CN118282166A - 一种用于电源的输出控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电源的输出控制方法，涉及真空电镀领域，所述输出控制方法包括：通过信号检测单元获取电源的输出状态；通过分析输出状态判断电源的输出端连接的真空电镀设备的负载特性，并根据真空电镀设备的不同的负载特性实施不同的控制策略。当分析真空电镀设备的负载特性为阻抗无穷大时，逐步提高输出电压；当分析真空电镀设备的负载特性为阻抗无穷小时，阶越性缩减所述真空电镀电源的能量输出，并进入恒流控制。解决了现有电源中面对不同间距的靶材时无法点火的问题。解决了因真空电镀设备负载特性在点火时突变引起的过大电流对真空电镀设备、电源以及待镀工件造成损伤的问题。

Description

一种用于电源的输出控制方法

技术领域

本发明涉及真空电镀领域，具体而言，涉及一种用于真空电镀供电电源的输出启动方法。

背景技术

现代的镀膜技术不断发展，目前较为流行的方式是真空电镀。相比于传统的化学电镀，真空电镀具有高效节能、清洁无污染的优点，而且其薄膜均匀性好、附着力强，因而广备推崇。其中，真空电镀电源在电镀过程中起着关键的作用。真空电镀电源分为中频磁控溅射电源、弧电源和偏压电源等。这些电源的输出直接作用到真空镀膜设备的腔体内，所以其输出的稳定性直接关系到镀膜质量的好坏。

在中频磁控溅射电源中，高频电能通过电源输出，被传输到溅射系统中的靶材上。电能在靶材附近的气体中产生电弧放电，导致局部放电区域的气体离子化，产生离子与电子。电子冲击靶材使得靶材离子化并从靶材表面逸出，最终沉积在待镀件上，形成薄膜。

在气体放电状态未形成前，需要持续在靶材上施加高压高频交流电压，以实现气体离子化，这被称之为点火过程。当施加的交流电压的幅值较低，或靶材之间的距离较大时，气体因为无法离子化，呈现较高的阻抗特性，镀膜过程会无法进行。为确保气体离子化，一般方法是直接控制电源输出其最大电压。但在气体离子化的瞬间，过高的电压会使得在气体离子化其阻抗特性变小时输出电流上升过快，电源可能无法及时响应，因而对电镀设备、待镀工件甚至电源本身造成损伤。

发明内容

本发明旨在为克服上述技术中磁控溅射电源点火失败和点火电流过大问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于电源的输出控制方法，电源包括功率变换单元以及电流采样单元，输出控制方法包括以下步骤：

在电源接收到输出命令后，控制电源进入第一点火阶段，在第一点火阶段，控制功率变换单元的输出电压，使得输出电压逐步升高至第一电压预定值；

在输出电压逐步升高至第一电压预定值后，通过电流采样单元采集功率变换单元的输出电流；

若采集到的输出电流一直未达到预定电流值，则控制电源进入进入第二点火阶段，在第二点火阶段，控制功率变换单元的输出电压，使得输出电压继续逐步增加，直至功率变换单元的输出电流增大到预定电流值；

若采集到输出电流达到预定电流值，则控制电源进入第三点火阶段，在第三点火阶段，控制功率变换单元的的输出电压，使得输出电压阶跃性减小，以使得输出电流低于设定阈值，其中，设定阈值小于设定电流值。

优选的，在输出电流低于设定阈值时，控制功率变换单元进入恒流输出工作模式、恒压输出工作模式或者恒功率输出工作模式。

优选的，电源进入第二点火阶段后，若功率变换单元的输出电压增加至第二电压预定值时，功率变换单元的输出电流仍未增大到预定电流值，则关闭功率变换单元的输出或者等待一设定时间后重新启动点火，其中，第二电压预定值大于第一电压预定值。

优选的，电源为中频磁控溅射电源，功率变换单元的输出连接中频磁控溅射设备的一对靶材。

本发明的有益效果在于：一方面，使得电源能匹配不同真空炉中不同的靶材间距，提高点火成功率；另一方面，抑制了点火瞬间气体放电时因阻抗突变而造成的异常过流，减少了气体异常放电对电源、真空炉的损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明电源的电路框图。

图2为本发明用于电源的输出控制方法的控制流程图。

图3为本发明在某一输出电压下点火成功时记录的时序图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式和说明书附图对本发明/发明及其有益效果作进一步详细说明，但是，本发明/发明的具体实施方式并不局限于此。

真空电镀设备原理说明：

不同的真空电镀设备中，靶材的间距可能是不一样的，有些靠得比较近，有些靠得会远一些，这将导致中频磁控溅射电源在上电时施加在靶材上的电压幅值要更大才能实现对真空电镀设备腔体内气体进行电离，实现点火的目的。

1、由于真空电镀设备的负载特性使然，在未成功点火之前，真空设备电镀腔体内的气体因未被电离，所以整体呈现出阻抗无穷大的特性，电压很大却没有电流输出。而点火成功的瞬间，被成功电离的气体阻抗特性表现为无穷小，这将导致会电源输出一个较大的电流。

以下结合图1至图2，对本发明输出控制方法进行说明。本发明提供的输出控制方法可应用于中频溅射电源中。本实施例中，电源包括：DC/DC变换器(为功率变换单元)、DC/AC变换器(为功率变换单元)、斩波控制单元、逆变控制单元、主控单元、电流采样单元以及电压采样单元。

电源的输出控制方法具体包括如下步骤：

步骤S1，在电源接收到输出命令后，控制电源进入第一点火阶段，在第一点火阶段，控制DC/DC变换器的输出电压U1，使得输出电压逐步升高至第一电压预定值,当达到第一电压预定值后使能DC/AC变换器进行输出。具体地，电源中的DC/DC变换器与DC/AC变换器是串联关系，DC/DC变换器的输出作为DC/AC变换器的输入，其中，DC/AC变换器的输出连接到真空电镀设备的靶材上，当电源的主控系统单元接收到输出命令后，主控系统单元通过隔离驱动DC/DC变换器与DC/AC变换器，使得DC/AC变换器输出，也即主控系统单元控制电源进入第一点火阶段，在第一点火阶段，DC/DC变换器与DC/AC变换器输出后，立即进入PID反馈调节(比例、积分、微分控制)。在PID反馈调节过程中，通过电压采样单元采集DC/DC变换器的输出电压U1并输入到主控系统单元，主控系统单元根据采集获得的DC/DC变换器输出电压通过斩波控制单元控制DC/DC变换器的输出电压，使得DC/DC变换器的输出电压逐步增加至第一电压预定值。当DC/DC变换器的输出电压达到第一电压预定值后，开启DC/AC变换器，输出交流电压到真空电镀设备中。在第一点火阶段，通过PID反馈调节来达到增大DC/DC变换器输出电压U1的目的。

步骤S2，输出电压U1逐步增加至第一电压预定值且在DC/AC变换器开启后，通过电流采样单元采集DC/AC变换器的输出电流，若采集到的输出电流一直为零或非常小时，也即一直未达到预定电流值时，关闭DC/AC变换器的输出并控制电源进入第二点火阶段，在第二点火阶段，继续通过PID反馈调节控制DC/DC变换器输出电压增大，最终使得DC/AC变换器输出电压继续增大，直到DC/AC变换器的输出电流I1达到预定电流值，也即出现输出电流迅速增大的情形。在第二点火阶段，若DC/DC变换器的输出电压增加至第二电压预定值时，DC/AC变换器的的输出电流仍未增大到预定电流值，则关闭DC/AC变换器的输出或者等待一设定时间后重新启动点火，其中，第二电压预定值大于第一电压预定值。

在输出电压逐步升高至第一电压预定值的过程中，若采集到DC/AC变换器的的输出电流达到预定电流值，说明点火成功，则主控系统单元通过逆变控制单元控制电源进入第三点火阶段，在第三点火阶段，继续通过PID反馈调节控制DC/DC变换器的输出电压，使得DC/DC变换器的输出电压阶跃性缩减，以使得DC/AC变换器的输出电流低于设定阈值，其中，设定阈值小于设定电流值。在第三点火阶段，通过控制输出电流，使得输出电流低于设定阈值，如此，有利于防止因真空电镀设备负载特性在点火成功后突变造成电源过载，进而保护电源的同时也使得镀件免于被电弧灼伤。

在第三点火阶段，当输出电流低于设定阈值时，主控系统单元控制DC/DC变换器进入恒流输出工作模式、恒压输出工作模式或者恒功率输出工作模式。

因为点火成功时，真空电镀设备中的气体被电离，使得真空电镀设备中的靶材间阻抗不再呈现无穷大的情况，靶材阻抗迅速减小。因在上一步所述PID反馈调节的过程中，DC/AC变换器的输出电压是不断被增大的，而阻抗过小，因而导致真空电镀设备中出现了较大的电流。该电流被称作点火电流。为减小点火电流，在第三点火阶段的PID反馈调节中，分为两个阶段，一阶段为过渡阶段，另一阶段为稳态阶段，过渡阶段结束后进入稳态阶段。在过渡阶段，阶跃性降低DC/DC变换器的输出电压的占空比，以降低DC/DC变换器的输出电压，使得DC/AC变换器无法维持较大的电流输出，以渡过过渡阶段，直到真空电镀设备的负载特性稳定。

参考图3，图3为本发明在某一输出电压下点火成功时记录的时序图。U1代表DC/AC变换器输出电压，I代表DC/AC变换器的输出电流，D代表DC/DC变换器的驱动信号占空比。如图3所示，在DC/AC变换器的输出电压U1为某一电压值时，DC/AC变换器的输出电流I1迅速增大，输出电流I1达到预定电流值a1，此时说明点火成功；在点火成功后，输出电压U1阶跃性缩减，输出电流I1电流降低，低于设定阈值a2。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：一方面，使得电源能匹配不同真空炉中不同的靶材间距，提高点火成功率；另一方面，抑制了点火瞬间气体放电时因阻抗突变而造成的异常过流，减少了气体异常放电对电源、真空炉的损伤。

Claims (4)

1.一种用于电源的输出控制方法，其特征在于，所述电源包括功率变换单元以及电流采样单元，所述输出控制方法包括以下步骤：

在所述电源接收到输出命令后，控制所述电源进入第一点火阶段，在第一点火阶段，控制所述功率变换单元的输出电压，使得所述输出电压逐步升高至第一电压预定值；

在所述输出电压逐步升高至所述第一电压预定值后，通过所述电流采样单元采集所述功率变换单元的输出电流；

若采集到的所述输出电流一直未达到预定电流值，则控制所述电源进入进入第二点火阶段，在第二点火阶段，控制所述功率变换单元的所述输出电压，使得所述输出电压继续逐步增加，直至所述功率变换单元的所述输出电流增大到所述预定电流值；

若采集到所述输出电流达到所述预定电流值，则控制所述电源进入第三点火阶段，在第三点火阶段，控制所述功率变换单元的的所述输出电压，使得所述输出电压阶跃性减小，以使得所述输出电流低于设定阈值，其中，所述设定阈值小于所述设定电流值。

2.根据权利要求1所述的输出控制方法，其特征在于，在所述输出电流低于设定阈值时，控制所述功率变换单元进入恒流输出工作模式、恒压输出工作模式或者恒功率输出工作模式。

3.根据权利要求1所述的输出控制方法，其特征在于，所述电源进入第二点火阶段后，若所述功率变换单元的输出电压增加至第二电压预定值时，所述功率变换单元的所述输出电流仍未增大到所述预定电流值，则关闭所述功率变换单元的输出或者等待一设定时间后重新启动点火，其中，所述第二电压预定值大于所述第一电压预定值。

4.根据权利要求1所述的输出控制方法，其特征在于，所述电源为中频磁控溅射电源，所述功率变换单元的输出连接所述中频磁控溅射设备的一对靶材。