高频开关型快速灭弧自动复位电子枪真空镀膜专用高压电源

1、 真空镀膜用电子枪高压电源的发展我国自主研发先进的高频开关型电子枪高压电源投入市场作者一：成都中科唯实仪器有限责任公司 许镜明作者二：深圳思维特电源设备有限公司 韦小贵 本文作者之一从事电子枪镀膜机设计制造近40年，对电子枪高压电源的研究、设计、制造，经历了下文中所述的各个发展历程，最后才与实力很强的、高频开关电源设计制造经验非常丰富的深圳思维特电源设备有限公司一起，研发成功了迄今国内外性能最好的、电压连续可调高频开关型真空镀膜专用电子枪直流高压电源（SWT-10型），实现了多年来的愿望，并通过下文的简要叙述，介绍推荐给广大电子枪蒸发镀膜工作者和相关镀膜设备制造者。一、电子枪蒸发源（又称电子束

2、蒸发源）的作用、组成、工作特点。 电子枪蒸发源是真空蒸发镀膜中最重要的热蒸发源，因为电子枪射出的电子束具有很高的能量密度，任何一种金属材料或介质材料用电子枪来打都能使其蒸发，故电子枪在现代真空镀膜中有着广泛的应用。根据不同应用的各种大小镀膜机镀膜的需要，可以配用结构不同、大小不同的电子枪，如微形电子枪（蒸发材料只需绿豆或黄豆大小即可）、小型电子枪（坩埚可有多穴，每穴容积约5ml或更小）、中功率和大功率电子枪（4KW、6KW、8KW、10KW、12KW、15KW，电压有4-10KV）；电子枪的坩埚有80、100、120、140、180、220 mm等单穴或多穴，可根据不同需要设计制作。电子枪工作

3、必须配一套专用电子枪电源，电子枪电源由直流高压电源、枪灯丝电源、电子束偏转扫描电源等组成，而且电子枪必须在真空度优于5X10-2Pa的真空条件下才能稳定正常工作。若真空度突然降低（尤其是被蒸发材料在被电子束轰击而加热融化、蒸发过程中的放气所致），真空室、电子枪及周围不清洁，加在电子枪阴极（灯丝）上的高压“负”端（与机壳相连的坩埚即阳极，为高压“正”端）在工作中“打火”（即极间或空间放电，俗称“打火”、“飞弧”）是很难避免的。因引起打火的条件不同，打火的大小也不同，打火引起的后果也不同。若高压电源防止打火的措施、能力差，则“打火”给镀膜过程和高压电源自身、镀膜机、乃至整个供电系统跳闸断电，可能造

4、成以下严重后果：1）、镀膜中断，严重时可能使整炉被镀件因不能继续完成镀膜而报废，2）、由于“打火”本质上是造成高压电源输出端“瞬间短路”（一般并非真正短路，是一种“空间放电”形式的“瞬间短路”，放过即逝），使高压供电电路中的电流大增，从而使高压电源自身元器件烧坏、打火处电子枪零件、部件烧坏、供电系统过流跳闸等，是镀膜工作者非常头疼的事情。由于专用电子枪电源中，高压电源是最重要的部件，其质量和保护功能好坏直接影响到整个电子枪蒸发源工作的好坏，所以要求电子枪直流高压电源对高压打火必须有可靠的保护措施：发生打火时高压电源的灭弧功能要求能在微秒级至数毫秒的时间内自动切断高压，又要在微秒级至数十毫秒级的

5、时间内自动恢复正常工作状态（即高压灭弧与自动复位过程），基本不中断镀膜过程。为此目的，国内外的电子枪镀膜机制造厂家都在这个问题上下足了功夫，所采取的高压电源保护措施，随着电子元器件的不断发展，先后大致反映在以下几类电子枪高压电源中。 二、以过流继电器为主控保护元件的第一类电子枪高压电源这种高压电源就是在直流高压电路中串联一个过流继电器（在电路中往往还串联能耐高压和大电流冲击的电阻，以限制打火大电流），继电器的动作电流ID略大于高压电源输出的额定电流I0，当打火电流IH达到IHID时，继电器即动作，将高压电源的供电切断，达到保护电源等不被损坏的目的。很显然，镀膜因此而被中断，必须重新开高压后调节

6、好电子束流再进行镀膜。如果打火频繁，镀膜就难以进行下去。这是比较早期采用的防止电子枪高压打火造成危害所采用的方法，现已基本不用了。【见下图一】 图一：以过流继电器为主控保护元件的电子枪高压电源简图三、以大功率电子管为主控保护元件的第二类电子枪高压电源这种高压电源就是在直流高压电路中串联一个大功率电子管（三极管或四极管，其阳极对阴极应能耐10KV-15KV以上高压，阳极电流应大于0.5A,如果电子枪电流要求1A,一般要用2个电子管并联起来使用）作电子开关。【见下图】电子枪工作时，电子管处于完全导通状态，当电子枪发生打火时，“瞬间短路”的大电流IH通过反馈电路立即使电子管截止，电子管一截止，IH=

7、0，电子管又即恢复导通，这一过程就被称为“电子枪高压灭弧与自动复位”的过程，具有这种功能的电子枪高压电源，打火频繁时也能控制住，镀膜过程较稳定，对保证镀膜质量极为有利，是比较好的防止电子枪高压打火造成危害所用的方法，至今国内外都有较多应用。主要缺点是“高压灭弧与自动复位”的过程能否很好完成，决定于电子管自身的质量好坏和控制电路工作是否可靠，电子管的寿命因受打火时大电流冲击的影响而缩短（主要是阴极发射电子的能力越来越低，管压降越来越高，管内真空度越来越低，到一定程度便不能作开关管使用），且这种类型的电子管均为军用，价格较贵，不易买到。进口电子管价格更贵，更不易买到。图二：以大功率电子管为主控保护

8、元件的电子枪高压电源简图四、以可控硅为主控保护元件的第三类电子枪高压电源这种高压电源就是在高压电源三相高压变压器的初级电路中，每路串入一组反向连接的二个可控硅，正常工作时，可控硅处于导通状态，确保输出额定高压；打火时，可控硅即被关断。通过控制这三组可控硅的导通与关断，就可达到“电子枪高压灭弧与自动复位”的目的，其过程与“第二类” 电子枪高压电源的工作方式类似，只不过因可控硅耐压较低，只能接在高压电源的低压端【见图三上图】，而电子管因耐压高，可直接串接在高压电源的高压输出回路中，以电子开关方式控制直流高压的输出。打火时两者切断直流高压的反应速度绝然不一样，电子管电路要快得多，所以电子管的灭弧性能

9、比可控硅的灭弧性能好。此外，可控硅及其控制电路的可靠性问题较多一点。同为可控硅控制方式的“模块集成式”的三相可控硅控制电路【见图三中图】，工作的可靠性较“分立元件式”可控硅控制电路（所谓“调功器”）要高一些，且调试极为简便，“模块集成式”整个电源体积也大为减小。但近年来由于这种模块质量下降，工作可靠性大为降低，限制了它的应用。 图三：以可控硅为主控保护元件的电子枪高压电源简图（上、中、下）为了提高和改善这类高压电源的灭弧性能，可以在高压的输出电路中串联一个耐压足够高的大电感L、并联一个电容器C，或串联一个由LCL三个元件组成的”T形电路【见图三上图】，利用电感L能抑制电路中电流激增的能力，使电

10、子枪高压打火时“瞬间短路”所产生的大电流IH大为减小（L两端必须有”吸能”保护元件，否则易损坏L等），有利于“电子枪高压灭弧与自动复位”过程的完成，可靠性提高。由于耐高压电感L的电感量较大（达20亨左右），高压电容器C（耐压15KV以上）的容量也较大，达12微法,对高压有很好的滤波平滑作用 。 由于高压输出端有高压电容器C，而与C并联的电阻RH0（包括高压测量用电阻和泄放电阻）往往比较大，达数M到上百M，故高压关断后，C上的高压UC不能很快降到零伏，至少要过约10 X RH0 C(时间常数)：如RH0=5M,则10 X RH0C=10 X 5M X 2µf=100秒后高压才能从8KV

11、降到数十伏安全电压范围；如RH0=100 M，这时10RH0C=10 X 100M X 2µf=2000秒，则要经过30多分钟后才能降到数十伏安全电压范围 ，镀膜操作人员和设备维修人员必须充分认识到这一点：手要触及到高压端（特别是刚镀好膜便放气开门取件的场合，电子枪灯丝引线上的高压正在逐步降低中，必须特别注意不要触及电子枪头及引线）之前，必须先用专用高压放电装置将电容器的剩余电压放掉，否则可能遭高压电击！这是该方法的缺点之一(不过有的厂家取RH0C=5M X 0.022µf=0.11秒 ，就不存在这个问题)。另一个缺点是因电容器上储存的能量很大，加上打火时“高压灭弧与自动复

12、位”的过程中电源尚未断掉，故较大打火或失控时可能烧坏打火部位的零件、部件、烧坏电路元器件、引起电路跳闸等，这是以上三类高压电源所不可避免要发生的问题。 五、采用全新高频开关式电子枪高压电源（SWT-10型）【见图四】：上述“第一类、第二类、第三类”直流电子枪高压电源都是由三相50HZ工频交流电压通过升压变压器升压，再经整流得到直流高压的，由于频率低，变压器的体积大，重量重；而逆变型高压电源则是先将三相50HZ工频交流电压整流成500V左右的直流电压，再由逆变器将直流变成非正弦“平顶”（即脉宽，可调）高频交流电压，由变压器升压后，再经整流得到直流高压的。由于高频电压频率选在20KHZ到40KHZ

13、（周期为50S-25S）或更高，,频率较高，比同样功率的工频变压器体积小得多，重量也轻得多，就体积和重量而言，由高频所得直流高压比由工频所得直流高压优点是显而易见的；不仅如此，由高频所得直流高压的“高压灭弧与自动复位”的功能可以很方便地通过输出高压的电压和电流反馈回路达到，高压获得与高压保护的整体性很好，保护功能自然更好，不像上述第二、第三类高压电源，都必须有主控保护元件电子管或可控硅再加独立的“高压灭弧与自动复位”控制部件来实现，从而使高压电源整体体积增大，重量增加； 图四：SWT-10型高频开关型电子枪高压电源简图 这种高频开关型直流高压电源由于采用了全新的“高压打火处理技术”，大大加快了

14、灭弧速度（数十S内）和自动恢复到原来正常工作电压的速度（在数十mS内），几乎看不到打火，就是听到或看到打火，也找不到“打火点”，这是由于这种“高压打火处理技术”在处理打火过程中可很快使输出高压降低，电流即迅速减小，使打火不能延续，从而迅速灭弧，这是其他高压电源所采用的灭弧方法不可能做到的。 综上所述，高频开关型直流电子枪高压电源具有其他类型直流电子枪高压电源无可比拟的优点：1、灭弧速度（数十S内）和恢复速度都极快（数十mS内），基本不中断镀膜过程。2、由于保护措施完善可靠，故不怕高压“真短路”。3、打火不会损坏高压端打火部位的零部件。4、输出高压稳定性在整个负载电流范围内不超过0.5%，大大优

15、于其他高压电源的稳定性。5、不用另加调压器或通过高压变压器初级或次级抽头作“定压”调节，高压可以从0V10KV连续进行调节，而电子束流在整个高压范围内都可达到1A ，这给镀膜工作者根据不同膜料选择不同的高压进行镀膜，创造了极好的镀膜工艺选择条件（此对用“X偏转线圈产生偏转磁场的电子枪，由于磁场可调尤为适用；永磁型“X”偏转电子枪由于电子束偏转磁场已固定，高压也就定了，可调高压对用这种电子枪似没有用，可磁场减弱时就会有用了）。其他的高压电源只有通过高压变压器抽头作“定压”选择，不能连续调节。6、体积小，重量轻 。7、经过精密设计、反复试验，实际使用证明，在按自动程序自动镀膜过程中，该高压电源工作很稳定、可靠，整个镀膜过程无需人干预便可顺利完成。 这种高压电源优点多多，是一种理想的真空镀膜用电子枪高压电源，值得推广