1、40kHz正弦波高壓等離子體電源寧澍，楊建生，萬喜新（中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所 長沙 410111）摘要：文章介紹了一種用于工業(yè)設(shè)備的等離子體放電電源，給出了主電路、功率穩(wěn)定電路的設(shè)計(jì)過程。電源主電路由功率場效應(yīng)晶體管構(gòu)成的H橋式電路，串并聯(lián)混合諧振電路，變壓器阻抗變換電路組成。研制成的等離子體放電電源在太陽能電池生產(chǎn)線等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備上滿足使用要求，電源工作穩(wěn)定可靠。敘詞：等離子體放電；高壓正弦波；交流電源1. 引言等離子體電源是一種輸出為幾kHz到幾十kHz，電壓有效值為幾百到幾千伏的交流電源，它廣泛應(yīng)用于太陽能電池、半導(dǎo)體生產(chǎn)線的PECVD（等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積

2、）、金屬表面磁控濺射鍍膜、等離子體薄膜材料改性等設(shè)備。目前國內(nèi)使用和報(bào)道的基本上是輸出為方波或是電壓為正弦波，電流為方波，或者電流為正弦波，電壓為方波的等離子體電源。方波的諧波大，負(fù)載適應(yīng)性不如正弦波好，同時(shí)還會對設(shè)備的控制電路產(chǎn)生較大的干擾。在太陽能電池減反射膜制備中，采用PECVD技術(shù)在電池表面沉積一層氮化硅減反射膜，以減少光的反射，薄膜生長的質(zhì)量和速度，除與其他工藝有關(guān)外，由電極的電場特性決定，而電場的特性取決于電源的輸出波形和功率。我們針對PECVD設(shè)備的特性需要，研制生產(chǎn)了輸出為40kHz、電壓電流均為正弦波的高壓等離子體電源。2. 系統(tǒng)組成圖1為等離子體電源系統(tǒng)框圖。整個電源系統(tǒng)主

3、要由三相整流、LC濾波、DC/DC轉(zhuǎn)換、全橋逆變、串并聯(lián)混合諧振網(wǎng)絡(luò)、高頻變壓器、采樣電路、功率調(diào)節(jié)穩(wěn)定電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等組成。3. 全橋逆變及混合諧振網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)三相整流、LC濾波和DC/DC轉(zhuǎn)換電路是大家所熟悉的部分，在此不贅述。本文重點(diǎn)介紹全橋逆變及混合諧振電路的原理。圖2為全橋逆變及混合諧振電路原理圖。圖中，V1、V2、V3和V4為功率場效應(yīng)晶體管構(gòu)成的H橋式逆變電路，以PWM方式工作，調(diào)節(jié)輸出功率。V5、V6、V7和V8為串聯(lián)在逆變開關(guān)之間的大電流高反壓快恢復(fù)二極管，V9、V10、V11和V12為大電流高反壓快恢復(fù)并聯(lián)二極管。在脈寬調(diào)制器及驅(qū)動器的控制下，V1、V4和V2、V3交

4、替通斷，為混合諧振網(wǎng)絡(luò)提供40kHz的交流矩形波電壓。串聯(lián)諧振為電壓型逆變，其輸入電壓恒定，輸出電壓為矩形波，輸出電流為正弦波并且適用于頻繁啟動的場合；并聯(lián)諧振為電流型逆變，其輸入電流恒定，輸出電壓為正弦波，輸出電流為矩形波，適用于負(fù)載變動范圍大的場合。為滿足PECVD的特性要求，結(jié)合串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的優(yōu)缺點(diǎn)，諧振電路采用了串并聯(lián)混合諧振網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)LC產(chǎn)生串聯(lián)諧振時(shí)其等效阻抗最小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)L1C1串聯(lián)諧振電路串聯(lián)在逆變器的輸出電路，L3C3串聯(lián)諧振電路串聯(lián)在變壓器的初級電路；根據(jù)LC產(chǎn)生并聯(lián)諧振時(shí)其等效阻抗最大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)L2C2并聯(lián)諧振電路并聯(lián)在變壓器的初級電路。網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率f0為40

5、kHz。根據(jù)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。4 功率穩(wěn)定電路設(shè)計(jì)圖3為功率穩(wěn)定電路原理圖。圖中N1為電壓取樣放大電路，N2為電流取樣放大電路，N3為四象限乘法器。經(jīng)N1放大輸出的正弦波電壓信號與經(jīng)N2放大輸出的正弦波電流信號經(jīng)N3相乘，在N3的輸出端得到正弦波功率信號，作為N4的輸入。N4為精密整流電路，N5為比較放大器，N6為脈寬調(diào)制器。功率信號經(jīng)過N4整流，R1C1濾波得到反映輸出功率大小的直流信號，該信號與功率調(diào)節(jié)基準(zhǔn)E1經(jīng)N5比較放大,控制脈寬調(diào)制器的輸出脈沖寬度，從而控制輸出功率。5. 結(jié)束語采用文章描述的方法設(shè)計(jì)研制了輸出電壓、電流為40kHz正弦波，電壓、電流有效值為1100V、20A的等離子體電源，目前已用于太陽能電池減反射膜制備PECVD設(shè)備，滿足設(shè)備特性要求，具有負(fù)載變動適應(yīng)強(qiáng)，放電穩(wěn)定的優(yōu)良性能。6. 感謝王學(xué)仕同志為該電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了大量的工作，在此表示衷心的感謝！參考文獻(xiàn)1高吉祥.主編. 高頻電子線路,電子工業(yè)出版社，2張玉興.編著.射頻模擬電路，電子工業(yè)出版社，作者簡介寧 澍：女，電氣