離子注入機用吸極電源的設計

金則軍

(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)

在電子工業中，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工藝步驟。離子注入機設備中經常要用到高壓的直流大功率電源作為吸極電源，將需要摻雜的離子吸出然后注入到晶圓中。離子注入的機臺不同，注入的能量也不同，但是吸極電源差別不大。

離子注入機對吸極電源有自己獨特的技術要求，電源應具有防打火能力好、帶動態負載能力強、調節精度高、紋波系數小和可維修性等一系列技術特點。

在國外，隨著電力電子器件的發展和開關電源的拓撲結構的變化，高壓電源技術得到長足發展，高壓電源在國外已有多年的研制經驗，而且技術方案比較成熟，在電壓等級和電源功率方面不斷提升。

國內生產的高壓電源在電壓等級與電源性能上與國外研制水平仍存在一定差距，為此，通過試驗研制出一種箱體插拔式的離子注入機用吸極電源，針對使用要求，考慮體積和絕緣因素，將整個倍壓部分設計為獨立部件，倍壓電路結構采用上下分層的構造，充分利用空間，并將輸出電阻采用折線串聯的方式與高壓插頭連接。既保證了電源的抗沖擊能力，也符合體積的要求。

將倍壓部分設計成獨立部件進行絕緣處理，確保了高壓部分的長期可靠性和絕緣性能，同時也便于安裝和后期維護。

1 吸極電源設計思路

1.1 吸極電源的設計原理

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半波倍壓電路輸出100 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回路，達到穩定輸出電壓和輸出電流的目的。

其設計回路如圖1所示。

圖1 設計回路

該設計具有三大特點，具體為：

（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，想要使輸出相同的功率，半橋式電路的輸入電流就要求達到全橋式電路的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2 400 W和轉換效率的要求，電路選擇全橋拓撲結構。

（2）串聯諧振電路。變壓器的一次繞組加入諧振電感和諧振電容，與變壓器共同組成串聯諧振電路。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，電路呈現電阻性，這種現象叫串聯諧振。當電路發生串聯諧振時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）雙層倍壓結構。倍壓整流電路是把交流電變成直流電，同時實現升壓的過程。

電路把較低的交流電壓，利用耐壓較高的整流二極管和電容，產生一個較高的直流電壓，根據輸出電壓高低選擇合適的倍壓級數。

倍壓整流電路本身電路并不難，難點在于直流電（DC）100 kV高壓的絕緣處理。本設計將倍壓整流電路劃分為兩部分，整流電容和整流二極管為一部分，濾波電路和取樣電阻為另一部分，兩部分采用上下兩層，設計合理的倍壓級數和間距，電壓從低到高，使上下兩層同一縱切面上的壓差降到最低，大大提高倍壓的絕緣性。

同時，針對輸出電阻排布的設計，也是根據高壓插頭的特點特殊設計，電阻利用有限空間采用折線式布局將倍壓電容和高壓插頭連接起來，既保證了電性能，又保證了高壓端的絕緣性能。

1.2 整機構造

吸極電源整體是機箱式電源，如圖2所示，內部含有控制電路、功率電路、變壓器和倍壓電路。電源前面板由電壓電流顯示表、開關及調控按鍵、旋鈕組成，后面板由供電端、接地柱、高壓輸出端和外控接口組成，外控接口由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

DC100 kV吸極電源的研制重點和難點是倍壓整流電路的絕緣處理，在較小的箱體內絕緣強度要高于DC100 kV，同時高壓輸出采用插拔的方式，很大程度上也加大了研制的難度，倍壓部分整體設計為雙層結構，輸出電阻采用折線式排布，最大程度利用了有限的空間。

1.3 單元設計

1.3.1 LLC全橋諧振拓撲穩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，實現能量轉換，變壓器次級輸出的交流信號通過半波整流電路實現高壓輸出，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電壓的穩定輸出。重點針對變壓器的初次級的匝數、匝數比設計；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，并對采集信號優化處理，控制反饋環路，進而控制功率管IGBT的驅動波形，降低輸出功率，從而實現短路保護功能。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獨立的部件，重點針對電路的結構布局進行設計，通過對整流電路的電容容值、二極管耐壓合理選型和布局，實現倍壓整流電路的穩定性和絕緣性。

倍壓整流電路分為兩部分，整流電容和整流二極管為一部分，濾波電路和取樣電阻為另一部分，兩部分采用上下兩層的結構布局進行設計。

2 倍壓整流電路結構設計思路

2.1 輸出電阻的選擇與設計

輸出電阻作為直接連接高壓端的器件，其抗高壓短路沖擊性能必須要好，經過長時間試驗與驗證，線繞電阻器成為輸出電阻的首選。線繞電阻基于其制作工藝，使其具有很好的絕緣性、穩定性和過負載能力，應用時如果負載出現短路現象，可迅速在壓接處熔斷，起到保護電路的作用，同時線繞電阻的電阻絲被嚴密包封于陶瓷電阻體內部，具有優良的阻燃、防爆特性，在很大程度上增加了使用的安全性。

本文設計輸出電阻采用多個同型號線繞電阻器串聯的方式。基于結構布局，輸出電阻采用折線串聯的方式，這樣不僅有效利用現有空間，同時最大程度上增加輸出電阻數量，增強了電源抗高壓短路沖擊能力，提高電源使用壽命。

2.2 倍壓整流結構設計

倍壓整流是利用二極管的整流和導引作用，將電壓分別貯存到各自的電容上，然后把它們按極性相加的原理串接起來，輸出高于輸入電壓的高壓。倍壓整流電路如圖3所示。

圖3 2倍壓整流電路

首先在第一半周E2經VD1對C1充電至E2的峰值E2m，第二半周C1上的電壓和電源電壓相加經VD2對C2充電至2E2m。當然開始幾個周期電容上的電壓并不能真正充到這樣高，但經過幾個周期以后，C2上的電壓漸漸能穩定在2E2m左右，這就是2倍壓整流的原理[1]。

考慮到該電源的絕緣要求，結合設備對吸極電源的空間要求，整個倍壓電路部分設計成一個獨立的部件，整體封裝在一個盒子里面，該盒子采用亞克力材質（亞克力盒），亞克力化學名稱為聚甲基丙烯酸甲酯，具有良好的介電和電絕緣性能。考慮到電源整體尺寸為標準3U機箱，機箱深度為600 mm，亞克力盒的設計尺寸為540 mm×200 mm×110 mm（長×寬×高），如圖4所示。

圖4 倍壓電路結構圖

倍壓整流部分設計為上下兩層，上層為整流電容和整流二極管，下為濾波電路和取樣電阻，倍壓級數為12倍壓。輸出電阻獨立于這兩層，根據亞克力盒內的剩余空間，設計為折線串聯的方式連接于高壓插頭和整流電路之間。

對亞克力盒內的電路組裝固定后整體進行灌封，采用有機硅灌封膠，確保高壓部分的絕緣性能。

高壓部分的絕緣性能除了灌封硅膠以外，兩層電路板的固定、輸出電阻的固定、高壓插頭安裝接縫處的絕緣處理等都是本設計中的細節問題。本設計采用硅膠塊以及704橡膠進行絕緣處理。電源實物圖如圖5所示。

圖5 吸極電源實物圖

3 測試驗證

用于離子注入機進行測試，實測電壓如表1所示。

表1 電壓測試

利用相對平均偏差公式計算電壓精度，電壓精度優于0.5%，滿足通用離子注入機要求。

吸極電源的電壓實測圖如圖6所示，設置100 kV，電源輸出99.9 kV，電源輸出精度小于0.5%，滿足離子注入機對吸極電源的要求。

驗證結果：

（1）輸出電壓測試：最高輸出電壓可達到DC101 kV，要求為DC100 kV，實際測試滿足要求。

（2）輸出電流測試：在額定輸出電壓下測試，最大帶載電流為24.5 mA，要求至少為24 mA，實際測試滿足要求。

（3）保護功能測試：當輸出過流或短路后電壓下降，電源進入保護狀態，當故障恢復后電源恢復正常。

（4）負載調整率測試：要求小于0.5%，實際測試為100 V，實際測試滿足要求。

（5）外控接口測試：外控接口定義符合協議要求。

最大電壓為DC100 kV的吸極電源已經應用在某型離子注入機上，并與采用進口吸極電源的離子注入機臺進行工藝比對實驗，結果表明，性能達到同類產品水平，達到離子注入機使用要求。

吸極電源的高壓輸出線采用高壓插拔的方式，方便安全，同時在絕緣性能上也有很大提升。

4 結束語

箱體插拔式吸極電源已在離子注入機得到驗證，如果關鍵高壓元器件的可靠性再提升，電源的整體可靠性也會進一步提高。