用于PVD電源的新型三相LCC變換器

深圳市恒運(yùn)昌真空技術(shù)有限公司 王 欣 樂衛(wèi)平 劉 濤 張香港 馬澤鶴

1 三相LCC 變換器拓?fù)?/h2>

三相LCC 拓?fù)溆蓛纱蟛糠纸M成，第一個(gè)部分為保護(hù)部分，第二個(gè)部分為主體部分（如圖1所示）。

圖1 三相LCC 變換器的第二部分

1.1 三相LCC 諧振變換器的保護(hù)部分

三相LCC 變換器的第一部分由過流保護(hù)開關(guān)、三相濾波器、三相接觸器構(gòu)成，三相接觸器的末端接在第二部分的UVW 三相輸入端。三相電源提供380VAC 電壓，經(jīng)過過流保護(hù)開關(guān)、三相濾波器、三相接觸器等器件，由三相整流橋把三相電整流成600～900V 的直流電，為后續(xù)連接的三相DC/AC變換器提供能量。其中，三相輸入濾波及過流保護(hù)的輸入供電為三相交流380～480V，最大輸入電流45A，輸入電流經(jīng)輸入過流保護(hù)斷路器，電源濾波器連接到三相接觸器。

三相接觸器由輸入過壓欠壓緩沖保護(hù)板發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，為保證設(shè)備的穩(wěn)定工作，當(dāng)出現(xiàn)輸入供電電壓超出額定工作電壓范圍，接觸器將切斷對(duì)內(nèi)部電路的供電，過壓欠壓緩沖保護(hù)板實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入的三相電壓，當(dāng)輸入電壓低于交流320V 或高于交流520V 時(shí)，保護(hù)板將發(fā)出信號(hào)斷開三相接觸器，退出工作模式。

1.2 三相LCC 諧振變換器的主體部分

三相LCC 的DC-AC 轉(zhuǎn)換電路是整個(gè)設(shè)備的核心電路，由三個(gè)碳化硅MOSFET 半橋，LCC 諧振變壓器，輸出整流器構(gòu)成，由三相調(diào)頻隔離驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，有一定的頻率調(diào)整范圍。

LCC 架構(gòu)為2級(jí)諧振選頻諧振回路，由三個(gè)單路LCC 諧振變壓器構(gòu)成，使用三組骨架磁芯首尾連接組成三相變壓器，繞制工藝通過降低初次級(jí)之間的耦合形成初次級(jí)漏感，并與諧振電容分別組成初次級(jí)LCC 諧振回路，通過以上組合方式使諧振回路選頻特性進(jìn)一步提高，同時(shí)電壓傳輸比提高，使得輸出功率能夠跟隨頻率變化進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)。

本電源由驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制三相MOSFET 全橋產(chǎn)生一定相位差的三相脈沖。三相脈沖的頻率在相對(duì)應(yīng)的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻率變化調(diào)整，當(dāng)頻率接近諧振點(diǎn)而增大，注入諧振回路的能量變大，到滿足等離子體電源在點(diǎn)火時(shí)需要的高電壓，點(diǎn)火后阻抗降低輸出大電流。

輸出整流電路上的三相整流橋，將高頻變壓器輸出的三相高頻交流電整流成脈動(dòng)直流電，頻率的提高和紋波的降低可以取消濾波電容，使得電路有更高的負(fù)載響應(yīng)速度，滿足等離子體電源對(duì)能量的高速瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)輸出接口配套有高速電壓和高速電流采集電路，最高采樣頻率為12.5MHz，輸出最大功率為20kW。其輸出特性和Q 值的關(guān)系如圖2所示。

圖2 輸出范圍圖

當(dāng)三相脈沖的頻率在相對(duì)應(yīng)的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻率變化調(diào)整時(shí)，兩級(jí)LCC 變換器諧振腔的電壓傳輸比將隨著頻率接近諧振點(diǎn)而增大，注入諧振回路的能量也從小變大，另外在不同的負(fù)載情況下輸出回路的等效阻抗發(fā)生變化，電壓增益隨著Q 值的升高而升高，如圖3曲線產(chǎn)生變化，恰好滿足等離子體電源在點(diǎn)火時(shí)需要的高電壓，點(diǎn)火后阻抗降低輸出大電流的特性。

圖3 新型三相LCC 諧振變換器系統(tǒng)圖

2 高精度控制系統(tǒng)以及高速通訊系統(tǒng)

本工作研發(fā)的等離子體電源的軟件系統(tǒng)主要采用以下技術(shù)。

2.1 基于DSP 的全數(shù)字化控制系統(tǒng)

TI 公司生產(chǎn)的C2000系列DSP 是強(qiáng)大的數(shù)字電源控制芯片，主頻150MH，AD 采樣處理速4MHz 能夠滿足本機(jī)要求。此項(xiàng)目軟件控制方案，采用變積分高速PID 算法作為閉環(huán)控制，以功率、電流、電壓的設(shè)定值作為基準(zhǔn)。回路誤差迭代通過DAC 芯片輸出到波形產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)電路，控制和改變電路的工作頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。

2.2 基于ARM MCU 的通訊及系統(tǒng)控制

通信接口和并行接口：通信接口和并行接口由外部擴(kuò)展STM32和外圍電路組成，負(fù)責(zé)接收從DSP采樣的數(shù)據(jù)和控制信息，并與其他設(shè)備進(jìn)行處理和通信。并行接口采用高速SPI 總線，保證模塊間高速同步工作。同步模式下，主模塊產(chǎn)生同步信號(hào)，觸發(fā)各模塊按設(shè)定的相同參數(shù)工作，實(shí)現(xiàn)共享電流和同步控制。

搭配硬件電路部分，形成了圖3的三相LCC 諧振電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

3 試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的搭建

根據(jù)硬件電路系統(tǒng)框圖搭建測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)體測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備包括本設(shè)計(jì)電源、筆記本電腦（安裝上位機(jī)監(jiān)控軟件，如圖4所示）、水冷可調(diào)負(fù)載、示波器、高壓隔離差分探頭、高精度分流器、萬用表、電流鉗表等設(shè)備。通過上位機(jī)進(jìn)行選擇20kW等離子體電源的恒功率、恒電壓及恒電流模式，對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖4 上位機(jī)界面與硬件測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試步驟：一是調(diào)整并固定水冷可調(diào)負(fù)載的阻抗，阻抗為16.6R（功率滿載）；二是調(diào)整輸入直流電壓530V（通過調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)）；三是調(diào)節(jié)設(shè)置的輸出功率，從0～10kW 進(jìn)行變換，每1kW 為1檔，共分為10檔；四是在同一輸出阻抗、同一輸入電壓下，切換設(shè)置的輸出功率檔次，記錄對(duì)應(yīng)參數(shù)，記錄相對(duì)應(yīng)參數(shù)，并保存圖片。

監(jiān)控點(diǎn)為碳化硅輸入控制端、碳化硅DS 端、輸入電壓測(cè)試點(diǎn)、輸出電壓測(cè)試點(diǎn)。如圖5所示，黃色1號(hào)線為碳化硅驅(qū)動(dòng)開關(guān)信號(hào)；綠色2號(hào)線為碳化硅模塊DS 端信號(hào)；藍(lán)色3號(hào)線為本設(shè)計(jì)電源電壓輸出信號(hào)；紅色4號(hào)線為被測(cè)設(shè)備輸入電壓波形（前級(jí)為調(diào)壓器）。在功率調(diào)節(jié)工作模式下，固定輸入電壓與輸出阻抗，保持輸出功率為唯一變量。

圖5 階躍響應(yīng)下的系統(tǒng)輸出波形

深綠色填充為階躍響應(yīng)時(shí)間；淺綠色為輸出精度，圖形列表中的數(shù)字可以查看示波器抓取波形。階躍響應(yīng)時(shí)間約為10ms 左右，輸出與設(shè)定值誤差在±0.5%，達(dá)到電源設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

基于DSP 芯片搭配高速數(shù)字采樣電路組成的全數(shù)字化環(huán)路控制構(gòu)成，全數(shù)字化環(huán)路控制的采用確保了前饋補(bǔ)償算法和變積分高速PID 算法的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)更加快速的上升沿與下降沿波形，同時(shí)提高了ARC 抑弧檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確度。

采用基于數(shù)字化三相LCC 大功率變頻控制拓?fù)?，由?qū)動(dòng)信號(hào)控制三相MOSFET 全橋產(chǎn)生一定相位差的三相脈沖，使三相脈沖的頻率在相對(duì)應(yīng)的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻率變化調(diào)整，當(dāng)頻率接近諧振點(diǎn)而增大，注入諧振回路的能量變大，到滿足等離子體電源在點(diǎn)火時(shí)需要的高電壓，點(diǎn)火后阻抗降低輸出大電流。完全實(shí)現(xiàn)了等離子體電源對(duì)高頻、高效及寬輸出的應(yīng)用要求。

采用的LCC 軟開關(guān)諧振技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碳化硅MOSFET 器件的高頻化。配合軟開關(guān)電路，從而大大減小了開關(guān)損耗，同時(shí)諧振過程限制了開關(guān)過程中電壓和電流的變化率，使開關(guān)噪聲減小。大大提高了本設(shè)計(jì)電源的可靠性，延長(zhǎng)了碳化硅MOSFET器件的壽命周期提高了可靠性。

本設(shè)計(jì)電源還能實(shí)現(xiàn)電弧檢測(cè)與保護(hù)、靶材管理等高級(jí)功能：一是電弧檢測(cè)與保護(hù)：通過電壓、電流和負(fù)載阻抗的變化來識(shí)別、判斷和保護(hù)電弧，最高識(shí)別頻率可達(dá)12MHz，反應(yīng)時(shí)間小于1us；二是靶材管理：控制電路內(nèi)置閃存，計(jì)算和累積靶材壽命。當(dāng)靶材壽命達(dá)到設(shè)定值時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)提示更換靶材。

從本電源的仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果已驗(yàn)證上述的基本功能和高級(jí)功能都已成功實(shí)現(xiàn)，具有尺寸緊湊、出色的調(diào)節(jié)性和穩(wěn)定性、高效、快速熄滅和恢復(fù)電弧等特點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過目前行業(yè)廣泛使用的國(guó)外產(chǎn)品，預(yù)期能廣泛應(yīng)用于集成電路制造等領(lǐng)域的金屬及非金屬材料濺射工藝。