一种直流磁控溅射镀膜电源快速可靠助燃电路的制作方法

本实用新型属于自动控制技术和电力电子技术领域，具体涉及一种直流磁控溅射镀膜电源快速可靠助燃电路。

背景技术：

直流磁控城射是重要的物理气相沉积技术,广泛应用在工业生产和科学研究中。直流磁控溅射具有沉积速率高，基片温度低等优点。溅射所获得的薄膜纯度高、致密性好且与基片结合较好，溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜。

在直流磁控溅射镀膜工艺流程中，电源的运行状态分为助燃启辉和溅射镀膜两个阶段。助燃启辉阶段：直流磁控溅射电源的空载启辉电压一般约800v～1000v左右(视具体镀膜工艺而定)，在一些特殊应用领域空载启辉电压达到2000v左右，启辉电流一般较小，几安培左右(与靶的机械物理设计和送气量等因素有关)。溅射镀膜阶段：助燃启辉成功后，溅射电压一般约在300v～600v左右(视具体镀膜工艺而定)，溅射电流从几安培升到几十安培不等(视具体镀膜工艺而定)。

目前解决直流磁控溅射镀膜工艺中高助燃启辉电压的常态方法是采用增大升压主变压器的副边与原边绕组匝数比，来满足直流磁控溅射的高空载启辉电压要求；另外，在实际运行过程中，助燃启辉阶段时间非常短，溅射镀膜阶段时间非常长。因此给高频逆变开关电源的主电路设计带来不利因素：高频升压变压输出电压高，存在绝缘赖压问题；高频整流桥的每个桥臂采用多只快恢复二极管串联来解决赖压问题，二极管串联的数量越多，二极管的串联均压问题越难解决；直流磁控溅射电源输出相同电压和电流的情况下，升压变压副边与原边绕组匝数比越大，原边脉冲电流越大，逆变全桥将采用额定电流等级更大的开关管；尤其是在要求特别高的助燃点火直流电压应用领域，这些问题会导致电源的材料成本增加，可靠性、安全性和稳定性降低，进一步影响镀膜工艺的稳定性。

直流磁控溅射镀膜靶材容易中毒拉弧，靶材中毒后要求更高的助燃启辉电压，另外镀膜工艺中气氛变化导致灭辉后需要更高的助燃启辉电压，而难于助燃启辉的问题，对于助燃启辉电压要求较高的镀膜工艺应用领域，靶材长时间或频繁的处于不能正常启辉放电的状态将影响到镀膜工艺的连续性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种直流磁控溅射镀膜电源快速可靠助燃电路，以解决上述缺陷和问题。通过增加助燃电路，助燃电路输出的电压叠加上高频逆变开关电源的高频整流桥输出的电压，以达到助燃启辉电压的幅值，当启辉成功后，直流磁控溅射电源输出电流超过启辉成功判断阈值，或者直流磁控溅射电源输出电压低于主电源空载电压判断阈值，助燃电路停止工作，这时直流磁控溅射工艺需要的电压和电流由直流磁控溅射电源的主电路(ac三相电源、工频整流滤波电路、逆变全桥、高频变压器和高频整流桥和lc滤波电路)供给；一但辉光熄灭，助燃电路启动输出，电源的输出电压又达到助燃启辉电压的幅值，确保镀膜工艺连续性；减小电弧能量，提高镀膜质量。

本实用新型的技术方案如下：

一种直流磁控溅射镀膜电源快速可靠助燃电路，包括ac三相电源、工频整流滤波电路、逆变全桥电路、高频变压器、双管正激斩波电路、高频整流桥、带两个隔离绕组的滤波电感t1、滤波电容c2、dsp和cpld控制电路、人机交互界面、霍尔电流传感器lem1、霍尔电流传感器lem2、电压取样和线性隔离电路、第一电流取样电路、第二电流取样电路、第一驱动隔离电路、第二驱动隔离电路；

ac三相电源的输出端连接到工频整流滤波电路的一输入端；

工频整流滤波电路的输出端连接逆变全桥电路的一输入端；

逆变全桥电路的输出端连接到高频变压器输入端；

高频变压器输出端连接到高频整流桥的输入端；

工频整流滤波电路的输出端连接双管正激斩波电路的一输入端；

双管正激斩波电路的正向输出端穿过霍尔电流传感器lem2连接到带两个隔离绕组的滤波电感t1的第一绕组，对应1脚和2脚，双管正激斩波电路的负向出端连接到带两个隔离绕组的滤波电感t1的1脚；

带两个隔离绕组的滤波电感t1的第二绕组，对应3脚和4脚，3脚连接到直流磁控溅射镀膜电源的高频整流桥的正向输出端；

带两个隔离绕组的滤波电感t1的4脚连接到电容c2的一端端；

带两个隔离绕组的滤波电感t1的2脚和4脚为同名端；

直流磁控溅射镀膜电源的高频整流桥的负向输出端连接到电容c2的另一端；

带两个隔离绕组的滤波电感t1具有滤波电感的功能和变压器的功能，电容c2两端的电压实际为高频整流桥输出电压与带两个隔离绕组的滤波电感t1第二绕组输出电压之和；

电容c2的一端连接负载的一端，电容c2的另一端穿过霍尔电流传感器lem1连接到负载的另一端；

电容c2的两端连接到电压取样和线性隔离电路的输入端，电压取样和线性隔离电路的输出端连接到dsp和cpld控制电路的一输入端；

霍尔电流传感器lem1的输出端连接到第一电流取样电路的输入端，第一电流取样电路的输出端连接到dsp和cpld控制电路的一输入端；

霍尔电流传感器lem2的输出端连接到第二电流取样电路的输入端，第二电流取样电路的输出端连接到dsp和cpld控制电路的一输入端；

dsp和cpld控制电路的一输出端连接到第二驱动隔离电路的输入端，第二驱动隔离电路的输出端连接到双管正激斩波电路的一输入端；

dsp和cpld控制电路的一输出端连接到第一驱动隔离电路的输入端，第一驱动隔离电路的输出端连接到逆变全桥电路的一输入端；

dsp和cpld控制电路的一端连接到人机交互界面的一端；

双管正激斩波电路，由电容c1、两只开关管，mosfet或igbt，和两只快恢复二极管组成，左桥臂上方为开关管q1，左桥臂下方为快恢复二极管d2，右桥臂上方为快恢复二极管d1，右桥臂下方为开关管q2，左桥臂快恢复二极管d2的阴极为双管正激斩波电路正向输出端，右桥臂快恢复二极管d1的阳极为双管正激斩波电路的负向输出端。

所述带两个隔离绕组的滤波电感t1的磁芯的磁性材料为高频软磁材料。

带两个隔离绕组的滤波电感t1的磁芯的磁性材料为锰锌铁氧体。

所述双管正激斩波电路的开关管的开关频率范围为20khz～100khz,占空比范围为0～40％。

dsp和cpld控制电路为dsp芯片tms320f28335和cpld芯片epm1270t144c5配以外围电路构成。

直流磁控溅射电源开机运行后，电源无故障的情况下，dsp和cpld控制电路把第一驱动隔离电路输出的驱动信号的占空比从0逐渐软起打开，高频整流桥105输出端产生幅值为v1的高压脉冲群。

如果电源输出电流小于人机交互界面设定的启辉成功判断阈值iref或者电源输出电压大于人机交互界面设定空载电压判断阈值vref，dsp和cpld控制电路把第二驱动隔离电路输出的驱动信号的占空比从0逐渐软起打开到40％，使带两个隔离绕组的滤波电感t1的第二绕组产生幅值为v2的高压脉冲群，在电容c2两端将产生v1与v2之和的空载电压；

如果负载启辉，电源输出电流大于人机交互界面设定的启辉成功判断阈值iref或者电源输出电压小于人机交互界面设定空载电压判断阈值vref，dsp和cpld控制电路将把第二驱动隔离电路输出的驱动信号的占空比控制为0，助燃电路停止输出，由主电源输出功率到负载，一但磁控靶停止放电，助燃电路将重复上述过程。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的一种直流磁控溅射镀膜电源快速可靠助燃电路，在增加简单的助燃电路的情况下，将助燃电路的输出直流脉冲电压叠加到高频整流桥输出的直流脉冲电压(溅射镀膜需要的电压)上，以达到直流磁控溅射镀膜工艺需要的助燃启辉电压。该电源能够在满足直流磁控溅射镀膜工艺要求的高助燃启辉电压、不同溅射镀膜电压和大溅射功率的情况下，减小主电源高频变压器副边与原边的匝比，减小主电源高频变压器磁芯外形尺寸，减少主电源高频整流桥串联的快恢复二极管数量，减小输出高频整流滤波电感量和电容量，高频逆变全桥的开关管可以选用额定电流更低的开关管，提高空载电压的同时又提高了电源主电路的可靠性，并且降低了材料成本，控制电路简单可靠，适用性强，方便常规直流磁控溅射电源的加装改造；该助燃电路能克服当靶材中毒拉弧电源关断输出或气氛变化导致灭辉后需要更高的助燃启辉电压而难于助燃启辉的问题，另外，由于滤波电感量和滤波电容量减小，电感和电容储能减小，当靶材拉弧时，电弧能量也减小，再者，当靶材拉弧时，电源输出滤波电容电压闪落，高频整流桥的输出电压主要施加在带两个隔离绕组的滤波电感的第一绕组上，能量部分转移到工频整流滤波电路的直流母排的电容上，输出到靶材的电弧能量进一步被减小，提高镀膜质量。该助燃电路可以应用于常规的直流磁控溅射镀膜场合或者磁控靶助燃启辉电压幅值要求非常高的场合，或者其他对直流电源的空载点火直流电压幅值要求高的应用领域。

附图说明

图1是本实用新型的硬件系统结构框图。

图2是本实用新型的双管正激斩波电路原理图。

图中：101、ac三相电源；102、工频整流滤波电路；103、逆变全桥电路；104、高频变压器；105、高频整流桥；107、电压取样和线性隔离电路；108、第一电流取样电路；109、第二电流取样电路；110、第一驱动隔离电路；111、第二驱动隔离电路；112、dsp和cpld控制电路；113、人机交互界面；115、双管正激斩波电路.

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

参见图1和图2，本实用新型实施例提供一种直流磁控溅射镀膜电源快速可靠助燃电路，包括：ac三相电源101、工频整流滤波电路102、逆变全桥电路103、高频变压器104、双管正激斩波电路115、高频整流桥105、带两个隔离绕组的滤波电感t1、滤波电容c2、dsp和cpld控制电路112、人机交互界面113、霍尔电流传感器lem1、霍尔电流传感器lem2、电压取样和线性隔离电路107、第一电流取样电路108、第二电流取样电路109、第一驱动隔离电路110、第二驱动隔离电路111。

ac三相电源101的输出端连接到工频整流滤波电路102的一输入端。

工频整流滤波电路102的输出端连接逆变全桥电路103的一输入端。

逆变全桥电路103的输出端连接到高频变压器104输入端。

高频变压器104输出端连接到高频整流桥105的输入端。

工频整流滤波电路102的输出端连接双管正激斩波电路115的一输入端。

双管正激斩波电路115的正向输出端穿过霍尔电流传感器lem2连接到带两个隔离绕组的滤波电感t1的第一绕组(对应1脚和2脚)2脚，双管正激斩波电路115的负向出端连接到带两个隔离绕组的滤波电感t1的1脚。

带两个隔离绕组的滤波电感t1的第二绕组(对应3脚和4脚)的3脚连接到直流磁控溅射镀膜电源的高频整流桥105的正向输出端。

带两个隔离绕组的滤波电感t1的4脚连接到电容c2的一端端。

带两个隔离绕组的滤波电感t1的2脚和4脚为同名端。

直流磁控溅射镀膜电源的高频整流桥105的负向输出端连接到电容c2的另一端。

带两个隔离绕组的滤波电感t1具有滤波电感的功能和变压器的功能，电容c2两端的电压实际为高频整流桥105输出电压与带两个隔离绕组的滤波电感t1第二绕组输出电压之和。

电容c2的一端连接负载的一端，电容c2的另一端穿过霍尔电流传感器lem1连接到负载的另一端。

电容c2的两端连接到电压取样和线性隔离电路107的输入端，电压取样和线性隔离电路107的输出端连接到dsp和cpld控制电路112的一输入端，以实现对电源输出电压的适时检测。

霍尔电流传感器lem1的输出端连接到第一电流取样电路108的输入端，第一电流取样电路108的输出端连接到dsp和cpld控制电路112的一输入端，以实现对电源输出电流的适时检测、过流保护控制和恒流负反馈控制。

霍尔电流传感器lem2的输出端连接到第二电流取样电路109的输入端，第二电流取样电路109的输出端连接到dsp和cpld控制电路112的一输入端，以实现对双管正激斩波电路115输出电流的适时检测、过流保护控制和恒流负反馈控制。

dsp和cpld控制电路112的一输出端连接到第二驱动隔离电路111的输入端，第二驱动隔离电路111的输出端连接到双管正激斩波电路115的一输入端。

dsp和cpld控制电路112的一输出端连接到第一驱动隔离电路110的输入端，第一驱动隔离电路110的输出端连接到逆变全桥电路103的一输入端。

dsp和cpld控制电路112的一端连接到人机交互界面113的一端。

双管正激斩波电路115，由电容c1、两只开关管(mosfet或igbt)和两只快恢复二极管组成，左桥臂上方为开关管q1，左桥臂下方为快恢复二极管d2，右桥臂上方为快恢复二极管d1，右桥臂下方为开关管q2，左桥臂快恢复二极管d2的阴极为双管正激斩波电路115正向输出端，右桥臂快恢复二极管d1的阳极为双管正激斩波电路115的负向输出端，开关管的开关频率范围为20khz～100khz,占空比范围为0～40％。

带两个隔离绕组的滤波电感t1的磁芯的磁性材料为锰锌铁氧体或者为其他高频软磁材料。

dsp和cpld控制电路112为dsp芯片tms320f28335和cpld芯片epm1270t144c5配以外围电路构成。

助燃电路的控制方法：带助燃电路的直流磁控溅射电源开机运行后，电源无故障的情况下，dsp和cpld控制电路112把第一驱动隔离电路110输出的驱动信号的占空比从0逐渐软起打开，高频整流桥105输出端产生幅值为v1的高压脉冲群；如果电源输出电流小于人机交互界面113设定的启辉成功判断阈值iref或者电源输出电压大于人机交互界面113设定空载电压判断阈值vref，dsp和cpld控制电路112把第二驱动隔离电路111输出的驱动信号的占空比从0逐渐软起打开到40％，使带两个隔离绕组的滤波电感t1的第二绕组产生幅值为v2的高压脉冲群，在电容c2两端将产生v1与v2之和的空载电压；如果负载启辉，电源输出电流大于人机交互界面113设定的启辉成功判断阈值iref或者电源输出电压小于人机交互界面113设定空载电压判断阈值vref，dsp和cpld控制电路112将把第二驱动隔离电路111输出的驱动信号的占空比控制为0，助燃电路停止输出，由主电源输出功率到负载，一但磁控靶停止放电，助燃电路将重复上述过程。