大功率等离子体表面处理用脉冲电源

大功率等离子体表面处理用脉冲电源

一、等离子体电源的特殊性

用于等离子体表面处理的电源不同于其它一般电源就在于它必须满足于气体放电特性及表面处理的特殊工艺要求：

1.气体放电特性与灭弧

等离子体表面处理工作在异常辉光放电区。这种状态极易过度到弧光放电状态。弧光放电的发展会使电流剧增，既对电源造成威胁，又可能使工件表面烧蚀，必须很快截止。

油垢、锈斑、毛刺及工件吸附气体到一定温度后的大量释放，都会产生弧光放电。而工艺过程必须经历弧光清洗阶段，因为，散弧有利于加快处理速度。但大能量的弧光则必须快速截止，这样，就要求电源自动“判别”，利用散弧，截止大弧。

2.空心阴极效应与di/dt限制

圆筒状工件或工件的孔洞便是空心阴极。空心阴极内的电子束彼此汇合，使负辉光并合在一起，其放电电流密度除正离子轰击阴极所引起的次极电子发射的贡献外，还有电子在阴极间来回振荡以及亚原子轰击阴极所引起次级电子发射的贡献。随着振荡的延续，能量不断积累，电流密度不断增大（di/dt>0），这样就会引起局部超温，这种现象称为空心阴极效应，必须有效地控制。

3.巴刑（Paschen）曲线与辅助电源

巴刑曲线为一开口向上的曲线。即点燃电压Ub随Pd（P压强，d极间距）变化有一极小值。

工艺处理过程中，必须克服点燃电压与正常工作电压可能相差很大的矛盾。

4.功率密度与节能

要保证所需渗氮表面均匀地被辉光覆盖，获得均匀渗氮，必须工作于异常辉光放电区，而只有当离子功率密度≥0.4W/cm2，才能处在异常辉光放电区。

在连续的供电下达到异常辉光放电区，必须以冷却水增大热辐射来带走热量以使得工作维持在某一温度，这种能量损失占的比重非常大！

5.工艺要求与参量控制

连续供电产生辉光放电，其处理工作的温度由放电的物理参数（气压、电压、电流）来控制，某些情况下希望物理参数取较高值，必然带来温度无法控制。

为了解决上述矛盾，八十年代后期国际上发展了脉冲直流辉光放电技术，应用效果很好，它是等离子体表面处理的一个重大进展。但由于产品售价高，加上技术保密，其核心技术无从考证，至今国内大多还采用直流电源来产生辉光放电激发等离子体。下面介绍我所研制的大功率等离子体表面处理用脉冲电源原理、电路特点和应用情况。

二、脉冲辉光放电的特点

(1)脉冲电源进行离子渗氮时，一旦产生弧光立即通过检测电路传给主控，在20μs内中断电流弧光电流来不及发展便自然熄灭。弧光电流虽然集中一点，但能量小，不足以损伤工件。而在轰击清洗阶段，只限制可能发展成大能量的弧光，利用微弧加快清洗过程，有利提高工效。

PCVD由于常用卤化物作原料气，打弧现象更为严重，这时，利用脉冲电源来激发等离子体就更有重要作用了。

(2)离子渗氮时，工件上的小孔、深孔及沟槽部分常会出现空心阴极效应，脉冲电源可使载流子的集聚很快中断，从而抑制了空心阴极放电的发展，保证工件不出现局部过温而导致变形。这一点在实际应用中得到证实。B.Edenhofer用1kHZ脉冲电源使Φ3×50mm的内孔中得到了均匀的扩散层。我们在对铝型材热挤压模具进行离子氮化时，使0.6×5mm的窄缝中得到了均匀的扩散层，同时解决了机车曲轴离子氮化时必须堵油孔和平衡孔问题，大大节省了辅助工时。

对PCVD而言，脉冲电源不仅可以在刃具表面上沉积硬质膜，还能在形状复杂的模具上获得均匀的硬质涂层，这是一个极有发展前途的领域。

(3)节能，脉冲电源取消了串联在主电源回路中的限流电阻（离子氮化炉的供电系统区别于一般可控硅供电系统的重要一点是工作中出现负载打弧短路现象。因此，该电路中必须设有灭弧电路。而且还要设有较大的限流电阻）。可以节约大量电能。

脉冲电源提供给工件的离子平均功率密度E=E×t/T=DE，（其中D为占空比，E为脉冲功率密度）只要E大于产生异常辉光放电所需的功率密度，脉冲到来就在异常辉光区，工件受到均匀渗氮，而与热辐射损失相平衡的是平均功率密度E，如果炉体内有良好的隔热屏，热损失小，就可以通过减小D来与热辐射相补偿，从而减少能耗，国外资料介绍脉冲电源比直流电源节约30%-50%的能源。

脉冲电源在D较小的情况下，并不影响渗氮时间。这被大量的实验所证实。理论上，氮气中脉冲放电单元子氮的产额大于直流放电的产额，具有更高的活性氮原子浓度。

(4)用脉冲电源进行离子渗氮时，工件升温、保温，所需的平均功率由D来控制，使得放电的物理参数（P、V、I）与控温参数D分开，使于工艺参数独立调节。

三、采用IGBT器件的脉冲电源电路结构及特点

等离子体表面处理用脉冲电源有以下几个特点：

1.斩波频率较高（对离子渗氮为1kHZ）。

2.工作电压高（1kV）。

3.负载为辉光放电，负载阻抗在剧烈变化，发生辉光放电到弧光放电转变时，呈负阻特性。

4.要求放电电压、电流近似方波。

脉冲电源的核心部分是直流斩波器。电路框图(略)图二是实际拍摄的电流、电压波形当D从15%到85%时（频率为1kHZ）电流、电压都近似为矩形波。电压幅度可以在1kV内任意调节，最大输出脉冲峰值电流可达240A。此外，在电路设计上着重解决了以下两个问题：

1.串联问题 斩波器主开关器件IGBT是一种新型电力电子器件，由于目前市场上IGBT单个器件的耐压在1200-1600V，必须使用两个IGBT串联工作。如果两只IGBT不同时开或不同时关，它们各自承受的电压就不均等，这种不均衡经常发生或某一瞬间严重失衡，将导致其中一只IGBT损坏，如果电路中没有有效的保护措施，另一只IGBT也会紧接着损坏，我们采用了一种特殊的串接方法，并在控制电路中对两个IGBT的工作均衡状态进行实时监测，一旦失衡到不允许值即暂中止工作，恢复平衡后自动重新启动。这种设计可使串接的大功率器件能可靠地工作。我们还在驱动电路上进行了细致的设计，以尽量减小驱动带来的不平衡。

2.保护测控 对弧光、空心阴极效应，阴阳极短路等引起的过流，检测电路能迅速传递信号，使IGBT在10-20μs内截止，既保护了电源主功率器件，又防止了工件烧蚀和部分过温变形；运用脉冲电源处理工件时，D和峰值电流对工艺影响较大，本电源将二者准确显示出来；处理工件时，温度是非常重要的工艺参量，本电源对温度采取PID控制。

脉冲电源在离子渗氮方面已表现出许多优点；如何充分发挥其易于调节工艺参数的优点有待进一步研究。

脉冲电源用于PCVD更具优越性。K.-T.Rie等人运用脉冲电源沉积TiN，在较低的脉冲电压、适当的占空比下，获得了高硬度（HV2500）、致密的TiN涂层。

等离子体表面活性仪（Plasma Cleaner）

首先，我们来说一下什么叫做等离子体。

等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。

等离子清洗机产生等离子体的装置是在密封容器中设置两个电极形成电场，用真空泵实现一定的真空度，随着气体愈来愈稀薄，分子间距及分子或离子的自由运动距离也愈来愈长，受电场作用，它们发生碰撞而形成等离子体，这些离子的活性很高，其能量足以破坏几乎所有的化学键，在任何暴露的表面引起化学反应，不同气体的等离子体具有不同的化学性能，如氧气的等离子体具有很高的氧化性，能氧化光刻胶反应生成气体，从而达到清洗的效果；腐蚀性气体的等离子体具有很好的各向异性，这样就能满足刻蚀的需要。利用等离子处理时会发出辉光，故称之为辉光放电处理。

等离子体清洗的机理，主要是依靠等离子体中活性粒子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。就反应机理来看，等离子体清洗通常包括以下过程：无机气体被激发为等离子态；气相物质被吸附在固体表面；被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子；产物分子解析形成气相；反应残余物脱离表面。