CN100488690C - 具有过压保护电路的dc-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种供电以点燃等离子体的装置和方法，其中在出现电弧的情况下，使用分路开关转移功率以使其远离该等离子体，该分路开关包括在过压保护电路中，该过压保护电路在该电弧熄灭时控制该分路开关作为升压开关，使得如果等离子体熄灭，则使用存储的电感器电能来升高点燃电压以重新点燃该等离子体。当电弧熄灭、电感电流变小以及等离子体点燃时，那么开关S1关断并且电感器电能转到等离子体中，并且电源在其正常工作模式下工作。
Description
技术领域
本发明一般涉及采用具有过压保护的dc/dc变换器的电源，更具体地涉及使用分路开关对用于为等离子体供电的电源进行过压保护，其中该分路开关跨接在该电源的输出端。
背景技术
大多数DC/DC电源使用输出滤波器级来减少输出电压上的纹波。这种滤波器通常包括电感器和电容器，他们都存储电能。当使用该电源向dc等离子体处理传递功率时，在出现电弧的情况下，如2004年7月2日提交的题目为“Apparatus and Method for Fast Arc Extinctionwith Early Shunting of Arc Current in Plasma”的共同待决的专利申请No.10/884,119所述，其中该申请转让给当前申请的受让人并且通过援引将其并入此处，该电能可能被传递给等离子体电弧，这对该处理是有害的。为了减少传递到电弧中的电能，使用分路开关使电感电流在电源内部流通。当电弧熄灭时，分路开关打开。当存储在电感器中的电能释放到等离子体时，该电能可以产生具有非常高dv/dt的高输出电压，这可能损坏电源或室。为了保护该电源，已经采用了不同的过压保护电路。较简单的过压保护方案设计基于在诸如RC缓冲器电路、瞬态电压抑制器电路或金属氧化物变阻器等有源元件上消耗电能。
在采用具有分路开关SW2的dc-dc变换器的典型开关式电源中，如图1中所示，输出级可以近似为包括如图所示的电感器L和电容器C的两极点输出滤波器。在该结构中，来自输出电容器C的电能将会注入到电弧中。电源设计者的目标是使输出电容器的大小最小。因此，必须增大电感器，以便保持输出电压的脉动小。分路开关SW2可以容易地控制电感器中存储的电能。在电弧允许电感电流在电源内部通过处于p2位置的SW1和分路开关SW2流动期间，闭合该开关。如果该开关上的损耗小，那么电感电流在该时间间隔内将不会明显地衰减。在通过打开分路开关来重新启动电源的时刻，电感器的电能将开始对电容器充电，并且可以使输出电压非常高。为了保护开关SW2，需要过压电路10。
很多专利已经讲授了用于dc电源的过压保护。对于在dc溅射工艺中的应用，例如参见1996年12月17日公布的Jeff Sellers的美国专利No.5,584,974，该美国专利公开了过压检测和箝位电路，其包括一串连接到外加电压上的齐纳二极管或等效电压限制器件。该电路吸收超过阈值的电压偏移，并且保护电源和等离子体室中的衬底。因此，电感器能量的大部分通过齐纳二极管消耗，并且反过来限制了该电源每秒可以操作的电弧数量。
如果提供了一种采用具有过压保护的dc-dc变换器的电源，则期望使用的分路开关使传递给电弧的电能最小化，并且在该电源熄灭电弧时将电压限定到点燃电压值。
发明内容
本发明提供了一种用于dc等离子体处理的电源输出端上的过压方案，其在电弧开始时使用分路开关来转移电能以使其远离该等离子体。本发明通过利用分路开关以使该电路作为具有零输入电压的升压变换器工作，避免了通常在打开分路开关以释放能量返回熄灭的等离子体时在变换器的输出端上出现的过压。一旦电弧熄灭，电感器存储的电能就用于朝点燃电平的方向升高该等离子体的输出电压。一旦电能消耗掉，就将电源切换到正常工作模式。
附图说明
图1示出现有技术的采用分路开关和过压保护电路的电源的输出级；
图2示出采用结合本发明原理的分路开关和过压保护电路的电源的输出级；
图3示出了图2所示的电源输出级的控制流程图；
图4示出了图2所示电源的输出级的电压和电流波形。
具体实施方式
参照图2，其示出了根据本发明的原理的dc电源12，该电源12利用分路开关S1转移来自等离子体室的电流。只要该电源检测到电弧，就导通分路开关S1。一旦该开关导通，就转移来自电源12的电流以使其远离输出端和等离子体室14。这造成电缆16中的电能衰减。电流的斜率取决于输出电缆的电感和电源12中的损耗。在电弧停止时间的结束处，而不是在关断开关S1的时间，将使用分路开关，使得该电路现在工作为具有零输入电压的升压变换器。使用电感器存储的电能以朝着点燃电平的方向升高输出电压。取决于电感器中存储的电能，以及特定真空室的特性，可以在升高等离子体两端的电压来消耗电能，或者该电能可以在等离子体上发生点燃时释放到等离子体中。一旦消耗掉电能，则电源12将切换到正常操作模式。
图3示出了过压电路的控制流程图。当检测到电弧时，导通分路开关。当电弧熄灭时，开始点燃程序。如果存在高的电感电流，则电源改变主电源开关(未示出)的脉冲的方向，以使它们切断对开关S1的控制。使用电感器中存储的电能来建立点燃电压。如果在电弧熄灭并且等离子体室14中的等离子体(未示出)点燃后存在低的电感电流，那么关断分路开关SW1，并且电源12将继续正常的操作。然而，如果在电弧熄灭并且等离子体没被点燃后存在低的电感电流，那么关断分路开关SW1，并且电源控制主电源开关，以进行正常点燃模式。
图4示出了图3所示电源控制方案的操作的波形。当检测到电弧时，输出电流因分路开关S1导通而下降。一旦电弧熄灭，如果等离子体没有点燃并且电感电流很高，那么使用该开关S1以使该开关作为升压变换器操作，并且使用电感电流18来建立点燃电压，直到其变小，并且如果等离子体没有点燃，那么使用电源的正常点燃控制方案。
然而，当电弧熄灭、电感电流变小以及等离子体点燃时，那么关断开关S1并且电感器的电能转到等离子体上。这种控制方案可能需要一些未示出的低功率部件以将控制信号从电源重定向到分路开关上，这对本领域的技术人员来讲是公知的。前面说明书所示出并介绍的过压保护电路作为无损耗电路工作，该电路不限制每秒钟的电弧数量。
可以容易理解的是，此处提出的独特过压保护方案不同于采用耗散电路的常规过压保护方案(其中电感器的电能消耗在过压电路中)。为了处理每秒钟的必需电弧数，这些类型的电路要求用于过压的额定功率非常大。不消耗电路中存储的电能，而是使用该电能建立点燃电压，以在等离子体已经熄灭时再次点燃该等离子体。
尽管图示并说明了特定结构和操作细节，但是应该清楚理解的是，所述特定结构和操作细节仅仅用于描述，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员能够容易地做出改变和修改。
Claims (3)
1、一种用于dc等离子体处理的装置，其包括：
a)用于等离子体处理的室，其中容纳至少两个电极；
b)电源，其用于向所述电极提供电压以点燃等离子体并且传递电能；
c)电路，其在电弧开始时导通分路开关以转移电流使其远离所述等离子体；
d)过压保护电路，其在所述电弧熄灭时控制所述分路开关作为升压开关，其中如果所述等离子体熄灭，则使用存储的电感器电能来升高点燃电压以重新点燃所述等离子体。
2、如权利要求1所述的dc等离子体处理的装置，其中当所述电弧熄灭并且所述等离子体点燃时，所述过压保护电路将所述分路开关转换到关断位置，以使所述电源继续进行正常的操作。
3、一种等离子体处理的操作方法，其包括以下步骤：
a)将来自电源的一组至少两个输出端的电压、电流和功率传递到等离子体室中的电极，以点燃并维持等离子体，所述电源具有存储的电能；
b)感测所述等离子体中出现的电弧条件；
c)利用分路开关转移电能以禁止电能从所述电源流到所述等离子体，直到所述电弧熄灭；
d)在所述电弧熄灭并且所述等离子体没被点燃后，利用所述存储的电能升高所述电源的点燃电压，以消除在打开所述分路开关以将电能释放回给熄灭的等离子体时在所述分路开关上出现的过压；
e)在所述电弧熄灭后，如果所述等离子体被点燃，则将所述电源的所存储的所有电能重定向到所述等离子体，重建所述电源的正常操作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090520 Termination date: 20160823 |