DE19825056C1 - Circuit for supplying electrical energy to plasma can feed high power to unipolar or bipolar pulsed plasma with switching region in range 20 to 100 kHz with conventional IGBT switch - Google Patents

Circuit for supplying electrical energy to plasma can feed high power to unipolar or bipolar pulsed plasma with switching region in range 20 to 100 kHz with conventional IGBT switch

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Abstract

The circuit has a MOSFET end stage as a driver for a high power IGBT (1), whereby n-conducting and p-conducting MOSFETs (2,3) are connected to form a complementary source follower. Extremely induction-free leads with maximum inductance of 5 nH are used. The MOSFET switch-on and off times are less than or equal to 35 ns, the maximal drain current is 40 A, the maximum gate threshold voltage is 2 Volts, the maximum internal inductance of the backup capacitors (10) is 10 nH and the sum 20 nH and the input capacitance of the complementary source follower between the gate connections (6) and reference potential is not greater than 1.5 nF. An Independent claim is also included for a method of supplying electrical energy to a plasma of a glow discharge.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Einspeisen von Elektroenergie in ein Plasma im Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz. Solche Plasmen finden Anwendung für Verfahren zur Oberflächenbehandlung und -beschichtung von Werkstücken, beispielsweise Glasplatten, Polymerfolien, Metallteilen usw..The invention relates to a circuit arrangement and a method for feeding in Electrical energy in a plasma in the frequency range from 20 kHz to 100 kHz. Such plasmas are used for processes for surface treatment and coating of Workpieces, for example glass plates, polymer films, metal parts, etc.

Plasmen für die Oberflächenbehandlung und -beschichtung können mit Gleichstrom gespeist werden, wenn die zu behandelnden Werkstücke bzw. das aufzubringende Material elektrisch leitend sind. So hat z. B. das Gleichstrom-Zerstäuben metallischer Schichtwerkstoffe weite Verbreitung gefunden (siehe z. B. G. Kienel (Hrg.) Vakuumbeschichtung Bd. 2 Kap. 5 S. 127 ff., VDI-Verlag Düsseldorf, 1995. Und R. A. Haefer: Oberflächen- und Dünnschicht- Technologie Teil I Kap. 4 S. 56 ff. und Kap. 6 S. 95 ff., Springer-Verlag 1987).Plasmas for surface treatment and coating can be fed with direct current when the workpieces to be treated or the material to be applied are electrically conductive. So z. B. the direct current atomization of metallic layer materials widely used (see e.g. G. Kienel (ed.) vacuum coating vol. 2 chap. 5 p. 127 ff., VDI-Verlag Düsseldorf, 1995. And R. A. Haefer: surface and thin-film Technology Part I Chap. 4 p. 56 ff. And chap. 6 pp. 95 ff., Springer-Verlag 1987).

Sollen nichtmetallische Werkstoffe zerstäubt werden, so ist ein Hochfrequenz-Plasma geeignet, welches vorzugsweise mit einer Frequenz von 13,56 MHz betrieben wird (Literatur s. o. und DE 39 42 560). Mit der Einführung mittelfrequent gepulster Plasmen zum Zerstäuben (DD 252 205, DE 38 02 852) sind weitreichende technische Fortschritte bei der reaktiven Abscheidung elektrisch isolierender Schichten erreicht worden; insbesondere können wesentlich höhere Beschichtungsraten erreicht werden, und die beim Hochfrequenz- Zerstäuben unvermeidlichen hohen Energieverluste in Anpassungsnetzwerken können vermieden werden.If non-metallic materials are to be atomized, then a high-frequency plasma is used suitable, which is preferably operated at a frequency of 13.56 MHz (literature s. o. and DE 39 42 560). With the introduction of medium frequency pulsed plasmas for Atomizing (DD 252 205, DE 38 02 852) are far-reaching technical advances in reactive deposition of electrically insulating layers has been achieved; in particular significantly higher coating rates can be achieved, and the high-frequency Can atomize inevitable high energy losses in adaptation networks be avoided.

Es ist bekannt, sinusförmige Wechselspannung mittels Schwingkreiswechselrichters im Frequenzbereich von 10 bis 100 kHz in ein Plasma einzuspeisen (DE 40 42 287; DE 41 06 770). Diese Verfahrensweise hat den Nachteil, dass die Plasmaentladung für die negative und die positive Polarität nicht unabhängig voneinander gesteuert werden kann. Außerdem kann auf die Pulsform, insbesondere aber auf ein bestimmtes Verhältnis von Puls und Pulspause, nur schwer Einfluss genommen werden. Daraus resultieren für eine Reihe von Anwendungen erhebliche Nachteile, die bis zur Undurchführbarkeit des Plasmaverfahrens führen können. It is known to use sinusoidal AC voltage by means of a resonant circuit inverter Feed frequency range from 10 to 100 kHz into a plasma (DE 40 42 287; DE 41 06 770). This procedure has the disadvantage that the plasma discharge for the negative and positive polarity cannot be controlled independently. In addition, the pulse shape, but especially a certain ratio of pulse and pulse pause, are difficult to influence. This results in a number of Applications significant disadvantages that make the plasma process impracticable being able to lead.  

Es sind deshalb auch Schaltungen zur Speisung von Plasmen mit unipolaren oder bipolaren Pulsspannungen, z. B. Rechteck-Pulsspannungen, bekannt (DE 37 00 633; DE 41 27 317; DE 42 30 779).They are therefore circuits for supplying plasmas with unipolar or bipolar Pulse voltages, e.g. B. rectangular pulse voltages, known (DE 37 00 633; DE 41 27 317; DE 42 30 779).

Für Plasmen hoher Leistung werden Schaltungen verwendet, die Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) als Schaltelemente nutzen (EP 0 534 068). Solche IGBT, die vorzugsweise für Schaltungen in der Antriebstechnik entwickelt worden sind, arbeiten bei Schaltfrequenzen bis maximal 20 kHz relativ verlustleistungsarm. Die obere Grenzfrequenz derartiger Schaltungen liegt bei 50 kHz. Für Plasmen, die ihren Einsatz in Verfahren der Plasma-Oberflächenbehandlung und für das reaktive Magnetronsputtern elektrisch isolierender Oberflächen finden, ist der Frequenzbereich von 20 kHz nicht nutzbar. Dieser Frequenzbereich ist mit dem Auftreten von Bogenentladungen, sogenanntem Arcing, verbunden, wodurch Prozessinstabilitäten und Schädigungen der zu bearbeitenden Oberflächen auftreten. Erst bei Frequenzen, die materialabhängig zwischen 30 kHz und 100 kHz, insbesondere bei 50 kHz liegen, können diese Schwierigkeiten überwunden werden (S. Schiller et al.: Pulsed magnetron sputter technology, Surf. Coat. Techn. 61 (1993), 331-337).Circuits called insulated gate bipolar are used for high-power plasmas Use transistors (IGBT) as switching elements (EP 0 534 068). Such IGBT, which is preferred have been developed for circuits in drive technology Switching frequencies up to a maximum of 20 kHz relatively low power loss. The upper limit frequency such circuits is at 50 kHz. For plasmas that are used in processes of Plasma surface treatment and electrical for reactive magnetron sputtering isolating surfaces, the frequency range of 20 kHz cannot be used. This Frequency range is associated with the occurrence of arc discharges, so-called arcing, connected, causing process instabilities and damage to the processed Surfaces occur. Only at frequencies that depend on the material between 30 kHz and 100 kHz, especially 50 kHz, can overcome these difficulties (S. Schiller et al .: Pulsed magnetron sputter technology, Surf. Coat. Techn. 61 (1993), 331-337).

Daneben sind Schaltungen bekannt, die auch bei deutlich höheren Frequenzen, z. B. bis 200 kHz, Leistungs-IGBT als Schaltelemente nutzen (DE 44 38 463 C1). Der Nachteil solcher Schaltungen besteht jedoch ebenfalls in ihrem hohen Verlustleistungsanteil. Kann dieser nicht effektiv abgeführt werden, begrenzt er stets auch die Leistung, die maximal in ein Plasma einspeisbar ist.In addition, circuits are known which, even at significantly higher frequencies, for. B. to 200 kHz, use power IGBT as switching elements (DE 44 38 463 C1). The disadvantage of such However, circuits also have a high power dissipation component. Can this are not effectively dissipated, it always limits the maximum power in one Plasma can be fed.

Beim Betreiben bekannter Schaltungen zum Einspeisen der Energie in das Plasma mittels IGBT-Schaltelementen treten mit höherer Frequenz zunehmend höhere Schaltverlust­ leistungen auf, die zur Zerstörung der Bauelemente führen. Um diese Zerstörung zu verhindern, muss die schaltbare Leistung in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz massiv reduziert werden (sogenanntes derating) [G. Mark, T. Linz: Mit bipolarem Pulsplasma in eine neue Plasmaära, Dünne Schichten 4(1992), 13-15]. Nur unter diesen Bedingungen können die vom Bauelementehersteller festgelegten Einsatzbedingungen gesichert werden. Ansteuerschaltungen nach dem Stand der Technik arbeiten generell nur bis zu einer Frequenz von 20 kHz, wenn die Leistungsfähigkeit von Hochleistungs-IGBT ausgeschöpft werden soll. Für Frequenzen von 50 kHz und darüber hinaus sind keine Schaltungen verfügbar, die es erlauben, mehr als die Hälfte der nominal schaltbaren Ströme zu schalten. When operating known circuits for feeding the energy into the plasma by means of IGBT switching elements occur with higher frequency, increasingly higher switching loss services that lead to the destruction of the components. To this destruction too prevent the switchable power depending on the switching frequency massive be reduced (so-called derating) [G. Mark, T. Linz: With bipolar pulse plasma into one new plasma era, Thin Layers 4 (1992), 13-15]. Only under these conditions can the operating conditions specified by the component manufacturer are ensured. Control circuits according to the prior art generally only work up to one Frequency of 20 kHz when the performance of high performance IGBT is exhausted shall be. There are no circuits for frequencies of 50 kHz and beyond available that allow switching more than half of the nominally switchable currents.  

Aus diesem Grunde gibt es verschiedene Bemühungen, durch eine Weiterentwicklung der Ansteuerschaltung das Leistungspotential der IGBT auch bei höheren Frequenzen besser auszunutzen.For this reason, there are various efforts to develop the Control circuit the performance potential of the IGBT better even at higher frequencies to take advantage of.

Es ist bekannt, die Ansteuerung der IGBT durch MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field- Effect-Transistors) in Form einer Drainfolgerschaltung zu realisieren (DE 43 42 845 A1). Allerdings ist eine derartige Schaltung gesondert gegen einen Ausfall der Versorgungs­ spannung abzusichern. Außerdem ist die Eingangskapazität eines Drainfolgers für ein sehr schnelles Durchschalten der Endstufe zu groß. Es ist ein zusätzlicher Schaltungsaufwand erforderlich, um evtl. auftretende Rückspannungen abzuleiten. Ein wesentlicher Nachteil einer solchen Drainfolgerschaltung ist die Tatsache, dass die Spannungsdifferenz zwischen U+ und U- 20 V nicht überschreiten darf, da sonst die zulässige Gate-Source-Spannung eines FET überschritten wird. Da U+ etwa +15 V betragen muss, um einen Leistungshalbleiter sicher im eingeschalteten Zustand zu halten, kann das Ausschalten praktisch nur mit einer sehr geringen negativen Spannung erfolgen, wodurch die Ausschaltzeit drastisch verlängert wird.It is known to control the IGBT by means of a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) in the form of a drain follower circuit (DE 43 42 845 A1). However, such a circuit must be separately secured against a failure of the supply voltage. In addition, the input capacity of a drain follower is too large for the output stage to be switched through very quickly. Additional circuitry is required to derive any reverse voltages that may occur. A major disadvantage of such a drain follower circuit is the fact that the voltage difference between U + and U - 20 V must not exceed, since otherwise the permissible gate-source voltage of an FET is exceeded. Since U + must be approximately +15 V in order to keep a power semiconductor safely in the switched-on state, the switch-off can practically only take place with a very low negative voltage, which drastically extends the switch-off time.

Es ist weiterhin bekannt, integrierte Treiberschaltungen zur Ansteuerung von Leistungs-IGBT zu verwenden und diese Treiber durch geeignete Beschaltung und niederinduktive Ausführung des Leistungskreises beim Auftreten von Kommutierungsstörungen vom Leistungskreis zu entkoppeln (DE 196 41 840 A1). Der Nachteil dieser Schaltungen besteht ebenfalls darin, dass die Ankopplung des Treibers an den Leistungskreis selbst mit einer zu hohen Impedanz erfolgt und somit die für höhere Pulsfrequenzen und geringe Leistungs­ verluste erforderlichen kurzen Schaltzeiten nicht erreicht werden können. Außerdem führt die Entkopplung von Treiber und Leistungs-IGBT häufig zu einer Gefährdung der teuren IGBT und damit verbundenen Ausfallzeiten.It is also known to have integrated driver circuits for driving power IGBTs to use and these drivers through appropriate wiring and low inductance Execution of the power circuit when commutation problems occur Decouple power circuit (DE 196 41 840 A1). The disadvantage of these circuits is also in that the coupling of the driver to the power circuit itself with one too high impedance occurs and thus for higher pulse frequencies and low power losses required short switching times can not be achieved. Also leads the decoupling of driver and performance IGBT often endangers the expensive IGBT and related downtime.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, mit der mittels bekannter IGBT-Schalteinrichtungen eine hohe Leistung in ein unipolar oder bipolar gepulstes Plasma bei einer Schaltfrequenz im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz eingespeist werden kann. Insbesondere soll dabei der Nominalwert des Stromes der IGBT-Bauelemente unter Einhaltung der zulässigen Verlustleistung des Bauelementes geschaltet werden können. Die Schalteinrichtung soll des Weiteren so gestaltet werden, dass keine Beeinträchtigungen der Funktion der Schaltung durch Rückwirkungen des gepulsten Plasmas auftreten. Starting from the aforementioned prior art, the object of the invention based on creating a circuit with which by means of known IGBT switching devices high power in a unipolar or bipolar pulsed plasma at a switching frequency in Range from 20 kHz to 100 kHz can be fed. In particular, the Nominal value of the current of the IGBT components in compliance with the permissible Power loss of the component can be switched. The switching device should Be further designed so that no impairment of the function of the circuit due to the repercussions of the pulsed plasma.  

Die Aufgabe wird ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik durch eine Schaltung mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.The task is based on the aforementioned prior art by a Circuit with the features according to claim 1 and a method according to Claim 5 solved. Advantageous refinements of the circuit are shown in FIGS Subclaims 2 to 4 described.

Durch die Gestaltung der Ansteuerschaltung mit einer Induktivität in dem angegebenen Bereich kann eine Schaltzeit der Ansteuerstufe des Hochleistungs-IGBT von minimal 100 ns erreicht und damit Schaltzeiten gegenüber dem Stand der Technik um den Faktor 5 und mehr verkürzt werden. Dadurch werden die Schaltverlustleistungen im Leistungskreis, der die hohe Energie schaltet, drastisch reduziert. Die Zusammenschaltung eines n-leitenden und eines p-leitenden MOSFET derart, dass deren Source-Anschluss und deren Gate-Anschluss miteinander verbunden sind, sichert damit einen sehr hohen Wirkungsgrad der Treiberschaltung. Besonders vorteilhaft wirkt sich aus, dass in der Schaltung MOSFET mit kleinen Ein- und Ausschaltzeiten und hohem zulässigen Drainstrom sowie kleiner Gate- Schwellspannung eingesetzt sind, wodurch Querströme verhindert werden. Von weiterem Einfluss auf die Verkürzung der Schaltzeit der Ansteuerschaltung des Hochleistungs-IGBT ist die innere Induktivität der Stützkondensatoren. Nur bei Einsatz spezieller pulsfester und niederinduktiver Bauarten mit der erfindungsgemäßen Dimensionierung und Ausführung der Zuleitungen wird eine Schaltzeit unter 100 ns erreicht.By designing the control circuit with an inductance in the specified The switching time of the control stage of the high-performance IGBT can be at least 100 ns achieved and thus switching times compared to the prior art by a factor of 5 and be shortened more. As a result, the switching power losses in the power circuit, which the high energy switches, drastically reduced. The interconnection of an n-type and a p-type MOSFET such that its source connection and its gate connection connected with each other, thus ensures a very high efficiency of the Driver circuit. The fact that MOSFET is included in the circuit has a particularly advantageous effect short switch-on and switch-off times and high permissible drain current as well as small gate Threshold voltage are used, which prevents cross currents. From further Influence on the shortening of the switching time of the control circuit of the high-performance IGBT the internal inductance of the support capacitors. Only when using special pulse-resistant and low inductive types with the dimensioning and design of the invention Supply lines, a switching time of less than 100 ns is achieved.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung wird erreicht, wenn die Gesamtinduktivität der Treiberendstufe, einschließlich der Leitungen zum Gate des IGBT einen Wert von 20 nH nicht überschreitet.An expedient embodiment of the invention is achieved if the total inductance the driver output stage, including the lines to the gate of the IGBT a value of 20 nH does not exceed.

Auf diese Weise werden die notwendigen hohen Stromanstiegsgeschwindigkeiten im jeweils aktiven Stromkreis erreicht, um die genannten Schaltzeiten zu erreichen.In this way, the necessary high current rise speeds in each Active circuit reached to achieve the switching times mentioned.

Die geringe Eingangskapazität des komplementären Sourcefolgers sichert den Einsatz integrierter Schaltungen nach dem Stand der Technik, um im angegebenen Frequenzbereich Steuerpulse mit ausreichender Flankensteilheit an den Gates des Sourcefolgers generieren zu können. Dadurch wird ein besonders einfacher, zuverlässiger und störfester Aufbau der Schaltung möglich.The low input capacity of the complementary source follower ensures the use Integrated circuits according to the prior art, in the specified frequency range Generate control pulses with sufficient edge steepness at the gates of the source follower can. This makes the construction of the particularly simple, reliable and interference-free Switching possible.

Die besonderen Vorteile der Erfindung zeigen sich beim Einspeisen der elektrischen Leistung in ein sehr niederimpedantes reaktives Plasma. Beispiele dafür sind etwa das reaktive Zerstäuben von Aluminium in Argon-Sauerstoff-Gasgemischen im Bereich von Leistungen über 30 kW oder das als magnetronverstärktes reaktives Bedampfen bekannte Verfahren (DE 43 43 042). Solche Plasmen besitzen ein ausgeprägt induktives und kapazitives Verhalten und wirken bei steilen Schaltflanken sehr stark auf die Schaltung zur Energieeinspeisung zurück. Durch die pulsförmige Energieeinspeisung treten Schwingungen mit Frequenzen bis zum Bereich von etwa 10 MHz auf, welche die Ansteuerungskreise der IGBT bis zum Funktionsausfall stören. Auch durch die Neigung der genannten Plasmen zum Übergang in eine Bogenentladung, das sogenannte "arcing", werden solche Funktionsausfälle nach dem Stand der Technik nicht verhindert. Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, dass die erfindungsgemäße Schaltung nicht nur die Erhöhung der Schaltfrequenz auf Werte bis zu 100 kHz ermöglicht, sondern dass auch die schädliche Beeinflussung der Schaltung durch Rückwirkungen aus dem Plasma überwunden werden.The particular advantages of the invention are evident when feeding the electrical power into a very low impedance reactive plasma. Examples of this are reactive Atomization of aluminum in argon-oxygen gas mixtures in the range of services over 30 kW or the process known as magnetron-enhanced reactive vapor deposition  (DE 43 43 042). Such plasmas have a distinctly inductive and capacitive behavior and have a very strong effect on the circuit for energy supply on steep switching edges back. The pulsed energy feed causes vibrations with frequencies up to to the range of approximately 10 MHz, which the control circuits of the IGBT up to Disrupt functional failure. Also due to the tendency of the plasmas mentioned to transition to an arc discharge, the so-called "arcing", such functional failures after the State of the art not prevented. Surprisingly, it has now been shown that the Circuit according to the invention not only increasing the switching frequency to values up to 100 kHz allows, but also that the circuitry is adversely affected Reactions from the plasma can be overcome.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention is described below using an exemplary embodiment and using Drawings explained in more detail. In the accompanying drawings:

Fig. 1: eine Schaltungsanordnung für eine Ansteuerelektronik gemäß der Erfindung und Fig. 1 shows a circuit arrangement for a drive electronics according to the invention, and

Fig. 2 bis 4: Varianten von Schaltungskombinationen zur Ansteuerung von zwei oder mehreren IGBT mit Schaltungen gemäß der Fig. 1 Figs. 2 to 4: variants of combinations circuit to control two or more circuits according to the IGBT of Fig. 1

Gemäß der Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung für eine Ansteuerelektronik gemäß der Erfindung dargestellt, in der ein nach dem Stand der Technik bekannter IGBT als Schaltsymbol mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist.According to the Fig. 1 shows a circuit arrangement for an electronic control is shown in accordance with the invention, in which a well-known to the prior art IGBT is characterized as a circuit symbol with the reference numeral 1.

Der IGBT 1 steht einerseits mit je einem n-leitenden und einem p-leitenden MOSFET 2 und 3 und andererseits mit einem Bezugspotential 9 in elektrischer Verbindung. Die MOSFET 2 und 3 sind dazu jeweils an ihren Sourceausgängen einerseits und ihren Gateausgängen andererseits miteinander verbunden, wobei der gemeinsame Sourceanschluss 5 mit dem Gate des IGBT 1 und der gemeinsame Gateanschluss 6 mit einem Endstufentreiber 7 sowie einem Lichtwellenleiterempfänger 8 verbunden sind. Der Endstufentreiber 7 und der Lichtwellenleiterempfänger 8 sind ihrerseits mit einem Bezugspotential 9 verbunden. Der Drainanschluss des n-Kanal-MOSFET 2 steht gemäß der Zeichnung des Weiteren mit einer positiven Betriebsspannung +Ub und der Drainanschluss des p-Kanal-MOSFET 3 steht mit einer negativen Betriebsspannung -Ub in Verbindung. The IGBT 1 is on the one hand electrically connected to an n-type and a p-type MOSFET 2 and 3 and on the other hand to a reference potential 9 . For this purpose, the MOSFETs 2 and 3 are each connected to one another at their source outputs on the one hand and their gate outputs on the other hand, the common source connection 5 being connected to the gate of the IGBT 1 and the common gate connection 6 being connected to an output stage driver 7 and an optical waveguide receiver 8 . The output stage driver 7 and the optical waveguide receiver 8 are in turn connected to a reference potential 9 . According to the drawing, the drain connection of the n-channel MOSFET 2 is also connected to a positive operating voltage + Ub and the drain connection of the p-channel MOSFET 3 is connected to a negative operating voltage -Ub.

Am Drainanschluss des n-Kanal-MOSFET 2 ist ein Stützkondensator 10 vorgesehen, der mit einem Bezugspotential 9 verbunden ist. Ein weiterer Stützkondensator 12 ist am Drainanschluss des p-Kanal-MOSFET 3 angeschlossen und ebenfalls mit dem Bezugspotential 9 verbunden. Zwischen dem gemeinsamen Sourceanschluss 5 und dem Gateanschluss des IGBT 1 ist ein Widerstand 14 geschaltet. Weiterhin ist ein Überspannungsschutz 15, als Suppressordiode ausgeführt, zwischen Gateanschluss des IGBT 1 und dem Bezugspotential 9 geschaltet.At the drain connection of the n-channel MOSFET 2 , a backup capacitor 10 is provided, which is connected to a reference potential 9 . Another support capacitor 12 is connected to the drain connection of the p-channel MOSFET 3 and is also connected to the reference potential 9 . A resistor 14 is connected between the common source connection 5 and the gate connection of the IGBT 1 . Furthermore, an overvoltage protection 15 , designed as a suppressor diode, is connected between the gate connection of the IGBT 1 and the reference potential 9 .

Die Positionen 2, 3, 5, 10, 12, 14 und 15 sind als Endstufe 16 zur ein- oder mehrfachen Verbindung mit IGBT 1 einsetzbar, wobei dessen jeweiliger Kollektorausgang und/oder dessen Emitterausgang mit einer Plasmaquelle 17 verbunden ist. Der Emitterausgang steht mit einer Versorgungsspannungsquelle -U in Verbindung. Der zweite Anschluss der Plasmaquelle 17 ist mit +U verbunden.Positions 2 , 3 , 5 , 10 , 12 , 14 and 15 can be used as an output stage 16 for single or multiple connection to IGBT 1 , its respective collector output and / or its emitter output being connected to a plasma source 17 . The emitter output is connected to a supply voltage source -U. The second connection of the plasma source 17 is connected to + U.

In der Fig. 2 sind zwei Endstufen 16 gemäß der Fig. 1 schematisch dargestellt, die in einer vollgesteuerten Halbbrückenschaltung mit der Plasmaquelle 17 als Last geschaltet ist. Dabei wird die Plasmaquelle 17 zwischen dem gemeinsamen Kollektor- und Emitteranschluss 18 der IGBT 1 und dem Bezugspotential 9 geschaltet.In FIG. 2, two power amplifiers 16 are shown in FIG. 1 schematically shown, which is connected as a load in a fully controlled half-bridge circuit with the plasma source 17. The plasma source 17 is connected between the common collector and emitter connection 18 of the IGBT 1 and the reference potential 9 .

Mit geeigneten Pulsmustern wird die Energie in Form gepulster Gleichspannung oder Wechselspannung in die Last eingespeist.With suitable pulse patterns, the energy is in the form of pulsed DC voltage or AC voltage fed into the load.

In der Fig. 3 ist eine Vollbrückenschaltung dargestellt, die aus zwei Schaltungen gemäß Fig. 2 besteht. Dabei sind jeweils die Anschlüsse U+ und U- miteinander verbunden. Die Plasmaquelle 17 wird hier zwischen den zusammengeschalteten Emitter- und Kollektoranschlüssen der beteiligten IGBT 1 geschaltet. FIG. 3 shows a full bridge circuit which consists of two circuits according to FIG. 2. The connections U + and U- are connected to each other. The plasma source 17 is connected here between the interconnected emitter and collector connections of the IGBT 1 involved.

Der besondere Vorteil der Vollbrücke gegenüber Fig. 2 ist, dass mit nur einer Gleichspannungsquelle (U+, U-) eine leistungsfähige Erzeugung von bipolaren Pulsen im Plasma möglich ist.The particular advantage of the full bridge compared to FIG. 2 is that with only one DC voltage source (U +, U-) an efficient generation of bipolar pulses in the plasma is possible.

In der Fig. 4a und 4b wird eine parallele Zusammenschaltung der Schaltungen nach Fig. 2 bzw. Fig. 3 dargestellt. Der Vorteil liegt einerseits in einer Leistungserhöhung bei zeitsynchroner Steuerung, aber andererseits besonders in der Möglichkeit, die Pulsfrequenz der eingespeisten Energie in die Plasmaquelle 17 wesentlich zu erhöhen. Das wird mit einer äquidistanten zeitversetzten und zyklischen Steuerung der Schaltungen gem. Fig. 2 bzw. Fig. 3 erreicht, wobei sich am gemeinsamen Punkt der Ausgänge Nr. 1 bis Nr. n als Ergebnis der Überlagerung eine Pulsfrequenz mit einer Periodendauer, die dem Zeitversatz entspricht, ergibt. Die Zahl der so betriebenen parallel arbeitenden Schaltungen muss demnach größer 1 sein.In Fig. 4a and 4b, a parallel interconnection of the circuits of Fig. 2 and Fig. 3 is illustrated. The advantage lies on the one hand in an increase in power with time-synchronous control, but on the other hand in particular in the possibility of significantly increasing the pulse frequency of the energy fed into the plasma source 17 . This is done according to an equidistant, time-shifted and cyclical control of the circuits. Fig. 2 and Fig. 3 reached, where at the common point of the outputs No. 1 to No. n results as a result of the superposition a pulse frequency with a period that corresponds to the time offset. The number of circuits operated in parallel in this way must therefore be greater than 1.

Nachfolgend wird kurz die Wirkung der Schaltung dargestellt:The effect of the circuit is briefly shown below:

Das Steuersignal wird in einem Lichtwellenleiter (LWL)-Empfänger 8 in ein elektrisches Signal umgesetzt, das den Endstufentreiber 7 steuert. Dieser gibt ein Signal von ±17 V gegenüber dem Bezugspotential 9 auf die komplementäre Source-Folgerstufe. Diese wird dadurch gebildet, dass die Source-Anschlüsse der MOSFET 2 und 3 und die Gate-Anschlüsse miteinander verbunden sind. Der Drain-Anschluss des n-leitenden MOSFET 2 ist mit einer positiven Betriebsspannung (+17 V) verbunden, der Drain-Anschluss des p-leitenden MOSFET 3 ist mit einer negativen Betriebsspannung (-17 V) verbunden. Die MOSFET 2 und 3 sind sorgfältig ausgesucht nach den folgenden Bedingungen: Ihre Ein- und Ausschaltzeiten betragen 20 ns bzw. 35 ns. Die Gate-Schwellspannungen haben die Werte 1,9 V und 2 V. Die Leitungen, die den Drain-Anschluss der MOSFET mit je einem Stützkondensator 10 bzw. 12 verbinden, haben jeweils einen Abstand von nur 1 mm zueinander und eine Kupferfläche auf der Leiterkarte von 6 cm2. Die Leiterzüge wurden speziell für diese Schaltung auf 0,3 mm Dicke verstärkt. Auf diese Weise wird eine Induktivität zwischen den Drain-Anschlüssen und den Stützkondensatoren 10 und 12 von nur 2 nH erreicht. Die Stützkondensatoren 10 und 12 haben eine Kapazität von 4700 µF. Ihre innere Induktivität hat einen Wert von je 5 nH, und sie sind so dimensioniert, dass sie mit einem Pulsstrom von 100 A belastbar sind. Die Leitung vom Ausgang 5 des komplementären Sorcefolgers zum Gateanschluss des IGBT 1 besitzt eine Induktivität von 5 nH. Der induktivitätsarme Widerstand 14 mit einem Wert von 0,25 Ohm dient der Begrenzung des Steuerstromes auf höchstzulässige Werte in das Gate des IGBT 1 und vermindert durch die dämpfende Wirkung Schwingerscheinungen im Steuerstromkreis. Ein üblicher Überspannungsschutz 15, hier als Suppressordiode ausgeführt, verhindert das Auftreten von Gatespannungen am IGBT 1 über +15 V und unter -15 V.The control signal is converted into an electrical signal in an optical waveguide (FO) receiver 8 , which controls the output stage driver 7 . This gives a signal of ± 17 V with respect to the reference potential 9 to the complementary source follower stage. This is formed in that the source connections of MOSFET 2 and 3 and the gate connections are connected to one another. The drain connection of the n-type MOSFET 2 is connected to a positive operating voltage (+17 V), the drain connection of the p-type MOSFET 3 is connected to a negative operating voltage (-17 V). MOSFETs 2 and 3 are carefully selected according to the following conditions: Their switch-on and switch-off times are 20 ns and 35 ns, respectively. The gate threshold voltages have the values 1.9 V and 2 V. The lines that connect the drain connection of the MOSFET to a supporting capacitor 10 or 12 each have a distance of only 1 mm from one another and a copper surface on the circuit board of 6 cm 2 . The conductor tracks have been specially reinforced to a thickness of 0.3 mm for this circuit. In this way, an inductance between the drain connections and the support capacitors 10 and 12 of only 2 nH is achieved. The support capacitors 10 and 12 have a capacitance of 4700 μF. Their internal inductance has a value of 5 nH each, and they are dimensioned so that they can be loaded with a pulse current of 100 A. The line from output 5 of the complementary sequence follower to the gate connection of IGBT 1 has an inductance of 5 nH. The low-inductance resistor 14 with a value of 0.25 ohms serves to limit the control current to the maximum permissible values in the gate of the IGBT 1 and reduces vibration phenomena in the control circuit due to the damping effect. A conventional overvoltage protection 15 , here designed as a suppressor diode, prevents the occurrence of gate voltages on the IGBT 1 above +15 V and below -15 V.

Mit der beschriebenen Brückenschaltung aus vier IGBT wird eine Pulsschalteinheit zur Versorgung eines Plasmas betrieben, bei dem eine Brennspannung von 800 V und eine Pulsstromstärke von 1000 A bei einer Frequenz von 50 kHz erreicht werden. Dieses reaktive Plasma wird in einem plasmatechnologischen Beschichtungsverfahren benutzt. Die betriebsmäßig gelegentlich auftretenden Bogenentladungen führen nicht zu Störungen der Funktion der Pulsschalteinheit.With the described bridge circuit consisting of four IGBTs, a pulse switching unit is used Supply of a plasma operated, in which a burning voltage of 800 V and a Pulse current strength of 1000 A can be achieved at a frequency of 50 kHz. This reactive Plasma is used in a plasma technology coating process. The Arc discharges occasionally occurring during operation do not lead to malfunctions of the Function of the pulse switching unit.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Einspeisen von Elektroenergie in ein Plasma einer Glimmentladung bei einer Frequenz im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz, vorzugsweise von 50 kHz, mit einer MOSFET-Endstufe als Treiber für Hochleistungs-IGBT, wobei ein n-leitender und ein p-leitender MOSFET an ihren Sourceanschlüssen und ihren Gateanschlüssen in der Art eines komplementären Sourcefolgers miteinander verbunden sind, extrem induktionsarme Zuleitungen mit einer maximalen Induktivität von 5 nH vorgesehen sind, die Ein- und Ausschaltzeiten der MOSFET ≦35 ns betragen, ein maximal zulässiger Drainstrom von 40 A, Gateschwellspannungen von maximal 2 V sowie eine innere Induktivität der Stützkondensatoren von maximal 10 nH vorgesehen sind und wobei die Summe der Induktivitäten 20 nH und die Eingangskapazität des komplementären Sourcefolgers zwischen dem jeweiligen Gateanschluss und dem Bezugspotential 1,5 nF nicht überschreitet.1. Circuit arrangement for feeding electrical energy into a plasma of a glow discharge at a frequency in the range from 20 kHz to 100 kHz, preferably from 50 kHz, with a MOSFET output stage as a driver for high-performance IGBT, an n-conducting and a p- conductive MOSFET are connected to each other at their source connections and their gate connections in the manner of a complementary source follower, extremely low-induction leads are provided with a maximum inductance of 5 nH, the ON and OFF times of the MOSFET ≦ 35 ns, a maximum permissible drain current of 40 A , Gateschwellspannungen of at most 2 V as well as an internal inductance are provided the support capacitors of a maximum of 10 nH and being does not exceed the sum of the inductances of 20 nH and the input capacitance of the complementary source follower between the respective gate terminal and the reference potential 1, 5 nF. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein IGBT mit einer Endstufe zusammengeschaltet und mit der gegen ein Bezugspotential geschalteten Plasmaquelle verbunden ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that an IGBT with an output stage interconnected and with against a reference potential switched plasma source is connected. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei IGBT mit jeweils einer Endstufe in Form einer Halbbrücke zusammengeschaltet sind, wobei der Ausgang aus dem gemeinsamen Kollektor- und Emitteranschluss der IGBT gebildet wird und mit der gegen das Bezugspotential geschalteten Plasmaquelle verbunden ist.3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that two IGBT are connected together with a power amplifier in the form of a half bridge, the output from the common collector and emitter connection of the IGBT is formed and with the plasma source switched against the reference potential connected is. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vier IGBT mit jeweils einer Endstufe zu einer Vollbrückenschaltung zusammengeschaltet sind, wobei der Ausgang aus den jeweiligen gemeinsamen Kollektor- und Emitteranschlüssen der beteiligten IGBT gebildet und mit der Plasmaquelle verbunden ist.4. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that four IGBT with one output stage are connected together to form a full bridge circuit, whereby the output from the respective common collector and emitter connections of the involved IGBT is formed and connected to the plasma source. 5. Verfahren zum Einspeisen von Elektroenergie in ein Plasma einer Glimmentladung bei einer Frequenz im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz, vorzugsweise von 50 kHz, mit einer MOSFET-Endstufe oder mehreren MOSFET-Endstufen als Treiber für Hochleistungs- IGBT, bei dem die Energie als gepulste Gleichspannung oder Wechselspannung in die Plasmaquelle eingespeist wird, wobei bei der Verwendung von mehr als zwei IGBT die einzelnen IGBT mit einem zeitlichen Versatz zyklisch angesteuert werden, so dass der zeitliche Versatz die Periodendauer der resultierenden Frequenz ergibt.5. Method for feeding electrical energy into a plasma during a glow discharge a frequency in the range from 20 kHz to 100 kHz, preferably from 50 kHz, with a MOSFET output stage or several MOSFET output stages as drivers for high-performance IGBT, in which the energy in the form of pulsed DC voltage or AC voltage Plasma source is fed, with the use of more than two IGBT  individual IGBT are cyclically controlled with a time offset so that the time offset gives the period of the resulting frequency.
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