專利名稱：陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器及調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器及調(diào) 制方法，屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
等離子浸沒(méi)離子注入技術(shù)是一種先進(jìn)的表面改性技術(shù)，近年來(lái)引起人們的廣泛關(guān) 注。等離子浸沒(méi)離子注入過(guò)程中，被處理工件被放置在真空室內(nèi)，真空室內(nèi)由外部等離子體 源激發(fā)產(chǎn)生等離子體，在被處理工件上施加負(fù)的脈沖高壓，由于等離子中電子和離子的質(zhì) 量差異，電子迅速被排斥遠(yuǎn)離工件，而離子相對(duì)靜止，這樣在工件周圍便形成一個(gè)等離子壓 降區(qū)，即等離子鞘層區(qū)。鞘層內(nèi)的離子在鞘層電壓的加速下，獲得足夠的能量注入工件表 面，與工件表面原子發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)作用，最終達(dá)到對(duì)材料改性的目的。等離子體浸沒(méi)離子注入工藝中，高壓脈沖調(diào)制器的性能很大程度上決定了處理后 工件的表面質(zhì)量，例如離子的注入深度、注入均勻性等。等離子體浸沒(méi)離子注入工藝要求 電源能夠穩(wěn)定輸出陡脈沖前后沿、脈沖平頂壓降小的高壓脈沖，最理想的高壓脈沖波形為 矩形波。在實(shí)際脈沖電源設(shè)備中，由于負(fù)載容性和回路中一些寄生參數(shù)的存在，不可能獲得 理想的矩形波電壓波形。目前等離子體浸沒(méi)離子注入電源還是較多采用電子管模式高壓脈沖調(diào)制器，如圖 1所示，是一種采用真空電子管調(diào)制的高壓脈沖電源的結(jié)構(gòu)示意圖，它通過(guò)控制真空電子 管的通斷，可以在負(fù)載上得到負(fù)的高壓脈沖輸出，輸出電壓波形形狀如圖2所示，由于回路 寄生電容Ck的存在，導(dǎo)致輸出脈沖電壓的上升和下降都需要一段時(shí)間，即圖2中所示的上 升沿t和下降沿tf。這樣的電源存在兩個(gè)難題首先是能量損耗問(wèn)題如圖1，由于充電 過(guò)程中充電限流電阻R1和控制下降沿的下拉電阻Rt的存在，導(dǎo)致消耗在電阻上的能耗較 大。例如，當(dāng)電源的輸出電壓為50kV，脈沖占空比為5%，下拉電阻&為20kQ時(shí)，單消耗 在下拉電阻Rt上的功率就有6. 25kff ；其次是下降沿太長(zhǎng)由于負(fù)載容性和回路中一些寄生 參數(shù)的存在，導(dǎo)致脈沖下降沿很長(zhǎng)。過(guò)長(zhǎng)的脈沖下降沿對(duì)等離子浸沒(méi)離子注入過(guò)程是很不 利的，例如引入低能量離子，濺射效應(yīng)，使改性層注入深度等很難控制。D. T. K. Kwok等人計(jì) 算了等離子浸沒(méi)離子注入過(guò)程中[參考文獻(xiàn)D. T. K. Kwok, Μ. Μ. M. Bilek, D. R. McKenzie, et al. Appl. Phys. Lett. Vol. 82 (12) :1827，2003]，脈沖不同階段引入的低能離子的百分含量， 發(fā)現(xiàn)其中24%的低能量離子來(lái)自脈沖下降沿期間，這對(duì)注入改性層的表面質(zhì)量控制是不 利的。如果減小下拉電阻RT，會(huì)使輸出電壓波形的下降沿減小，但又使得能耗太大，因此采 用圖1所示的這種高壓脈沖電源的電路結(jié)構(gòu)，很難做到使輸出電壓波形的下降沿很短。日 本的Yukimura等人在文獻(xiàn)中提出采用兩個(gè)硬管開(kāi)關(guān)(真空電子管)調(diào)制高壓脈沖的電路 結(jié)構(gòu)，通過(guò)第二個(gè)電子管放電實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓脈沖下降沿的控制[參考文獻(xiàn)Ken Yukimura, Tomoyuki Muraho. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B Vol. 206 791,2003]。但這種方 法最大的缺點(diǎn)是多用了一個(gè)真空電子管，一方面使電源成本大幅提高，另一方面也增加了控制電路的復(fù)雜程度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)采用的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器輸出 脈沖的下降沿長(zhǎng)的問(wèn)題，提供一種陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制 器及調(diào)制方法。本發(fā)明一種陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器，它包括直 流高壓電源、充電限流電感、充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)、電流尖峰抑制電感、負(fù)載限流電阻、真空 四極管、燈絲電源、高壓脈沖電容器、高壓硅堆、下拉放電限流電阻、下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)、寄 生電容、二柵電源、充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元、充電同步隔離驅(qū)動(dòng)電路、脈沖延遲電路、 電子管驅(qū)動(dòng)電路、下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元和下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路，直流高壓電源的輸出端連接充電限流電感的一端，充電限流電感的另一端連接充 電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)的集電極，充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)的發(fā)射極與調(diào)制器的負(fù)載接入端之間串聯(lián) 高壓脈沖電容器，充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)的發(fā)射極與真空四極管的陽(yáng)極之間串聯(lián)電流尖峰抑制電感和 負(fù)載限流電阻，燈絲電源為該真空四極管的陰極燈絲供電，真空四極管的陰極燈絲一端連 接調(diào)制器的負(fù)載接地端；調(diào)制器的負(fù)載接入端連接高壓硅堆的正極，高壓硅堆的負(fù)極連接調(diào)制器的負(fù)載接 地端，寄生電容與高壓硅堆相并聯(lián)，調(diào)制器的負(fù)載接入端連接下拉放電限流電阻的一端，下拉放電限流電阻的另一端 連接下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)的發(fā)射極，下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)的集電極連接調(diào)制器的負(fù)載接地 端；充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元的充電控制信號(hào)輸出端連接充電同步隔離驅(qū)動(dòng)電 路的充電控制信號(hào)輸入端，充電同步隔離驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸出端連接充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān) 的柵極，充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元的充電控制信號(hào)輸出端還連接脈沖延遲電路的信 號(hào)輸入端，延遲電路的電子管驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接電子管驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，電 子管驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接真空四極管的一柵輸入端，用來(lái)控制真空四極管的通斷，二柵 電源的輸出端連接真空四極管的二柵輸入端；延遲電路的下拉驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 輸入端，下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元的輸出端連接下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，下 拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。本發(fā)明基于上述裝置的陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖的調(diào) 制方法，它將負(fù)載連接在調(diào)制器的負(fù)載接入端和調(diào)制器的負(fù)載接地端之間，它的調(diào)制方法為充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元產(chǎn)生矩形脈沖，用于控制充電 IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)充電控制；同時(shí)在該矩形脈沖的下降沿的觸發(fā)下，脈沖延遲電路分別輸 出電子管驅(qū)動(dòng)脈沖、下拉驅(qū)動(dòng)脈沖，其中所述下拉驅(qū)動(dòng)脈沖由電子管驅(qū)動(dòng)脈沖的下降沿觸 發(fā)產(chǎn)生，所述電子管驅(qū)動(dòng)脈沖用于驅(qū)動(dòng)電子管驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生負(fù)高壓脈沖信號(hào)；所述下拉驅(qū)動(dòng)脈沖分別用于驅(qū)動(dòng)下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)的通/斷，實(shí)現(xiàn)連續(xù)脈沖調(diào)制。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明涉及一種采用IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)分別控制高壓脈沖電容器 充電的過(guò)程和負(fù)載電容及寄生電容中殘留電荷放電的過(guò)程，它有效的減小了高壓脈沖的下 降沿和電源能耗。它采用真空電子管作為主開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)制高壓脈沖，用充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān) 控制高壓脈沖電容器的充電過(guò)程，消除了現(xiàn)有技術(shù)中在充電限流電阻上的功耗；當(dāng)真空電 子管關(guān)斷后，下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)開(kāi)通，負(fù)載的等效電容和寄生電容中殘留的電荷能夠迅速 流經(jīng)下拉放電限流電阻和負(fù)載的等效電阻及下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)釋放掉，降低了高壓脈沖 下降沿時(shí)間對(duì)負(fù)載的依賴性，使得下降沿大大減小。本發(fā)明所述脈沖調(diào)制器所形成脈沖的 波形下降沿短，波形更加規(guī)整，成本低廉，適用于在等離子體浸沒(méi)離子注入工藝中的精確控 制。本發(fā)明利用IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)技術(shù)控制脈沖下降沿，應(yīng)用于等離子體浸沒(méi)離子注入 工藝中，能夠大大提高電源效率。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)中采用真空電子管調(diào)制的高壓脈沖調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示高壓脈沖調(diào)制器的輸出電壓波形圖，圖中、為上升沿時(shí)間，tf為 下降沿時(shí)間；圖3為本發(fā)明裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明裝置輸出波形示意圖；圖5為本發(fā)明中驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1、圖3至圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述陡 下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器，它包括直流高壓電源1、充電限流 電感2、充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3、電流尖峰抑制電感4、負(fù)載限流電阻5、真空四極管6、燈絲電 源7、高壓脈沖電容器8、高壓硅堆9、下拉放電限流電阻Rp、下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10、寄生電容 Ck、二柵電源11、充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元12、充電同步隔離驅(qū)動(dòng)電路13、脈沖延遲電 路14、電子管驅(qū)動(dòng)電路15、下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元16和下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路17，直流高壓電源1的輸出端連接充電限流電感2的一端，充電限流電感2的另一端 連接充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3的集電極，充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3的發(fā)射極與調(diào)制器的負(fù)載接入 端A之間串聯(lián)高壓脈沖電容器8，充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3的發(fā)射極與真空四極管6的陽(yáng)極之間串聯(lián)電流尖峰抑制電 感4和負(fù)載限流電阻5，燈絲電源7為該真空四極管6的陰極燈絲供電，真空四極管6的陰 極燈絲一端連接調(diào)制器的負(fù)載接地端T ；調(diào)制器的負(fù)載接入端A連接高壓硅堆9的正極，高壓硅堆9的負(fù)極連接調(diào)制器的 負(fù)載接地端T，寄生電容Ck與高壓硅堆9相并聯(lián)，調(diào)制器的負(fù)載接入端A連接下拉放電限流電阻&的一端，下拉放電限流電阻Rp的 另一端連接下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10的發(fā)射極，下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10的集電極連接調(diào)制器的負(fù)載接地端T ；充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元12的充電控制信號(hào)輸出端連接充電同步隔離驅(qū)動(dòng) 電路13的充電控制信號(hào)輸入端，充電同步隔離驅(qū)動(dòng)電路13的信號(hào)輸出端連接充電IGBT串 聯(lián)開(kāi)關(guān)3的柵極，充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元12的充電控制信號(hào)輸出端還連接脈沖延遲電路14 的信號(hào)輸入端，延遲電路14的電子管驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接電子管驅(qū)動(dòng)電路15的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 輸入端，電子管驅(qū)動(dòng)電路15的輸出端連接真空四極管6的一柵輸入端，用來(lái)控制真空四極 管6的通斷，二柵電源11的輸出端連接真空四極管6的二柵輸入端；延遲電路14的下拉驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元16的驅(qū)動(dòng) 信號(hào)輸入端，下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元16的輸出端連接下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路17的 輸入端，下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路17的輸出端連接下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入 端。本實(shí)施方式在使用時(shí)，將負(fù)載19連接于調(diào)制器的負(fù)載接入端A和調(diào)制器的負(fù)載接 地端T之間，負(fù)載19可等效為等效電容Q和等效電阻&相并聯(lián)的形式，采用充電開(kāi)關(guān)的驅(qū) 動(dòng)原始信號(hào)單元12控制充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3的通斷，其中包括對(duì)充電時(shí)間的調(diào)節(jié)及脈沖 信號(hào)功率的放大等；采用脈沖延遲電路14控制充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3、真空電子管6及下拉 IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10之間的時(shí)序；下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元16用來(lái)控制下拉IGBT串聯(lián) 開(kāi)關(guān)10的通斷，其中包括下拉時(shí)間調(diào)節(jié)和脈沖功率的放大；電子管驅(qū)動(dòng)電路15實(shí)現(xiàn)對(duì)真空 電子管6的通斷控制，它最終實(shí)現(xiàn)了高壓脈沖寬度和頻率的連續(xù)可調(diào)，真空電子管6為一種 高壓開(kāi)關(guān)器件，能夠開(kāi)通和關(guān)斷高壓；充電限流電感2能夠抑制充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3開(kāi)通 瞬間過(guò)高的充電電流，充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3用來(lái)控制高壓脈沖電容器8的充電，同時(shí)又能 夠阻斷真空電子管6開(kāi)通時(shí)負(fù)載端與直流高壓電源1的聯(lián)系，高壓脈沖電容器8儲(chǔ)能后，真 接給負(fù)載供電；下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路17，提供給下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10同步隔離驅(qū)動(dòng)信 號(hào)，可以采用磁耦合隔離；下拉放電限流電阻Rp，能夠限制下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10放電過(guò)程 中的電流。工作過(guò)程當(dāng)充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3開(kāi)通時(shí)，直流高壓電源1通過(guò)充電限流電感2和 高壓硅堆9給高壓脈沖電容器8充電，充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3關(guān)斷后充電過(guò)程結(jié)束。這個(gè)過(guò) 程中，用充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3與充電限流電感2串聯(lián)來(lái)取代傳統(tǒng)電源中的充電限流電阻， 控制高壓脈沖電容器8的充電過(guò)程，減小了傳統(tǒng)電源比如圖1中消耗在充電限流電阻R1上 的能量，降低了電源內(nèi)部的功耗。當(dāng)真空電子管6開(kāi)通時(shí)，高壓脈沖電容器8通過(guò)電流尖峰 抑制電感4、負(fù)載限流電阻5和負(fù)載19放電，即在負(fù)載上產(chǎn)生負(fù)高壓。當(dāng)真空電子管6關(guān) 斷后，下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10立即導(dǎo)通，負(fù)載19中的等效電容Q和寄生電容Ck中存儲(chǔ)的電 荷通過(guò)下拉放電限流電阻Rp和負(fù)載19中的等效電阻&放電，其放電時(shí)間取決于時(shí)間常數(shù) (Rp//Rl) · (CV/CK)，并且在有高壓脈沖期間，由于下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10是關(guān)斷的，此時(shí)的 下拉放電限流電阻Rp并不消耗功率。真空電子管的二柵電源11和電子管驅(qū)動(dòng)電路15組 成真空電子管6通斷的控制電路。真空電子管6、充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3和下拉IGBT串聯(lián)開(kāi) 關(guān)10的通斷時(shí)序是都是由脈沖延遲電路14完成的，兩兩之間不同時(shí)打開(kāi)。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為與實(shí)施方式一的 不同之處在于，它還包括下拉IGBT均壓電路18，下拉IGBT均壓電路18并聯(lián)在下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10的發(fā)射極與集電極之間。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
三下面結(jié)合圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式二的 進(jìn)一步說(shuō)明，所述下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路17采用脈沖變壓器，脈沖變壓器的初級(jí)線圈連接 下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元16的輸出端，脈沖變壓器具有多個(gè)次級(jí)線圈；下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10由多個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān)Z串聯(lián)組成，下拉IGBT均壓電路18由多個(gè)阻容分壓電路組成，每個(gè)阻容分壓電路由分壓電阻 R和分壓電容C相并聯(lián)組成，所述每個(gè)次級(jí)線圈并聯(lián)在一個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān)Z的集電極與柵極之間，每個(gè)IGBT 低壓開(kāi)關(guān)Z的集電極與發(fā)射極之間并聯(lián)一個(gè)阻容分壓電路。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方 式二相同。本實(shí)施方式中所述的下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10由多個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān)Z串聯(lián)組成，它 用于釋放負(fù)載19的等效電容Q和寄生電容Ck中殘留的電荷，縮短高壓脈沖的下降沿時(shí)間； 下拉IGBT均壓電路18由多個(gè)阻容分壓電路組成，用來(lái)保證對(duì)每個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān)Z的均壓， 保護(hù)其不被過(guò)壓擊穿。本實(shí)施方式中將多個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān)Z相串聯(lián)組成下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10，是因?yàn)?單個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān)Z無(wú)法承受整個(gè)負(fù)載上的高壓，例如，當(dāng)所述高壓脈沖調(diào)制器的最高輸 出電壓為30kV時(shí)，要選用30個(gè)耐壓為1200V的IGBT低壓開(kāi)關(guān)Z串聯(lián)分壓。由于每個(gè)IGBT 低壓開(kāi)關(guān)Z之間的寄生參數(shù)的差異，以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同步性往往造成每個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān) Z的分壓不均，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成IGBT低壓開(kāi)關(guān)Z過(guò)壓擊穿損壞。因此在每個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān)Z 上都并聯(lián)一個(gè)阻容分壓電路，來(lái)確保每個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān)Z的均壓。本發(fā)明中充電IGBT串 聯(lián)開(kāi)關(guān)3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可與下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10的結(jié)構(gòu)相類似。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式三的進(jìn)一步限定，所述分壓電容C的 取值范圍為lOnf-lOOOnf。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式三相同。下拉IGBT均壓電路18中分壓電容C的大小對(duì)每個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān)Z的動(dòng)態(tài)均壓 影響很大，太小均壓效果不明顯，太大不僅會(huì)導(dǎo)致IGBT低壓開(kāi)關(guān)Z放電電流過(guò)大，而且消耗 的電功率也會(huì)隨之增大。因此將分壓電容C的選擇范圍為lOnf-lOOOnf。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一的進(jìn)一步限定，所述下拉放電限流 電阻Rp是可調(diào)電阻，其阻值可調(diào)范圍為100 Ω-50k Ω。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一 相同。本實(shí)施方式中，在下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10的通流能力允許的范圍內(nèi)，調(diào)整下拉放電 限流電阻艮的大小可以有效地控制脈沖下降沿時(shí)間，下拉放電限流電阻Rp阻值變化范圍可 以為100Ω-501 Ω。另外，可以采用電感限流取代下拉放電限流電阻Rp。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一的進(jìn)一步限定，所述真空四極管6 的耐壓范圍為10kV-100kV。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一相同。本實(shí)施方式中真空電子管6的耐壓取值需根據(jù)電源實(shí)際要求輸出的電壓范圍而 定。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一的進(jìn)一步限定，所述高壓脈沖電容 器8的取值范圍為0. 5 μ F-5 μ F。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一相同。高壓脈沖電容器8在電壓一定時(shí)，可根據(jù)電源輸出最大脈沖電流、脈寬以及脈沖
8電壓平頂降的要求，對(duì)高壓脈沖電容器8的容量進(jìn)行選擇。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一的進(jìn)一步限定，所述電流尖峰抑制 電感4的取值范圍為10 μ H-100 μ H。其它組成及連接關(guān)系與實(shí)施方式一相同。由于容性負(fù)載的存在，導(dǎo)致在脈沖開(kāi)通瞬間，負(fù)載電流很大，為了抑制電流尖峰， 設(shè)置電流尖峰抑制電感4，而過(guò)大的電流尖峰抑制電感4又會(huì)引起振蕩，對(duì)電流尖峰抑制電 感4電感值的選取要根據(jù)具體要求而定。本發(fā)明裝置不局限于上述實(shí)施方式，還可以是上述各實(shí)施方式中所述技術(shù)特征的
合理組合。
具體實(shí)施方式
九下面結(jié)合圖3至圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為基于實(shí)施 方式一的一種陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖的調(diào)制方法，它將負(fù)載19 連接在調(diào)制器的負(fù)載接入端A和調(diào)制器的負(fù)載接地端T之間，它的調(diào)制方法為充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元12產(chǎn)生矩形脈沖，用于控制充電 IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3實(shí)現(xiàn)充電控制；同時(shí)在該矩形脈沖的下降沿的觸發(fā)下，脈沖延遲電路14分 別輸出電子管驅(qū)動(dòng)脈沖、下拉驅(qū)動(dòng)脈沖，其中所述下拉驅(qū)動(dòng)脈沖由電子管驅(qū)動(dòng)脈沖的下降 沿觸發(fā)產(chǎn)生，所述電子管驅(qū)動(dòng)脈沖用于驅(qū)動(dòng)電子管驅(qū)動(dòng)電路15產(chǎn)生負(fù)高壓脈沖信號(hào)；所述 下拉驅(qū)動(dòng)脈沖分別用于驅(qū)動(dòng)下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10的通/斷，實(shí)現(xiàn)連續(xù)脈沖調(diào)制。
具體實(shí)施方式
十下面結(jié)合圖3至圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)具體實(shí)施 方式九的進(jìn)一步說(shuō)明，所述矩形脈沖是固定脈寬、頻率在5Ηζ-1000Ηζ范圍內(nèi)的周期性矩形 脈沖信號(hào)，該矩形脈沖用于控制充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3實(shí)現(xiàn)充電控制的過(guò)程為所述矩形脈 沖通過(guò)充電同步隔離驅(qū)動(dòng)電路13控制充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3開(kāi)通，此時(shí)直流高壓電源1通 過(guò)充電限流電感2和高壓硅堆9給高壓脈沖電容器8充電，所述矩形脈沖結(jié)束時(shí)充電IGBT 串聯(lián)開(kāi)關(guān)3關(guān)斷，一次充電過(guò)程結(jié)束；所述電子管驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬在5 μ s-300 μ s范圍內(nèi)，所述電子管驅(qū)動(dòng)脈沖用于驅(qū) 動(dòng)電子管驅(qū)動(dòng)電路15產(chǎn)生負(fù)高壓脈沖信號(hào)的過(guò)程為電子管驅(qū)動(dòng)脈沖控制電子管驅(qū)動(dòng)電 路15，使真空四極管6開(kāi)通，此時(shí)高壓脈沖電容器8通過(guò)電流尖峰抑制電感4、負(fù)載限流電 阻5和負(fù)載19放電，即在負(fù)載19上產(chǎn)生負(fù)高壓，所述電子管驅(qū)動(dòng)脈沖結(jié)束時(shí)，真空四極管 6關(guān)斷；所述下拉驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬為50 μ s，所述下拉驅(qū)動(dòng)脈沖分別用于驅(qū)動(dòng)下拉IGBT串 聯(lián)開(kāi)關(guān)10的通/斷的過(guò)程為該下拉驅(qū)動(dòng)脈沖輸出給下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元16，通 過(guò)下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路17控制下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10開(kāi)通，此時(shí)負(fù)載19的等效電容Q 和寄生電容Ck中存儲(chǔ)的電荷通過(guò)下拉放電限流電阻Rp和負(fù)載19的等效電阻&放電，所述 下拉驅(qū)動(dòng)脈沖結(jié)束時(shí)，下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10關(guān)斷。高壓脈沖的下降沿時(shí)間主要來(lái)自于負(fù)載19的等效電容Q以及寄生電容Ck的放電 過(guò)程，一旦脈沖關(guān)斷，上述電容中存儲(chǔ)的電荷不能及時(shí)釋放，負(fù)載兩端的電壓便不能快速回 復(fù)到零電位，這樣脈沖電壓便有一個(gè)很長(zhǎng)的拖尾。同時(shí)，給高壓脈沖電容器8充電也需要較 大的無(wú)功功耗。本發(fā)明通過(guò)下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10釋放負(fù)載回路中的殘留電荷來(lái)減小脈沖 的下降沿，以及利用充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)3控制高壓脈沖電容器8的充電，有效提高了電源 的效率，通過(guò)合適的電路設(shè)計(jì)，可以得到下降沿為1-2 μ s以內(nèi)的高壓脈沖，能夠有效地提 高等離子浸沒(méi)離子注入工藝的控制精度，同時(shí)電源設(shè)備的能量利用率高，成本低廉。
本發(fā)明方法用于調(diào)制40kV高壓脈沖時(shí)，所述真空四極管6選用北京京東方的 TM702-F。圖4所示采用本發(fā)明中下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10控制脈沖下降沿，曲線P所示，下拉 放電限流電阻&為1.5kQ時(shí)，高壓脈沖下降沿時(shí)間僅為5ys左右，若進(jìn)一步減小下拉放 電限流電阻Rp，下降沿時(shí)間還可以進(jìn)一步縮短；圖中將未采用下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10，而直 接采用24k Ω下拉放電限流電阻Rp與負(fù)載19相并聯(lián)的方式作了對(duì)比，如曲線Q所示，這種 方式輸出30kV的高壓脈沖后沿時(shí)間大約為150μ s ；結(jié)果表明，采用下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)10 控制高壓脈沖下降沿的方法是切實(shí)可行的。本發(fā)明方法中，為了防止過(guò)大的短路電流損壞器件，在負(fù)載回路中串有下拉放電 限流電阻Rp，其值選擇不宜過(guò)大，否則會(huì)延緩脈沖上升沿時(shí)間，可以選擇為10 Ω -200 Ω。充電同步隔離驅(qū)動(dòng)電路13和下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路17對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離傳輸可 以采用電磁耦合，例如采用一組初級(jí)線圈帶η組次級(jí)線圈的變壓器方式；也可以采用光電 耦合隔離，例如采用一個(gè)發(fā)射端/n個(gè)接收端的光纖隔離，也可以采用多個(gè)變壓器原端串聯(lián) 的方式。
權(quán)利要求
一種陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器，其特征在于它包括直流高壓電源(1)、充電限流電感(2)、充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(3)、電流尖峰抑制電感(4)、負(fù)載限流電阻(5)、真空四極管(6)、燈絲電源(7)、高壓脈沖電容器(8)、高壓硅堆(9)、下拉放電限流電阻(Rp)、下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(10)、寄生電容(CR)、二柵電源(11)、充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元(12)、充電同步隔離驅(qū)動(dòng)電路(13)、脈沖延遲電路(14)、電子管驅(qū)動(dòng)電路(15)、下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元(16)和下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路(17)，直流高壓電源(1)的輸出端連接充電限流電感(2)的一端，充電限流電感(2)的另一端連接充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(3)的集電極，充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(3)的發(fā)射極與調(diào)制器的負(fù)載接入端(A)之間串聯(lián)高壓脈沖電容器(8)，充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(3)的發(fā)射極與真空四極管(6)的陽(yáng)極之間串聯(lián)電流尖峰抑制電感(4)和負(fù)載限流電阻(5)，燈絲電源(7)為該真空四極管(6)的陰極燈絲供電，真空四極管(6)的陰極燈絲一端連接調(diào)制器的負(fù)載接地端(T)；調(diào)制器的負(fù)載接入端(A)連接高壓硅堆(9)的正極，高壓硅堆(9)的負(fù)極連接調(diào)制器的負(fù)載接地端(T)，寄生電容(CR)與高壓硅堆(9)相并聯(lián)，調(diào)制器的負(fù)載接入端(A)連接下拉放電限流電阻(Rp)的一端，下拉放電限流電阻(Rp)的另一端連接下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(10)的發(fā)射極，下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(10)的集電極連接調(diào)制器的負(fù)載接地端(T)；充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元(12)的充電控制信號(hào)輸出端連接充電同步隔離驅(qū)動(dòng)電路(13)的充電控制信號(hào)輸入端，充電同步隔離驅(qū)動(dòng)電路(13)的信號(hào)輸出端連接充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(3)的柵極，充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元(12)的充電控制信號(hào)輸出端還連接脈沖延遲電路(14)的信號(hào)輸入端，延遲電路(14)的電子管驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接電子管驅(qū)動(dòng)電路(15)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，電子管驅(qū)動(dòng)電路(15)的輸出端連接真空四極管(6)的一柵輸入端，用來(lái)控制真空四極管(6)的通斷，二柵電源(11)的輸出端連接真空四極管(6)的二柵輸入端；延遲電路(14)的下拉驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元(16)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元(16)的輸出端連接下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路(17)的輸入端，下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路(17)的輸出端連接下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(10)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器， 其特征在于它還包括下拉IGBT均壓電路(18)，下拉IGBT均壓電路(18)并聯(lián)在下拉IGBT 串聯(lián)開(kāi)關(guān)(10)的發(fā)射極與集電極之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器， 其特征在于所述下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路(17)采用脈沖變壓器，脈沖變壓器的初級(jí)線圈連 接下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元(16)的輸出端，脈沖變壓器具有多個(gè)次級(jí)線圈；下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(10)由多個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān)(Z)串聯(lián)組成， 下拉IGBT均壓電路(18)由多個(gè)阻容分壓電路組成，每個(gè)阻容分壓電路由分壓電阻(R) 和分壓電容(C)相并聯(lián)組成，所述每個(gè)次級(jí)線圈并聯(lián)在一個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān)(Z)的集電極與柵極之間，每個(gè)IGBT低壓開(kāi)關(guān)(Z)的集電極與發(fā)射極之間并聯(lián)一個(gè)阻容分壓電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器， 其特征在于所述分壓電容(C)的取值范圍為lOnf-lOOOnf。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器， 其特征在于所述下拉放電限流電阻(Rp)是可調(diào)電阻，其阻值可調(diào)范圍為100Ω-501 Ω。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器， 其特征在于所述真空四極管(6)的耐壓范圍為10kV-100kV。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器， 其特征在于所述高壓脈沖電容器(8)的取值范圍為0.5 μ F-5 μ F。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器， 其特征在于所述電流尖峰抑制電感⑷的取值范圍為10 μ Η-100 μ H。
9.一種基于權(quán)利要求1所述的陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào) 制器的高壓脈沖調(diào)制方法，它將負(fù)載(19)連接在調(diào)制器的負(fù)載接入端(A)和調(diào)制器的負(fù)載 接地端⑴之間，其特征在于，它的調(diào)制方法為充電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元(12)產(chǎn)生矩形脈沖，用 于控制充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(3)實(shí)現(xiàn)充電控制；同時(shí)在該矩形脈沖的下降沿的觸發(fā)下，脈沖 延遲電路(14)分別輸出電子管驅(qū)動(dòng)脈沖、下拉驅(qū)動(dòng)脈沖，其中所述下拉驅(qū)動(dòng)脈沖由電子管 驅(qū)動(dòng)脈沖的下降沿觸發(fā)產(chǎn)生，所述電子管驅(qū)動(dòng)脈沖用于驅(qū)動(dòng)電子管驅(qū)動(dòng)電路(15)產(chǎn)生負(fù) 高壓脈沖信號(hào)；所述下拉驅(qū)動(dòng)脈沖分別用于驅(qū)動(dòng)下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(10)的通/斷，實(shí)現(xiàn)連 續(xù)脈沖調(diào)制。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖的調(diào)制 方法，其特征在于，所述矩形脈沖是固定脈寬、頻率在5Ηζ-1000Ηζ范圍內(nèi)的周期性矩形脈沖信號(hào)，該矩形 脈沖用于控制充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(3)實(shí)現(xiàn)充電控制的過(guò)程為所述矩形脈沖通過(guò)充電同步 隔離驅(qū)動(dòng)電路(13)控制充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(3)開(kāi)通，此時(shí)直流高壓電源(1)通過(guò)充電限 流電感(2)和高壓硅堆(9)給高壓脈沖電容器(8)充電，所述矩形脈沖結(jié)束時(shí)充電IGBT串 聯(lián)開(kāi)關(guān)(3)關(guān)斷，一次充電過(guò)程結(jié)束；所述電子管驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬在5 μ s-300 μ s范圍內(nèi)，所述電子管驅(qū)動(dòng)脈沖用于驅(qū)動(dòng)電 子管驅(qū)動(dòng)電路(15)產(chǎn)生負(fù)高壓脈沖信號(hào)的過(guò)程為電子管驅(qū)動(dòng)脈沖控制電子管驅(qū)動(dòng)電路 (15)，使真空四極管(6)開(kāi)通，此時(shí)高壓脈沖電容器(8)通過(guò)電流尖峰抑制電感(4)、負(fù)載限 流電阻(5)和負(fù)載(19)放電，即在負(fù)載(19)上產(chǎn)生負(fù)高壓，所述電子管驅(qū)動(dòng)脈沖結(jié)束時(shí)， 真空四極管(6)關(guān)斷；所述下拉驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬為50 μ s，所述下拉驅(qū)動(dòng)脈沖分別用于驅(qū)動(dòng)下拉IGBT串聯(lián)開(kāi) 關(guān)(10)的通/斷的過(guò)程為該下拉驅(qū)動(dòng)脈沖輸出給下拉開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)原始信號(hào)單元(16)，通 過(guò)下拉同步隔離驅(qū)動(dòng)電路(17)控制下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(10)開(kāi)通，此時(shí)負(fù)載(19)的等效 電容(CJ和寄生電容(Ck)中存儲(chǔ)的電荷通過(guò)下拉放電限流電阻(Rp)和負(fù)載(19)的等效 電阻(RJ放電，所述下拉驅(qū)動(dòng)脈沖結(jié)束時(shí)，下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)(10)關(guān)斷。
全文摘要
陡下降沿低功耗的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器及調(diào)制方法，屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)采用的等離子浸沒(méi)離子注入用高壓脈沖調(diào)制器輸出脈沖的下降沿長(zhǎng)的問(wèn)題。它采用真空電子管作為主開(kāi)關(guān)調(diào)制高壓脈沖，用充電IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)控制高壓脈沖電容器的充電過(guò)程，消除了充電限流電阻上的功耗；當(dāng)高壓脈沖關(guān)斷時(shí)，下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)開(kāi)通，負(fù)載電容和寄生電容中殘留的電荷能夠迅速流經(jīng)放電限流器件和下拉IGBT串聯(lián)開(kāi)關(guān)釋放掉，使得輸出高壓脈沖的下降沿大大減小。本發(fā)明用于等離子體浸沒(méi)離子注入工藝中對(duì)高壓脈沖的精確控制。
文檔編號(hào)H02M3/07GK101951146SQ20101028916
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者鞏春志, 朱宗濤, 楊士勤, 田修波 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)