CN100588102C - 用于产生输出dc电压的方法和等离子处理dc电压供电电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生气体放电处理电压供电单元(1)的输出DC电压的方法和一种等离子处理DC电压供电单元(1)，所述等离子处理DC电压供电单元(1)包括第一电压转换级(2)和第二电压转换级(3)，其中在第一电压转换级(2)中，将第一DC电压转换为预定电压范围的第二DC电压，并且在第二电压转换级(3)中，从该第二DC电压产生输出DC电压，在第二电压转换级中使用受控的脉冲占空因数切换至少一个增压转换器(20)的切换元件(23)，以产生输出DC电压。该方法能够发动并维持该等离子处理。

Description

用于产生输出DC电压的方法和等离子处理DC电压供电电源
技术领域
本发明涉及一种用于产生用于气体放电处理的供电电源的输出DC电压的方法，其中在第一电压转换级，将第一DC电压转换为预定电压范围的第二DC电压，并且在第二电压转换级，从该第二DC电压产生输出DC电压，以及一种用于执行该方法的装置。
背景技术
例如在DE19627497A1中公开了这种类型的方法和对应的装置。
由于在该处理中大多数不同的要求和***技术的特性，气体放电处理具有不同的阻抗。这就意味着必须提供不同的放电电压，以得到所要求的特定功率变换。而且，启动气体放电处理所要求的电压通常高于维持该气体放电处理的电压。
DE19627497A1中公开了一种具有发动(strike)增强电路的等离子发生器。发动增强电路在高阻抗时产生高电压，以启动等离子或喷溅(sputter)室中的等离子。发动增强电路具有多个用作全波整流器的二极管桥。供电电源的变压器次级通过隔离电容器与每一二极管桥的交流电(AC)输入连接。二极管桥的直流(DC)连接被并联，并且所增加的电压通过输入连接提供到等离子室。每一二极管桥还包括存储电容器，其连接着正和负DC连接。变压器次级波形的正和负电压峰值被存储在存储电容器中。足够大以启动等离子放电的电压被提供给DC输出。如果存在等离子，则隔离电容器的阻抗防止发动电路提供高的发动电压。常规装置以及相关方法不适合于在宽的电压范围上控制等离子发生器的输出端上的DC电压。
发明内容
本发明的潜在目的是提供一种方法以及用于执行该方法装置，其允许设置具有预定标称输出功率的较宽范围的输出电压。
根据本发明实现该目的，其中在用于在第二电压转换级中产生输出DC电压的上述方法中，使用受控的脉冲占空因数切换至少一个增压转换器的切换元件。第一电压转换级产生第一DC电压，其特别适合于气体放电处理的普通操作，即其特别适合于维持气体放电处理。因此可以通过第一电压转换级调节气体放电处理的供电电源。在第二电压转换级可以增加输出电压，特别用于发动气体放电过程。当气体放电过程已经被发动时，可以通过第二电压转换级控制输出电压，同时维持气体放电过程。特别地，可以通过第二电压转换级调节上输出电压范围中的功率。通过这种操作，根据最大可容许的输出电压，只有增压转换器的有源元件必须被选择。第一电压转换级的组件与此无关。使用受控的脉冲占空因数切换增压转换器的切换元件的优点在于，增压转换器对开路操作具有阻抗。从而可能防止每一周期能量从电感被吸取到增压转换器的滤波电容器中，从而防止了在空载状态下输出DC电压的增加，其可能毁坏组件。而且，可以通过控制脉冲占空因数调节输出DC电压。特别地，可以将脉冲占空因数设置为零，使得输出DC电压对应于第二DC电压的输出。
在特别优选的方法变体中，增加第二电流转换级中的第二DC电压。第二DC电压的增加特别允许发动气体放电处理，而不需要另外的发动增加电路。
在一个方法变体中，可以通过以时间偏移的方式，使用受控的脉冲占空因数切换至少两个增压转换器的切换元件，来从第二DC电压中产生输出DC电压。这样的优点在于，可以以较低的频率操作切换元件，提供切换元件的最优功能。而且，第二电压转换级的输出上的滤波电容器可以具有更小的电容，这样就快速地断开电压供电单元。特别地，如果在等离子处理中出现所谓的弧，就需要快速切换。这些弧在等离子处理中产生不稳定性，并且可以毁坏等离子室中的阴极或其它元件。如果出现这种弧，必须迅速地关闭电压供电。在断开连接之后，只有少量剩余能量残留在整个***中，即在电流供应和等离子***中。另一个优点在于，通过使用利用受控的脉冲占空因数以时间偏移的方式切换的两个增压转换器，在电压供电单元的输出上可以产生平滑的(很大程度上无波纹的)DC电压。
通过利用受控的脉冲占空因数以时间偏移的方式切换至少两个增压转换器的切换元件而从输入DC电压产生输出DC电压，其表示独立的发明，与如何产生输入DC电压无关。通过特别优选的方式，并行连接增压转换器，并且将输入DC电压增加到输出DC电压。
特别优选地，以大于等于18kHz的频率驱动切换元件，因为例如在变压器中激励的振荡在这些频率不是可听的。而且，诸如变压器的无源组件可以具有更小的尺寸。
优选地使用相同的频率，或者使用预定的基频的倍数驱动切换元件，从而防止跳动(beat)。例如，如果使用不同的驱动频率来驱动切换元件，就可能产生跳动。这可能是例如使用变频控制进行控制的情况。以相同的频率或预定的基频的倍数驱动切换元件使得提高电磁兼容性(EMC)。从而很大程度上防止了切换元件的相互影响以及其它组件或外部装置的影响。
在优选的方法变体中，第一DC电压最初被转换为AC电压，其随后被整流到第二DC电压。从而可以调节第二电流转换级的输入电压。而且，在第一电流转换级中，可以分离第一电流转换级的输入和输出的电势。可以调节AC电压的幅度以及AC电压的波形。
在方法的优选的进一步发展中，通过切换元件的桥电路产生AC电压，其中可以通过脉冲宽度调制或移相的方式驱动切换元件，一方面允许用于低负载电压的功率调节，并且另一方面允许第一电压转换级的输入电压的转换。而且，可以自由地调节AC电压的波形。桥电路可以实施为半桥或全桥。
通过特别优选的方式，在相同的频率或者在预定的基频的倍数处，驱动桥电路的切换元件和增压转换器的切换元件。从而消除了跳动。切换元件的共同控制对电磁兼容性具有正面影响。第一和第二电压转换级彼此不影响。
特别优选地，在整流之前转换AC电压。转换允许电势分离。而且，可以调节第二电压转换级的输入电压，并且如果第二电压转换级中的电压不增加，也可以调节电压供电单元的输出电压。
优选地，通过整流从电源电压(mains voltage)产生第一DC电压。这样的优点是，整个供电电源机构几乎可以工作于任何电源电压。等离子***使用完全相同的电压供电机构可以工作于大多数不同的电源电压，并且用于大多数不同的输出DC电压。
通过特别优选的方式，从第一DC电压产生电压小于650V的第二DC电压，优选为在50至650V之间的范围中，并且从第二DC电压产生电压大于600V的输出DC电压，其优选为在600至2000V之间的范围中。第一电压转换级从而产生相对低的输出DC电压，特别用于维持气体放电处理或用于低负载阻抗和高输出电流，并且第二电压转换级产生更高的输出电压，特别用于发动气体放电处理或用于上输出电压范围中的功率调节，即高负载阻抗以及相应地高输出DC电压。因此，如果在第一电压转换级产生小电压，并且在第二电压转换级产生大电压，那么只有第二电压转换级需要使用为高电压所设计的组件。由于电压减少了，第一电压转换级的元件之间的安全距离可以更小。
根据本发明，也可以使用等离子处理DC电压供电单元实现这一目的，第一电压转换级用于将第一DC电压转换为第二DC电压，并且第二电压转换级用于将第二DC电压转换为输出DC电压。为了产生输出DC电压，第二电压转换级具有至少一个增压转换器，其具有使用受控的脉冲占空因数驱动的切换元件。这种类型的DC电压供电单元可以用于宽输入电压范围上和所需要的输出DC电压范围。第一电压转换级可以是任何DC/DC转换器，例如降压转换器、增压转换器或其组合。第一DC电压在第一电压转换级中可以增加或降低。
优选地提供控制单元来控制第一和第二电压转换级。在第二电压转换级中通过控制单元并结合使用增压转换器共同控制第一和第二电压转换级，这样就允许可靠地发动气体放电处理，并且也根据等离子处理的要求连续调节输出DC电压。也可以提供具有其自己的控制单元的每一电压转换级。
在优选的实施例中，在第二电压转换级中提供至少两个并行连接的增压转换器，以保护第二电压转换级中的组件。相比于只使用一个增益转换器，切换元件特别地可以工作于更低的频率。包括至少两个并行连接的增压转换器的第二电压转换级也可以独立地作为发明的等离子处理DC电压供电单元。增压转换器可以与共同的DC电压供电连接，或者每一增压转换器可以具有其自己的DC电压供电。
通过特别优选的方式，增压转换器具有共同的滤波电容器。具有非常小电容的滤波电容器可以用于允许快速地将电容器放电，从而保护等离子处理DC电压供电单元不受到破坏的、预定的最大输出DC电压。这种操作也保护等离子处理的元件，诸如基板或目标物。
如果时间偏移地驱动增压转换器的切换元件，就可能使用相对廉价的切换元件，特别是晶体管。由于切换元件的时间偏移驱动，各个切换元件可以工作于更低的频率。
在优选的实施例中，第一电压转换级包括特别通过控制单元驱动的逆变器，用于从第一DC电压产生AC电压；与其连接的变压器，用于AC电压的电压转换；以及用于产生第二DC电压的整流器。该设备允许调节用于低输出DC电压的输出DC电压。变压器的使用允许电流供电单元的输入和输出电压之间的电势分离，即特别是在电源侧电压与等离子处理的电压之间的电势分离，其通常是等离子处理所需要的。
在优选的进一步发展中，逆变器实施为桥电路，其允许影响逆变器中产生的AC电压的幅度和波形。通过适当地驱动桥电路的切换元件，可以减小输入DC电压的幅度。用于驱动切换元件的驱动频率和脉冲占空因数可以影响所产生的AC电压的波形。因而可以调节输出AC电压，使得第一电压转换级中变压器的尺寸可以保持较小。特别地，如果产生例如范围在10和100kHz之间的高频AC电压，变压器可以较小。也可以提高整个机构的效率。可替换地，可以通过由桥电路驱动振荡电路来增加第一DC电压。
附图说明
从本发明实施例的下面描述，从表明本发明关键详情的附图，以及从权利要求书中可以得到本发明进一步的特征和优点。可以任意组合本发明的变体单独地或共同地实现各个特征。
示意图所示为发明的气体放电处理电压供电单元的实施例，在下面的描述中对其进行解释。
图1所示为电路图形式的等离子处理DC电压供电单元的第一说明；
图2所示为等离子处理DC电压供电单元的第二实施例。
具体实施方式
图1所示为等离子处理DC电压供电单元1，其具有第一电压转换级2以及与其连接的第二电压转换级3。负载5，特别是气体放电或等离子处理与第二电压转换级3的输出4连接。通过共同控制单元6驱动第一电压转换级2和第二电压转换级3。将第一DC电压提供给第一电压转换级2。在该实施例中，使用包含几个二极管8的整流器7从电源供电9的电源电压产生第一DC电压。用于存储能量的中间电路电容器10连接在整流器7与第一电压转换级2之间。
在第一电压转换级2中通过逆变器11将输入DC电压转换为AC电压。逆变器11具有由切换元件12至15形成的桥电路，其中切换元件12至15实施为晶体管，并且通过控制单元6驱动。通过适当地驱动切换元件12至15，可以在逆变器11的输出产生AC电压，其中在该实施例中，AC电压的幅度最大等于输入端的第一DC电压。然而，通过驱动切换元件12至15可以减少幅度。例如可以根据PWM(脉冲宽度调制)法或移相法进行驱动。两种方法都以固定频率f工作，并且因此具有固定周期T＝1/f。为了防止短路，当切换元件12、15接通时切换元件13、14必须切断，反之亦然。因此用于对称驱动的最大开启时间被限制为T/2。在PWM法中，对角设置的切换元件12、15以及对角设置的切换元件13、14同时接通和切断。在每种情况下，开启时间被控制在0至T/2之间。在移相法中，开启时间总是T/2。设置在另一个下面的切换元件12、14以及切换元件13、15以精确的T/2的偏移接通和切断。为了控制，切换元件13接通的时刻相对于切换元件12接通的时刻移动，其中时间移动在0至T/2之间。这意味着移动了相位位置。
AC电压的波形也可以受到桥电路的影响。将逆变器11的输出上的AC电压应用于变压器16，其在该实施例中进行电分离。在该实施例中，初级侧17上的绕线数目对应于次级侧18上的绕线数目，使得没有进行电压转换。然而，也可行的是，通过变压器16将初级侧上的AC电压变为更高或更低的值。变压器16的次级侧上的AC电压通过整流器19被转换为第二DC电压。在第一电压转换级2的输出上，希望得到相对较小的输出电压，其例如可以被预定在650V。如果需要更高的第二DC电压，必须相应地设计整流器19的二极管和切换元件12-15。这种类型的组件相对较昂贵，并且具有其它缺点。如果预定的第一DC电压更小，那么第一电压转换级的组件可以更小。而且，对绝缘体的介电强度和蠕变(creeping)电流电阻的要求更少。有利于防止内部弧。组件之间的安全距离可以更小，其产生更加紧凑的整体结构。只有第二电流转换级3的组件必须被设计来承载更高的电压，其特别需要用于发动等离子处理。
将在第一电压转换级2的输出上的第二DC电压应用于第二电压转换级3的输入。第二电压转换级3具有增压转换器20，其包括线圈21、二极管22、切换元件32以及滤波电容器24。根据如何通过控制单元6切换切换元件23，输入DC电压或者连接到负载5，或者被转换为更高的电压。在切换元件23的开启阶段，输入电压落到电感21上。通过电感21的电流线性地增加。如果切换元件23切断，电流继续通过二极管22流动，并对滤波电容器24充电。这意味着在开启阶段，能量被充到电感21中。在切换元件23的截止阶段，其被传送到滤波电容器24。如果实施为晶体管的切换元件23没有被定时(clock)，即其使用某一脉冲占空因数驱动，那么通过电感21对滤波电容器24进行充电，并且二极管22被充电到第二DC电压。如果切换元件23被定时，那么输出4上的输出电压上升到高于第二DC电压的值。在连续操作期间，操作4上的输出电压只取决于脉冲占空因数和第二DC电压，即第二电压转换级3的输入电压。输出电压与负载无关。
由于在未控制的操作中，特别是如果使用固定的脉冲占空因数驱动，增压转换器20对开路操作没有阻抗，所以切换元件23的脉冲占空因数被控制。每一周期，能量从电感21被吸取到滤波电容器24中。因此，输出电压在开路操作期间连续增加，直至组件损坏。由控制单元6调节脉冲占空因数。
在图2的实施例中，第二电压转换级3具有两个并行连接的增压转换器。第一增压转换器包括电感31、二极管32、切换元件33以及滤波电容器34。与其并行连接的第二增压转换器包括电感35、二极管36、切换元件37以及滤波电容器34。这两个增压转换器包括共同滤波电容器34。通过控制单元6用受控的脉冲占空因数时间偏移地驱动切换元件33、37。时间偏移驱动具有的效果是，每一切换元件33、37可以以相对较低的频率工作。可替换地，通过两个增压转换器向滤波电容器34提供能量，从而产生输出电压。这种模式的操作对组件特别的温和，并且可以使用相对廉价、从市面上可以购买到的组件。通过适当地驱动切换元件33、37，第二电压转换级30的输入DC电压可以连接到输出4。
在用于产生气体放电供电电源单元1的输出DC电压的方法中，其中在第一电压转换级2中，将第一DC电压转换为预定电压范围的第二DC电压，并且在第二电压转换级3中，从第二DC电压产生输出DC电压，在第二电压转换级中使用受控的脉冲占空因数切换至少一个增压转换器20的切换元件23，以产生输出DC电压。该方法允许发动并维持等离子处理。

Claims (14)

1.一种用于产生气体放电处理电压供电单元(1)的输出DC电压的方法，其中在第一电压转换级(2)中，将第一DC电压转换为预定电压范围的第二DC电压，并且在第二电压转换级(3)中，从所述第二DC电压产生输出DC电压，其中为了在所述第二电压转换级中产生输出DC电压，使用受控的脉冲占空因数切换至少一个增压转换器(20)的切换元件(23)，其特征在于，通过利用受控的脉冲占空因数以时间偏移的方式切换至少两个并联的增压转换器的切换元件(33、37)，由所述增压转换器从DC电压产生更高的DC电压，并且所述第二DC电压在50至650V之间的范围中，且是从所述第一DC电压产生的，而输出电压在600至2000V之间的范围中，且是从所述第二DC电压产生的。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：通过大于等于18kHz的频率驱动所述切换元件。
3.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于：以相同的频率或预定的基频的倍数来控制所述切换元件(33、37)。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述第一DC电压最初被转换为AC电压，所述AC电压随后被整流为第二DC电压。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于：通过切换元件(12-15)的桥电路产生AC电压，其中以脉冲宽度调制或移相的方式驱动所述切换元件(12-15)。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于：以相同的频率或预定的基频的倍数驱动所述桥电路的切换元件(12-15)以及增压转换器(20)的切换元件(23、33、37)。
7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于：在整流之前转换AC电压。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于：通过整流从电源电压产生第一DC电压。
9.一种等离子处理DC电压供电单元(1)，用于执行根据权利要求1至8中任一项的方法，包括：用于将第一DC电压转换为第二DC电压的第一电压转换级(2)，以及用于将第二DC电压转换为输出DC电压的第二电压转换级(3)，其中为了产生输出电压，所述第二电压转换级(3)包括至少一个增压转换器(20)，所述增压转换器具有使用受控的脉冲占空因数驱动的切换元件(23)，其特征在于，设置至少两个并联的增压转换器，使得所述第二DC电压在50至650V之间的范围中，且是从所述第一DC电压产生的，而输出电压在600至2000V之间的范围中，且是从所述第二DC电压产生的。
10.根据权利要求9的等离子处理DC电压供电单元，其特征在于：设置有控制单元(6)，用于控制所述第一和第二电压转换级(2、3)。
11.根据权利要求9或10的等离子处理DC电压供电单元，其特征在于：所述增压转换器包括共用滤波电容器(34)。
12.根据权利要求9的等离子处理DC电压供电单元，其特征在于：通过时间偏移的方式驱动所述增压转换器的切换元件(33、37)。
13.根据前述权利要求9的等离子处理DC电压供电单元，其特征在于：所述第一电压转换级(2)包括用于从第一DC电压产生AC电压的逆变器(11)、与所述逆变器连接的用于AC电压的电压转换的变压器(16)、以及用于产生第二DC电压的整流器(19)。
14.根据权利要求13的等离子处理DC电压供电单元，其特征在于：所述逆变器(11)被实施为桥电路。
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