[发明专利]一种大功率不对称双极性脉冲偏压电源、方法及其应用

说明书

一种大功率不对称双极性脉冲偏压电源，包括A电源、B电源、C电源,所述C电源分别与A电源、B电源的输出端连接；所述A电源电路、B电源电路的输入端分别与三相380V交流电源经过全桥整流滤波后的输出端连接，其特征为：所述C电源为包括四只可控开关管QC1，QC2，QC3，QC4形成桥臂。

技术领域

本发明涉及一种真空多弧离子镀技术领域中使用的电源设备，尤其是涉及一种大功率不对称双极性脉冲偏压电源。

背景技术

多弧离子镀是把金属蒸发源(靶材)作为阴极，在真空环境通过与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发并离化形成空间等离子体，在基体偏压的作用下，对工件进行金属、金属化合物等沉积镀覆，形成特定颜色的耐高温、抗腐蚀装饰涂层；或金属、金属合金、硅与金属合金的氮化物、碳化物形成的超硬自润滑涂层，用于切削刀具、钻具、模具、涡轮叶片、无油润滑等耐磨环境。偏压是多弧离子镀及其他真空等离子体镀膜的重要工艺参数，在镀前预轰击时，可以清除工件表面吸附的气体和污染物；在沉积期间，偏压又为离子提供能量使基体与膜层紧密结合。传统单极性偏压电源由于单极性偏置，很容易积累电荷放电烧伤工件，单极性偏置导致粒子的径向积累而无法增强粒子内部钉扎强度，致使膜层松散结合力变差。双极性脉冲偏压电源，可输出正负双向脉冲，负向脉冲能中和绝缘层上的电荷积累,有效抑制工件打火，正向脉冲进行轰击清洗和沉积。正负交替的脉冲在薄膜沉积过程中获得了更为明显的离子轰击效果，膜的内应力、膜与基体的结合力得到明显改善，同时基于地磁场产生的超声波具有良好的工件自清洁效果，膜层细腻清洁不起灰。

由于多弧离子镀在各个领域应用的日益扩展，装饰涂层镀膜设备的真空镀膜室也在迅速扩大，如今已经配套116个弧靶、真空室直径4米高6.8米的大型镀膜设备，按每个弧靶负载8A偏压电流，镀膜沉积工作电流需要928A，镀膜沉积偏压220V计算，共需204KW的偏压功率，考虑到电弧放电的动态特性，所需偏压电源至少240KW以上，在轰击清洗工作流程，需要400V以上偏压施加工件。随着工业发展的要求，对输出电压和电流要求会更高。

现有技术，如中国专利(申请号：CN2015101296500)公开一种实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路及控制方法，该专利实现多模式输出磁控溅射镀膜电源电路，包括直流稳压电源(1)、主电路(2)、数字控制器(3)、驱动器(4)及靶极(01)，所述的主电路包括五个开关、两个二极管、一个高频电感及两个储能电容器，其特征在于，开关Ⅰ(5)与开关Ⅱ(6)组成左桥臂，开关Ⅲ(7)与开关Ⅳ(8)组成右桥臂；储能电容器Ⅰ(13)与直流稳压电源(1)及左桥臂并联；储能电容器Ⅱ(14)与右桥臂并联；开关Ⅴ(9)与二极管Ⅰ(10)并联，并与高频电感(12)串联，然后连接在左桥臂及右桥臂上端；左右桥臂下端与储能电容器Ⅰ(13)负极、储能电容器Ⅱ(14)负极及直流电源负极连接在一起；二极管(11)阴极连接在高频电感左端，阳极连接在直流稳压电源(1)的负极；靶极(01)左边连接到开关管Ⅰ(5)与开关管Ⅱ(6)之间，右边连接到开关管Ⅲ(7)与开关管Ⅳ(8)之间。虽然该专利通过控制这些半导体功率器件按照不同的工作时序，来实现直流溅射、单向脉冲溅射、双向对称中频溅射及双向不对称中频溅射等四种模式输出功能，在同一台设备上完成不同溅射镀膜工艺。时序控制和镀膜电源输出工艺参数设定通过软件实现，虽然这是为磁控溅射靶工作提供的双极脉冲电源，其主电源施加在开关元件5、6上，副电源通过开关9、D11组成的BUCK降压电路产生，但是这种设计实际上共享了开关元件5、6供电的主电源，因此无法实现主副电源电压的大范围独立调节，副电源的功率配置也无法独立实现。

又如现有技术，如《真空》(2017年1月第54卷第1期)公开一种多模式输出磁控溅射镀膜电源技术研究，该文献虽然也能实现多模式输出，但是，该文献缺陷如上述专利文献类似，同时也是采用了单电源供电，不利于电压调节；