DE10159675A1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Hochspannung, insbesondere zum Betrieb eines Plasmas - Google Patents

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Hochspannung, insbesondere zum Betrieb eines Plasmas 10, weist einen aus einem Längsschaltglied 5, einer ersten Diode 6 und einer ersten Induktivität 7 gebildeten Drosselabwärtswandler 8 auf. Des weiteren ist ein Transformator mit einer Primärwicklung 9a und einer Sekundärwicklung 9b vorhanden, dessen Sekundärwicklung 9b die Hochspannung liefert. Die Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Überbrückungs-Schaltglied 1, 2, 3, 4 vorhanden ist, mittels dem die Primärwicklung des Transformators 9a, 9b kurzschließbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 3, zur Erzeugung einer Hochspannung, insbesondere zum Betrieb eines Plasmas, mit einem aus einem Längsschaltglied, einer ersten Diode und einer ersten Induktivität gebildeten Drosselabwärtswandler und einem eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweisenden Transformator, dessen Sekundärwicklung die Hochspannung liefert. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4, zum Betreiben eines Plasmas.
• Eine vorstehend genannte Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der US 4,034,280 bekannt. Bei der bekannten Schaltung wird eine Gleichspannung zunächst mittels eines LC-Gliedes geglättet und an den Kollektor eines als Längsschaltglied dienenden Transistors gelegt. Der Emitter des Transistors ist mit der Kathode einer Diode, welche mit ihrer Anode auf Masse liegt, sowie einer als Spule ausgebildeten Induktivität verbunden. Der Transistor, die Diode und die Induktivität bilden einen sogenannten Drosselabwärtswandler.
• Das andere Ende der Spule ist mit der Mittelanzapfung der Primärwicklung eines Transformators verbunden. Die beiden äußeren Enden der Primärwicklung des Transformators sind jeweils mit dem Kollektor eines Schalttransistors verbunden, deren Emitter mit Masse verbunden sind. Die Basen der Schalttransistoren sind mit einem Rechteckgenerator verbunden. Hierdurch läßt sich die Richtung des magnetischen Flusses der Primärwicklung im Takt des Rechteckgenerators umkehren.
• Der Transformator weist drei Sekundärwicklungen auf, welche jeweils mit einem Brückengleichrichter verbunden sind. An den Ausgängen der Brückengleichrichter läßt sich eine Gleichspannung abnehmen, welche durch Glättungskondensatoren geglättet wird.
• Es ist nicht bekannt, die bekannte Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Plasmas zu verwenden.
• Zum Betrieb eines Plasmas sind unterschiedliche Schaltungsanordnungen bekannt, welche alle als Spannungsquellen ausgebildet sind und an ihrem Ausgang zur Glättung der Ausgangsspannung ein energiespeicherndes Element wie beispielsweise einen Glättungskondensator aufweisen. Diese energiespeichernden Elemente wirken sich jedoch bei einem Überschlag im Plasma, einem sogenannten ARC, nachteilig aus. Denn um den Überschlag zu löschen, muß die Energieeinspeisung in das Plasma heruntergesetzt oder unterbrochen werden. Da die Speicherelemente aber Energie nachliefern, kann nur durch zusätzlichen Aufwand die Heruntersetzung oder die Unterbrechung gelingen.
• Des weiteren ist es bekannt, daß sehr wenige Überschläge stattfinden, wenn das Plasma mit einer gepulsten Spannung betrieben wird. Durch das Anlegen einer gepulsten Spannung erhält man somit ein stabileres Plasma.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, eine eingangs genannte Schaltungsanordnung derart auszubilden, daß sie nach ihrem Abschalten an ihrem Ausgang eine geringe Restenergie liefert. Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Plasmas anzugeben, bei welchem ein Überschlag im Plasma sehr schnell gelöscht werden kann.
• Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 4. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Gemäß der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Hochspannung, insbesondere zum Betrieb eines Plasmas, mit einem aus einem Längsschaltglied, einer ersten Diode und einer ersten Induktivität gebildeten Drosselabwärtswandler und einem eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweisenden Transformator, dessen Sekundärwicklung die Hochspannung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überbrückungs-Schaltglied vorhanden ist, mittels dem die Primärwicklung des Transformators kurzschließbar ist.
• Des weiteren ist gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Plasmas, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 betrieben wird, wobei beim Auftreten eines ARC's für die Dauer bis zum Erlöschen des ARC's die Primärwicklung kurzgeschlossen wird. In besonders vorteilhafter Weise wird der Drosselabwärtswandler abgeschaltet. Der Drosselabwärtswandler könnte zwar auch weiter betrieben werden, vorteilhafter ist es aber ihn abzuschalten.
• Dadurch, daß ein Überbrückungs-Schaltglied vorhanden ist, mittels dem die Primärwicklung des Transformators kurzschließbar ist, läßt sich die von der Sekundärwicklung des Transformators abgegebene Energie sehr schnell stark verringern. Denn, da die Primärwicklung des Transformators kurzgeschlossen wird, wird in den Transformator keine Energie mehr eingespeist. Die im Transformator-Stromkreis vorhandene geringe Energie, welche in der Streuinduktivität gespeichert ist, wird durch den Kurzschluß der Primärwicklung sehr schnell abgebaut. Beim Betrieb eines Plasmas wird der Energieabbau beim Auftreten eines ARC's durch den dadurch bedingten Kurzschluß in der Sekundärwicklung noch verstärkt. Die Sekundärwicklung könnte auch durch separate Schalter kurzgeschlossen werden.
• Besonders vorteilhaft hierbei ist es, daß die Primärwicklung des Transformators von einem Drosselabwärtswandler gespeist wird. Denn durch den Kurzschluß der Primärwicklung kann der Stromfluß durch die Induktivität des Drosselabwärtswandlers aufrechterhalten werden. Während des Kurzschlusses der Primärwicklung fließt der Strom über die Diode des Drosselabwärtswandlers wieder in die Induktivität des Drosselabwärtswandlers hinein.
• Dadurch, daß der Stromfluß durch die Induktivität des Drosselabwärtswandlers während des Kurzschlusses der Primärwicklung des Transformators aufrechterhalten wird, fließt er nach Aufhebung des Kurzschlusses der Primärwicklung in der entsprechenden Höhe sofort wieder durch die Primärwicklung. Hierdurch kann nach dem Erlöschen eines Überschlags der ursprüngliche Betriebszustand wieder sehr schnell erreicht werden. Dies kommt insbesondere der Prozeßdauer zugute.
• Das Überbrückungs-Schaltglied könnte auch die Sekundärwicklung kurzschließen, ohne daß sich das Verhalten, insbesondere auf das Plasma, wesentlich verändern würde.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Überbrückungs-Schaltglied als eine aus vier Brückenschaltgliedern bestehende Brücke ausgebildet ist, bei welcher die Primärwicklung des Transformators als Querglied angeordnet ist, und welche von dem Drosselabwärtswandler gespeist wird. Dadurch, daß die Primärwicklung als Querglied in einer Brücke angeordnet ist, läßt sich einerseits auf einfache Weise die Primärwicklung kurzschließen. Andererseits läßt sich durch die Anordnung der Primärwicklung als Querglied in einer Brücke die Richtung des Stromes durch die Primärwicklung auf einfache Weise umkehren. Hierdurch kann die Schaltungsanordnung beispielsweise auch zum Betrieb eines Dual-Magnetrons verwendet werden.
• Besonders vorteilhaft ist es bei dieser Ausführungsform der Erfindung jedoch, daß beim Betrieb ohne ein Glättungsglied am Ausgang durch ein periodisches Querschalten der Brücke ein gepulster, rechteckförmiger Strom entsteht. Der gepulste, rechteckförmige Strom eignet sich besonders gut für die Versorgung eines Plasmas.
• Werden die Brückenschaltglieder, welche vorteilhafterweise als Transistoren ausgebildet sind, phasenversetzt angesteuert, läßt sich auf einfache Weise die Pulsbreite des Ausgangsstromes verändern. Das heißt, bei der Richtungsänderung des Stromes durch die Primärwicklung wird die Primärwicklung für eine vorbestimmte Zeit kurzgeschlossen. Die Pulshöhe kann über den Drosselabwärtswandler gesteuert werden.
• Mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es darüber hinaus auf einfache Weise möglich, einen Ausgangsstrom mit einer sehr geringen Welligkeit zu erzeugen, wie er beispielsweise für spezielle Plasmen beziehungsweise Prozesse erforderlich ist. Hierzu können die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen parallel geschaltet werden. Durch phasenversetztes Ansteuern der einzelnen Module werden die Stromeinbrüche mit der Anzahl der parallelgeschalteten Module immer mehr verringert. Besonders vorteilhaft hierbei ist es, daß die Restenergie durch die Parallelschaltung der Module im wesentlichen nicht erhöht wird.
• Eine Parallelschaltung ist deshalb problemlos möglich, weil es sich um Ausgänge mit einer Stromquellencharakteristik handelt. Die Ströme der einzelnen Module können individuell durch die Drosselabwärtswandler geregelt werden.
• Durch die Stromquellencharakteristik der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung insbesondere beim Zünden eines Plasmas sehr vorteilhaft. So kann beispielsweise die Brücke quergeschaltet, das heißt die Primärwicklung kurzgeschlossen werden, und mittels des Drosselabwärtswandlers ein geringer Strom eingestellt werden. Wird die Brücke dann freigegeben, das heißt der Kurzschluß der Primärwicklung aufgehoben, steigt bei einem nichtgezündeten und somit hochohmigen Plasma die Spannung an der Induktivität des Drosselabwärtswandlers und damit am Ausgang der Schaltungsanordnung an. Mit dieser Spannung kann das Plasma sehr leicht gezündet werden, wie es beispielsweise nach dem Erlöschen des Plasmas nach dem Auftreten eines ARC's erforderlich ist.
• Hierbei ist es sehr vorteilhaft, daß es beim Zündvorgang keine plötzliche Stromüberhöhung gibt. Denn die Induktivität des Drosselabwärtswandlers begrenzt den Stromanstieg. Dies ist insbesondere beim Auftreten eines ARC's (Kurzschluß des Ausgangs) sehr vorteilhaft. Die Drossel begrenzt den Strom.
• Auch die Speisung des Plasmas, welches im normalen Betriebsbereich eine Z- Dioden-Charakteristik aufweist, wird durch den durch die Induktivität bedingten Stromquellencharakter sehr vereinfacht.
• Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
• Es zeigt die einzige Figur eine schematische Anordnung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Plasmas.
• Wie der Figur entnommen werden kann, wird eine zwischen zwei Anschlüssen 16, 17 des Eingangs der Schaltungsanordnung liegende Gleichspannung U₀ mittels eines Kondensators 11 mehr oder weniger geglättet. Die Gleichspannung kann beispielsweise durch Netzgleichrichtung gewonnen werden. Die Spannung wird dann an einen aus einem als Schalttransistor 5 ausgebildeten Längsschaltglied, einer ersten Diode 6 und einer ersten Induktivität 7 bestehenden Drosselabwärtswandler 8 angelegt. Der Drosselabwärtswandler 8 ist in herkömmlicher Weise aufgebaut. Das heißt, der Emitter des Schalttransistors 5 ist mit der Kathode der ersten Diode 6 und einem Ende der ersten Induktivität 7 verbunden. Das andere Ende der Induktivität 7, welches den Ausgang des Drosselabwärtswandlers 8 bildet, ist mit den Kollektoren von den oberen Teil einer Brücke bildenden Transistoren 1, 2 verbunden. Der eine 1 der oberen Transistoren 1, 2 bildet mit einem 3 von zwei unteren Transistoren 3, 4 den linken Zweig der Brücke. Der andere 2 der oberen Transistoren 1, 2 bildet mit dem anderen 4 der unteren Transistoren 3, 4 den rechten Zweig der Brücke. Zwischen den Emittern der oberen Transistoren 1, 2 beziehungsweise den Kollektoren der unteren Transistoren 3, 4 ist die Primärwicklung 9a eines Transformators 9a, 9b angeordnet. Die beiden Emitter der unteren Transistoren 3, 4 sind mit der Anode der ersten Diode 6 sowie dem zweiten Anschluß 17 des Eingangs der Schaltungsanordnung verbunden.
• Die Sekundärwicklung 9b des Transformators 9a, 9b ist mit dem Eingang einer aus vier weiteren Dioden 12, 13, 14, 15 bestehenden Gleichrichterbrücke verbunden. Der Ausgang der Gleichrichterbrücke ist mit einem Plasma 10 verbunden.
• Dadurch, daß am Ausgang der Schaltungsanordnung kein Glättungskondensator angeordnet ist, arbeitet die Schaltungsanordnung als Stromquelle. Die Schaltungsanordnung läßt sich daher problemlos auf der Sekundärseite parallel schalten. Die Parallelschaltung kann beispielsweise nach den Gleichrichterdioden 12, 13, 14, 15 erfolgen. Des weiteren hat die Schaltungsanordnung bedingt durch den Kurzschluß am Transformator eine äußerst geringe Restenergie. Bei der Schaltungsanordnung läßt sich auf einfache Weise eine geregelte Entladung vornehmen, sowie der Ausgangsstrom auf einen Maximalwert begrenzen.
• Die Schaltungsanordnung eignet sich auch hervorragend zum Betrieb von Dual- Magnetrons. Hierzu braucht lediglich die am Ausgang der Schaltungsanordnung angeordnete Gleichrichterbrücke entfernt werden. Dadurch erhält man bipolare Stromimpulse, deren Höhe sich mit dem Drosselabwärtswandler und deren Breite sich durch eine phasenversetzte Ansteuerung zwischen den oberen und den unteren Transistoren der Brücke einstellen lassen.
• Im Falle eines Überschlags im Plasma wird bei der Brücke ein Zweig oder beide Zweige durchgeschaltet und der Schalttransistor 5 abgeschaltet. Hierdurch fließt der Strom durch die Induktivität 7 durch den durchgeschalteten Brückenzweig und die Diode 6 des Drosselabwärtswandlers 8. Durch den geringen Widerstand in diesem Stromkreis beziehungsweise die sehr kleine Spannung innerhalb dieses Stromkreises nimmt der Strom nur sehr langsam ab. Nach Erlöschen des Überschlags kann der Strom sofort und fast in derselben Höhe wie vor dem Überschlag wieder in das Plasma eingespeist werden. Hierdurch kann der ursprüngliche Betriebszustand sehr schnell wieder erreicht werden.
• Sollte das Plasma erloschen sein, bildet sich automatisch eine Zündspannung aus.
• Zur Verringerung der Welligkeit können mehrere Schaltungsanordnungen parallel geschaltet werden. Hierzu können die Sekundärwicklungen 9b parallel geschaltet werden, oder die an das Plasma 10 angelegten Anschlüsse der Dioden 12, 13, 14, 15.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Hochspannung, insbesondere zum Betrieb eines Plasmas (10), mit einem aus einem Längsschaltglied (5), einer ersten Diode (6) und einer ersten Induktivität (7) gebildeten Drosselabwärtswandler (8) und einem eine Primärwicklung (9a) und eine Sekundärwicklung (9b) aufweisenden Transformator (9a, 9b), dessen Sekundärwicklung (9b) die Hochspannung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überbrückungs-Schaltglied (1, 2, 3, 4) vorhanden ist, mittels dem die Primärwicklung (9a) oder die Sekundärwicklung (9b) des Transformators (9a, 9b) kurzschließbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Überbrückungs-Schaltglied (1, 2, 3, 4) als eine aus vier Brückenschaltgliedern (1, 2, 3, 4) bestehende Brücke ausgebildet ist, bei welcher die Primärwicklung (9a) des Transformators (9a, 9b) als Querglied angeordnet ist, und welche von dem Drosselabwärtswandler (8) gespeist wird.

3. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Hochspannung, insbesondere zum Betrieb eines Plasmas, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Schaltungsanordnungen nach Anspruch 1 oder 2 mit ihrer Sekundärseite parallel geschaltet sind.

4. Verfahren zum Betreiben eines Plasmas, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 betrieben wird, wobei beim Auftreten eines ARC's für die Dauer bis zum Erlöschen des Überschlags die Primärwicklung (9a) oder Sekundärwicklung (9b) kurzgeschlossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß während des Kurzschließens der Primärwicklung (9a) oder der Sekundärwicklung (9b) der Drosselabwärtswandler (8) abgeschaltet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltglieder (1, 2, 3, 4) periodisch derart geschaltet werden, daß sich der Stromfluß in der Primärwicklung (9a) jeweils umkehrt, wobei bei der Richtungsänderung des Stromes die Primärwicklung (9a) für eine vorbestimmte Zeit kurzgeschlossen ist.