文档介绍：40kHz正弦波高压等离子体电源
宁澍,杨建生,万喜新
(中国电子科技集团公司第四十八研究所长沙 410111)
[摘要]:文章介绍了一种用于工业设备的等离子体放电电源,给出了主电路、功率稳定电路的设计过程。电源主电路由功率场效应晶体管构成的H桥式电路,串并联混合谐振电路,变压器阻抗变换电路组成。研制成的等离子体放电电源在太阳能电池生产线等离子体增强化学气相沉积设备上满足使用要求,电源工作稳定可靠。
[叙词]:等离子体放电;高压正弦波;交流电源
引言
等离子体电源是一种输出为几kHz到几十kHz,电压有效值为几百到几千伏的交流电源,它广泛应用于太阳能电池、半导体生产线的PECVD(等离子体增强化学气相沉积)、金属表面磁控溅射镀膜、等离子体薄膜材料改性等设备。目前国内使用和报道的基本上是输出为方波或是电压为正弦波,电流为方波,或者电流为正弦波,电压为方波的等离子体电源。方波的谐波大,负载适应性不如正弦波好,同时还会对设备的控制电路产生较大的干扰。在太阳能电池减反射膜制备中,采用PECVD技术在电池表面沉积一层氮化硅减反射膜,以减少光的反射,薄膜生长的质量和速度,除与其他工艺有关外,由电极的电场特性决定,而电场的特性取决于电源的输出波形和功率。我们针对PECVD设备的特性需要,研制生产了输出为40kHz、电压电流均为正弦波的高压等离子体电源。
系统组成
图1为等离子体电源系统框图。
整个电源系统主要由三相整流、LC滤波、DC/DC转换、全桥逆变、串并联混合谐振网络、高频变压器、采样电路、功率调节稳定电路、驱动电路、保护电路等组成。
全桥逆变及混合谐振网络设计
三相整流、LC滤波和DC/DC转换电路是大家所熟悉的部分,在此不赘述。本文重点介绍全桥逆变及混合谐振电路的原理。
图2为全桥逆变及混合谐振电路原理图。
图中,V1、V2、V3和V4为功率场效应晶体管构成的H桥式逆变电路,以PWM方式工作,调节输出功率。V5、V6、V7和V8为串联在逆变开关之间的大电流高反压快恢复二极管,V9、V10、V11和V12为大电流高反压快恢复并联二极管。在脉宽调制器及驱动器的控制下,V1、V4和V2、V3交替通断,为混合谐振网络提供40kHz的交流矩形波电压。串联谐振为电压型逆变,其输入电压恒定,输出电压为矩形波,输出电流为正弦波并且适用于频繁启动的场合;并联谐振为电流型逆变,其输入电流恒定,输出电压为正弦波,输出电流为矩形波,适用于负载变动范围大的场合。为满足PECVD的特性要求,结合串联谐振和并联谐振的优缺点,谐振电路采用了串并联混合谐振网络。根据LC产生串联谐振时其等效阻抗最小的特点,设计L1C1串联谐振电路串联在逆变器的输出电路,L3C3串联谐振电路串联在变压器的初级电路;根据LC产生并联谐振时其等效阻抗最大的特点,设计L2C2并联谐振电路并联在变压器的初级电路。网络的谐振频率f0为40kHz。
根据
设计网络参数。
功率稳定电路设计
图3为功率稳定