用于PVD電源的新型三相LCC變換器

深圳市恒運昌真空技術有限公司 王 欣 樂衛平 劉 濤 張香港 馬澤鶴

1 三相LCC 變換器拓撲

三相LCC 拓撲由兩大部分組成，第一個部分為保護部分，第二個部分為主體部分（如圖1所示）。

圖1 三相LCC 變換器的第二部分

1.1 三相LCC 諧振變換器的保護部分

三相LCC 變換器的第一部分由過流保護開關、三相濾波器、三相接觸器構成，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，經過過流保護開關、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的輸入供電為三相交流380～480V，最大輸入電流45A，輸入電流經輸入過流保護斷路器，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板發出的控制信號進行開關動作，為保證設備的穩定工作，當出現輸入供電電壓超出額定工作電壓范圍，接觸器將切斷對內部電路的供電，過壓欠壓緩沖保護板實時監測輸入的三相電壓，當輸入電壓低于交流320V 或高于交流520V 時，保護板將發出信號斷開三相接觸器，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 轉換電路是整個設備的核心電路，由三個碳化硅MOSFET 半橋，LCC 諧振變壓器，輸出整流器構成，由三相調頻隔離驅動板產生驅動信號，有一定的頻率調整范圍。

LCC 架構為2級諧振選頻諧振回路，由三個單路LCC 諧振變壓器構成，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之間的耦合形成初次級漏感，并與諧振電容分別組成初次級LCC 諧振回路，通過以上組合方式使諧振回路選頻特性進一步提高，同時電壓傳輸比提高，使得輸出功率能夠跟隨頻率變化進行大范圍調節。

本電源由驅動信號控制三相MOSFET 全橋產生一定相位差的三相脈沖。三相脈沖的頻率在相對應的頻率范圍內進行頻率變化調整，當頻率接近諧振點而增大，注入諧振回路的能量變大，到滿足等離子體電源在點火時需要的高電壓，點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載響應速度，滿足等離子體電源對能量的高速瞬態響應，同時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 值的關系如圖2所示。

圖2 輸出范圍圖

當三相脈沖的頻率在相對應的頻率范圍內進行頻率變化調整時，兩級LCC 變換器諧振腔的電壓傳輸比將隨著頻率接近諧振點而增大，注入諧振回路的能量也從小變大，另外在不同的負載情況下輸出回路的等效阻抗發生變化，電壓增益隨著Q 值的升高而升高，如圖3曲線產生變化，恰好滿足等離子體電源在點火時需要的高電壓，點火后阻抗降低輸出大電流的特性。

圖3 新型三相LCC 諧振變換器系統圖

2 高精度控制系統以及高速通訊系統

本工作研發的等離子體電源的軟件系統主要采用以下技術。

2.1 基于DSP 的全數字化控制系統

TI 公司生產的C2000系列DSP 是強大的數字電源控制芯片，主頻150MH，AD 采樣處理速4MHz 能夠滿足本機要求。此項目軟件控制方案，采用變積分高速PID 算法作為閉環控制，以功率、電流、電壓的設定值作為基準?；芈氛`差迭代通過DAC 芯片輸出到波形產生和驅動電路，控制和改變電路的工作頻率，達到穩定輸出的目的。

2.2 基于ARM MCU 的通訊及系統控制

通信接口和并行接口：通信接口和并行接口由外部擴展STM32和外圍電路組成，負責接收從DSP采樣的數據和控制信息，并與其他設備進行處理和通信。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，主模塊產生同步信號，觸發各模塊按設定的相同參數工作，實現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 諧振電路的系統結構圖。

3 試驗測試平臺的搭建

根據硬件電路系統框圖搭建測試平臺進行實體測試，試驗設備包括本設計電源、筆記本電腦（安裝上位機監控軟件，如圖4所示）、水冷可調負載、示波器、高壓隔離差分探頭、高精度分流器、萬用表、電流鉗表等設備。通過上位機進行選擇20kW等離子體電源的恒功率、恒電壓及恒電流模式，對整個電路系統進行實時監控。

圖4 上位機界面與硬件測試平臺

測試步驟：一是調整并固定水冷可調負載的阻抗，阻抗為16.6R（功率滿載）；二是調整輸入直流電壓530V（通過調壓器實現）；三是調節設置的輸出功率，從0～10kW 進行變換，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，切換設置的輸出功率檔次，記錄對應參數，記錄相對應參數，并保存圖片。

監控點為碳化硅輸入控制端、碳化硅DS 端、輸入電壓測試點、輸出電壓測試點。如圖5所示，黃色1號線為碳化硅驅動開關信號；綠色2號線為碳化硅模塊DS 端信號；藍色3號線為本設計電源電壓輸出信號；紅色4號線為被測設備輸入電壓波形（前級為調壓器）。在功率調節工作模式下，固定輸入電壓與輸出阻抗，保持輸出功率為唯一變量。

圖5 階躍響應下的系統輸出波形

深綠色填充為階躍響應時間；淺綠色為輸出精度，圖形列表中的數字可以查看示波器抓取波形。階躍響應時間約為10ms 左右，輸出與設定值誤差在±0.5%，達到電源設計目標。

4 結論

基于DSP 芯片搭配高速數字采樣電路組成的全數字化環路控制構成，全數字化環路控制的采用確保了前饋補償算法和變積分高速PID 算法的實現，實現更加快速的上升沿與下降沿波形，同時提高了ARC 抑弧檢測的靈敏度和準確度。

采用基于數字化三相LCC 大功率變頻控制拓撲，由驅動信號控制三相MOSFET 全橋產生一定相位差的三相脈沖，使三相脈沖的頻率在相對應的頻率范圍內進行頻率變化調整，當頻率接近諧振點而增大，注入諧振回路的能量變大，到滿足等離子體電源在點火時需要的高電壓，點火后阻抗降低輸出大電流。完全實現了等離子體電源對高頻、高效及寬輸出的應用要求。

采用的LCC 軟開關諧振技術能夠實現碳化硅MOSFET 器件的高頻化。配合軟開關電路，從而大大減小了開關損耗，同時諧振過程限制了開關過程中電壓和電流的變化率，使開關噪聲減小。大大提高了本設計電源的可靠性，延長了碳化硅MOSFET器件的壽命周期提高了可靠性。

本設計電源還能實現電弧檢測與保護、靶材管理等高級功能：一是電弧檢測與保護：通過電壓、電流和負載阻抗的變化來識別、判斷和保護電弧，最高識別頻率可達12MHz，反應時間小于1us；二是靶材管理：控制電路內置閃存，計算和累積靶材壽命。當靶材壽命達到設定值時，會發出警報提示更換靶材。

從本電源的仿真結果和測試結果已驗證上述的基本功能和高級功能都已成功實現，具有尺寸緊湊、出色的調節性和穩定性、高效、快速熄滅和恢復電弧等特點，相關技術指標達到或超過目前行業廣泛使用的國外產品，預期能廣泛應用于集成電路制造等領域的金屬及非金屬材料濺射工藝。