专利名称：一种实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法
技术领域：
本发明属于电气工程技术领域，尤其涉及一种实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法。
背景技术：
近年来，随着脉冲功率技术的迅速发展，脉冲电源已在材料表面改性、机械加工、环境治理等诸多领域得到广泛应用，并发挥着重要作用，如脉冲电源应用于电弧离子镀、电加工、臭氧发生器等。在这些应用中，脉冲电源的负载多是等离子体负载，为了提高脉冲电源的应用效果，大都要求通过脉冲电源与等离子体负载间的匹配，使得等离子体负载上的脉冲电压尽量无振荡且上升率高。但是与其它负载不同的是，等离子体负载具有容性负载的特性，其等效电容和等效电阻因工作条件的不同而不同，并且难以准确测量。如在脉冲偏压电弧离子镀工艺中，等离子体负载的等效电容和等效电阻因弧电流、气压、基体面积、沉积室结构及脉冲偏压幅度等参数不同而不同。这样，就给脉冲电源与等离子体负载间的匹配带来了很大困难。
公知的实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法主要有1、通过多次改变匹配电路的结构和参数，观测实验结果来实现脉冲电源与等离子体负载间的匹配(如文献《日本金属学会誌》1997，61(2)“パルス放電にょるァルミニゥム上ヘの酸窒化ァルミニゥムの生成”和文献《高电压技术》1998，24(2)“火花间隙式脉冲电源脉冲电参数的影响因素”中所述)。但是，由于这种方法是在不清楚等离子体负载等效参数的大小或只是依据经验知道等离子体负载等效参数的大致范围的情况下进行的，所以为了实现脉冲电源与等离子体负载间的匹配，需要花费大量的实验时间和足够的实验材料。
2、通过调整等离子体反应器的结构和参数，观测实验结果来实现脉冲电源与等离子体负载间的匹配(如文献《电工电能新技术》2004，23(2)“等离子体反应器的改进及其与脉冲电源间的匹配”中所述)。这种方法同样也需要花费大量的实验时间和足够的实验材料，而且在许多情况下等离子体反应器的结构和参数是难以调整的或允许调整的范围很小。
目前，根据在实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形和直流电压下等离子体负载上的电压与电流的关系，运用电路仿真技术来获得等离子体负载的等效参数，在此基础上运用仿真技术仿真等离子体负载上的脉冲电压(u2)与脉冲电源输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性，改变匹配电路的电路结构及其仿真参数，使等离子体负载上的脉冲电压(u2)与脉冲电源输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性，在脉冲电源输出的脉冲电压的有效频谱范围内，接近不失真系统的频响特性，由此来确定匹配电路的电路结构及其参数，从而使得在脉冲电源作用下，等离子体负载上脉冲电压的振荡得到有效抑制，同时避免降低等离子体负载上脉冲电压的上升率，以实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法，至今未见报道。
发明内容
本发明的目的是为实现脉冲电源与等离子体负载间的匹配，提供一种新的方法，这种方法应克服已有实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法存在的要花费大量的实验时间和足够的实验材料等不足，明显提高匹配电路的设计效率，节约实验成本，而且基于这种方法设计的匹配电路应既能有效抑制在脉冲电源作用下等离子体负载上脉冲电压的振荡，又能避免降低等离子体负载上脉冲电压的上升率。
本发明的技术方案是首先在实际工艺中，利用示波器测量脉冲电源作用下的等离子体负载上的电压、电流波形和直流电压作用下的等离子体负载上的电压与电流的关系；然后根据所述实际工艺中的脉冲电源结构、第一匹配电路及在脉冲电源与等离子体负载间传递脉冲功率的同轴电缆等效电路及测得的脉冲电源作用下的等离子体负载上的电压、电流波形及直流电压作用下的等离子体负载上的电压与电流的关系，建立包括脉冲电源、第一匹配电路、同轴电缆和等离子体负载的仿真电路模型；利用所述的仿真电路模型，在脉冲电源仿真参数、第一匹配电路仿真参数及同轴电缆仿真参数的取值与所述实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形时对应的脉冲电源参数、第一匹配电路参数及同轴电缆等效参数相同的条件下，改变等离子体负载仿真参数，仿真等离子体负载上的电压、电流波形，直至由仿真得到的等离子体负载上的电压、电流波形与对应的由实验测得的等离子体负载上的电压、电流波形相符为止，由此得到等离子体负载等效参数，为脉冲电源与等离子体负载间匹配电路的设计提供基础数据；在此基础上利用包括脉冲电源、第二匹配电路、同轴电缆和等离子体负载的仿真电路模型，在同轴电缆仿真参数、等离子体负载仿真参数的取值与所述实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形时对应的同轴电缆等效参数、等离子体负载等效参数相同的条件下，改变第二匹配电路的电路结构及其仿真参数，仿真等离子体负载上的脉冲电压(u2)与脉冲电源输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性，直至所述的频响特性，在脉冲电源输出的脉冲电压的有效频谱范围内，接近不失真系统的频响特性，由此来确定第二匹配电路的电路结构及其参数，以实现脉冲电源与等离子体负载匹配。从而使得在脉冲电源作用下，等离子体负载上脉冲电压的振荡得到有效抑制，同时避免降低等离子体负载上脉冲电压的上升率，提高脉冲电源的应用效果。
本发明的效果和益处在于1.利用示波器可以方便准确地测得脉冲电压作用下的等离子体负载上的电压、电流波形和直流电压作用下的等离子体负载上的电压与电流的关系，在此基础上运用电路仿真技术可以方便准确地获得等离子体负载的等效参数，从而为脉冲电源与等离子体负载间匹配电路的设计提供了基础数据。
2.运用仿真技术仿真等离子体负载上的脉冲电压(u2)与脉冲电源输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性，改变匹配电路的电路结构及其仿真参数，使等离子体负载上的脉冲电压(u2)与脉冲电源输出的脉冲电压(u1)之比(u2//u1)的频响特性，在脉冲电源输出的脉冲电压的有效频谱范围内，接近不失真系统的频响特性，由此确定的匹配电路不仅可有效抑制等离子体负载上脉冲电压的振荡，同时可避免降低等离子体负载上脉冲电压的上升率。
3.可以明显提高匹配电路的设计效率，节约实验成本。
图1是脉冲偏压下电弧离子镀负载上的电压、电流波形的实测图。
图中图(a)是脉冲偏压下电弧离子镀负载上的电压波形，图(b)是脉冲偏压下电弧离子镀负载上的电流波形，电弧离子镀负载上的电压、电流波形是在“工艺参数”——弧电流Ia＝72A，氮气压PN2＝0.30Pa，基体面积S＝0.063m2，“脉冲电源参数”——脉冲电压幅值UP＝680V，占空比D＝50％，频率f＝25kHz，“同轴电缆等效参数”——电阻R0＝0.2Ω，电感L0＝2μH，电容C0＝30pF(因为在电弧离子镀工艺中，脉冲波在长度为几米的同轴电缆中的传输时间远小于脉冲电压的上升时间，所以，脉冲功率在同轴电缆中的传输可视为无引导传输，因此这里可将传输脉冲功率的同轴电缆作为普通电缆来处理，也就是说可用如图3所示的集中参数R0、L0、C0来描述同轴电缆的等效电路，根据同轴电缆的长度和结构参数，利用有关公式便可计算出R0、L0、C0的值)，“第一匹配电路参数”——电感L1＝100μH(如图3所示，第一匹配电路2是常用的由电感L1或电感与电阻相串联的单元构成的匹配电路)的条件下，利用TDS-5052示波器测得的。
图2是直流偏压下电弧离子镀负载上的电压与电流关系的实测图。
图中电弧离子镀负载上的电压与电流关系是在“工艺参数”、“同轴电缆等效参数”及“第一匹配电路参数”与得到图1时的相应参数相同的条件下测得的。
图3是包括脉冲电源、第一匹配电路、同轴电缆和等离子体负载的仿真电路模型。
图中直流电源UDC、功率开关管T1、脉冲信号源ES、二极管D1及电阻RS、二极管DS、电容CS构成了脉冲电源1的等效电路；电阻R0、电感L0和电容C0构成了在脉冲电源与电弧离子镀负载间传递脉冲功率的同轴电缆3的等效电路；电容CL和电阻RL构成了电弧离子镀负载4的等效电路；电感L1为常用的经同轴电缆3串接在脉冲电源1与电弧离子镀负载4之间的匹配电感，它构成了第一匹配电路2。
图4是由图3得到的电弧离子镀负载4上的电压、电流波形仿真图。
图中图(a)是由图3得到的电弧离子镀负载4上的电压波形仿真图，图(b)是由图3得到的电弧离子镀负载4上的电流波形仿真图，电弧离子镀负载4上的电压、电流波形仿真图是在图3中“脉冲电源1仿真参数”——UDC＝680V，ES的频率fs＝25kHz、占空比Ds＝50％，“同轴电缆3仿真参数”——R0＝0.2Ω，L0＝2μH，C0＝30pF，“第一匹配电路2仿真参数”——L1＝100μH，亦即上述参数取与得到图1时的“脉冲电源参数”、“同轴电缆等效参数”及“第一匹配电路参数”相对应的参数相等的条件下和“电弧离子镀负载4仿真参数”——RL＝400Ω，CL＝1800pF的条件下得到的。
图5是在图3所示电路中改变电感L1仿真参数时得到的电弧离子镀负载4上脉冲电压波形的仿真图。
图中图(a)、图(b)、图(c)分别是在图3所示电路中，“脉冲电源1仿真参数”——UDC、fs、Ds，“同轴电缆3仿真参数”——R0、L0、C0，“电弧离子镀负载4仿真参数”——RL、CL保持不变(其中UDC＝700V，ES的频率fs＝25kHz、占空比Ds＝50％，R0＝0.2Ω，L0＝2μH，C0＝30pF，CL＝1800pF，RL＝400Ω)，电感L1仿真参数分别为3μH、100μH、950μH时，得到的电弧离子镀负载4上脉冲电压波形的仿真图。
图6包括脉冲电源1、第二匹配电路5、同轴电缆3和等离子体负载4的仿真电路模型。
图中第二匹配电路5由电感Lm、电容Cm和电阻Rm组成。
图7是图6所示电路中电弧离子镀负载4上的脉冲电压(u2)与脉冲电源1输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性曲线仿真图。
图中频响特性曲线仿真图是在图6中“同轴电缆3仿真参数”——R0＝0.2Ω，L0＝2μH，C0＝30pF，“电弧离子镀负载4仿真参数”——CL＝1800pF，RL＝400Ω，“第二匹配电路5仿真参数”——Lm＝50μH，Rm＝60Ω，Cm＝470nF的条件下得到的，其中，曲线I是幅频特性曲线，曲线II是相频特性曲线。
图8是脉冲电源输出的脉冲电压的频谱实测图。
图9是在采用图6中所示的第二匹配电路5时，电弧离子镀负载上的脉冲电压波形实测图。
图中电弧离子镀负载上的脉冲电压波形图是在“工艺参数”——弧电流Ia＝72A，氮气压PN2＝0.30Pa，基体面积S＝0.063m2，“脉冲电源参数”——脉冲电压幅值UP＝680V，占空比D＝50％，频率f＝25kHz，“同轴电缆等效参数”——电阻R0＝0.2Ω，电感L0＝2μH，电容C0＝30pF(即取与得到图1时的“工艺参数”、“脉冲电源参数”、“同轴电缆等效参数”相同)的条件下和在“第二匹配电路5参数”——Lm＝50μH，Rm＝60Ω，Cm＝470nF(即取与得到图7时的“第二匹配电路5仿真参数”相同)的条件下实测的。
另外，获得图1、图2、图8及图9结果所涉及的电弧离子镀工艺实验都是在俄产Bulat6型电弧离子镀膜机上进行的。
具体实施例方式
下面结合技术方案和附图，详细叙述本发明的最佳实施例。
由于电弧离子镀是当代薄膜工艺的重要技术途径，它的应用范围很广，而电弧离子镀负载其实就是一种等离子体负载，所以这里以脉冲电源与电弧离子镀负载间的匹配为例(注在电弧离子镀工艺中，需要给基体施加负的直流偏压或脉冲偏压，目前的趋势是用脉冲偏压取代施加于基体上的直流偏压)，详述一种实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法。
根据在实际工艺中测得的脉冲偏压下电弧离子镀负载上的电压、电流波形(如图1所示)和直流偏压下电弧离子镀负载上的电压与电流关系(如图2所示)，结合实际工艺中的脉冲电源的结构(实际工艺中使用的脉冲电源为固体开关式脉冲电源)、第一匹配电路及在脉冲电源与等离子体负载间传递脉冲功率的同轴电缆的等效电路，可建立图3所示的包括脉冲电源1、第一匹配电路2、同轴电缆3和等离子体负载4的仿真电路模型。
在图3中，取“脉冲电源1仿真参数”——UDC、ES的频率fs、ES的占空比Ds，“同轴电缆3仿真参数”——R0、L0、C0，“第一匹配电路2仿真参数”——L1，与得到图1时的“脉冲电源参数”、“同轴电缆等效参数”及“第一匹配电路参数”相对应的参数相等(即UDC＝680V，ES的频率fs＝25kHz、占空比Ds＝50％，R0＝0.2Ω，L0＝2μH，C0＝30pF，L1＝100μH)，利用OrCAD Pspice仿真工具，可以得到当“电弧离子镀负载4仿真参数”——RL＝400Ω，CL＝1800pF时，图4所示的图3中的电弧离子镀负载4上的电压、电流波形的仿真图与图1所示的脉冲偏压下电弧离子镀负载上的电压、电流波形的实测图相符。
由于电弧离子镀负载主要决定于镀膜工艺中的弧电流、气压、基体面积、沉积室结构及脉冲偏压幅值，因此，根据图1、图2、图4给出的实验结果和仿真结果及图3所示的仿真电路模型，可以得出电弧离子镀负载在电路中可等效为一只电容和一只电阻相并联的单元，在图1所示实验结果所对应的“工艺参数”——弧电流Ia＝72A，氮气压PN2＝0.30Pa，基体面积S＝0.063m2，“脉冲电源参数”——脉冲偏压幅值UP＝680V，占空比D＝50％，频率f＝25kHz和镀膜设备采用俄产Bulat6型电弧离子镀膜机的条件下，电弧离子镀负载的等效参数为——电阻RL＝400Ω，电容CL＝1800pF。
这样，在明确电弧离子镀负载的等效电路及其等效参数大小的基础上，就可以利用电路理论和仿真技术，有效地设计脉冲电源与电弧离子镀负载间的匹配电路，以期达到在脉冲偏压电弧离子镀工艺中，既能有效抑制电弧离子镀负载上脉冲电压的振荡，又能避免电弧离子镀负载上脉冲电压上升率的降低，提高镀膜质量的目的。
在图3中，取“电弧离子镀负载4仿真参数”——RL＝400Ω，CL＝1800pF，“脉冲电源1仿真参数”——UDC＝680V，ES的频率fs＝25kHz、占空比Ds＝50％，“同轴电缆3仿真参数”——R0＝0.2Ω，L0＝2μH，C0＝30pF，并保持不变。这时，可以得到在“第一匹配电路2仿真参数”——L1不同取值下，对应的电弧离子镀负载4上的电压波形的仿真图，如图5所示。
从图5可以看出随着电感L1的不断增大，电弧离子镀负载上脉冲电压前沿的振荡程度逐渐减弱，但因此也同时导致电弧离子镀负载上脉冲电压的上升率逐渐降低，并且若要完全消除电弧离子镀负载上脉冲电压的振荡，则电弧离子镀负载上脉冲电压的上升率将变得很缓慢(如图5(c)所示)，而这不利于提高镀膜质量。
此外，如果采用在脉冲电源与电弧离子镀负载间串联电感和电阻的方法(即用串联的电感和电阻代替图3中的电感L1)，参照图3，利用电路理论或仿真技术可以得出这种方法由于增大了脉冲电压向电弧离子镀这一容性负载充电的时间常数，所以，虽然能抑制电弧离子镀负载上脉冲电压的振荡，但是由此也将导致电弧离子镀负载上脉冲电压的上升率明显降低。
因此，采用常用的在脉冲电源与电弧离子镀负载之间，经同轴电缆串接电感或串联电感和电阻的匹配形式，难以达到既能有效抑制电弧离子镀负载上脉冲电压的振荡，又能避免电弧离子镀负载上脉冲电压上升率降低的目的。
为了达到既能有效抑制电弧离子镀负载上脉冲电压的振荡，又能避免电弧离子镀负载上脉冲电压上升率降低的目的，图6中给出了一种由电感Lm、电容Cm和电阻Rm组成的第二匹配电路5。
第二匹配电路5的设计思想是如图6所示，将第二匹配电路5经同轴电缆3串接在脉冲电源1的输出端与电弧离子镀负载4之间，取“同轴电缆3仿真参数”、“电弧离子镀负载4仿真参数”与图1所示的实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形时对应的“同轴电缆等效参数”、“等离子体负载等效参数”相同，改变第二匹配电路5的电路结构及其仿真参数，仿真等离子体负载上的脉冲电压(u2)与脉冲电源输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性，直至所述的频响特性，在脉冲电源输出的脉冲电压的有效频谱范围内，接近不失真系统的频响特性，由此来确定第二匹配电路5的电路结构及其参数，从而达到既能有效抑制电弧离子镀负载上脉冲电压的振荡，又能避免电弧离子镀负载上脉冲电压上升率的降低，提高镀膜质量的目的。
基于上述第二匹配电路5的设计思想，在图6中，取“同轴电缆3仿真参数”和“电弧离子镀负载4仿真参数”与得到图1时的相对应的参数相等，即取R0＝0.2Ω，L0＝2μH，C0＝30pF，CL＝1800pF，RL＝400Ω，通过改变第二匹配电路5的电路结构及其仿真参数，仿真电弧离子镀负载4上的脉冲电压(u2)与脉冲电源1输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性曲线，可以得到当第二匹配电路5采取图6中给出的由电感Lm、电容Cm和电阻Rm构成的电路结构，并且Lm＝50μH，Cm＝470nF，Rm＝60Ω时，电弧离子镀负载4上的脉冲电压(u2)与脉冲电源1输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性曲线(如图7所示的幅频特性曲线I和相频特性曲线II)，在脉冲电源输出的脉冲电压的有效频谱范围内(如图8所示，脉冲电源输出的脉冲电压的频谱主要分布在低于400kHz的范围内)，接近不失真系统的频响特性。
在这种情况下，亦即在与获得图7所示结果时的“电弧离子镀负载4仿真参数”、“同轴电缆3仿真参数”及“第二匹配电路5仿真参数”相对应的“工艺参数”、“脉冲电源参数”、“同轴电缆等效参数”及“第二匹配电路5参数”(弧电流Ia＝72A，氮气压PN2＝0.30Pa，基体面积S＝0.063m2，脉冲电压的幅值UP＝680V、占空比D＝50％、频率f＝25kHz，同轴电缆的等效电阻R0＝0.2Ω、等效电感L0＝2μH、等效电容C0＝30pF，第二匹配电路5中的Lm＝50μH、Rm＝60Ω、Cm＝470nF)的条件下，实际测得的电弧离子镀负载上的脉冲电压波形如图9所示。从图9可以看出此时电弧离子镀负载上脉冲电压的振荡得到了有效抑制，同时也避免了脉冲电压上升率的降低，这也正是通过脉冲电源与电弧离子镀负载间的匹配，所期望达到的效果。
权利要求
1.一种实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法，运用电路理论、测量技术和仿真技术，其特征是a)根据在实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形和直流电压下等离子体负载上的电压与电流的关系，结合所述实际工艺中的脉冲电源的结构、第一匹配电路及在脉冲电源与等离子体负载间传递脉冲功率的同轴电缆的等效电路，建立包括脉冲电源、第一匹配电路、同轴电缆和等离子体负载的仿真电路模型；b)利用包括脉冲电源、第一匹配电路、同轴电缆和等离子体负载的仿真电路模型，在脉冲电源仿真参数、第一匹配电路仿真参数及同轴电缆仿真参数的取值与所述实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形时对应的脉冲电源参数、第一匹配电路参数及同轴电缆等效参数相同的条件下，改变等离子体负载仿真参数，仿真等离子体负载上的电压、电流波形，直至由仿真得到的等离子体负载上的电压、电流波形与对应的由实验测得的等离子体负载上的电压、电流波形相符为止，由此得到等离子体负载等效参数；c)利用包括脉冲电源、第二匹配电路、同轴电缆和等离子体负载的仿真电路模型，在同轴电缆仿真参数、等离子体负载仿真参数的取值与所述实际工艺中测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形时对应的同轴电缆等效参数、等离子体负载等效参数相同的条件下，改变第二匹配电路的电路结构及其仿真参数，仿真等离子体负载上的脉冲电压(u2)与脉冲电源输出的脉冲电压(u1)之比(u2/u1)的频响特性，直至所述的频响特性，在脉冲电源输出的脉冲电压的有效频谱范围内，接近不失真系统的频响特性，由此来确定第二匹配电路的电路结构及其参数。
全文摘要
本发明属于电气工程技术领域，尤其涉及一种实现脉冲电源与等离子体负载间匹配的方法。本发明公开了一种运用电路理论、测量技术和仿真技术来设计脉冲电源与等离子体负载间匹配电路的方法。其特征是根据实验测得的脉冲电压下等离子体负载上的电压、电流波形和直流电压下等离子体负载上的电压与电流的关系，运用仿真技术来获得等离子体负载的等效参数，改变匹配电路的电路结构及其仿真参数，使等离子体负载上的脉冲电压(u
文档编号H03H7/38GK1780522SQ20051004727
公开日2006年5月31日 申请日期2005年9月21日 优先权日2005年9月21日
发明者戚栋, 王宁会, 吴彦 申请人:大连理工大学