，输出为四路3 0 v 直流电压，电压纹波小，每路可提供最大 工作电流为0 5 1 a ，完全满足主电源的要求。 u c 3 8 4 3 控制芯片需要极少的外围器件就能为d c d c 变换提供准确的开关频 率，该芯片为电流模式控制，内部集成欠电压锁定电路，起动电流为l m a ，为误差 放大器同相端输入提供精确的参考源，确保其能正常工作，一个提供集成电流限制 的p w m 比较器，个推挽输出，增强芯片的驱动能力，推动n 沟道m o s f e t ， 图腾柱输入与输出为同逻辑。其内部框图如下： 4 0 k w 中频脉冲磁控溅射电源 v o o q r o u n d v 隋 c o m p c u r r e n t s e n s e 图2 1u c 3 8 4 3 内部框图 f i g 2 1i n t e r i o rb l o c kd i a g r a mo fu c 38 4 3 u c 3 8 4 3 的具体参数如下：最大电源电压为3 0 v ，输入电流小于3 0 m a 。输出 电流l a ，其它性能参数从略，详见u c 3 8 4 3 的d a t a s h e e t 。 图2 2i g b t 栅极吸收电荷波形 f i g 2 2g a t ec h a r g ew a v e f o r mo fi g b t 本电源设计是为电源中的驱动电路提供电源，由于i r 2 1 1 0 的最大驱动能力是 2 a ，而且驱动方式为脉冲方式，本文中的电源开关管采用s k m 2 0 0 g b l 2 5 d ，其栅 第2 章辅助电源设计与驱动电路设计 极驱动正向电压设计为1 5 v ，反向驱动电压设计为一9 v ，由图3 2 可知当栅极电压 为1 5 v 时，栅极吸收电量为1 0 0 0 n c ，由此可以计算，若使用i r 2 1 1 0 作驱动，其工 作在2 a 的最大输出情况下，只需充电5 1 0 。7s ，在本开关电源的2 0 k h z 工作频率 下，其所需的电流只有2 0 m a ，为是使驱动工作的安全可靠，以及抗干扰能力强， 在设计电源时，留有2 5 倍的余量，即将电源设计为5 0 0 m a 的最大输出电流，电压 稳定于3 0 v ，为了使电源工作稳定，在开关电源后加装三端线性稳压器，使其输出 电压纹波减小，驱动工作更加稳定可靠，由于驱动i r 2110 的输入需要有逻辑电平 供电，所以经稳压后，还要经过了l m 7 8 0 5 将电压降到5 v ，为输入逻辑电平提供 上拉电源。由此可以确定电源的输出功率为6 0 w ，电源的效率设计在8 0 左右， 并设计电源具有5 的过载能力，所以电路中的输入最大功率为8 0 w 。电源的设计 采用恒电压设计，有过电流保护，这里将保护点设计为1 a ，u c 3 8 4 3 有输入欠电压 保护，这里使用电阻分压经低通滤波得到的电压输入到u c 3 8 4 3 的脚。当电压 低于8 5 v 时，电源不工作，这就决定了电源的输入电压范围。电源同时也设计了 输入缓冲电路，防止电源在上电时，产生的大电流对电路中元件的冲击，在电路中 设计了缓冲电阻，在电路刚上电时电流限制在一定的范围以下，当直流母线电压达 到一定的电压值以后，将此缓冲电阻切除掉，设计时是采用两个稳压管分压( 图见 附录) ，上端稳压管为p 6 k e 2 5 0 a ，其稳压范围为2 3 7 v - - 2 6 3 v ，下端稳压管为 p 6 k e l 8 a ，稳压范围为1 7 1 v 1 8 9 v ，中间串有1 0 0 k 电阻，这样使电路超过稳压 值以外的电压全部降在中间的电阻上，并能使电压在可靠的输入电压下开通，这里 是在两个稳压管被齐纳击穿后，电路中并联在电阻两端的m o s f e ti r f 8 4 0 开通， 这样缓冲电阻即被切除，此时的电压即为切除电阻的电压，并且在设计电源欠压保 护时，欠压保护值等于这点的电压，即当电压达到切除电阻的电压以后，欠压保护 失去作用，辅电源自动开始工作，经计算这点电压值范围为：2 5 4 。1 v - - - 2 8 1 。9 v ，实 际调试时其值为：2 5 5 2 v ，折算成交流相电压后，其值为：1 8 0 5 v 。并且必须要保 证辅助电源在大电源工作之前稳定可靠的投入工作，同时在大电源输出最大功率 时，其相电压波动要高于辅助电源的欠压保护值，以免辅助电源欠压保护引起大电 源的故障，在调试中测量其相电压最低值为：1 9 8 9 v ，明显高于辅电压的欠压保护 4 0 k w 中频脉冲磁控溅射电源 值。 本辅助电源设计为8 0 k h z 左右，选用三洋公司生产的c o o lm o s f e t 耐鹾6 0 0 v 魏功率场效应管2 s k 2 6 2 8 ，最大透流量必7 a ，其开关速度较快，可达i m h z 的开 关速度。电源的吸收电路采用r c d 加w s 吸收组合，这里的w 8 瞬态吸收抑制 器选用p 1 5 k e 2 0 0 a ，它的吸收电压为2 0 0 v ，这保证电源电压在输入电压达到2 4 0 v 时，管子不被击穿，箍有效的吸收交莲器漏感产生昀电压耋激振荡。并且管予网爵 也并联了r c d 吸收电路，以保证辅助电源的工作可靠。 = 、变压器的设计 高频变压器是开关电源酶重要组成部分，鬏据辅助毫源熬输入输塞及工稼频 率，所设计的黼频变压器需满足以下要求；输出功率p 为4 5 w ；输入交流电压范围 为2 0 0 v 2 4 0 v ；四路输出均为3 0 v 。根据上述的参数，使用丘法选取了e 4 2 型铁 氧体磁心为辅助电源翡反激变压器熬磁心。 由于单端反激式变换器中的变压器，在开关管导通期间只储存能量，而在截止 期闻才向负载传递能量，因此这种变压器既是变压器，又是储能电感。它的设计方 法与其健交换器不同，另外反激式变压嚣有两释工作模式，一释是连续鍪，一释是 不连续型，通常为了防止变压器饱和让变压器工作在不连续状态，同时在磁路中加 气隙，降低剩余磁场，提离磁心直流磁场强度，使之骶够承受较大的电流安匝数， 防定磁；玉塞现谗帮，并盈能透过调节气隙来褥到所需麴亳感量。 ( 1 ) 计算原边绕组( 即初级绕组) 的电感量，可搬下式进行： 打2 f 2 是篇抛 ( 2 ，羔) 2 2 珞 式( 2 1 ) 中，e 是输入窟流电压，取输入最大电压2 4 0 v 时，直流母线的最大 邀压e = 3 3 6 v ；t 是高频开关电源懿王佟属鬟，取值t = 1 2 。5 鲻，对应工铬频率炎 8 0 k h z ；是主功率开关管导通时间，设最大占空比为0 6 ，则最大导通时间为 7 5 t s ；是电源的输入功率，它与输出功率弓的关系式为：殇黑碍，取效率穆 第2 章辅助电源设计与驱动电路设计 - 0 8 0 ，e o = 6 0 w ，则= 6 0 0 8 0 粼- , 7 5 w ，要求蘅5 懿过载髓力，所以取输八功 率为8 0 w 。代入上式得到原边绕组电感量为： 丢。嚣2 8 0 2x ( 7 5 x 1 0 - 6 ) 2 董e 3 t ，：2 2 l ，t 如嚣2 x 1 2 5 x 1 0 6x 8 0 主u r a m z 。1 r a l - i ( 2 ) 计算原边绕组最大峰值电流： 。= 誓蒜1 2 8 0 丽x 7 5 x 1 0 蔷她9 5 么 ( 3 计算原边绕组匿数，根据以下公式： 坼= 莉_ e t o nx 1 0 8 誊1 4 v , x ( 氐, l v x 两l o s ( 2 2 ) 褥到原迭匿数：雌= 堡篆焉巡 5 5 菸匝，取5 6 匿。 由于加入气隙后，近似有三= 乏，由帆状燃风勰4 。，则气隙的计算如下： = 锾1 0 4 ) 箕孛，瓦戡为工作酶最大磁感应强度，毒为截面积，为气隙部分磁路产生 的磁阻。 由上式计算得：名o 0 0 1 0 4 4 ( m ) ，大约为l m m ，实际中我们选用加工磨好的 e 4 2 ，气隙为大约为l m m 。 ( 4 ) 计算副边匝数 因为电源的输出要求四路3 0 v ，对3 0 v 输如驱动的匝数设计，可通过以下公式 - h - 簦： 丝= 矿n m i n ( 2 3 ) 其串，珞晌为原边最小输入电压，辑失原边匝数，撼为副边匝数，为整 4 0 k w 中频脉冲磁控溅射电源 流滤波输出脉冲的最大值。本电源按最大占空比6 0 来计算，设变压器的效率r 为 9 5 ，则有：碍。h = 4 毛一o ，厶m 驭为输搬的最大电流，经计算： 坛，：致釜盘= 0 9 5 x 2 8 0 x 0 9 5 x 0 6 1 8 5 8 v 、o p 一4 i o o f 4 x o 5 1 x 0 4 由式( 2 。3 ) 可计算得：誓= 篙= 熏。5 ，褥：n s 3 7 e 整流管选雳u 鞭o 。7 ， 其耐压峰值电压为1 0 0 0 v ，完全满足要求。选电流密度为5a m m 2 ，线径计算从略， 经计算，原边导线截面积为0 。1 9m m 2 ，采用1 0 股线径为0 ，1 5 m r n 多殷线绕制弱成， 经计算副边导线截面积为o 1 0 2 m m 2 ，采用6 股线径为0 1 5 r a m 的多股线绕制而成。 ( 5 ) 窗口校验 e 4 2 的骨架蜜弱面积为：2 7 c m 2 。绕组的总截面积为：q 。5 3 c m 2 ，由于在绕组 之间要加入绝缘层，所以最终将绕组的总截面积再扩大三倍，取：1 6 c m 2 。所以最 终k 。o 6 ，另外经温升等方面的校验，e 4 2 都满足要求，所以最终我们使用了e 4 2 绕制变压器，源边5 6 匿，副边均为3 7 匝。 2 1 2 线性电源部分 主电源的监控电路部分需要使用电源，而控制电路比较敏感，所以通常与主电 路需使用隔离。隔离瑶的控制电路部分需要单独的电源，由于开关电源的开关噪声 较大，稳定性与可靠性还不及线性电源，为使监控核心电路部分工作稳定可靠，本 文采用线性电源单独为监控与显示部分供电，以保证其不受开关电源的传导干扰。 具体电路如下圈所示： 图2 。3 线性电源部分的电路图 f i g 2 3c i r c u i td i a g r a mo fl i n e a rp o w e rs u p p l y 。1 3 - 第2 章辅助电源设计与驱动电路设计 2 2 驱动电路的设计 i g b t 是一种电压驱动型的开关器件，它的栅极驱动性能直接影响到它的静态 和动态性能，因此对i g b t 驱动电路有以下基本要求【2 0 】： ( 1 ) 跟据不同的电源的要求，以及i g b t 本身选择的电流余量、开关速度以及 i g b t 的开关损耗和散热条件，设计不同的驱动。 ( 2 ) 要有足够大的驱动功率，保证i g b t 处于饱和工作区，减小通态压降，从而 减少导通损耗。 ( 3 ) 要有合适的栅射极驱动电压，合适的驱动电压可以减少开关损耗，以及抗 电流的冲击能力。 ( 4 ) 要有合适的栅极串联电阻，这一串联电阻越小，开关损耗就越小，如果太 小会使栅极电压产生振荡，具体的选择要参考元器件的数据手册以及具体电路的要 求。 ( 5 ) 为了提高栅极抗干扰能力，以及保护i g b t 的栅极不被瞬时较高电压以及积 累的静电击穿，通常在栅极与源极之间并联电阻和双向箝位稳压管。 ( 6 ) 由于地的不同，所以驱动电路与控制电路要进行电气隔离。另外，根据系 统的可靠性要求，也要进行电气隔离。 ( 7 ) 驱动与i g b t 之间尽可能的近，驱动线尽量采用双绞线或屏蔽线。 本电源驱动设计采用了i r 公司的i r 2 1 1 0 驱动芯片。由于采用了集成驱动芯片， 大大减少了驱动电路的复杂程度，同时减少了驱动电路的面积，增强了的抗干扰能 力。1 1 1 2 1 1 0 采用c m o s 工艺制作，逻辑电源电压范围为5 v 2 0 v ，适应t t l 与c m o s 逻辑信号输入，具有独立的高端和低端两个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦 合电路连接到各自的通道上，容许逻辑电路参考地s s ) 与功率电路参考地( c o m ) 之间有一5 v 和+ 5 v 的偏移量，并且能屏蔽小于5 0 n s 的脉冲，有较好的抗噪声效果。 采用c m o s 施密特触发输入，以提高电路抗干扰能力。 图2 4i r 2 1 1 0 内部结构图 f i g 2 4i n t e m a ls t r u c t u r ei m a g eo fl r 2 1 10 引脚l o 和h o 是两路独立的输出，分别是低端输出和高端输出，引脚3 和6 分别是v c c ( 低端电源电压) 和v b ( 商端浮置电源电压) ，其最大输入值可达2 4 v ， 弓| 脚9 ( v d d ) 是逻辑电路电源电匿，雩| 脚2 ( c o m ) 是低端电源公共端，弓| 脚5 和1 3 分别是v s ( 高端浮鼍电源公共端) 和v s s ( 逻辑电路接地端) ，引脚1 0 ( h r n ) 是逻辑输入控制端，引脚l l ( s d ) 是输入关闭端，引脚1 2 ( l i n ) 是低端逻辑输 入。 i r 2 11 0 浮置电源采用自举电路，其高端工作电压可达5 0 0 v ，工作频率可达到 5 0 0 k h z 。两路通道均带有滞后欠压锁定功能。其推荐典型工作参数如表l 所示，动 态传输延迟时间参数如表3 。l 所示。 表2 1i r 2 1 1 0 动态电气特性 t a b 。2 。1t h ed y n a m i ce l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fl r 2110 参数典型值n s 最大值n s 开通延迟时间t o n 1 2 01 5 0 关断延迟时问t 硪 9 41 2 5 开通上升对闻t f 2 53 5 关断下降时间t f 1 72 5 输入关龆j 延迟时间t s d l l o1 4 0 雕 第2 章辅助电源设计与驱动电路设计 本文中由于高端工作电压可达5 3 7 4 v ，所以一片i r 2 1 1 0 只能单独驱动一路 i g b t ，由于工作频率只有2 0 k h z ，所以，上表中的动态参数完全满足电源的要求， 调试时设置了l u s 的死区时闻，电源的占空比可达9 0 以上。由辅助电源为驱动提 供了2 0 v 和5 v 的电压，2 0 v 为i r 2 1 1 0 的输出提供电压，5 v 为i r 2 1 l o 的输入提 供逻辑电源。为了加快管子的关断时间，我们在i g b t 的栅极与发射极之间加入9 v 麓反压，这样正向驱动躲冲的电压为1 5 v ，驱动电路与橱极通过7 q 电阻与i g b t 的栅极相连，该阻值是i g b t 的d a t a s h e e t 中的推荐值，加上管予后观察驱动信号， 其表现良好，没有产生任何振荡，而关断电阻采用2 8 q 的电阻与肖特基二极管串 联，在关断时起作用，可以有效的减少i g b t 的关断时闻。具体的其中一路驱动电 路图如图2 5 所示。 图2 5i g b t 驱动电路图 f i g2 5d r i v ec i r c u i to fl g b t 4 0 k w 中频脉冲磁控溅射电源 第3 章主电路的设计 3 。1 可控硅全桥整流毫路 3 1 1 可控硅的选择 医是通过瞧源脯教瞧黼k 一等掣篙半= 7 1 5 a ，峰值k = 医是通过瞧源的有效瞧流为：k 一鼍筹掣_ 景等音二二 ，峰值纛麟= 7 1 5 三= 1 0 1 1 2 a ，在可控硅整流器后并联电容后，其电流冲激鬻大于1 0 1 1 2 a ， 所以选管予时要一定的余照，本文中留取2 倍左右的电流余量，电攫选取耐压1 2 0 0 v 酶可控硅，最后选用了酉奠康的可控硅s k k h 9 1 t 2 e 模块。s 至泳魏9 l ，1 2 e 逶态平均 电流最大可达到9 5 a ，最大方均根电流可达1 9 0 a ，断态重复电臌与反向重复峰值 电压相等均为1 2 0 0 v ，承受最大方均根电压可达1 3 0 0 v ，完全满足本趣源的要求。 3 1 2t r 6 b - 2 a 的各项技术性能 t r 6 b 2 a 型晶闸管三相熬流触发板，主要用作三相桥式全控、三相半桥控制、 粒三褶带双反星形平衡电抗嚣等磊阐管枢控整流、直流调莲装置的主要控铡触发单 元。触发板可以开环使雳，也可以麓环使用，还能与转换成标准接嗣信号的单片机、 二次控制仪表及相应检测传感器组成闭环自动控制系统。 t r 6 b 2 a 型晶阕管三楣整流触发板采用先进筋餍步脉冲辐位爨动控制锁定技术 和脉冲数字逻辑组合技术，触发板输出的六路触发脉冲对称度高，抗干扰能力强； 双p i 调节器，性能良好，调节平稳，控制精度高。该触发板集成了多个功能模块， 如开枫封锁电路、稳压毫路、缺相识别以及保护电路、正逆耀序识别电路、锯齿波 形成电路，穆相脉冲发生电路、锁相控制电路、脉冲列调制和功率放大电路、输入 缓冲放大电路、软启动与软停机电路、过流保护等。此触发板结构合理、工作可靠、 功能齐全；触发脉冲对称度离、输窭稳定；接线篱单、维修更换方便。 3 1 3 可控醚熬流器实现 由于电路中感性元件的存在，可控硅在开关过程中会产生较大的电压尖峰，所 以岿须采用隘容滤波来吸收电压尖峰，电阻与亳容的计算方法麴下： 第3 章主电路的设计 ( 1 ) 电容：无极性电容；耐压般选取晶闸管的正向转拼电压的1 2 1 5 倍。 本文中使用电容为0 2 5 u f ，电压选用1 7 0 0 v 的高压瓷片电容。 2 ) 毫阻功率计算公式隽： p x = f x c x u 2 m x l 0 吣( w ) ( 3 1 ) 其中，p x ：电阻功率( w ) ；f ：魄源频率5 0 h z ；c - 电容容量( 心 ；u m ： 毫路峰蓝电压( v ) 。 经计算，p x = 4 5 w ，这里取电阻为：7 5f 2 5 w 。 可控硅熬流器的主电路篱图如下： ：l c i：叠c 2= k c 3 ， ；jf 王j矿孚】 - 心5 酽 缎一 _ 主c ， 螂f a 。一。1 一 、= b c 。三。 c 7 一匕c 瞢 竺= 姆 导 厂圣l 一fij， f- 圆： 亭j 心 。旷 图3 1 可控硅整流器主电路简图 f i g 。3 + lt h em a i nd i a g r a mo f s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r 模块必须在每一个周期的正负半波对门极触发次，只有可控硅中通过的电流 大予可控硅的擎住电流，去掉触发脉冲震，才能维持元 牛继续导通。所以在调试时 不麓让整流嚣空载。电路接线对，三耩逛漂相序一定要连接正确，如粟接线燕确， 调节给定，主电路输出端电压，电流从零逐渐上升、无间断或跳跃现象：而