高频半桥直流磁控溅射电源设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业西南物理研究院 作者:陈稳

  稳定可靠的直流电源是直流磁控溅射镀膜质量的关键,本文采用开关频率为50 kHz 的半桥拓扑,对主回路结构和参数进行设计。以SG3525 控制芯片为核心,对控制回路按小信号模型建模,使用PI补偿网络,通过电阻负载实验得到稳定的直流。

  普通溅射镀膜技术具有溅射速率低、基片温度升高的缺点,目前真空镀膜中常采用磁控溅射技术来提高镀膜质量。磁控溅射的基本原理是低真空条件下的冷等离子体辉光放电[1],具有溅射速率高、重复性好、基片温度低等优点。磁控溅射方法有直流磁控溅射、非平衡磁控溅射、射频磁控溅射和脉冲磁控溅射等[2]。直流磁控溅射技术因镀膜性能良好, 直流磁控电源简单可靠、工作稳定[3],在真空镀膜中得到广泛应用。

  随着电子元器件的更新换代,高频开关电源技术得到了快速的发展,高频开关电源以体积小、工作效率高、成本低等优点,成为磁控溅射镀膜中的重要部件。本文选用英飞凌IKW50N60H3高速IGBT 作为开关管, 采用对称驱动半桥电路拓扑结构按单相220 V 输入,最大额定输出电压Vomax=800 V,实际工作电压Vo<700 V,最大额定输出电流Iomax=2 A,开关频率f=50 kHz,设计直流磁控电源。

1、主回路设计

  电路实际输出功率小于1.6 kW,以电路结构简单,可靠性高为目的,选用对称驱动半桥变换器。对称驱动半桥变换器是Buck 变换器的理想隔离版本[4],回路设计简单,元器件少,具有自动抗磁偏,调试方便的优点。其结构框图如图1。

系统原理框图 

图1 系统原理框图

  在半桥变换器拓扑结构中高频整流环节有全波整流和全桥整流两种形式;虽然全波整流比全桥整流所用整流管少,但是在输出同样电压幅在半桥变换器拓扑结构中高频整流环节有全波整流和全桥整流两种形式;虽然全波整流比全桥整流所用整流管少,但是在输出同样电压幅值时,整流管承受的最大电压是全桥整流电路的2 倍,由于设计电路输出电压较高,所以选择全桥整流。

  主回路电路如图2 所示,电网单相输入220 V电压通过低频整流、电容滤波得到半桥逆变电路的直流输入电压U,逆变器输出电压Vi,经过变压器升压、高频整流滤波后得到直流输出。由于变压器漏感的存在,为了减小漏感能量的影响增加了RCD 吸收电路。同理为了减小高频整流管电压振荡峰值,增加了RC 吸收电路。

电源主回路结构

图2 电源主回路结构

5、结论

  采用半桥逆变拓扑设计直流磁控电源,电路结构简单,理论成熟,成本低,电源体积小;控制回路、输出滤波电感电容通过等效的Buck 电路设计,参数计算简单可靠;图2 中所示电容C1,C2,C3 参数的选择:C1 选用大容量电解电容来满足纹波和保持时间的要求,C2,C3 选用小容量电容起到变压器动态抗磁偏的作用。由于各环节都理想化,采用小信号模型会存在一定误差,但是对回路参数设计具有很好的指导作用。采用PI补偿电路,系统的动态特性和稳定性矛盾突出,但由于其参数设计方便,便于调节,在动态特性要求不高的情况下,是一个可靠选择,通过电阻负载试验可知纹波控制在3%内。

参考文献

  [1] 石永敬,龙思远,王杰,等.直流磁控溅射研究进展[J].材料导报,2008,22(1):65- 69.
  [2] 王晓雨.直流磁控溅射电源的研制[D]. 沈阳:沈阳工业大学,2011.
  [3] 曹珍恩,巩春志,田修波,等.直流磁控溅射电源研制及输出特性研究[J].真空,2008,45(2):70- 73.
  [4] 张兴柱.开关电源功率变换器拓扑与设计[M]. 北京:中国电力出版社,2009.
  [5] Colonel McLyman 著. 龚绍文译.变压器与电感设计手册.3 版[M].北京:中国电力出版社,2008.
  [6] 徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M]. 北京:机械工艺出版社,2005.

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