CN2284473Y - 一种调制型直流脉冲电源 - Google Patents

Abstract

一种电学技术领域的调制型直流脉冲电源,其外电源接整流电路后经斩波电路到输出整流电路,再接外部表面处理设备,取样电路输出连反馈单元,辅助电源输入接外电源、输出送反馈单元及时基发生器,过流保护输入接斩波电路、输出送反馈单元,时基发生器接反馈单元、输出送斩波电路的控制端。本实用新型可对离子氮化炉、PCVD等设备提供最佳电源参数,使其表面处理工件的质量和稳定性得到大幅度提高。

Description

一种调制型直流脉冲电源

本实用新型属于电学技术领域，更进一步涉及交流～直流～交流之间转换的一种调制型直流脉冲电源。

等离子体增强型表面处理工艺，已在半导体、光学、机械工业等领域获得越来越广泛的应用。该工艺在过去所使用的电源为直流电源；直流电源的最大缺点是耗散功率大，即大部分能量使工件温度升高，限制了参数调整的独立性，见文献B.Shizhi，H.Wu，Y.Hongshun and W.Zhongshu，″PlasmaChem.Plasma Process，4(1984)147.及P.Mayr and H.-R.Stock，″J.Vac.Sci.Technol.A″，4(1986)2726.等。为了克服上述缺点，改善工件处理过程中的空心阴极效应，提高离化率，近年来人们逐渐使用脉冲电源，这些脉冲电源都有下列不足，一是在处理过程中电压和电流不稳定，在一个范围内波动；二是虽然能使工件处理温度降低，但不能达到最佳的低温度点；见文献K.-T.Rie et al.″Surf.Coat.Technol.，60(1993)385.及R.Hochreiter et al，″Surf.Coat.Technol.″，74-75(1995)443-449.等。随着表面技术的发展，对表面性能的要求愈来愈高，对处理工艺的要求也越严格，现迫切需要一种脉冲电源，能够提高离化率且恒定可控，进而使处理温度能更低，然而这在目前国内外还没有很好的解决。

本实用新型的目的在于提供一种在基波频率基础之上调制的高频直流脉冲电源，即在占空比可控的几十Hz到几千Hz可调范围内的低频脉冲基础之上，再迭加上30KHz到300KHz之间的某个固定高频脉冲；即在低频脉冲高电平持续期间产生高压高频脉冲并实现稳流，以提高和恒定离化率，在低频脉冲低电平期间截止高频脉冲输出，以降低处理温度。

本实用新型包括三相整流滤波电路、IGBT斩波电路、输出整流电路、输出取样电路、辅助电源电路、过流保护电路、反馈控制单元；三相整流滤波电路的输入端接外380V交流电源，其输出端经IGBT斩波电路到输出整流电路；输出整流电路的输出端接取样电路；取样电路输出连至反馈控制单元的一输入高；辅助电源电路的输入接外部380V电源，输出送反馈控制单元、时基发生器电路的电源端；过流保护电路的输入来自IGBT斩波电路的供电回路，输出送至反馈控制单元的又一输入端；反馈空制单元接受上述各输入信号、其输出送IGBT斩波电路的控制端。

下面结合附图对实用新型作进一步的描述。

图1为本实用新型的方框图。

图2为调制型直流脉冲电源的输出电压波形示意图。

图3为调制型直流脉冲电源的电原理图。

图1为调制型直流脉冲电源的原理方框图。它是由三相整流滤波电路1、IGBT斩波电路2、输出整流电路3、输出取样电路4、辅助电源电路5、过流保护电路6、反馈控制单元7、时基发生电路8等组成。

图2为该电源的输出波形示意图，图中T为基波电压的周期，t为基波电压的脉冲宽度，t/T为基波电压的占空比，调节此占空比即可改变处理时工件的温度；此基波电压由时基发生器电路8产生，并能通过该时基发生器电路8随意改变其周期T和占空比t/T；图中P为高频输出脉冲电压的周期，p为高频输出脉冲电压的高电平宽度，此高频输出脉冲电压由反馈控制单元7中的高频脉冲发生电路产生，其频率可从30KHz到300KHz变化，占空比则按人们要求的离化率而自动变化；图中U为高频输出脉冲电平的高度，它的最高限制点受输出取样电路4和反馈控制单元的控制。

图3为该调制型直流脉冲电源的电原理图；它由三相整流桥70MT160或其它型号的三相整流桥和电解电容器C1组成三相整流滤波电路1，三相桥的三个AC输入端分别和外部的三相380V交流电源线相接，它的正、负输出端经电容C1滤波后送往IGBT斩波电路2。

IGBT斩波电路2由图3中的四个IGBT管、标号分别为I1、I2、I3、I4组成，其中I1和I3的c极相连后和三相整流滤波电路1的+输出端相接，I2和I4的e极相连后通过过流保护电路6和三相整流滤波电路1的一输出端相接，I1的e极和I2的c极相连、I3的e极和I4的c极相连后构成IGBT斩波电路，它的二个输出端送往输出整流电路3的输入端，I1、I2、I3、I4的g-e极控制回路分别和反馈控制单元7的高频控制变压器的四组次级相联，其中I1、I4为同名端相连，I2、I3为和和前述同名端反相的同名端相连。

输出整流电路3由图3中的高频升压变压器T1和快恢复二极管D1、D2组成，高频升压变压器T1的初级和IGBT斩波电路2的输出端相连，其次级端和D1、D2组成的全波整流电路，把交变脉冲变为直流方波脉冲输出，图3中标正、负处即为该调制型直流型脉冲电源总系统的输出端，脉冲幅度可为500V～1500V。

图3中电阻R1、R2、电位器P1、快恢复二极管D3以及仪表M1、M2组成输出取样电路4，R1为标准电阻，串联在输出整流电路3的负极输出端，其上的电压降反映了输出脉冲电流的变化，其值由并联在两端的仪表M2测量，该电流变化信号反馈送到反馈控制单元7的TL494芯片的输入端1’，电位器P1和电阻R2串联后跨接在输出整流电路3的正、负极输出端，P1两端并联的仪表用于测量输出脉冲的峰值电压，P1的中间抽头通过快恢复二极管D3连接到反馈控制单元7的TL494芯片的输入端4’，从而完成了对输出脉冲电平和电流的取样。

图3中变压器T4、单相整流桥B1、稳压集成电路块7815组成辅助电源电路5，T4的初级和380V外部电源相连，次级和B1的交流输入端1’、2’相连，B1的输出端3’、4’分别和7815的1’、2’输入端相连，7815的3’端则输出+15V直流电压送往反馈控制单元7和时基发生器电路8。

图3中电流互感器T3和快恢复整流桥B2、电阻R5组成过流保护电路6，T3的初级串联在IGBT管的供电回路中，用于监测流过IGBT管的峰值电流情况，T3的次级连接到B2的交流端，B2的输出端并联有电阻R5，当由于某种原因，流过IGBT的电流超过允许值时，B2的输出端则送出控制信号到反馈控制单元7的TL494芯片的输入端16，以切断控制脉冲到IGBT管的控制极g，从而保护IGBT管。

反馈控制单元7由芯片TL494、高频控制变压器T2、电容C2、电阻R3、电位器P2、P3组成，TL494的13’和14’端相连，7’9’、10’、15’端接地，12’端和T2初级的中间抽头接+15V电源，它来自辅助电源电路5的输出端。

TL494的5’端接电容器C2，6’端接电阻R3，C2和R3的另一端接地，C2和R3与TL494的内部电路组成高频脉冲发生器，改变C2和R3的值，就可改变高频脉冲的振荡频率，其范围为30KHz～300KHz。

电位器P2和P3的两端接+15V电源，P2的中间抽头接TL494的输入端2’，它和接到输入端1’的来自输出取样电路4’的电流反馈信号构成误差放大器，调整P2，就可调整允许输出的直流脉冲电流大小、。

图3中P3的中间抽头连接在TL494的输入端4’，由于TL494的输入端4’按该芯片的设计是用于调整振荡脉冲的死时间，该输入的电压越高，死时间越长，当高到一定程度，则无脉冲输出，所以当频率恒定时，调整P3可控制该系统总输出脉冲的最大允许输出脉冲宽度。

来自图3输出取样电路4中电位器P1的信号经二极管D3也到TL494的输入端4’，由于D3的单向导电性，当电位器P1的信号低于电位器P3的信号，则4’端受P3控制，即总系统输出最大脉冲宽度由P3确定，若总系统输出的脉冲幅度过高时，P1输出的信号大于P1信号，D3导通，4’端电压主要受P1控制；由于其升高，则使输出脉冲的死时间加长，输出脉冲幅度降低，所以调整P1可控制系统的最高允许输出脉冲电平，即起最高电平限制作用。输出取样电路中的串联于输出回路的标准电阻R1所感受到输出脉冲电流信号被反馈到TL494的1’端，实现脉冲电流的恒定控制。

图3中TL494的输入端4’还接受来自时基发生电路8中通过二极管D4送来的低频方波信号，D4的作用和D3完全相同；当此低频方波处于高电平时，D4导通，此高电平的幅度设计足以使系统的输出截止；当低频方波处于低电平时，D4关断，则系统输出脉冲电压，其最大宽度受P3控制。

图3中TL494的8’和11’端为推挽输出端，它和高频控制变压器T2的初极相连，其四组次级绕组分别和四只IGBT管的控制端g-e相连，以实现对IGBT管的控制；推挽输出端的信号来自TL494内部的高频脉冲振荡器，并接受上述各种输入控制信号的控制，其控制过程在TL494芯片内部自动完成。

图3中的时基芯片555、电阻R4、电位器P4、可变电容C3、二极管D4、D5、D6等共同组成时基发生器电路8，555的4’、8’端接来自辅助电源5的+15V电压，1’端接地，2’、6’端同时接D5负端、D6正端和C3的一个极，C3的另一极接地，P4的一端接+15V，另一端接D6的负极，P4的中间抽头接555的7’端和D5的正极，芯片555的输出端3’和R4、D4的正极相接，R4的另一端接+15V，D4的负极接TL494的4’端；调整C3可改变时基发生器的频率，调整P4可改变基波的占空比，其频率的变化可从几十赫兹到几千赫兹，占空比可从5％到95％之间变化。

本实用新型的最大特点是采用了调制型直流脉冲技术和脉冲电流稳定技术，在用于PCVD等设备时，可方便使用窄脉冲大电流来显著提高气体离子化率和降低工件表面处理温度，从而使等离子体增强型表面处理技术的应用范围进一步扩大；同时该设备还具有离化率可控及恒定技术(因为电流的大小可控和稳定反映了离化率的可控和稳定)，从而使得工件处理前的表面等离子体清洗和膜层沉积速率等参数的可控和恒定，对于提高表面处理的质量和处理后表面性能的一致性将更具巨大作用。

Claims (3)

1.一种调制型直流脉冲电源，它包括三相整流滤波电路、IGBT斩波电路、输出整流电路、输出取样电路、辅助电源电路、过流保护电路、反馈控制单元；其特征在于：所述的三相整流滤波电路的输入端接外380V交流电源，其输出端经IGBT斩波电路到输出整流电路；输出整流电路的输出端接取样电路；取样电路输出连至反馈控制单元的一输入端；辅助电源电路的输入接外部380V电源，输出送反馈控制单元、时基发生器电路的电源端；过流保护电路的输入来自IGBT斩波电路的供电回路，输出送至反馈控制单元的又一输入端；反馈控制单元接受上述各输入信号、其输出送IGBT斩波电路的控制端。

2.如权利更求1所述的调制型直流脉冲电源，其特征在于：所述的时基发生器电路的输出经二极管D4接至TL494的输入端4’。

3.如权利要求1所述的调制型直流脉冲电源，其特征在于：所述的输出取样电路中的串联于输出回路的标准电阻R1所感受到输出脉冲电流信号被反馈到TL494的1’端，实现脉冲电流的恒定控制。

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