專利名稱：等離子體輔助化學(xué)氣相沉積裝置脈沖電源的驅(qū)動電路的制作方法
一.所屬領(lǐng)域本發(fā)明屬于電子電路技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電源的驅(qū)動電路，特別涉及一種等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PCVD)裝置中脈沖電源的驅(qū)動電路。
二.
背景技術(shù)：
等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PCVD)裝置中電源的作用是在特定溫度的真空容器內(nèi)，充入某些工作氣體，由電源輸出的高壓加到容器內(nèi)的兩電極之間，使容器內(nèi)的氣體產(chǎn)生電離，從而為化學(xué)氣相沉積薄膜材料提供物質(zhì)準備。
目前，PCVD用電源逐漸由直流電源向脈沖電源過渡，但所用脈沖電源大多為斬波式脈沖電源，輸出脈沖電壓峰值低。近年來申請人研制出針對PCVD用可升壓的調(diào)制型脈沖電源，并為此申請了專利并獲得專利權(quán)(專利授權(quán)號2284473)。但實際使用中發(fā)現(xiàn)，由于原設(shè)計沒有充分考慮到在高速脈沖上升期間(約百萬分之一秒)PCVD負荷的復(fù)雜特性，易造成其中大功率器件IGBT損壞。
為了實現(xiàn)上述目的，申請入對PCVD脈沖電源的輸出電流進行了分析1)用于PCVD的脈沖電源輸出電流波形異常復(fù)雜，因為在PCVD中要求脈沖電源輸出電壓波形如

圖1所示，輸出脈沖電壓的上升時間為1微秒，頻率1KHz到30KHz之間可連續(xù)變化，在脈沖上升的這一微秒時間內(nèi)，假如容器內(nèi)兩電極之間電壓和電流的關(guān)系是按圖2所示的巴邢定理規(guī)律變化，那么脈沖電源感受的負荷中的阻值是劇烈變化的。在脈沖上升的一微秒時間內(nèi)，容器內(nèi)兩電極間的等效電阻值如圖3所示。在脈沖電源輸出脈沖的前沿，一開始氣體沒被擊穿，阻值為正且值很大；隨著脈沖前沿電壓上升，兩電極間等效阻值逐漸減小，到氣體擊穿時，兩電極間等效阻值為零；再隨輸出脈沖前沿電壓上升，容器內(nèi)兩電極之間出現(xiàn)負阻態(tài)，脈沖電源輸出電流劇烈增大?？梢?，在脈沖電源輸出脈沖前沿這短短的1微秒時間內(nèi)，脈沖電源所帶的負荷中的等效電阻是一個開頭很大電阻值，迅速變小，變到零，再變?yōu)樨?，又迅速變?yōu)檎膭×易兓目勺冸娮琛Ｒ虼?，脈沖電源在輸出脈沖前沿短短的一微秒時間內(nèi)，輸出電流的變化是異常激烈的。另外，容器內(nèi)兩個電極之間又相當是一只電容器，脈沖電源輸出脈沖電壓的前沿時間內(nèi)，又要提供巨大的充電電流。況且，考慮引線的分布電容和引線電感，會引起振蕩。正是由于上述原因，PCVD采用逆變式脈沖電源時，輸出電流變化異常激烈，因此，其輸出就很容易反饋到IGBT的輸入端，造成高電壓、大電流的高速大功率開關(guān)器件IGBT損壞。
2)進一步仔細分析了IGBT損壞原因是，在逆變式脈沖電源中，IGBT是工作在非常復(fù)雜的狀態(tài)，它的驅(qū)動信號極易變得不穩(wěn)定。例如本應(yīng)讓IGBT截止的，如果感應(yīng)進來干擾信號，使IGBT受干擾而被誤導(dǎo)通，就會立即損壞電源的高速大功率開關(guān)器件IGBT。由于逆變式脈沖電源四只IGBT是采用如圖4所示的橋式電路的方式輸出的，如果IGBT1和IGBT4導(dǎo)通，則IGBT2和IGBT3應(yīng)截止，倘若有干擾信號，讓IGBT2誤導(dǎo)通，那么IGBT1和IGBT2立即將直流電源短路，不僅使IGBT1和IGBT2通過大電流立即燒毀，還會連累直流電源部分，因此IGBT的驅(qū)動信號應(yīng)當非常穩(wěn)定，絕不允許干擾信號竄入。
經(jīng)過上述的分析論證，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是等離子體輔助化學(xué)氣相沉積裝置脈沖電源的驅(qū)動電路，包括，設(shè)置在一高頻脈沖變壓器41次級輸出端的四組相互隔離的驅(qū)動電路40，其特點是，所述驅(qū)動電路40的組成是由一電阻R1和一電容C1并聯(lián)，并聯(lián)后電阻R1和電容C1的一端接高頻脈沖變壓器41次級的一輸出端，在該輸出端上，還連接有三個連接成 型的二極管D1、D5和D9；、二極管D5的負極分別接入二極管D1和D9的正極端；其 型中間的二極管D5的負極還設(shè)置一電阻R5和一三極管TR1，二極管D9跨接在三極管TR1的發(fā)射極與基極之間，電阻R5的另一端和三極管TR1的集電極均連接在變壓器41次級的另一輸出端上；三極管TR1的基極和集電極之間還設(shè)置有一穩(wěn)壓管Z1，穩(wěn)壓管Z1的兩端連接有電阻R9和R13，輸出I1g和I1e由電阻R13兩端取出；支路E的負極連接在I1e端，正極連接到IGBT的發(fā)射極1e，串聯(lián)電路L、C的L端連接到IGBT的門極，C端連接到IGBT的發(fā)射極1e。
本發(fā)明由于采用了反相電源支路E，提高脈沖變壓器T1次級匝數(shù)，讓沒有驅(qū)動電壓時，IGBT兩端維持一負電壓E，既使有干擾信號竄入，很難成為正信號，不會讓IGBT誤導(dǎo)通，就可提高脈沖電源的可靠性。在此基礎(chǔ)上又加入振蕩抑制電路L、C，讓干擾信號再次減弱，進一步提高了脈沖電源抗沖擊能力。
為了更清楚的理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
依本發(fā)明的技術(shù)方案，等離子體輔助化學(xué)氣相沉積裝置脈沖電源的驅(qū)動電路，包括，設(shè)置在一高頻脈沖變壓器41次級輸出端的四組相互隔離的驅(qū)動電路40，驅(qū)動電路40的組成是由一電阻R1和一電容C1并聯(lián)，并聯(lián)后電阻R1和電容C1的一端接高頻脈沖變壓器41次級的一輸出端，在該輸出端上，還連接有三個連接成 型的二極管D1、D5和D9；、二極管D5的負極分別接入二極管D1和D9的正極端；其 型中間的二極管D5的負極還設(shè)置一電阻R5和一三極管TR1，二極管D9跨接在三極管TR1的發(fā)射極與基極之間，電阻R5的另一端和三極管TR1的集電極均連接在變壓器41次級的另一輸出端上；三極管TR1的基極和集電極之間還設(shè)置有一穩(wěn)壓管Z1，穩(wěn)壓管Z1的兩端連接有電阻R9和R13，輸出I1g和I1e由電阻R13兩端取出；支路E的負極連接在I1e端，正極連接到IGBT的發(fā)射極1e，串聯(lián)電路L、C的L端連接到IGBT的門極，C端連接到IGBT的發(fā)射極1e。
以一組為例說明其工作原理當高頻脈沖變壓器T1(41)次級繞組輸出高電平時，驅(qū)動信號經(jīng)D5、D9輸出由穩(wěn)壓管Z1限值于15V，當驅(qū)動信號反向時，g端高電平使三極管TR1充分導(dǎo)通，使ge端電壓迅速降為零。反相電源支路E的負極連接在11e端，正極連接到IGBT的發(fā)射極1e，有效抑制反饋到IGBT的干擾電壓。串聯(lián)電路L1、C1的L1端連接到IGBT的門極，C1端連接到IGBT的發(fā)射極1e，L1C1諧振范圍的低阻抗，更進一步將反饋到IGBT輸入端的干擾信號短路，達到IGBT管正常工作而不致?lián)p壞。
PCVD脈沖電源的驅(qū)動電路設(shè)計與實現(xiàn)在調(diào)制型直流脈沖電源專利(授權(quán)號2284473)中，其理想的輸出驅(qū)動信號波形如圖6(a)所示，在有輸出電壓的正半周內(nèi)，驅(qū)動電源內(nèi)阻很小，干擾信號不容易竄入，但在沒有輸出電壓的半周內(nèi)，驅(qū)動信號為零，IGBT的輸入端電壓也是零，IGBT應(yīng)當截止，但是稍有干擾信號，如圖6(b)所示，很容易引起IGBT導(dǎo)通而損壞電源，這時在本發(fā)明的PCVD電源驅(qū)動電路中，參見圖5，加入反相電源支路E，提高脈沖變壓器T1次級匝數(shù)，讓沒有驅(qū)動電壓時，IGBT兩端維持一負電壓E，如圖6(c)所示，即使有干擾信號竄入，很難成為正信號，不讓IGBT誤導(dǎo)通，就可提高脈沖電源的可靠性。在此基礎(chǔ)上又加入振蕩抑制電路L、C讓干擾信號再此減弱如圖6(d)所示，進一步提高了脈沖電源抗沖擊能力。
逆變式脈沖直流電源的具體應(yīng)用實例申請人按照上述技術(shù)方案所研制的等離子體輔助化學(xué)氣相沉積裝置脈沖電源的驅(qū)動電路已分別用于四臺逆變式脈沖直流電源，用于等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PCVD)、磁控濺射物理氣相沉積(PVD)及微弧氧化(MAO)表面處理領(lǐng)域，迄今尚未有IGBT器件燒損的事例發(fā)生。表明脈沖直流電源驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)，確保了電源自身的可靠性和穩(wěn)定運行，為其在材料表面處理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了可能。
權(quán)利要求
1.一種等離子體輔助化學(xué)氣相沉積裝置脈沖電源的驅(qū)動電路，包括，設(shè)置在一高頻脈沖變壓器[41]次級輸出端的四組相互隔離的驅(qū)動電路[40]，其特征在于，所述驅(qū)動電路[40]的組成是由一電阻R1和一電容C1并聯(lián)，并聯(lián)后電阻R1和電容C1的一端接高頻脈沖變壓器[41]次級的一輸出端，在該輸出端上，還連接有三個連接成 型的二極管D1、D5和D9；、二極管D5的負極分別接入二極管D1和D9的正極端；其 型中間的二極管D5的負極還設(shè)置一電阻R5和一三極管TR1，二極管D9跨接在三極管TR1的發(fā)射極與基極之間，電阻R5的另一端和三極管TR1的集電極均連接在變壓器[41]次級的另一輸出端上；三極管TR1的基極和集電極之間還設(shè)置有一穩(wěn)壓管Z1，穩(wěn)壓管Z1的兩端連接有電阻R9和R13，輸出I1g和I1e由電阻R13兩端取出；支路E的負極連接在I1e端，正極連接到IGBT的發(fā)射極1e，串聯(lián)電路L、C的L端連接到IGBT的門極，C端連接到IGBT的發(fā)射極1e。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體輔助化學(xué)氣相沉積裝置脈沖電源的驅(qū)動電路，其特征在于，所述穩(wěn)壓管Z1限值為15V。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等離子體輔助化學(xué)氣相沉積裝置脈沖電源的驅(qū)動電路，包括，設(shè)置在一高頻脈沖變壓器次級輸出端的四組相互隔離的驅(qū)動電路，當高頻脈沖變壓器次級繞組輸出高電平時，驅(qū)動信號經(jīng)二極管D5、D9輸出由穩(wěn)壓管限值，當驅(qū)動信號反向時，g端高電平使三極管TR1充分導(dǎo)通，使ge端電壓迅速降為零。反相電源支路E的負極連接在Ile端，正極連接到IGBT的發(fā)射極，有效抑制反饋到IGBT的干擾電壓。串聯(lián)電路L、C的L端連接到IGBT的門極，C端連接到IGBT的發(fā)射極，LC諧振范圍的低阻抗，更進一步將反饋到IGBT輸入端的干擾信號短路，既使有干擾信號竄入，很難成為正信號，不會讓IGBT誤導(dǎo)通，在沒有驅(qū)動電壓時，IGBT兩端維持一負電壓，達到了IGBT管正常工作而不致?lián)p壞。
文檔編號H02M7/66GK1397663SQ0213932
公開日2003年2月19日 申請日期2002年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月1日
發(fā)明者徐可為, 馬勝利, 葉靖國, 何家文 申請人:西安交通大學(xué)