影响真空溅射用射频电源特性因素的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学真空科学技术与装备研究所 作者:孙小桃

  研究了用于真空溅射沉积射频电源的功率转换效率和频率稳定性的影响因素,分析了E类功率放大器和射频驱动级电路的工作特性。推演了最大输出功率公式,运用matlab对其归一化处理,得出最优占空比;在最优占空比条件下,根据射频电源功率放大器对射频驱动级电路的要求,设计了射频驱动级电路,提高了射频电源功率输出频率的稳定度。经电路实验测试,其结果显示,波形规整、稳定。

  20世纪60年代,射频电源开始用于射频溅射沉积制取薄膜。随着自动化生产规模的扩大,射频电源越来越向小型化、集成化发展,实现高效的、稳定运行的射频电源越来越重要。目前,我国常用的射频电源技术水平与国外相比相对落后,尤其是效率转换低,工作稳定度差。所以,急需一种高效率、稳定性好的射频电源来满足现代化工业发展的需求。

  射频功率放大器是射频电源的核心部件,影响射频电源的功率转换效率,射频电源驱动级是功率放大级的基础,其驱动信号的好坏决定了射频输出功率的频率稳定性。1975年至今,由Sokal等几位科学家提出的E类功率放大器,有效地解决了功率转换效率低的问题。本文主要研究了射频电源的功率转换效率和频率稳定性的影响因素,分析了E类功率放大器的工作特性,推演了最大输出功率;设计了射频电源驱动级电路,并对其进行了实验测试。

1、理论分析

  1.1、工作特性

  E类功率放大器电路主要由有源器件(理想开关S)、并联电容CP、LS-CS谐振网络和负载R组成,电路图如图1所示。

E类功率放大器

图1 E类功率放大器

  若在有源器件S和负载R上没有功率损耗,作如下假设:

  (1)有源器件两端电流导通瞬间,电压为零(ZVS);

  (2)开关导通瞬间,电压斜率为零(ZVDS)。

  所有器件都处于理想状态下,假定LS-CS谐振网络的品质因数足够大,使负载R上获得一个理想的正弦电压。若电流iL(θ)流过负载R为一个正弦波:iL(t)=IRFsin(θ),则总电流为i(θ)=IDC+iL(θ),绘出直流偏置总电流的波形,如图2所示。

直流偏置电流波形图

图2 直流偏置电流波形图

4、结论

  通过射频电源特性的研究、分析与计算,得到了E类功率放大器的最优占空比,实现了功率的最大输出,可以提高射频电源的功率转换效率。优化设计了射频驱动级电路,经实验测试,输出波形规整、稳定,证明了射频电源驱动级电路设计是合理有效的,为射频电源的电路设计提供了参考。

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