10kV等离子体表面改性高压脉冲电源巩春志

第19卷　第11期强激光与粒子束Vol.19,No.11 2007年11月HIGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS Nov.,2007　文章编号:　100124322(2007)1121927204
10kV等离子体表面改性高压脉冲电源3
巩春志,　田修波,　曹珍恩,　朱宗涛,　杨士勤
(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨150001)
摘　要:　研制的10kV高压脉冲电源采用脉冲单元叠加技术,将12组相互独立的各脉冲单元模块串联
起来,采用同步驱动技术,实现了10kV的高压脉冲输出。

可通过增减脉冲单元的数量,满足不同输出电压的
需要,实现了模块化设计。

该电源的性能指标为:脉冲电压幅值0.1～10.0kV,脉冲频率0.2～2.0k Hz,脉冲
占空比5%～30%,脉冲电流幅值20A,脉冲功率200kW。

试验结果表明:在等离子体负载条件下电源运行
稳定、可靠。

关键词:　等离子体表面改性;　高压脉冲电源;　脉冲单元模块;　串联
中图分类号: 文献标识码:　A
等离子体是人们获得有效的表面材料或材料表面经常采用的方法和手段。

高频高压脉冲电源在等离子体表面改性技术中起着相当重要的作用,脉冲电源的性能直接影响着成膜质量。

目前基于等离子体表面改性的各种复合表面处理技术的研究已取得了重大进展,且随着研究的不断深入,对脉冲电源的工作模式和可操作性提出越来越高的要求[123]。

人们已经尝试研制了多种模式的脉冲高压电源,由于使用的元器件、电路模式以及处理工艺的不同,所设计的脉冲电源也不尽相同[425]。

目前常用的几种脉冲获得模式包括真空电子开关管、脉冲形成线以及固态开关等。

由于固态开关具有优异的性能,如通过固态开关的串联或并联结构,可达到极高的输出电压(1～200kV)和电流(0.01～5.00kA),而且开关可控、脉宽可任意调节,并有着快速的故障保护功能,因而受到人们的青睐。

IG B T作为功率开关器件既具有VMOS大功率管电压激励的特性,又具有大功率达林顿管低通态电阻的特性,并具有高速、高可靠、低开关损耗、低脉冲拖尾电流、对温度不敏感等VMOS管所具有的优点,适于在高压、大电流、脉冲等条件下工作,因此非常适于在高频大功率逆变器中使用[6211]。

本文选择IG B T作为功率开关器件,研制了一种适于等离子体表面改性的10kV高压脉冲电源。

该高压脉冲电源由多个相对独立的低压固体开关式脉冲电源叠加而成,具有可靠性高、扩展性好等特点。

1　高压脉冲电源的输出指标
该脉冲电源兼顾了等离子体基离子注入与沉积、离子渗氮、等离子体IBAD等,因而设计参数调节范围较大,具体参数如下:脉冲电压幅值U p,在0.1～10.0kV范围内连续可调;脉冲频率f,在0.2～2.0k Hz范围内连续可调;脉冲占空比D,在5%～30%范围内连续可调;脉冲电流幅值I p为20A。

2　高压脉冲电源主电路的研制
该脉冲电源采用脉冲单元模块叠加技术,主电路如图1所示。

每个脉冲单元的电路结构一致,且参数完全相同,每个单元输出1kV,为实现10kV高压脉冲输出,共采用12个脉冲单元串联。

等离子体在脉冲期间的离子流密度为
j(t)=2
9
en i u0
[(2/3)ωpi t+1]2/3
(1)
式中:e为电子电量;n i为离子等离子体密度;ωpi为离子等离子体频率(Hz),ωpi=u0/s0,u0为特征离子速度,且
u0=2qV0/m,s0为初始离子阵鞘层厚度,s0=2ε0V0/qn i,其中V0为脉冲偏压。

负载电流为
i(t)=j(t)S(1+γ)=2πj(t)(D/2)2(1+γ)(2) 3收稿日期:2007208214; 修订日期:2007209229
基金项目:新世纪优秀人才支持计划;哈尔滨市科技创新人才研究专项基金资助课题(2006RFXXS012);国家自然科学基金资助课题(50373007,10575025)
作者简介:巩春志(1979—),男,博士,从事脉冲电源和等离子体表面处理技术研究;chunzhigong@。

联系作者:田修波,xiubotian@。

Fig.1　Diagram of 10kV high voltage power supply
图1　主电路结构
式中:S 为靶台面积,此处采用圆形靶台,靶
台面积取正反面面积之和;D 为靶台直径;γ
为二次电子发射系数,取3[12]。

选用Ar 等离子体,n i =3×1016m -3,q =
1.6×10-19C ,ε0=8.85419×10-12C ・V -1
・m -1,离子质量m =6.6336×10-26kg ,D
=0.1m ,V 0=10kV 。

将以上参数代入式(2),计算得到脉冲电
流为
i (t )=14.74×(2.4t ×107t +1)
-2/3(3)从式(3)中可知,当t =0时,i (t )最大,i (t )max
=i (0)=14.74A ,因而,工作中的最大脉冲
电流为14.74A ,在本文设计中,电源的输出
脉冲电流幅值取20A 。

每个脉冲单元承担
的输出电压为1kV ,同时考虑到电流指标
(I p ≥20A )要求,选择日本东芝公司生产的
IG B T 模块G60N170D 型IG B T 作为功率开关器件,其额定电压为1.7kV ,峰值电流为
60A 。

钳位二极管D 选用快恢复型二极管,耐压1.5kV 。

各脉冲单元电路结构一致,元件参数完全相同,并且电气特性相对独立,因而实现了脉冲电源的模块化设计,通过单元模块的任意增减可满足不同电压输出要求,可以获得几十至几百kV 的脉冲电压。

3　高压脉冲电源驱动电路的研制
虽然该高压脉冲电源的各脉冲分量形成单元的电气特性相对独立,各功率开关器件IG B T 不会因参数及驱动条件的差异而导致损坏,但考虑到等离子体负载特性和实际工艺要求,高压脉冲电源需要具备输出方波或近似方波,且具有较短的上升时间等性能,而驱动电路的性能会直接影响到高压脉冲电源的整体性能,特别是驱动信号的一致性仍然需要严格保证。

该高压脉冲电源驱动电路设计的难点包括高压隔离、同步驱动技术和抗干扰性3部分。

本文采用的驱动电路结构图如图2所示。

Fig.2　Diagram of driving circuit
图2　驱动电路结构图
4　高压脉冲电源的调试
本文研制的脉冲电源在等离子体负载条件下进行了实验研究。

图3为在Ar 气压1.0Pa 自辉光放电模式下测得的脉冲电源输出电压和电流波形。

可以看出,高压脉冲电压的上升沿很陡,且脉冲前端会有震荡,这是由于电源漏感和等离子体的容性负载特性造成的。

同时,电流随着输出电压的升高而增加。

同时在不同Ar 气压自辉光放电模式下测试了高压脉冲电源的输出电流,结果如图4所示。

可以看出,在脉冲输出10kV 时,随着气压的升高,输出电流增加。

这是因为随着气压的增加,自激发等离子体密度增加,导致电流增加。

图5是不同脉冲宽度时电源输出电压和电流波形图,其中脉冲宽度分别为20,30,40μs 。

可以看出,随着8
291强激光与粒子束第19卷
Fig.3　Waveforms of power supply output wit h argon plasma load
图3　Ar
等离子体负载条件下电源输出波形
Fig.4　Current waveforms of power
supply output at different pressure 图4　
不同气压条件下电源输出电流波形Fig.5　Waveforms of power supply output at different pulse widt h wit h argon plasma load
图5　Ar 等离子体负载条件下不同脉宽时电源输出波形
Fig.6　Current waveforms of power supply
output at different Ar/N 2flow
图6　不同Ar 和N 2流量比时电源输出电流波形
高压脉冲电源的脉宽增加,波形回零时间变短,这可能是
由于脉宽较大时自激发的等离子体密度较大导致的。

图
6显示了相同气压而不同Ar 和N 2流量比下的输出电流
波形。

可以看出,随着N 2流量的增加脉冲电流增加。

图7是过流保护时的电源输出电压电流波形图。

从电压
和电流波形中可以看出,电源保护的响应时间约为2μs ,
该响应时间在IG B T 开关管的允许范围内,能够起到很
好的过流保护作用。

在开关管关断瞬间,由于d V /d t 很
大,电源的输出端会有很高幅值的高频震荡,如电压波形
所示。

由于在IG B T 的D 极和S 极间加入了吸收回路,
减小震荡,故防止了IG B T 过压损坏。

Fig.7　Voltage and current waveforms wit h over 2current protection
图7　过流保护时电压电流波形
9
291第11期巩春志等:10kV 等离子体表面改性高压脉冲电源
强激光与粒子束第19卷
5　结　论
本文研制了一种适于等离子体表面改性的10kV高压脉冲电源。

该电源采用脉冲单元叠加技术,由12个低压脉冲单元叠加组成,各低压脉冲形成单元的结构一致、参数相同、电气特性相对独立,通过单元的叠加可以实现更高电压的电源设计要求。

测试结果表明,电源的输出指标达到了设计要求,各项保护功能可靠。

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10kV high voltage pulse pow er supply for plasma surface modif ication
GON G Chun2zhi,　TIAN Xiu2bo,　CAO Zhen2en,　ZHU Z ong2tao,　YAN G Shi2qin
(S tate Key L aboratory of A dvanced Wel ding Production Technolog y,
H arbin I nstitute of Technolog y,H arbin150001,China)
Abstract:　The series connected circuit structure with synchronous drive technology,which is composed of12relatively inde2 pendent pulse power supplies,is used in order to acquire10kV high voltage pulse.The design is modularized and different voltage output can be realized through varying the number of pulse power units.The output parameters of the power supply are as fol2 lows:the peak voltage0.1～10.0kV,the pulse f requency0.2～2.0k Hz,the duty cycle5%～30%,the pulse current magnitude 20A,and the pulse power200kW.Experiments have demonstrated that the power supply is stable and reliable in plasma surface modification processes.
K ey w ords:　Plasma surface modification;　High voltage pulse power supplies;　Pulse module;　Series 0391。