（电力电子与电力传动专业论文）双h桥中频磁控溅射电源研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t i no r d e rt oo v e r c o m et h et a r g e ts b l f a c ei g n i t i o ni nt h ed cr e a c t i v es p u t t e r i n g ，i n r e c e n ty e a r sp u t sf o r w a r dan e wp u l s ep o w e rs u p p l yf o rt h ep l a s m as p l a s ht h a ta c s p u t t e r i n gp o w e rs u p p l y e x p l a i nt h er e a s o n so fm a i nc i r c u i ta d a p t i n gt ot h ep l a s m ai n t h e o r ya n dg i v et h ec i r c u i tb l o c kd i a g r a mo fp o w e rs u p p l y u s i n gt h em e t h o do fc o n n e c t i n gd u a lh - b r i d g e ，w ea c h i e v et h et a r g e to fe n h a n c e t h eo u t p u tv o l t a g eo fp o w e r i nt h es a m et i m e , s i n c ew eu s et w o - t a r g e tc o n v e r s i o n t e c h n o l o g y , e a c hm e t a lt a r g e tc a l lc h a n g et oe a c ho t h e rs a f e l y t h ep a s tp o w e ri nc o a tb a s i c a l l yw a ss e tt ob eap o w e rw i t hc o n s t a n tc u r r e n t , u s i n g c o n s t a n tc u r r e n tt oc o n t r o ls p u t t e r i n gm e t h o d ，t h i sp a p e rh a ss m d i e dt h ea p p l i c a t i o no f c o n s t a n tv o l t a g ep o w e ri nc o a t i n gt e c h n o l o g y , a n dt h ea c t u a la p p l i c a t i o np r o v et h a tt h e c o n s t a n tv o l t a g ep o w e rc a na l s ob eu s e di nc o a t i n gt e c h n o l o g ys t e a d i l y t h et a s kd e s c r i b e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h et w oi n v e r t e r st oa c h i e v et h eh i g h i n v a r i a b l ev o l t a g e a c h i e v ez e r ov o l t a g es o f ts w i t c h i n go fi g b tb yp h a s e - s h i f t e dp w m c o n t r o lm o d et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ep o w e rs u p p l y a tt h es a m et i m e ，a n a l y z e t h es p u t t e r i n gp h e n o m e n o no e c i i r sw h e nt h ea b n o r m a ld i s c h a r g ea n dp r o p o s ean e w c i r c u i tt h e o r ya b o u tc l e a ra r c d e s c r i b et h em a i nc i r c u i t ：s p e c i f i e st h em a i nc i r c u i td e s i g ni d e a so fp o w e rs u p p l y a n ds e t sf o r t ht h et w oi n v e r t e r so ft h em a i nc i r c u i t t h es e c o n di n v e r t e rc i r c u i tw h i c h u s e st h el a t e s ti n v e r t e rt h i n k i n g ( hb r i d g ei ns e r i e si n v e r t e r ) a n dt h en e ws w i t c h i n g d e v i c e - d o u b l ei n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o ri g b t a tl e n g t he x p o u n dt h ed e s i g n a n dp r o d u c t i o nm e t h o d sa b o u th i l g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r d e s i g n st h ec o n t r o lc i r c u i t ：i ti st h em o s ti m p o r t a n tt oi n c r e a s et h ef r e q u e n c yf o r r e d u c i n gt h es i z ea n de l i m i n a t et h en o i s eo fp o w e rs u p p l y f i r s to fa l l ，i n t r o d u c i n gt h e m a i nr e s t r i c t i n gf a c t o r so nh i g h f r e q u e n c yi st h eh a r d - s w i t c h i n gw o r k i n gs t a t u so f p o w e rs w i t c h i n gd e v i c e a n dt h u se x p l a i nt h ec a u s e sa n dc l a s s i f i c a t i o no fs o f ts w i t c h t e c h n o l o g y , a l s od e t a i ld e s c r i p t i o no ft h es o f t s w i t c ht e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o c e s s a n dt y p i c a lc i r c u i tt o p o l o g yi nv a r i o u ss t a g e sp o i n t i n go u tt h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s i nt h ea n a l y s i so ft h ef a c t o r st h a tl i m i th i 【g h - f r e q u e n c ya n dt h el a t e s t i n t e g r a t e dr e s e a r c hr e s u l t so fs o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g y , a n a l y s e sa n dd e s i g n t h e 英文摘要 p h a s e s h i f t e dp w ms o f t s w i t c h i n gc o n t r o lt e c h n i q u ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo f c i r c u i t d i s c u s s ei nd e t a i lt h ev a r i o u sp r o t e c t i o nc i r c u i t s ：o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t ， o v e rv o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t , o v e r l o a dp r o t e c t i o nc i r c u i ta n dt h e r m a lp r o t e c t i o n c i r c u i t s g i v et h ed e s i g nr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ：t h ec o n c l u s i o nt e s t i f i e st h a t t h ep o w e rs u p p l yi ss t a b l e ，b u ta l s or e l i a b l ea n dt h a ti th a sg o o dc o a t i n gq u a l i t ya n d g o o dm a r k e tp r o s p e c t s k e yw o r d s ：p u l s ep o w e rs u p p l y ：i n v a r i a b l ev o l t a g e ：p h a s e - s h i f tf u l l - b r i d g e ： s o f ts w i t c h i n g ：d u a lh b r i d g e s ；c l e a ra r e ：t w o - t a r g e tc o n v e r s i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文= = 塑h 援虫麴磁控遗蕴电邃鲤究 = = o 除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：猡莉落川q 年月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密影( 请在以上方框内打“，) 论文作者签名：罗藜燕导师签名：芽冻侈 e t 期：刊口年易月刀e l 双h 桥中频磁控溅射电源研究 第1 章绪论 1 1 开关电源的发展 上世纪6 0 年代，开关电源的问世，使其逐步取代了线性稳压电源。4 0 多年来， 开关电源技术有了飞迅猛发展和变化，经历了功率半导体器件、高频化和软开关 技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段【l l 。 第一个阶段是功率半导体器件的发展。功率半导体器件从双极型器件( b p t 、 s c r 、g t o ) 发展为m o s 型器件( 功率m o s f e t 、i g b t 、i g c t 等) ，使电力电子 系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。 第二个阶段是开关电源的高频化和软开关技术的发展。自上世纪8 0 年代开始， 高频化和软开关技术的开发研究，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。 高频化和软开关技术是过去2 0 年国际电力电子界研究的热点之一。提高开关电源 的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不断努力追求的目标。电源的小型化、 减轻重量对便携式电子设备( 如移动电话，数字相机等) 尤为重要。使开关电源小型 化的具体办法有两个方向：首先是高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高 p w m 变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。电源系统中应用 大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件，有许多问题 需要研究。对高频磁元件所用磁性材料有如下要求：损耗小，散热性能好，磁性 能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米结晶软磁材料也已开 发应用。高频化以后，为了提高开关电源的效率，必须开发和应用软开关技术。 它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。对于低电压、大电流输出的软开关 变换器，进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。例如同步整流s r 技术，即以功率m o s 管反接作为整流用开关二极管，代替萧特基二极管( s b d ) ， 可降低管压降，从而提高电路效率。 第三个阶段是开关电源系统的集成技术发展上世纪9 0 年代中期，集成电力电 子系统和集成电力电子模块( i p e m ) 技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待 解决的新问题之一。电源设备的制造特点是：非标准件多、劳动强度大、设计周 第1 章绪论 期长、成本高、可靠性低等，而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可靠 性更高、更轻便、成本更低。这些情况使电源制造厂家承受巨大压力，迫切需要 开展集成电源模块的研究开发，使电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模 生产、降低成本等目标得以实现。 实际上，在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化， 功率与控制电路的集成化，集成无源元件( 包括磁集成技术) 等发展阶段。近年来的 发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑，体 积更小，也减小了引线长度，从而减小了寄生参数。在此基础上，可以实现一体 化，所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。 1 2 国内外研究现状 脉冲磁控溅射技术是目前比较先进的磁控溅射技术，而国内磁控电源技术发 展相对落后，如可控硅电源等相对落后的电源仍有使用，类似这种电源有很多， 其动态特性不能满足镀件的工艺的要求以及溅射效率低是根本问题所在。因此， 脉冲磁控溅射电源存在着广泛的市场和发展空间。 - 高功率脉冲磁控溅射技术( h p p m s ) 作为一种溅射粒子离化率高、可以沉积致 密、高性能薄膜的新技术已经在国外广泛研究，但在国内尚未见研究报道。只是介 绍了近十年来h p p m s 技术在电源、脉冲形式、异常放电和薄膜沉积等方面的研究 进展在h p p m s 过程中，粒子随脉冲开关通过电子冲击和电荷交换电离，并按照双 极扩散理论向基体附近传输，离子能量分布随工作气压的不同而呈现不同的分布 特征。这些放电特征有利于获得更宽的工艺范围和优异的膜层性能，虽然没有报道 但是在国内已有实验室在h p p m s 方面进行研究。 为了在正半周内完全中和负半周中靶面绝缘层表面积累的正电荷，脉冲电压 必须具有一定的波形参数。s s c h i l l e r 等通过计算指出脉冲电压的频率应为数十千 赫。日本真空技术株式会社研制的a 2 k ( a c t i v ea r ek i l l e r ) 脉冲溅射电源频率为2 0 k h z ：德国莱宝公司设计的非平衡对靶溅射设备使用的溅射电源输出频率为4 0 k h z 。 2 双h 桥中频磁控溅射电源研究 1 3 课题意义 随着现代科技的发展，真空薄膜技术也迅猛发展起来。零件表面功能可以被 薄膜技术有效而经济地改变，防止因磨损、腐蚀或氧化引起的失效，并且还可以延 长其使用寿命。在制备薄膜技术中，高脉冲功率磁控溅射( h p p m s ) 技术是最近 才发展起来的一种新型磁控溅射技术。高功率脉冲溅射粒子离化率很高，有时甚 至可达7 0 - 8 0 3 1 ，所以h p p m s 模式制备的镀膜膜层致密、性能优良，而且h p p m s 可以被看为“无大颗粒的阴极消除弧光技术，也被国外很多的研究单位所重视。 磁控溅射技术要求溅射过程稳定均匀，所以在整个制膜技术过程中对电源的 要求比较高，主要要求电源能够提供稳定的高电压，而且频率也要求为高频或者 中频。以前都是用输出恒定电流的电源来消除异常弧光等镀膜过程中不稳定问题 的，本课题是应某电源单位的要求研究恒压电源是否也可以稳定地应用在镀膜中。 课题就是按照太阳能镀膜的要求设计的高压高频的电源。要求在电源工作时， 溅射靶可以有稳定的沉积速率，并且要求电源自动化程度高，例如消除弧光后自 动启动，可以远程控制靶之间的转换等。可以说此课题具有一定的先进性，如果 试用成功，应用前景将非常好。 1 4 课题存在的难点 在课题设计的过程中，及时并且有效地消除异常弧光现象是颇费时间和精力 的。当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低电器的触头间便会产生电弧。 当弧光放电时，电压不高，电流增大的两极间电压反而下降，并且有强烈光辉。 电路中异常放电的现象是：金属靶和炉壳间的电压迅速降到2 0 伏左右，电流基本 仍保持不变。异常弧光容易形成靶中毒，是必须要消灭的。一般不同的设备有不 一样的灭弧电路，这个课题设计中，用s g 2 5 2 5 和多个比较器联合组成灭弧电路部 分。灭弧电路会在第四章保护电路中进行具体论述。 1 5 论文的结构和主要内容 磁控溅射是一种普遍采用的薄膜制备方法，本文就是中频磁控溅射电源，为 大功率溅射恒压电源。为使电源可调节恒定输出电压，电源将电网3 8 0 v 交流电经 3 第1 章绪论 整流滤波得到直流电压，将这直流电提供给全桥移相变换器实现逆变升压功能， 得到高压脉冲方波后再经过整流、滤波，第二次双h 桥逆变后，从而得到交流接 近方波的波形而达到电源的设计要求。其中采用移相控制方式，实现开关管i g b t 的零电压软开关，提高电源效率，同时电源还具有灭弧及之后自动启动的能力、 过压保护、过流保护功能。 论文总体是按照总分的结构介绍电源设计的。在第二章首先简要给出了系统 总的框架图，接着详细阐述了主电路中的逆变及其逆变电路中的开关器件。这是 系统的中心部分。第三章着重介绍了控制电路和驱动电路，以及课题所用的移相 式p w m 软开关控制技术，并且仔细介绍了控制集成模块u c 3 8 7 5 和驱动芯片 s g 2 5 2 5 。在第四章介绍了电路的各种保护电路，以使电源可以安全稳定地工作。 第五章阐述了实验结果和课题结论。 4 双h 桥中频磁控溅射电源研究 第2 章主电路的设计原理 2 1 系统总框图结构 为了电源能够恒定输出高的电压，一般电源设计主要包括主电路部分( 用于 恒压) ，控制电路部分和驱动电路部分。其中控制电路有过电压和过电流部分。图 2 1 是本课题的电路主框图，图中包含了电源设计主要的三部分。 图2 1 电路主框图 f i g 2 1m a i nc i r c u i td i a g r a m 课题中恒压电源基本参数要求有： 输入电压：从电网输入三相交流电3 8 0 v ，频率为5 0 h z ； 输出功率：0 至5 0 k w ； 输出电流范围：0 至5 0 a ； 输出电压范围：0 至1 0 0 0 v ； 输出频率：4 0 k h z ； 灭弧时间：不能多于3 呻，且灭弧后可以自动启动； 5 第2 章主电路的设计原理 占空比：0 至5 0 可调； 电源采用先进的开关电源技术，其参数调节范围不但宽而且稳定；动态响 准确迅速；元器件保护措施完善合理；由于频率大大地提高，所以电源体积减小 很多，而且重量轻，效率高。 电源的零电压软开关策略，通过移相控制方式来实现。使得开关元件的开关 损耗显著降低，提高了电源的效率。电源的突出特点是灭弧电路，当电源有异常 拉弧现象时，它可以及时检测并迅速灭弧，而且在延时一定时间后自动启动，电 源进入正常工作状态。电源的灭弧电路消除了靶中毒现象，明显延长了炉内各靶 的使用寿命。 2 2 开关器件ig b t 介绍 2 2 1i g b t 的结构和特点 g j c 。c g 叫 l e ie ( a ) 等效电路 ( b ) 电气符号 图2 2i g b t 的等效电路和电气符号 f i g 2 2i g b te q u i v a l e n tc i r c u i ta n de l e c t r i c a ls y m t m l s 晶体管i g b t 是由m o s f e t 和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极 为m o s f e t ，输出极为p n p 晶体管，因此，可以把其看作是m o s 输入的达林顿管。 如图2 2 是i g b t 的等效电路和电气符号图。它融和了这两种器件的优点，既具有 m o s f e t 器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，且模块 的商业化已非常广泛，性价比高，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广 泛的应用【4 1 。 在中大功率的开关电源装置中，i g b t 由于其控制驱动电路简单、工作频率较 6 双h 桥中频磁控溅射电源研究 高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或g t o 。但是在开关电源装置中，由于 它工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系 统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故i g b t 的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而，在选择i g b t 时除了要作降额考虑外， 对i g b t 的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。 2 2 2i g b t 的基本特性 i g b t 有三个基本特性：静态特性、动态特性和高温特性。 ( 1 ) 首先介绍三个静态特性：主要有输出伏一安特性、转移特性和静态开关特 性。 1 ) 输出伏一安特性 i g b t 的输出伏一安特性是表示以栅极一射极电压为参变量的集电极电流 ( ) 和集电极一发射极电压的关系。特性分为四个部分。 截止部分：在这个区域内，因为很小，所以随着的增加，l 也很 小，并且变化不大。这时，1 c 基本上等于c e 间的漏电流k 。 线性放大部分：伴随着的增加，当u o e u o e l 加) ( i g b t 的开启电压) 时，l 开始增加，并且随的变化呈线性关系。 ，c = g 。【厂谨 ( 2 1 ) 式中，乳i g b t 的跨导。 当i g b t 在逆变电路中工作在开关状态下，要求尽快地越过这个区域，以便减 小通态损耗。因此，g 。这个参数在实际应用中显得不是很重要了。 饱和部分：跟随着u a e 的再一步增大，c 和u 鲍并不再表现为线性关系， 而是j f 达到饱和，这时的集电极一发射极的压降称为i g b t 的饱和压降，记为 【么) 。一般情况下，u 髓( 埘，) - 2 4 v 。 击穿部分：在u 船位于任一个确定值时，增加u 岱的值，当u 江达到u 鳓彻 以后，i c 便会突然增大，从而发生过压击穿。此时的u ( 蛐c 被称为i g b t 的击穿 7 第2 章主电路的设计原理 电压。所以i g b t 绝对不能用在此区域内。 2 ) 转移特性 i g b t 的转移特性表示在不变的情况下，l 与的关系。在 l t 4 , 时， 厶= k 。随着的增加，在= 聃) 且继续增加时，k 呈线性增加而进入 放大区。我们称之为从截止区转移到线性放大区，其转移点为在= ( 曲) 。 称为i g b t 的栅极开启电压。一般情况下，c t h ) = 3 - - 5 v 。 3 ) 静态开关特性 i g b t 的静态开关特性实际上是表示i g b t 瞬间从导通( 关断) 转移成关断( 导 通) 的情况，即迅速越过线性放大区的特性。 ( 2 ) 下面介绍动态特性： i g b t 状态之间转换的过程的特性称为为其动态特性。前面讲述的都是静态特 性，只表明了i g b t 从一个稳态变化到另一个稳态时的特性，而并没有涉及状态转 换的过程。下面来介绍动态特性： 0 辕 。菊i 、i i i 图2 3i g b t 的动态特性曲线 f i g 2 3i g b td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cc i l l v e 由于i g b t 的动态特性与它所带的负载也有关系。，所以我们这里先介绍i g b t 双h 桥中频磁控溅射电源研究 带感性负载时的动态特性。i g b t 的负载为感性时的动态特性曲线如图2 3 所示。 1 ) 导通特性 在一般的情况下，为了保证i g b t 能够可靠地处于关断状态，在i g b t 的栅极 都加有一个负向的偏电压。在栅极电压从这个负偏压开始往正的方向变开始化 时，因为栅极电容处于充电过程，需要经过一段时间后，u 达到栅极开启电压 ( 蠊) 时，i g b t 的集电极电流k 才能由漏电流，锄开始增加。这段时间被称为导 通延迟时间乞。在经过0 时间以后，l c 达到了，例= 厶。式中的l 是流过感性负载 的电流。0 被称为电流的上升时间。这时，u c e 就开始下降，在。的时间内下降 到饱和e l s j 压u ) 值a 所以0 称为电压的下降时间。 i g b t 的导通时间t o n 等于乙，0 ，o 之和，即 0 2 0 + 0 + 0 ( 2 2 ) 2 ) 关断特性 当i g b t 处于导通状态时，栅极电容上是充有正电压。在向负方向变 化时，因为栅极电容的放电过程，在经过一段时间之后，u a 刺 j 、到栅极的开启 电压( 曲) ，这时集电极电流便开始下降。这段时间称为存储时间f j 。t s 过了之后 k 开始从五下降， 在上升过程中会产生电压的过冲，这是因为感性负载 的盔吐的作用，这段电压上升时间被记为0 。在。之后，l 继续下降，最后达 降到，这段时间称为电流的下降时间0 。 i g b t 的关断时间。等于l ，t u r ，0 之和，即 0 5 + f 。+ 矿 ( 2 3 ) t o n = 0 3 - 0 8 , u s 是第二代的i g b t 的导通时间，万= 0 6 1 5 p s 第二代的i g b t 的关断时间；第三代i g b t 的f 佣和。就更小。 ( 3 ) 下面介绍高温特性： 由于i g b t 在环境温度( 散热片温度) 达到2 0 0 。c 左右时，仍然能够正常工作， 所以说i g b t 具有优良的高温通态特性。尤其值得一提的是，跟随着温度的增高， 9 第2 章主电路的设计原理 i g b t 的正向压降没有升高反而略有所下降，在通态电流高于此值时，跟随着温度 的增高，其正向压降也是略有增加。而且还可以在某一个特定通态的电流下，伴 随着温度的不断变化，其通态正向压降却基本保持不变。这些特性都体现了i g b t 在高温的情况下的实际应用表现要优越于m o s f e t 器件。但是，有利有弊，在随 着环境温度的升高，i g b t 通态特性的确得到改善，它的动态特性却被带来了不利 的影响。例如，在室温的条件下，i g b t 器件的关断时间小于1 8 , u s ，但是当环境 温度升高到1 5 0 时，其关断时间却增加到了2 5 雄，如图2 4 所示。 翌 v 垦 茁 蔷 ：h t 2 ；j d a 2 导通则 j d a 2 1 发生动作，其常开开关闭合，那么k m a 经过闭合的k m b 3 连接到零线， 即k m a 导通；由于k m a 导通，k m a 1 和k m a 2 发生动作，由常开变为闭合， 则a 靶和a 电机有电导通；所以电源一旦有电，a 靶就会工作。 时间t l 和t 2 是根据下列公式确定的： t l = c a l r a l ( 4 1 ) 其中，c a l 取2 2 0 f ，r a l 取1 5 k 。 5 l 第4 章保护电路设计 t 2 = c a 2 r a 3 ( 4 2 ) 其中，c a 2 取1 0 0 , u f ，r a 3 取3 0 k 。 ( 2 ) a 靶转换到b 靶：当需要b 靶工作时，需要闭合开关b ，则j d b 3 可以连 接到零线而导通，其常开开关闭合，使得j d b l 连接到地导通；j d b i 的导通使 j d b l 1 和j d b l 2 发生动作，j d b l 1 断开，但与其并联的k m b 4 仍然闭合，所 以并不影响j d a l 的导通；j d b l 2 的常开开关闭合使c b l 和d b 4 支路连接到了 2 4 v ，c b l 和r b l 开始延时t l 时间封锁脉冲，经过t 2 时间z d b 的电压达到5 1 v 导通，则v b 导通，j d b 2 连接到地也导通；那么j d b l - 2 和j d b 2 - 2 发生动作，k m b 也连接到零线导通；紧接着k m b 1 、k m b 2 、k m b 3 和k m b - 4 发生动作，k m b - 4 断开使j d a l 断电，k m b 3 断开使k m a 和电机a 和a 靶都断电，k m b 2 使电机 b 接到火线上，k m b 1 使b 靶连接准备工作；j d a l 断电后接着j d a 2 也断电，发 光二极管d b 5 有电发光，至此a 靶完全断开，在封锁脉冲时间结束前，a 靶完全 断开，b 靶全部连接正确，当封锁脉冲时间结束后，b 靶才开始工作，完成了a 靶到b 靶的转换。 ( 3 ) b 靶转换到a 靶：当需要断开b 靶，让a 靶工作时，需要断开开关b 。则 j d b 3 与零线断开而关断；同时j d b l 与地线断开而断开；j d b l 1 恢复常闭状态， 使得j d a l 与地连接而导通并开始封锁脉冲，发光二极管d a 4 有电发光；在j d b l 断开后，j d b 2 断开，d b 5 熄灭，同时k m b 断电；k m b 1 和k m b 2 恢复断开状 态，使b 电机和b 靶断电，k m b 3 和k m b 4 恢复常闭状态；在j d a i 导通t 2 时 间后j d a 2 导通；j d a 2 1 动作使k m a 有电导通，从而使a 电机和a 靶连接导通； 在封锁脉冲结束时，完成了b 靶到a 靶的转换。 5 2 双h 桥中频磁控溅射电源研究 第5 章试验结果和课题结论 5 1 实验结果 经过分析试验原理，画电路图，制作电路板和调试各个部分，达到了以下结 果： 1 ) 在s g 2 5 2 5 的控制下，第一次的全桥逆变实现0 , 5 0 0 v 稳压，同时u c 3 8 7 5 用移相控制方式实现了串联双h 桥逆变的再次升压； 2 ) 控制电路都可以控制输出规则的波形； 3 ) 主电路在控制电路的控制下可以输出比较规则的波形； 4 ) 当发生过流，过压，过载等异常现象时，各个保护电路都能起到相应的保 护作用； 5 ) 双靶转换可以根据要求安全可靠地转换。 这些结果基本达到了电源的设计要求。 下列三个图形分别是s g 2 5 2 5 的输出经过四个m o s f e t 后驱动i g b t 的波形， 第一次逆变后经过变压器的波形和电源安装后的实物图。 图5 1 是控制器s g 2 5 2 5 输出的二电平经四个m o s f e t 变为三电平后驱动开 关i g b t 的脉冲波形，从图中可以看出，脉冲的上升沿和下降沿近乎是垂直的，使 得使得i g b t 的开关速度较快，开关损耗小。 5 3 第5 章实验结果和课题结论 一 幽5 1s g 2 5 2 5 驱动i g b e 的波形 f i g51 s g 2 5 2 5d r i v ec i r c u i t 矧5 2 逆变斤的波形 f i g5 2 a f t e r t h e w a v e i n v e r t c r 图52 是电源带负载时第二次逆变后的波形，从图中可以看出，当带负载时 逆变后脉冲的上升沿河下降沿不是十分陡峭，但返对负载的f 常工作牧有影响， 双h 桥中频磁控最射电源研究 所以第二次逆变也符合要求。 图5 3 是电源各个部分组装后的实物国，其体积和重量足技术改进前电源的一 半。新电源不但节省了用于包装的外壳材料，还使得运输，操作和维修更加方便。 图53 电源实物图 f i g5 3p o w 幽d m a d 52 课题结论 长期以来，溅射沉积技术利用溅射现象实验制取薄膜。随着工艺技术的日益 完善溅射技术由二极溅射发展到非平衡磁控溅射，迸一步强化了沉积技术的优 势。尤其是反应溅射，有效消除直流反应溅射介电材料和绝缘材料存在的异常弧 光放电导致的镀膜过程币稳定性和薄膜缺陷等问题。 阻前使用恒流电源解决镀膜过程中的问题，这次提出了恒压中频电源的方案 开发了中频磁控溅射恒压电源。 结果证明：从实际使用成本来说，恒压电源比恒流电源的费用较低。且同时 恒压电源也具有效率高等优点。 第5 章实验结果和课题结论 该电源利用移相式p w m 控制策略，实现了开关器件在换相时的软开关。与传 统的p w m 硬开关电源相比，移相式p w m 控制方式大大减小了开关器件的开关损 耗，提高了电源的工作频率和效率，减小了电源的体积，并且消除了开关器件的 峰值电压和浪涌电流，显著减小了开关器件的干扰，也实现了电源的低干扰。 在电源高压输出方面，采用双h 桥实现了升压。为提高电源的输出功率打下 了坚实的基础。双h 桥的控制策略先进，电路拓扑简单，所以在今后大功率逆变 电源的发展中，将占有重要的地位。当然，双h 桥也可以用于其它需要高压输出 的场合。 本课题只是中频磁控溅射电源，随着技术的进步，还可以用其它控制策略例 如d s p 进一步研究高频的磁控溅射电源。其应用前景非常乐观。 5 6 参考文献 参考文献 1 段立业多模式绿色开关电源控制器设计湖南大学，硕士学位论文，2 0 0 9 ，0 5 2 刘云峰，陈国平脉冲溅射电源的设计及其应用 j 电子器件，1 9 9 8 ，( 0 4 ) 3 茅昕辉，蔡炳初，陈国平脉冲溅射技术在氧化铝薄膜沉积中的应用 j 微细加工技术， 2 0 0 1 ，( 0 2 ) 4 曲学基，王增福，曲敬铠新编高频开关稳压电源电子工业出版社，2 0 0 5 ，1 1 5 刘风君现代高频开关电源技术及应用电子工业出版社，2 0 0 8 ，0 1 6 王兆安，黄俊电力电子技术机械工业出版社，2 0 0 3 ，0 9 7 刘胜利，高频开关电源使用新技术机械工业出版社 8 d e n l z a rc r u zm a r ti n s ，f e r n a n d oc c a s t a l d o h p p li c a t i o no ft h ez v s p 聊c o m m u t a t i o n c e l lt oaf u l l - b r i d g ed c - d cc o n v e r t e r i e e et r a n sc a s i ，1 9 9 9 ，4 6 ( 3 ) ：3 7 9 3 8 8 9 d 1 i s a b l e ，f c l e e t h eo p e r a t i o no faf u l 卜b r i d g e ，z e r o - v o l t a g e s w i t c h e dp w m c o n v e r t e r p r o c o fv p e c ，1 9 8 9 ：9 2 - 9 7 9 】lc h e n ac o m p a r a t i v es t u d yo fac l a s so ff u l lb r i d g ez e r o v o l t a g e - s w i t c h e dp w m c o n v e r t e r s i np r o c a p e c 1 9 9 5 ：8 9 3 8 9 9 1 0 陈杰珞低温等离子体化学及应用科学出版社，第1 版，2 0 0 1 ：卜7 ，1 6 一墙 1 1 周黎明，杨兰均高压脉冲电晕放电脱硫脱硝技术高电压技术，1 9 9 5 ，2 1 ( 3 ) ：2 5 2 9 1 2 吴彦，张若兵，许德玄利用高压脉冲放电处理废水的研究进展环境污染治理技术与设 备，2 0 0 2 ，3 ( 3 ) ：5 1 5 5 1 3 曹国斌，李俊忠，陈竹新放电频率影响筹离子体产物的研究湖南大学学报，1 9 9 5 ， 2 2 ( 2 ) ：6 4 - 6 7 1 4 y a nk ，v a nh e e s c he j 掰，p e m e na j m ，e t c b r i d g i n gt h eg a pf o rc o r o n a p l a s m aa p p l i c a t i o n sf r o mc o r o n ac h a r a c t e r i s t i c s ，c h e m i c a lk i n e t i c st op u l s e dp o w e r g e n e r a t o ra n dr e a c t o r i e e es y l b o np u l s e dp o w e r ，r e f ，2 0 0 1 ( 1 5 6 ) ：5 1 5 4 1 5 王莹高功率脉冲电源原子能出版社，1 9 9 1 卜5 1 6 李正瀛脉冲功率技术水利电力出版社，第l 版，1 9 9 2 ：卜3 1 7 戚栋，李春荣，王宁会等脉冲电晕法中的叔脉冲电源的研制高电压技术，2 0 0 4 ，3 0 ( 1 0 ) ： 5 8 - 5 9 1 8 刘云涛，谢敏等以磁开关为主的高压脉冲成形电路爆轰波与冲击 波，2 0 0 5 ( 9 ) ：1 1 9 1 2 1 5 7 参考文献 1 9 王璐，陈洪亮步迸电机驱动器保护电路设计 j 电工技术，2 0 0 8 ，( 1 1 ) 2 0 江豪成，常天海，陈诤磁控溅射镀膜用灭弧电路 j 真空与低温，2 0 0 0 ，( 0 3 ) 2 l 】j g c h o ，j s a b a t e ，g h u a ，e ta 1 z e r ov o l t a g ea n dz e r oc u r r e n ts w i t c h i n g f u l lb r i d g ep 蹦c o n v e r t e rf o rh i g hp o w e ra p p l i c a t i o n s i e e et r a n s p o w e r e l e c t r o n ，v 0 1 1 1 ，p p 6 2 2 - 6 2 8 ，j u l y1 9 9 6 2 2 阮新波，严仰光脉宽调制d c d c 全桥变换器的软开关技术科学出版社，2 0 0 0 2 3 易德刚，段善旭，樊明武采用z v z c s 移相全桥主电路的磁铁电源研究通信电源技术， 2 0 0 6 ，2 3 ( 3 ) ：1 4 1 6 2 4 孙铁成，王高林，汤平华，张学广基于数字信号处理器控制的新型全桥移相式零电压零 电流开关p 哪d c d c 变换器中国电机工程学报，2 0 0 5 ，2 5 ( 1 8 ) ：4 6 5 0 2 5 还芳，徐至新，谢勇刚移相全桥z v z c s 变换器及数字控制研究通信电源技术，2 0 0 3 ，4 ： l 一5 2 6 j 九s a b a t e ，v v l a t k o v i c ，r b r i d l e y ，e ta 1 d e s i g nc o n s i d e r a t i o n sf o r h i g h p o w e rf u l l b r i d g ez e r o v o l t a g e s w i t c h e dp w mc o n v e r t e r 。p r o c i e e ea p e cr e c p p 2 7 5 2 8 4 ，1 9 9 0 2 7 e s k i ma n dk y j o ee ta 1 a ni m p r o v e ds o f ts w it c h i n g 嗍f bd c d cc o n v e r t e r f