专利名称：双向脉冲可分别控制的双极性脉冲电源的制作方法
技术领域：
一种双向脉冲可分别控制的双极性脉冲电源，涉及到电学领域的脉宽调制的脉冲电源，归为H03K小类。
目前国内磁控溅射生产线使用的靶电源多数采用可控硅控制的直流电源，如专利号为2239438直流磁控溅射电源。这种电源的缺点是1.功率因数和效率较低(＜50％)能耗大。2.由于直流单向性和单个脉冲储存能量大，容易打弧。3.不适用于反应溅射，不能用于制备绝缘膜。过去为了制备SiO2等绝缘膜，只能采用射频溅射。但射频溅射设备较复杂，价格昂贵，功率利用率低，沉积速率也较低，大功率溅射电源的干扰和辐射相当严重，对操作者危害极大。
本实用新型的目的在于设计一种提高功率因数和效率(＞80％)的、膜层均匀性好成膜质量高的、具有恒电流功能的、有过流保护的、不打弧的、适用于磁控反应溅射和双靶磁控溅射的、沉积速率高的、无干扰无辐射的一种性能良好的双极性脉冲电源。
本实用新型的目的是通过下面的技术方案实现的该双向脉冲可分别控制的双极性脉冲电源包括主振单元1、同步脉冲形成单元2、脉宽调制单元3、脉宽调制单元4、逆变桥路单元5；其特点在于主振单元1的输出端接同步脉冲形成单元2的输入端，同步脉冲形成单元2的输出端分别接脉宽调制单元3、脉宽调制单元4的同步输入端，而脉宽调制单元3和脉宽调制单元4的输出端连接逆变桥路单元5。另外，连接模块I1的集电极的电流传感器LEM1以及连接模块I3的集电极的电流传感器LEM2的输出端分别反馈到脉宽调制单元3以及脉宽调制单元4的误差放大器和过流保护输入端。所述主振单元1包括时基电路、电阻R1和R2，可改变脉冲占空比的调节电位器P1，可改变脉冲频率的调节电容器C1、电容器C2，开关二极管D1、D2。所述同步脉冲形成单元2包括非门F1、双单稳态电路、或门H、电阻R3、R4、电容器C3、C4。所述脉宽调制单元3包括脉宽控制器、电阻R5-R11、电容器C5-C6、调节双极性脉冲电源的脉冲平均电流的电位器P2、调节过流保护电流的电位器P3，脉宽调制单元4包括脉宽控制器、电阻R12-R18、电容器C7-C8、调节双极性脉冲电源的脉冲平均电流的电位器P4、调节过流保护电流的电位器P5。所述逆变桥路单元5包括电流传感器LEM1、LEM2、四个IGBT/MOSFET模块(I1-I4)、与所述四个模块相配的驱动器Dr1-Dr4、二个非门F2-F3、电阻R19-R22。所述主振单元1的时基电路的脉冲输出端为3脚，所述3脚接同步脉冲形成单元2的非门F1的输入端，同步脉冲形成单元2的或门H的输出端分别接向脉宽调制单元3的输入端10脚、脉宽调制单元4的输入端10脚，脉宽调制单元3的输出端11脚接逆变桥路单元5的非门F2的输入端，脉宽调制单元4的输出端14脚接逆变桥路单元5的非门F3的输入端，模块I1的发射极接模块I2的集电极并接正的输出端，模块I3的发射极接模块I4的集电极并接负的输出端。所述时基电路为555电路，所述双单稳态电路为4098、4528、4538电路，所述脉宽控制器为uc2846、uc1856、ucc1806电路。
以下结合附图对本实用新型进一步详细说明
图1为双向脉冲可分别控制的双极性脉冲电源的电路方框图。
图2为双向脉冲可分别控制的双极性脉冲电源的输出电压波形图。
图3为双向脉冲可分别控制的双极性脉冲电源的电路原理图。
从图1可以清楚地看到该脉冲电源包括主振单元1、同步脉冲形成单元2、脉宽调制单元3、脉宽调制单元4、逆变桥路单元5。从图2的脉冲电源输出电压波形图可以看到，T为周期，t+为正脉冲宽度，t-为负脉冲宽度，t+/T为正脉冲占空比，t-/T为负脉冲占空比，周期T、正、负脉冲占空比t+/T、t-/T通过主振单元1可以加以调节，正脉冲幅度取决于直流高压Ua2，负脉冲幅度取决于直流高压Ua1。
图3为双极性脉冲电源的电路原理图，主振单元1是由时基电路555或其它电路、电阻R1、R2、电位器P1、电容器C1、C2、开关二极管D1、D2组成。调节电容器C1可改变脉冲频率(2-40KH)，调节电位器可改变脉冲占空比(5％～95％)，555的3脚为脉冲输出端。
同步脉冲形成单元2是由非门F1、双单稳态电路4098或其它电路、或门H、电阻R3、R4、电容器C3、C4组成，它接收主振单元输出的矩形脉冲，在其前后沿产生一定宽度的脉冲(2-20)，此脉冲宽度决定两个脉宽调节器的死区时间，并由或门输出。
两个脉宽调制单元3、4电路结构完全相同单元3是由PWM控制器2846或其他电路、电阻R5～R11、电容器C5、C6，电位器P2、P3组成。单元4是由PWM控制器2846或其他电路、电阻R12～R18、电容器C7、C8，电位器P4、P5组成。它们的同步输入端10都接收同步脉冲形成单元2输出的同步脉冲，他们的输出端分别为2846的11脚和14脚，电位器P2、P4分别用于调节双极性脉冲电源的正、负极脉冲平均电流，电位器P3、P5用于调节过流保护电流，电阻R9、R10的上端相连并接到电流传感器LEM1的输出端，电阻R16、R17的上端相连并接到电流传感器LEM2的输出端。
逆变桥路单元5是由2个电流传感器LEM1、LEM2，四个IGBT模块或MOSFET模块(I1～I4)、与四个模块相配的驱动器(Dr1～Dr4)、二个非门F2、F3电阻R19～R22等组成。模块I1的集电极通过电流传感器LEM1接到高压电源Ua1+(100V～2000V，根据需要加以选择)，模块I3的集电极通过电流传感器LEM2接到高压电源Ua2+(100V～2000V，根据需要加以选择)。当用于单靶磁控溅射时Ua1为500V～800V，Ua2为50V～300V；当用于双靶磁控溅射或逆变时Ua1和Ua2可合用一个高压电源，其电压为300V～800V。模块I1的发射极接模块I2的集电极并接正的输出端。此输出端在单靶磁控溅射时一般接机壳，在双靶磁控溅射时接另一个靶。模块I3的发射极接模块I4的集电极并接负的输出端，此输出端接磁控溅射的靶。模块I2和I4的发射极相连并接到高压电源Ua1和Ua2的公共负端。模块I1～I4的栅极分别通过R19～R22接到相应驱动器Dr1-Dr4，驱动器Dr1和Dr4的输入端相连，并接到非门F2的输出端，F2的输入端接到脉宽调制单元3的输出端，驱动器Dr2和Dr3的输入端相连，并接到非门F3的输出端，F3的输入端接到脉宽调制单元4的输出端，模块I1、I2也可用两个电解电容来代替构成半桥电路。当调节主振单元的电位器P1使输出脉宽增大时，脉宽调制单元3的输出脉宽也增大(其最大脉冲占空比可达95％)，模块I1和I4的导通时间延长，此时模块I2、I3是截止的，因此输出的负向脉宽增大；在主振频率不变时，脉宽调制单元4的输出脉宽相应减小(其最小脉冲占空比可达5％)，模块I2和I3的导通时间缩短，此时模块I1、I4是截止的，因此输出的正向脉宽减小。在磁控溅射时根据靶材不同选择不同的脉冲频率和不同的正向脉冲宽度，以消除打弧现象发生。通过分别调节脉宽调制单元3和4中的电位器P2和P4，便可调节输出的正向和负向脉冲平均电流，而且能够达到恒电流的目的，因为从电流传感器LEM1和LEM2反馈回来的电平和电位器P2和P4预制的电平分别加到2846误差放大器的-、+端，当正向脉冲电流增大时由于PWM控制器的作用输出正向脉冲宽度便减小，以维持正向平均电流不变，反向脉冲的恒流作用原理相同。当用于逆变器时，要求脉宽调制单元3、4输出的脉宽相等，而且电位器P2和P4可以合用一个，这样就可以保证逆变桥路中频变压器绝对平衡，避免偏磁导致烧坏中频变压器。
主振单元1、同步脉冲形成单元2、脉宽调制单元3、4中的集成电路的电源端均接12V直流电源。
实验证明，该脉冲电源提高了功率因数和效率(大于80％)、工作性能稳定、在工作中不打弧，而且沉积速率高、膜层均匀性好、成膜质量高。此外，该电源具有恒电流功能、并且具有过流保护功能。
权利要求1.一种双向脉冲可分别控制的双极性脉冲电源，所述电源包括主振单元(1)、同步脉冲形成单元(2)、脉宽调制单元(3)、脉宽调制单元(4)、逆变桥路单元(5)；其特征在于主振单元(1)的输出端接同步脉冲形成单元(2)的输入端，同步脉冲形成单元(2)的输出端分别接脉宽调制单元(3)、脉宽调制单元(4)的同步输入端，而脉宽调制单元(3)和脉宽调制单元(4)的输出端连接逆变桥路单元(5)。
2.根据权利要求1所述的脉冲电源，其特征在于连接模块I1的集电极的电流传感器LEM1、以及连接模块I3的集电极的电流传感器LEM2的输出端分别反馈到脉宽调制单元(3)以及脉宽调制单元(4)的误差放大器和过流保护输入端。
3.根据权利要求1所述的脉冲电源，其特征在于所述主振单元(1)包括时基电路、电阻R1、R2，可改变脉冲占空比的调节电位器P1，可改变脉冲频率的调节电容器C1，电容器C2，开关二极管D1、D2。
4.根据权利要求1所述的脉冲电源，其特征在于所述同步脉冲形成单元(2)包括非门F1、双单稳态电路、或门H、电阻R3、R4、电容器C3、C4。
5.根据权利要求1所述的脉冲电源，其特征在于所述脉宽调制单元(3)包括脉宽控制器、电阻R5-R11、电容器C5-C6、调节双极性脉冲电源的脉冲平均电流的电位器P2、调节过流保护电流的电位器P3，脉宽调制单元(4)包括脉宽控制器、电阻R12-R18、电容器C7-C8、调节双极性脉冲电源的脉冲平均电流的电位器P4、调节过流保护电流的电位器P5。
6.根据权利要求1所述的脉冲电源，其特征在于所述逆变桥路单元(5)包括电流传感器LEM1、LEM2、四个IGBT/MOSFET模块(I1-I4)、与所述四个模块相配的驱动器Dr1-Dr4、二个非门F2-F3、电阻R19-R22。
7.根据权利要求1所述的脉冲电源，其特征在于所述主振单元(1)的时基电路的脉冲输出端为3脚，所述3脚接同步脉冲形成单元(2)的非门F1的输入端，同步脉冲形成单元(2)的或门H的输出端分别接向脉宽调制单元(3)的输入端10脚、脉宽调制单元(4)的输入端10脚，脉宽调制单元(3)的输出端11脚接逆变桥路单元(5)的非门F2的输入端，脉宽调制单元(4)的输出端14脚接逆变桥路单元(5)的非门F3的输入端，模块I1的发射极接模块I2的集电极并接正的输出端，模块I3的发射极接模块I4的集电极并接负的输出端。
8.根据权利要求1、3、4、5所述的脉冲电源，其特征在于所述时基电路为555电路，所述双单稳态电路为4098、4528、4538电路，所述脉宽控制器为uc2846、uc1856、ucc1806电路。
专利摘要一种双向脉冲可分别控制的双极性脉冲电源,是涉及电学领域的一种脉宽调制的脉冲电源。该电源包括主振单元1、同步脉冲形成单元2、脉宽调制单元3、脉宽调制单元4、逆变桥路单元5。所述脉冲电源工作性能稳定、功率因数和效率高、具有恒电流功能,而且该电源还具有过渡保护功能。
文档编号H03K3/00GK2412322SQ00231579
公开日2000年12月27日 申请日期2000年3月27日 优先权日2000年3月27日
发明者余兴东 申请人:余兴东