DE3829251A1

DE3829251A1 - DC voltage supply having stepped fast interruption

Info

Publication number: DE3829251A1
Application number: DE19883829251
Authority: DE
Inventors: Siegfried Ing Grad Maxam
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: MULTI-ARC OBERFLAECHENTECHNIK GMBH, 5060 BERGISCH
Priority date: 1988-08-29
Filing date: 1988-08-29
Publication date: 1990-03-01
Anticipated expiration: 2008-08-30
Also published as: DE3829251C2

Abstract

If parasitic discharges occur in a discharge PVD coating system, then it is necessary, in order to avoid damage to the workpieces, to interrupt the current, which is then sharply rising, withing microseconds. When switching back on, and equally steep voltage rise is desired, in order to achieve the optimal process parameters immediately again. For this and for other purposes, a DC voltage supply is proposed which consists of individual, series connected stages 1 to 8, each of which outputs only a limited voltage which can be regulated and controlled without the use of special components. This voltage is switched off if the current intensity exceeds a predetermined maximum value and/or if an excessivly steep current rise occurs within the time step. After a predetermined time interval has elapsed, which leads, for example, to the extinguishing of an undesired discharge (are), the stage is automatically switched back on. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichspannungs versorgung nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs. Ihre Anwendung ist in erster Linie für die Stromversorgung von Beschichtungsanlagen vorgesehen, bei denen ein mit Hilfe eines Lichtbogens in den Plasmazustand überführtes Material, ggf. nach Reaktion mit einem die Beschichtungskammer füllenden Gas, auf den zu beschichtenden Gegenständen niedergeschlagen wird. Sie ist jedoch universell verwendbar und ihr Einsatz verspricht überall dort Vorteile, wo hohe Ströme von einem hohen Potential abgeschaltet werden müssen. Die von der Anmelderin hergestellten Beschichtungsanlagen in der beschriebenen Art werden typischerweise bei einer Spannung von 1500 Volt betrieben, wobei im Normalbetrieb Ströme von etwa 10 bis 80 Ampère fließen.The present invention relates to a DC voltage supply according to the preamble of claim 1. Your Application is primarily for the power supply of Coating systems are provided, in which one with the help of a Arc material converted into the plasma state, if necessary after reaction with a gas filling the coating chamber, is deposited on the objects to be coated. However, it can be used universally and its use promises advantages wherever high currents with high potential must be switched off. The one from the applicant Coating systems produced in the manner described are typically at a voltage of 1500 volts operated, with currents of about 10 to 80 in normal operation Ampere flow.

Beim Betrieb von PVD-Beschichtungsanlagen dieser Art tritt das Problem auf, daß sich gelegentlich auch unerwünschte Lichtbögen bilden, die einen Großteil der Energie absorbieren und daher zu Schäden führen können, wenn sie zwischen den das zu verdampfende Material enthaltenden Kathoden und ungeeigneten Anoden auftreten. Dies können z. B. die zu beschichtenden Gegenstände selbst sein, die durch dabei erlittene Oberflächenschäden unbrauchbar gemacht werden können; auch an der Kathode können durch den dann unregelmäßigen Abbrand Schäden hervorgerufen werden, die deren Lebensdauer herabsetzen. Die zu erwartenden Schäden sind um so größer, je größer das Produkt aus Energie, Abgabe und Zeitdauer des unerwünschten Lichtbogens ist. Daraus ergibt sich die Forderung nach einer Abschaltung, die im Mikrosekundenbereich wirksam wird. Für eine weitergehende Erläuterung der mit dem Auftreten parasitärer Lichtbögen verbundenen Probleme und der bisher zu ihrer Verhinderung ergriffenen Maßnahmen wird auf eine undatierte, als "Application Notes" bezeichnete Druckschrift der Firma Advanced Energy Industries, Inc. "The MDX as a Strategic Tool in Reducing Arcing" von Douglas S. Schatz hingewiesen. Nachdem der unerwünschte Lichtbogen infolge der Abschaltung erloschen ist, soll der Beschichtungsprozeß selbstverständlich fortgesetzt werden; dabei ist es erforderlich, daß die Betriebsspannung möglichst schnell (ebenfalls im Mikrosekundenbereich) erreicht wird, da während eines langsamen Spannungsanstieges die Prozeßparameter zu lange in einem undefinierten Bereich verharren, worunter die Qualität der Beschichtung leiden kann. Darüber hinaus wird hierdurch auch die Prozeßdauer in unvorteilhafter Weise verlängert. Bekannte thyristorgeregelte Hochspannungsversorgungen, ggf. mit einer Drossel im Ausgangskreis zur Strombegrenzung, die bei Auftreten eines unerwünschten Lichtbogens über einen Thyristor kurzgeschlossen werden, erlauben nur Schaltvorgänge im Millisekundenbereich. Ebenfalls thyristorgeregelte Hochspannungsversorgungen mit Längsschalter haben sich als weniger geeignet erwiesen, weil der Schutz von Halbleiterbauelementen gegen die Abschaltspitzen nur schwer zu bewerkstelligen ist. Geräte, die eine Vakuumröhre als Längsschalter einsetzen, bauen sehr groß und aufwendig. In der oben angesprochenen Druckschrift wird ein Gerät vorgeschlagen, das den Lichtbogen selbst als Schalter benutzt und eine Induktion verwendet, die durch den Lichtbogen mit einer Kapazität in Serie geschaltet wird. Dieses Gerät erfüllt zwar die bisher genannten Anforderungen, zeigt jedoch im Betrieb eine unerwünscht hohe Welligkeit.This occurs when operating PVD coating systems of this type Problem on that sometimes there are also undesirable arcs form that absorb a lot of the energy and therefore too Damage can result if between the too evaporating material containing cathodes and unsuitable Anodes occur. This can e.g. B. those to be coated Objects themselves that are suffered by Surface damage can be made unusable; also on the cathode can then burn through irregularly Damage is caused to their lifespan belittle. The damage to be expected is the greater, ever greater the product of energy, levy and duration of the undesirable arc. This leads to the requirement after a shutdown that is effective in the microsecond range becomes. For a more detailed explanation of the occurrence problems associated with parasitic arcing and so far The measures taken to prevent them are based on a undated, referred to as "Application Notes" from Advanced Energy Industries, Inc. "The MDX as a Strategic Tool in Reducing Arcing "by Douglas S. Schatz pointed out. After the undesirable arc as a result of Shutdown has expired, the coating process should of course be continued; it is there required that the operating voltage as quickly as possible (also in the microsecond range) is reached because during a slow voltage increase the process parameters too long remain in an undefined area, including quality the coating can suffer. It also does this the process time is also disadvantageously extended. Known thyristor-controlled high-voltage supplies, possibly with a choke in the output circuit to limit the current An undesirable arc occurs through a thyristor are short-circuited, only allow switching operations in the Millisecond range. Also controlled by thyristor High voltage supplies with a series switch have proven to be proven less suitable because of the protection of Semiconductor components against the shutdown peaks are difficult to is accomplished. Devices that use a vacuum tube Use series switches, build very large and complex. In the A device is proposed, that uses the arc itself as a switch and one Induction used by the arc with a Capacity is connected in series. This device fulfills the requirements mentioned so far, but shows in operation an undesirably high ripple.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Hochspannungs gleichstromversorgung mit geringer, möglichst konstanter Welligkeit, die bei Auftreten unzulässig hoher Ströme oder eines unzulässig hohen Stromanstiegs in der Zeiteinheit selbsttätig im Mikrosekundenbereich abschaltet und ebenso selbsttätig und in einer etwa gleichen Zeitspanne wieder eingeschaltet wird, sobald das die Abschaltung hervorrufende Ereignis, z. B. ein unerwünschter Lichtbogen in einer PVD-Beschichtungsanlage, weggefallen ist. Die Vorrichtung, die aus Platz- und Kostengründen von marktgängigen Halbleiterbau elementen Gebrauch macht, soll diese in ausreichendem Maße gegen Spannungsspitzen schützen und auch in der Lage sein, bei Teilspannungen betrieben zu werden.The object of the present invention is a high voltage DC power supply with a low, as constant as possible Ripple that occurs when impermissibly high currents or an impermissibly high current rise in the time unit switches off automatically in the microsecond range and likewise automatically and in about the same amount of time is switched on as soon as the one causing the shutdown Event, e.g. B. an undesirable arc in a PVD coating system, has been eliminated. The device that due to space and cost reasons of marketable semiconductor construction makes use of elements, this should be sufficient protect against voltage spikes and also be able to Partial voltages to be operated.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im kennzeichnenden Teil des 1. Anspruchs angegebene Mittel. Durch die Aufteilung in einzelne, vorteilhafterweise modular ausgestaltete Stufen können diese mit Hilfe erprobter Halbleiterbauelemente aufgebaut werden, wie sie auch sonst zur Schaltung und Regelung von Spannungen in der Größenordnung der Netzspannung verwendet werden. Auf besondere und dementsprechend teure Bauteile kann verzichtet werden.This problem is solved by the in the characterizing Part specified in the first claim. By dividing up in individual, advantageously modular stages can do this with the help of proven semiconductor devices be set up as they are otherwise for switching and control of voltages on the order of the mains voltage will. On special and accordingly expensive components to be dispensed with.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem 2. Anspruch können durch Zusammenschalten von verhältnismäßig wenigen Stufen je nach Wunsch verschieden hohe Spannungen abgegriffen werden, wobei die Anzahl der verschiedenen zur Verfügung stehenden Spannungen größer ist, als die Anzahl der Stufen der Versorgung, wie weiter unten bei der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles näher ausgeführt wird.In an embodiment of the invention according to claim 2 can by interconnecting relatively few Levels can be tapped at different levels as required be the number of different available standing voltages is greater than the number of stages of Care, as described below in describing a Embodiment is performed in more detail.

Entsprechend der im 3. Anspruch gegebenen Lehre schaltet jede Stufe einzeln beim Überschreiten eines vorgegebenen Höchststromes aus, wobei die Strombegrenzung für die einzelnen Stufen nicht notwendigerweise gleich hoch angesetzt werden muß.Each switches according to the teaching given in the third claim Level individually when exceeding a predetermined one Maximum current, the current limitation for the individual Levels do not necessarily have to be set at the same level.

Die beschriebene Abschaltvorrichtung weist eine zwar geringe, aber insofern nicht bedeutungslose Trägheit auf, als bei sehr schnellem Anstieg der Stromstärke diese auch nach dem Auslösen der Abschaltung beim Überschreiten einer bestimmten Stromstärke noch in einem Bereich ansteigen kann, wo Schäden nicht auszuschließen sind, bevor die Abschaltung wirksam wird. Dies kann durch eine Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem 4. Anspruch verhindert werden, wodurch die Abschaltung bereits vor Erreichen dieser Stromstärke ausgelöst wird, wenn ihr Anstieg je Zeiteinheit ein bestimmtes Maß übersteigt.The switch-off device described has a small but not insignificant laziness insofar as very rapid increase in current even after tripping switching off when a certain current is exceeded can still increase in an area where damage is not must be excluded before the shutdown takes effect. This can by an embodiment of the invention according to the 4th Claim can be prevented, which means the shutdown before Reaching this current is triggered when its rise per unit of time exceeds a certain level.

Läßt sich für das Ereignis, das die Schnellabschaltung ausgelöst hat, eine bestimmte, typische Zeitdauer feststellen (im beschriebenen Beispiel für das Erlöschen des unerwünschten Lichtbogens), so liefert eine gemäß dem 5. Anspruch ausgestaltete erfindungsgemäße Einrichtung ohne vermeidbare Totzeiten sofort wieder Spannung, wenn das auslösende Ereignis vergangen ist. Hält dieses noch an, erfolgt eine erneute sofortige Abschaltung und abermals nach dem Abwarten der vorgegebenen Zeitspanne eine Wiederholung des Einschaltversuches. Diese Kette setzt sich selbsttätig fort, bis das Hindernis weggefallen ist.Can be used for the event that the quick shutdown triggered a certain, typical period of time (in the example described for the extinction of the undesired Arc), so delivers according to the 5th claim designed inventive device without avoidable Dead times immediately restore tension when the triggering event has passed. If this still persists, another one takes place immediate shutdown and again after waiting for the predetermined period of time a repetition of Attempt to switch on. This chain continues automatically until the obstacle is gone.

Die im 6. Anspruch vorgeschlagene Anzeige des Schaltzustandes jeder Stufe gestattet eine leichte Kontrolle der zur Verfügung stehenden Spannung.The proposed in the 6th claim display of the switching state each level allows easy control of the available standing voltage.

Entsprechend dem 7. Anspruch läßt sich eine Gleichspannungs versorgung der hier beschriebenen Art in an sich bekannter Weise mit anderen derselben Art parallel schalten, wenn Ströme beherrscht werden müssen, die über dasjenige hinausgehen, was unter Zugrundelegung der Verwendung von Standardbauteilen aus einem niedrigeren Spannungsbereich erreicht werden kann.According to claim 7, a DC voltage can be used supply of the type described here in a known manner Connect in parallel with others of the same type when currents must be mastered that go beyond what based on the use of standard components a lower voltage range can be achieved.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt:An embodiment of the invention is in the drawing shown, namely:

Fig. 1 ein Gesamtschaltbild und Fig. 1 is an overall circuit diagram and

Fig. 2 Einzelheiten der in Fig. 1 in einem Kasten zusammengefaßten Schaltung jeder einzelnen Spannungsstufe. Fig. 2 details of the circuit summarized in Fig. 1 in a box of each individual voltage level.

Das Gerät ist im Beispiel aus acht grundsätzlich gleich aufgebauten Stufen 1 bis 8 zusammengesetzt. Dabei liefern die einzelnen Stufen unterschiedliche Spannungen, hier z. B. die Stufe 1 15 Volt, die Stufe 2 30 Volt, die Stufe 3 60 Volt, die Stufe 4 120 Volt, die Stufe 5 180 Volt und die Stufen 6 bis 8 je 240 Volt, so daß, da die einzelnen Stufen in Reihe geschaltet sind, insgesamt die Summe der Teilspannungen, d. h. 1125 Volt, zur Verfügung stehen. Durch Einschalten nur einzelner Stufen können (im Beispiel in Abstufungen von jeweils 15 Volt) andere, niedrigere Spannungen zusammengestellt werden; aus den Stufen 1, 4, 7 und 8 zusammen beispielsweise 615 Volt. Das Gerät wird vorzugsweise mit dreiphasig gleichgerichteten Spannungen aus einem Drehstromtransformator mit Primärwicklungen 9 und Sekundärwicklungen 10 betrieben, wobei diese galvanisch getrennt und je für sich abgesichert sind. Dabei sind die Sekundärwicklungen 10 unterschiedlich ausgestaltet, um die oben beschriebene Möglichkeit einer abgestuften Spannungsversorgung zu gewinnen. Der Wechselstrom wird in Dioden 12 gleichgerichtet und wird schließlich an Klemmen 13 und 14 abgegriffen, an denen in bekannter Weise die Summe U _Aus der Einzelspannungen U _{a 1}-U _{a 8} der einzelnen Stufen 1 bis 8 anliegt, soweit diese eingeschaltet sind. Die Einschaltung jeder einzelnen Stufe erfolgt (siehe Fig. 2) über einen Optokoppler 13, wobei über einen weiteren Optokoppler 14 eine Rückmeldung, d. h. eine Anzeige des Schaltzustandes, erfolgt. Ferner ist je Stufe eine weitere Diode 15 vorhanden, die gesperrt sind, wenn die betreffende Stufe eingeschaltet ist, sonst aber leitend sind. jede Stufe 1 bis 8 weist neben einer Stabilisierung 16 noch einen mit Hilfe des ersten Optokopplers 13 einschaltbaren Treiber 17 auf. In einem ersten Komparator 18 wird die augenblickliche Stromstärke mit einer maximal zulässigen Stromstärke verglichen. Übersteigt Erstere Letztere, wird ein Zeitglied 20 geschaltet; das gleiche geschieht, wenn in einem zweiten Komparator 19 der Vergleich des in der jeweiligen Zeiteinheit stattfindenden Stromanstiegs mit einem ebenfalls vorgegebenen Grenzwert dessen Überschreitung ergibt. Über den Treiber 17 schließlich erfolgt die Schließung bzw. Öffnung des eigentlichen Schalters 22, der aus Leistungs-Feldeffekttransistoren 21 besteht, durch den die betroffene Stufe 1 bis 8 aus- bzw. eingeschaltet wird. Da die Komparatoren Totzeiten von mehreren 100 Nanosekunden aufweisen, ist eine Umgehung mit einem weiteren Transistor 23 vorhanden. Die Schaltung der einzelnen Stufe wird durch einen Shunt 24 vervollständigt. Über eine Verbindung 25 kann die hier beschriebene Einheit parallel zu einer anderen der gleichen Art geschaltet werden, so daß auch stärkere Ströme geschaltet werden können.In the example, the device is composed of eight levels 1 to 8 , which are basically the same. The individual stages deliver different voltages, here z. B. stage 1 15 volts, stage 2 30 volts, stage 3 60 volts, stage 4 120 volts, stage 5 180 volts and stages 6 to 8 each 240 volts, so that since the individual stages in series are switched, the total of the partial voltages, ie 1125 volts, are available. By switching on only individual stages, other, lower voltages can be put together (in the example in steps of 15 volts); from levels 1 , 4 , 7 and 8 together for example 615 volts. The device is preferably operated with three-phase rectified voltages from a three-phase transformer with primary windings 9 and secondary windings 10 , these being galvanically isolated and each being individually protected. The secondary windings 10 are designed differently in order to gain the possibility of a graduated voltage supply described above. The alternating current is rectified in diodes 12 and is finally tapped at terminals 13 and 14 , at which the sum U _from the individual voltages U _{a 1} - U _{a 8 of} the individual stages 1 to 8 is present in a known manner, insofar as these are switched on. Each individual stage is switched on (see FIG. 2) via an optocoupler 13 , feedback, that is to say an indication of the switching state, taking place via a further optocoupler 14 . Furthermore, a further diode 15 is present for each stage, which is blocked when the stage in question is switched on, but is otherwise conductive. in addition to stabilization 16 , each stage 1 to 8 also has a driver 17 which can be switched on with the aid of the first optocoupler 13 . The instantaneous current strength is compared in a first comparator 18 with a maximum permissible current strength. If the former exceeds the latter, a timer 20 is switched; the same happens if in a second comparator 19 the comparison of the current increase taking place in the respective time unit with a likewise predetermined limit value results in its exceeding. Finally, the driver 17 closes or opens the actual switch 22 , which consists of power field-effect transistors 21 , by means of which the stages 1 to 8 concerned are switched on and off. Since the comparators have dead times of several 100 nanoseconds, a further transistor 23 is bypassed. The switching of the individual stage is completed by a shunt 24 . The unit described here can be connected in parallel to another of the same type via a connection 25 , so that stronger currents can also be switched.

Wird aus dem Gerät Strom entnommen, d. h. aus seinen eingeschalteten Stufen, so entsteht an jedem Shunt 24 ein Spannungsabfall, der dem ersten und zweiten Komparator 18, 19 zugeführt wird. Schaltet mindestens einer der Komparatoren beim Überschreiten der eingestellten Grenzwerte, wird das Zeitglied 20 geschaltet und dieses wiederum schaltet die Feldeffekt transistoren 21 ab. Bei dem oben angesprochenen Beispiel der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungs versorgung einer PVD-Anlage würde das Zeitglied 20 nach Verstreichen einer Zeitspanne von beispielsweise 2 bis 5 Millisekunden die Stufe erneut einschalten. Liegen die Kriterien noch vor, die zur Abschaltung geführt haben, erfolgt erneut eine Abschaltung.If current is drawn from the device, that is to say from its switched-on stages, a voltage drop occurs at each shunt 24 and is supplied to the first and second comparators 18 , 19 . If at least one of the comparators switches when the set limit values are exceeded, the timer 20 is switched and this in turn switches off the field effect transistors 21 . In the above-mentioned example of the use of the device according to the invention for supplying power to a PVD system, the timer 20 would switch the stage on again after a period of, for example, 2 to 5 milliseconds. If the criteria that led to the shutdown still exist, the shutdown will take place again.

Die Welligkeit der gelieferten Spannung liegt bei etwa 4%. Der Innenwiderstand ist nur gering, so daß ein günstiger Wirkungsgrad erzielt wird und auf eine Kühlung oft verzichtet werden kann.The ripple in the voltage supplied is approximately 4%. The Internal resistance is only low, making it a cheaper one Efficiency is achieved and often does without cooling can be.

Claims

1. Switchable DC voltage supply, characterized in that it is constructed from a plurality of stages ( 1-8 ) arranged in series, each for itself switchable, supplying a partial voltage.

2. DC voltage supply according to claim 1, characterized in that the partial voltages supplied by the individual stages ( 1-8 ) are different such that the total voltage can be graded in a number of uniform steps which is greater than the number of stages.

3. DC voltage supply according to claim 1 or 2, characterized in that the individual stages ( 1-8 ) switch off when a maximum permissible current I _{max is} exceeded.

4. DC voltage supply according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the individual stages ( 1-8 ) switch off when exceeding a maximum permissible current rise per time unit d _i / d _t .

5. DC voltage supply according to one or more of the preceding claims, characterized in that each stage ( 1-8 ) is provided with a timer ( 20 ) which switches the stage on again after a predeterminable period of time after switching off.

6. DC voltage supply according to one or more of the previous claims, thereby characterized in that each stage with a Display device of its switching state is provided.

7. DC voltage supply according to one or more of the previous claims, thereby characterized that they are with their peers can be connected in parallel.