CN117118252B - 一种lcc谐振型磁控溅射电源 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种LCC谐振型磁控溅射电源，包括：PWM整流滤波电路、三相LCC高频谐振逆变电路、高频整流滤波电路和功率输出电路；PWM整流滤波电路的输入端用于连接电网，PWM整流滤波电路的输出端依次通过三相LCC高频谐振逆变电路、高频整流滤波电路连接功率输出电路输入端，功率输出电路输出端用于连接负载，功率输出电路输出端还连接三相LCC高频谐振逆变电路。本发明整体体积小、功率大、低纹波输出，且具有良好弧抑制能力。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种LCC谐振型磁控溅射电源。
背景技术
磁控溅射是指电子在相互正交的电场和磁场作用下，利用磁场约束作用，改变电子运动方向，使电子在靶材表面附近做螺旋状运动，延长电子运动路径，从而增加电子与工作气体分子的碰撞几率，提高电子对工作气体分子的电离效率。电离的离子在电场作用下轰击靶面，使靶材原子溅射出来飞向基底，并在基底表面沉积。
磁控溅射电源是一种能够输出直流电压或脉冲电压的电源，具有溅射沉积率高、膜层附着力好、致密度高等优点。随着磁控溅射技术的不断改善发展，磁控溅射电源有望取代对环境有污染的电镀技术。
目前，国内研究与生产磁控溅射电源的机构很少，且均是10kW以下的小功率、低精度磁控溅射电源。然而，随着镀膜生产工艺的不断进步及产能不断增加，市场迫切需求体积小、功率大、低纹波输出，且具有良好弧抑制能力的磁控溅射电源。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供一种LCC谐振型磁控溅射电源 ，以解决上述技术问题。
为实现上述技术目的，本发明实施例提供一种LCC谐振型磁控溅射电源 ，其改进之处在于，包括：PWM整流滤波电路、三相LCC高频谐振逆变电路、高频整流滤波电路和功率输出电路；
所述PWM整流滤波电路的输入端用于连接电网，所述PWM整流滤波电路的输出端依次通过所述三相LCC高频谐振逆变电路、所述高频整流滤波电路连接所述功率输出电路输入端，所述功率输出电路输出端用于连接负载，所述功率输出电路输出端还连接所述三相LCC高频谐振逆变电路；
其中，所述PWM整流滤波电路用于将所述电网输入的三相交流电压整流滤波为直流电压；
所述三相LCC高频谐振逆变电路根据所述功率输出电路输出电压和电流，将直流电压变换为功率可调的高频交流电压；
所述高频整流滤波电路将高频交流电压整流滤波为幅值可调的低纹波直流电压；
所述功率输出电路将低纹波直流电压调制为直流电压或者频率可调、占空比可调的脉冲电压，并且将输出电流和输出电压反馈至所述三相LCC高频谐振逆变电路。
优选的，所述PWM整流滤波电路包括开关器件VT1-VT6、滤波电感L1、电容C1-C2和电阻R1-R2；
所述开关器件VT1和所述开关器件VT2串联组成第一线路；
所述开关器件VT3和所述开关器件VT4串联组成第二线路；
所述开关器件VT5和所述开关器件VT6串联组成第三线路；
所述电容C1和所述电容C2串联组成第四线路；
所述电阻R1和所述电阻R2串联组成第五线路；
所述第一线路、所述第二线路、所述第三线路并联，所述第三线路通过所述滤波电感L1与所述第四线路和所述第五线路并联；
所述电容C1和所述电容C2之间的线路，与所述电阻R1和所述电阻R2之间的线路连接。
优选的，所述开关器件VT1-VT6与数字控制器连接，以通过所述数字控制器维持其直流侧电压在设定值。
优选的，所述三相LCC高频谐振逆变电路包括并联连接的第一单相谐振逆变电路、第二单相谐振逆变电路和第三单相谐振逆变电路。
优选的，所述第一单相谐振逆变电路包括依次连接的功率开关器件Q1和Q2、电容C3、变压器漏感Lr1、变压器分布Cp1、变压器T1和电容C6。
优选的，所述第二单相谐振逆变电路包括依次连接的功率开关器件Q3和Q4、电容C4、变压器漏感Lr2、变压器分布Cp2、变压器T1和电容C7。
优选的，所述第三单相谐振逆变电路包括依次连接的功率开关器件Q5和Q6、电容C5、变压器漏感Lr3、变压器分布Cp3、变压器T1和电容C8。
优选的，所述高频整流滤波电路包括二极管D1-D7、滤波电感L2、电阻R3、电解电容或直流支撑电容C9；
所述二极管D1和所述二极管D2串联组成第一路；
所述二极管D3和所述二极管D4串联组成第二路；
所述二极管D5和所述二极管D6串联组成第三路；
所述第一路、所述第二路和所述第三路并联，所述第三路通过所述滤波电感L2与所述电容C9并联；
所述电阻R3和所述二极管D7串联组成所述第四路；
所述第四路与所述滤波电感L2并联。
优选的，所述功率输出电路包括高速功率开关器件Q7-Q9、电阻R4-R5、二极管D8、滤波电感L3和电容C10；
所述开关器件Q7和所述开关器件Q8串联，所述开关器件Q7和所述开关器件Q8之间连接所述电阻R5的一端，所述电阻R5的另一端连接所述二极管D8的一端，所述二极管D8的另一端连接所述滤波电感L3的一端，所述滤波电感L3的另一端连接至所述开关器件Q7和所述开关器件Q8之间的线路，所述二极管D8的另一端还通过所述开关器件Q9连接所述电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端与所述开关器件Q8连接，电阻R4的另一端连接电容C10的一端，电容C10的另一端连接滤波电感L3。
优选的，当正常工作时，通过控制器控制所述开关器件Q9关断，所述开关器件Q7和所述开关器件Q8导通，产生直流电压或固定频率与固定占空比的脉冲电压；
当检测到负载侧出现放电打弧现象时，通过控制器控制开关器件Q9导通，控制开关器件Q7和开关器件Q8关断，实现快速电弧抑制功能。
本发明由于采取以上技术方案，与现有技术相比，其具有以下优点：
本发明通过设置PWM整流滤波电路与三相LCC高频谐振逆变电路相结合，从而充分利用PWM整流滤波电路的升压功能，以降低三相LCC高频谐振逆变电路中高频变压器的变比，因此，既能够有效减小高频变压器体积，进而大幅度降低电源整体体积和重量，又能够实现大功率输出。
本发明以三相LCC高频谐振逆变电路为核心，整体体积小、功率大、低纹波输出，且具有良好弧抑制能力，因此，可以广泛应用于光伏电池镀膜、半导体生产工艺镀膜、镁铝合金等金属材料表面处理过程中。
附图说明
图1是本发明实施例提供的LCC谐振型磁控溅射电源的拓扑结构原理图；
图2是图1中的PWM整流滤波电路图；
图3是图1中的三相LCC高频谐振逆变电路图；
图4是图1中的高频整流滤波电路图；
图5是图1中功率输出电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1-5所示，本发明实施例提供一种LCC谐振型磁控溅射电源 ，包括：PWM整流滤波电路1、三相LCC高频谐振逆变电路2、高频整流滤波电路3和功率输出电路4；
PWM整流滤波电路1的输入端用于连接电网，PWM整流滤波电路1的输出端依次通过三相LCC高频谐振逆变电路2、高频整流滤波电路3连接功率输出电路4输入端，功率输出电路4输出端用于连接负载，功率输出电路4输出端还连接三相LCC高频谐振逆变电路2；
其中，PWM整流滤波电路1用于将电网输入的三相交流电压整流滤波为直流电压；
三相LCC高频谐振逆变电路2根据功率输出电路4输出电压和电流，将直流电压变换为功率可调的高频交流电压；
高频整流滤波电路3将高频交流电压整流滤波为幅值可调的低纹波直流电压；
功率输出电路4将低纹波直流电压调制为直流电压或者频率可调、占空比可调的脉冲电压，并且将输出电流和输出电压反馈至三相LCC高频谐振逆变电路2，以调解三相LCC高频谐振逆变电路2的功率输出。
显然，通过设置PWM整流滤波电路1与三相LCC高频谐振逆变电路2相结合，从而充分利用PWM整流滤波电路1的升压功能，以降低三相LCC高频谐振逆变电路2中高频变压器的变比，因此，既能够有效减小高频变压器体积，进而大幅度降低电源整体体积和重量，又能够实现大功率输出。
在一些实施例中，PWM整流滤波电路1包括开关器件VT1-VT6、滤波电感L1、电解电容或直流支撑电容C1-C2和电阻R1-R2；
开关器件VT1和开关器件VT2串联组成第一线路；
开关器件VT3和开关器件VT4串联组成第二线路；
开关器件VT5和开关器件VT6串联组成第三线路；
电容C1和电容C2串联组成第四线路；
电阻R1和电阻R2串联组成第五线路；
第一线路、第二线路、第三线路并联，第三线路通过滤波电感L1与第四线路和第五线路并联；
电容C1和电容C2之间的线路，与电阻R1和电阻R2之间的线路连接。
本实施例中，开关器件VT1-VT6与数字控制器（例如，DSP或FPGA等）连接，以通过数字控制器维持其直流侧电压在设定值。
同时，为满足生产工艺需要，PWM整流滤波电路1直流侧电压应根据工艺需要进行设定，以降低大功率输出时对三相LCC谐振逆变器电路的电流要求。
其中，开关器件可以采用常规IGBT等功率开关器件或高速功率开关器件。
在一些实施例中，三相LCC高频谐振逆变电路2包括并联连接的三个单相谐振逆变电路，其中：
第一单相谐振逆变电路包括依次连接的功率开关器件Q1和Q2、电容C3、变压器漏感Lr1、变压器分布Cp1、变压器T1和电容C6；
第二单相谐振逆变电路包括依次连接的功率开关器件Q3和Q4、电容C4、变压器漏感Lr2、变压器分布Cp2、变压器T1和电容C7；
第三单相谐振逆变电路包括依次连接的功率开关器件Q5和Q6、电容C5、变压器漏感Lr3、变压器分布Cp3、变压器T1和电容C8。
本实施例中，功率开关器件与数字控制器（例如，DSP或FPGA等）连接，以维持高频整流滤波电路3的直流侧电压在设定值。
具体的，高频变压器T1副边对原边的变比优选值为1，该变比也可以根据输出电压幅值要求进行选择，在此不进行限定。
其中， C3-C5为串联谐振电容、Lr1-Lr3为高频变压器的漏感、Cp1-Cp2为高频变压器的寄生电容、C6-C8为并联谐振电容，其形成的谐振频率最大值与高频变压器的最高工作频率匹配。
在一些实施例中，高频整流滤波电路3包括二极管D1-D7、滤波电感L2、电阻R3、电解电容或直流支撑电容C9；
二极管D1和二极管D2串联组成第一路；
二极管D3和二极管D4串联组成第二路；
二极管D5和二极管D6串联组成第三路；
第一路、第二路和第三路并联，第三路通过滤波电感L2与电容C9并联；
电阻R3和二极管D7串联组成第四路；
第四路与滤波电感L2并联。
在一些实施例中，功率输出电路4包括高速功率开关器件Q7-Q9、电阻R4-R5、二极管D8、滤波电感L3和电容C10；
开关器件Q7和开关器件Q8串联，开关器件Q7和开关器件Q8之间连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接二极管D8的一端，二极管D8的另一端连接滤波电感L3的一端，滤波电感L3的另一端连接至开关器件Q7和开关器件Q8之间的线路，二极管D8的另一端还通过开关器件Q9连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端与开关器件Q8连接，电阻R4的另一端连接电容C10的一端，电容C10的另一端连接滤波电感L3。
本实施例中，高速功率开关器件Q7-Q9与数字控制器（例如，DSP或FPGA等）连接，以根据预设指令控制高速功率开关器件Q7-Q9的开关动作。
正常工作时，功率开关器件Q9关断，Q7和Q8由数字控制器驱动，产生直流电压或固定频率与固定占空比的脉冲电压；
当检测到负载侧出现放电打弧现象时，数字控制器控制功率开关器件Q9导通，控制Q7和Q8关断，实现快速电弧抑制功能。
显然，通过以上设置使得功率输出电路4不但具有直流和单极性脉冲电压两种波形输出功能，而且具有快速打弧抑制能力。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种LCC谐振型磁控溅射电源 ，其特征在于，包括：PWM整流滤波电路、三相LCC高频谐振逆变电路、高频整流滤波电路和功率输出电路；
所述PWM整流滤波电路的输入端用于连接电网，所述PWM整流滤波电路的输出端依次通过所述三相LCC高频谐振逆变电路、所述高频整流滤波电路连接所述功率输出电路输入端，所述功率输出电路输出端用于连接负载，所述功率输出电路输出端还连接所述三相LCC高频谐振逆变电路；
其中，所述PWM整流滤波电路用于将所述电网输入的三相交流电压整流滤波为直流电压；
所述三相LCC高频谐振逆变电路根据所述功率输出电路输出电压和电流，将直流电压变换为功率可调的高频交流电压；
所述高频整流滤波电路将高频交流电压整流滤波为幅值可调的低纹波直流电压；
所述功率输出电路将低纹波直流电压调制为直流电压或者频率可调、占空比可调的脉冲电压，并且将输出电流和输出电压反馈至所述三相LCC高频谐振逆变电路；
所述功率输出电路包括高速功率开关器件Q7、高速功率开关器件Q8、高速功率开关器件Q9、电阻R4、电阻R5、二极管D8、滤波电感L3和电容C10；
所述开关器件Q7和所述开关器件Q8串联，所述开关器件Q7和所述开关器件Q8之间连接所述电阻R5的一端，所述电阻R5的另一端连接所述二极管D8的一端，所述二极管D8的另一端连接所述滤波电感L3的一端，所述滤波电感L3的另一端连接至所述开关器件Q7和所述开关器件Q8之间的线路，所述二极管D8的另一端还通过所述开关器件Q9连接所述电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端与所述开关器件Q8连接，电阻R4的另一端连接电容C10的一端，电容C10的另一端连接滤波电感L3。
2.根据权利要求1所述LCC谐振型磁控溅射电源 ，其特征在于，所述PWM整流滤波电路包括开关器件VT1、开关器件VT2、开关器件VT3、开关器件VT4、开关器件VT5、开关器件VT6、滤波电感L1、电容C1、电容C2、电阻R1和电阻R2；
所述开关器件VT1和所述开关器件VT2串联组成第一线路；
所述开关器件VT3和所述开关器件VT4串联组成第二线路；
所述开关器件VT5和所述开关器件VT6串联组成第三线路；
所述电容C1和所述电容C2串联组成第四线路；
所述电阻R1和所述电阻R2串联组成第五线路；
所述第一线路、所述第二线路、所述第三线路并联，所述第三线路通过所述滤波电感L1与所述第四线路和所述第五线路并联；
所述电容C1和所述电容C2之间的线路，与所述电阻R1和所述电阻R2之间的线路连接。
3.根据权利要求2所述LCC谐振型磁控溅射电源 ，其特征在于，所述开关器件VT1、开关器件VT2、开关器件VT3、开关器件VT4、开关器件VT5、开关器件VT6与数字控制器连接，以通过所述数字控制器维持其直流侧电压在设定值。
4.根据权利要求1所述LCC谐振型磁控溅射电源 ，其特征在于，所述三相LCC高频谐振逆变电路包括并联连接的第一单相谐振逆变电路、第二单相谐振逆变电路和第三单相谐振逆变电路。
5.根据权利要求4所述LCC谐振型磁控溅射电源 ，其特征在于，所述第一单相谐振逆变电路包括依次连接的功率开关器件Q1和Q2、电容C3、变压器漏感Lr1、变压器分布Cp1、变压器T1和电容C6。
6.根据权利要求4所述LCC谐振型磁控溅射电源 ，其特征在于，所述第二单相谐振逆变电路包括依次连接的功率开关器件Q3和Q4、电容C4、变压器漏感Lr2、变压器分布Cp2、变压器T1和电容C7。
7.根据权利要求4所述LCC谐振型磁控溅射电源 ，其特征在于，所述第三单相谐振逆变电路包括依次连接的功率开关器件Q5和Q6、电容C5、变压器漏感Lr3、变压器分布Cp3、变压器T1和电容C8。
8.根据权利要求1所述LCC谐振型磁控溅射电源 ，其特征在于，所述高频整流滤波电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、滤波电感L2、电阻R3、电解电容或直流支撑电容C9；
所述二极管D1和所述二极管D2串联组成第一路；
所述二极管D3和所述二极管D4串联组成第二路；
所述二极管D5和所述二极管D6串联组成第三路；
所述第一路、所述第二路和所述第三路并联，所述第三路通过所述滤波电感L2与所述电容C9并联；
所述电阻R3和所述二极管D7串联组成第四路；
所述第四路与所述滤波电感L2并联。
9.根据权利要求8所述LCC谐振型磁控溅射电源 ，其特征在于，当正常工作时，通过控制器控制所述开关器件Q9关断，所述开关器件Q7和所述开关器件Q8导通，产生直流电压或固定频率与固定占空比的脉冲电压；
当检测到负载侧出现放电打弧现象时，通过控制器控制开关器件Q9导通，控制开关器件Q7和开关器件Q8关断，实现快速电弧抑制功能。
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