離子注入機用層疊開放式加速電源的研制

金則軍，劉玉軍，于 亮，申曉景

( 北京爍科中科信電子裝備有限公司長沙分公司， 湖南長沙 410000)

在當代電子工業(yè)中，離子注入作為微電子工藝中的一種重要的摻雜技術，也是制作集成電路的一種必不可少的手段。離子注入設備中經常要用到超高壓的直流大功率電源作為加速電源。離子注入機對超高壓電源有自己獨特的技術要求，電源應具有防打火能力好、帶載能力強、調節(jié)精度高、紋波系數(shù)小和可維修性等一系列技術特點。

在國外，隨著電力電子器件發(fā)展和變換拓撲結構革新，高壓電源技術得到長足發(fā)展，在電壓等級和電源功率上不斷提升。350 kV 以上的超高壓電源國外已經進行了幾十年的生產，技術方案比較成熟，但國外做這種超高壓電源的公司也是各具優(yōu)缺點。

作為離子注入機重要能量來源，高壓電源的性能差異直接影響著離子注入機運行的效率和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的直流高壓電源由于調壓器、升壓變壓器和濾波電容等能量儲存元件體積龐大，高壓絕緣設計要求很高，可靠性較差、維護難度大。國內生產的高壓電源在電壓等級與電源功率上與國外研制水平都存在一定差距，為此，通過多次試驗研制出一種層疊開放式集成化離子注入機用高壓電源，電源針對使用要求，考慮體積和質量，將倍壓部分設計為層疊開放式、高集成化的倍壓筒結構，同時對倍壓筒部件進行絕緣處理，確保倍壓筒的長期可靠性和絕緣性能，同時也便于后期維護。

1 高壓電源研制思路

1.1 高壓電源研制原理設計

電源通過AC/DC 全橋整流電路后轉換成DC供電，經過驅動電路和全橋功率變換電路后，通過變壓器升壓，升壓后的交流電壓經過全波倍壓電路輸出350 kV 直流高壓。通過對輸出電壓和輸出電流的采樣和處理，由控制電路反饋至全橋功率變換電路控制輸出電壓和電流，從而構成輸出電壓和輸出電流的閉環(huán)回路，達到穩(wěn)定輸出電壓和輸出電流的目的。

原理設計如圖1 所示。

圖1 原理設計圖

該原理設計具有以下特點：

（1）全橋拓撲結構。全橋式電路有4 只開關管，需要兩組相位相反的驅動脈沖分別控制兩對開關管，驅動電路相對半橋式電路較復雜，但電路輸出功率要比半橋電路大1 倍。全橋式電路變壓器原邊電壓為±VDC（VDC為全橋整流后的直流電壓，約為 300 V）。P=V原邊·I輸入，所以要想輸出相同的功率，半橋式電路的輸入電流就要求是全橋式電路的2 倍。同時在變壓器的設計上也存在一定的區(qū)別，半橋式電路變壓器原邊線徑要粗一些，全橋式電路的原邊線圈匝數(shù)則要相對多一些。全橋式電路與其他電路相比不需要泄放電阻，漏感中儲存的能量會直接回饋給總線（BUS），電路的效率就相對較高。因此，針對離子注入機用的高壓電源，考慮到輸出功率3 500 W 和轉換效率的要求，電路選擇全橋拓撲結構。

（2）兩個變壓器并聯(lián)輸出。將兩個變壓器的一次繞組并聯(lián)在同一電壓的母線上，二次繞組起尾頭連接后與后級的全波整流電路對應連接。同時，變壓器一次繞組必須加入諧振電感和諧振電容，與變壓器共同組成串聯(lián)諧振電路。當容抗XC與感抗XL相等時，即XC=XL，電路中的電壓u 與電流i的相位相同，電路呈現(xiàn)電阻性，這種現(xiàn)象叫串聯(lián)諧振。當電路發(fā)生串聯(lián)諧振時XC=XL，電路的阻抗Zr2=R2+(XC-XL)2=R2，即Zr=R，電路中總阻抗最小，輸出電流將達到最大值。由于回路的諧振，電源較小的輸出電壓就可在諧振電容上產生較高的諧振電壓。這樣設計的目的是為了提高電源整體轉換效率，同時可以減小變壓器體積和自身損耗。

（3）全波整流電路。整流是把交流電變成直流電的過程。利用具有單向導電性的裝置，可以將方向和大小交變的電流轉化為直流電。

全波整流電路實際上是由兩個半波整流電路結合而成，本設計選用兩個變壓器并聯(lián)，兩個二次繞組串聯(lián)，變壓器的串聯(lián)點為地電位，把交流電壓正、負半周分成兩部分。正弦交流電正半周時一組二極管導通，電流通過后到負載；負半周時另一組二極管導通，電流通過后也到負載。和半波整流電路相比，在交流電壓的正、負半周上都有電流通過負載。雖然每個時刻流到負載的電流并未增加，但平均輸出電流比半波整流加倍。

1.2 整機構造

高壓電源整體由一臺機箱式控制器和一個倍壓筒組成，如圖2 所示，控制器前面板由電壓電流顯示表、開關及調控按鍵、旋鈕組成，控制器后面板通過航空插頭、高壓線和倍壓筒相連，同時經由DB25 連接器與計算機相連。電源整體結構并不復雜，操作簡單易懂。

圖2 整機示意圖

DC350 kV 高壓電源的研制重點和難點是倍壓筒，倍壓筒整體為層疊開放式，3.2 節(jié)將對倍壓筒的研制展開說明。

1.3 研究內容

1.3.1 LLC 全橋諧振拓撲穩(wěn)定技術仿真研究與設計

基于全橋諧振拓撲結構，建立PWM 控制電路、反饋控制電路，通過功率管的導通與截止控制變壓器的儲能和放能，實現(xiàn)能量轉換，變壓器次級輸出的交流信號通過倍壓全波整流實現(xiàn)高壓輸出，通過將輸出電壓采樣信號給到反饋放大電路，控制PWM 電路的占空比從而控制功率管的導通時間來實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出。重點針對變壓器的初次級的匝數(shù)、匝數(shù)比設計；諧振電路的頻率、幅度、波形設計；功率管的散熱結構、工藝設計，建立電路的仿真模型。

1.3.2 保護電路設計

基于反饋控制電路，增加抗負載短路沖擊功能。通過對輸出負載電流采樣，并對采集信號優(yōu)化處理，控制反饋環(huán)路，進而控制功率管IGBT 的驅動波形，降低輸出功率，從而實現(xiàn)短路保護功能。重點針對采樣信號的采樣點、采樣值、精確度設計，采樣信號的放大處理、響應時間設計。

1.3.3 倍壓整流電路的設計

基于可維修性和體積質量的限制，倍壓整流電路設計為開放式，重點針對器件的參數(shù)選型進行設計，通過對整流電路的電容容值、二極管耐壓合理選型和布局，實現(xiàn)開放式倍壓結構的穩(wěn)定性、絕緣性。

倍壓整流電路的設計是整個電源研制的重點，由于輸出電壓很高，考慮到電源的實際應用需求，因此對高壓器件的選型、布局、絕緣距離以及爬電距離的設計相當重要，也是研究的難點，以下將對倍壓全波整流電路的設計思路進行詳細介紹。

3 倍壓全波整流電路設計思路

3.1 整流元件的選擇與應用

作為整流元件的二極管應根據(jù)不同的整流模式和負載大小來選擇。如果選擇不當，會影響正常工作，甚至會燒管，或過度使用導致浪費。本文介紹了一種高集成化的高壓硅堆，與常規(guī)制作工藝不同的是，它將高壓二極管進行高度集成，這種制作工藝使得高壓二極管暴露在空氣中的高壓連接點減少，最大程度地提高其絕緣可靠性。

作為整流濾波電容器，通常認為其最主要的參數(shù)是額定電壓和電容量。一般使用瓷介電容較多，但是在實際應用中考慮到瓷介電容器的溫度系數(shù)較大、精度不高，使電容器在整流電路中的壽命減少。

本文介紹了一種采用高壓薄膜電容器作為整流濾波電容器的研制方法。高壓薄膜電容器具有一致性好、絕緣阻抗很高、介質損耗很小等特點，因此電路采用薄膜電容器作為整流濾波電容器不僅可以提高電容器的使用壽命，也可以提高電路中IGTB 逆變器的可靠性。

3.2 倍壓全波整流結構設計

倍壓部分整體設計為層疊開放式的倍壓筒結構，如圖3 所示，由底座、上蓋板和對稱的14 級倍壓層疊形成，總高度為1 140 mm。實際上，根據(jù)輸出電壓高低不同，可以采用不同級數(shù)的倍壓進行層疊。考慮到質量和體積要求，倍壓筒整體為開放式結構，通過高壓器件的合理選用和布局、高壓爬電距離和絕緣距離的合理設計以及均壓環(huán)的使用，共同確保倍壓筒在裸露空氣中的絕緣性能和可靠性能。

圖3 倍壓筒結構圖

倍壓筒共使用了13 個均壓環(huán)，均壓環(huán)具有降低裝置表面電位梯度、減少電暈干擾和電暈損耗、改善端部電極形狀以使沿絕緣子軸向電場分布均勻等重要作用，是各類高壓設備中必備的部件。

倍壓筒的絕緣性能除了考慮以上提及的內容，均壓環(huán)的安裝及固定、均壓環(huán)自身的絕緣處理、高壓硅堆連接點的絕緣處理、取樣電阻的絕緣處理等都是設計中的細節(jié)問題。在本設計中采用聚酰亞胺薄膜帶、硅膠套以及使用聚四氟管等方式進行絕緣處理。

4 結 論

（1）倍壓筒絕緣性能良好，尺寸滿足離子注入機使用要求。

對倍壓部分整體組裝后，驗證絕緣設計的可行性。對組裝后的倍壓筒尺寸進行測量，驗證結果能夠滿足使用尺寸要求，驗證參數(shù)為：

倍壓筒實測高度：1 140 mm（要求：＜1 160 mm）

倍壓筒實測直徑：390 mm（要求：＜400 mm）

（2）整機全性能測試達到指標要求，滿足離子注入機使用要求。

整機電源全性能測試驗證，全性能測試項目和結果如下：

輸出電壓測試：最高輸出電壓可達到DC360 kV，要求為DC350 kV，實際測試滿足要求。

輸出電流測試：在額定輸出電壓下測試，最大帶載電流為10 mA，要求為10 mA，實際測試滿足要求。

保護功能測試：當電源故障后電源關閉。

負載調整率測試：要求小于0.5%，實際測試為0 V。

轉換效率測試：要求大于90%，實際測試效率為91%。

這種層疊開放式離子注機用高壓電源的研制基本達到預期效果，不僅實現(xiàn)了體積小、質量輕，同時在絕緣性能上也有很大提升，使得電源輸出電壓遠高于國外同型號電源。

5 結束語

這種層疊開放式離子注機用高壓電源的研制基本得到驗證，在此基礎上，如果將關鍵高壓元器件的可靠性進行提高，屆時將會對電源整體可靠性進一步提高。