离子注入机用层叠开放式加速电源的研制

2022-01-06金则军刘玉军申晓景

电子工业专用设备 2021年6期

金则军，刘玉军，于亮，申晓景

( 北京烁科中科信电子装备有限公司长沙分公司，湖南长沙 410000)

在当代电子工业中，离子注入作为微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，也是制作集成电路的一种必不可少的手段。离子注入设备中经常要用到超高压的直流大功率电源作为加速电源。离子注入机对超高压电源有自己独特的技术要求，电源应具有防打火能力好、带载能力强、调节精度高、纹波系数小和可维修性等一系列技术特点。

在国外，随着电力电子器件发展和变换拓扑结构革新，高压电源技术得到长足发展，在电压等级和电源功率上不断提升。350 kV 以上的超高压电源国外已经进行了几十年的生产，技术方案比较成熟，但国外做这种超高压电源的公司也是各具优缺点。

作为离子注入机重要能量来源，高压电源的性能差异直接影响着离子注入机运行的效率和稳定性。传统的直流高压电源由于调压器、升压变压器和滤波电容等能量储存元件体积庞大，高压绝缘设计要求很高，可靠性较差、维护难度大。国内生产的高压电源在电压等级与电源功率上与国外研制水平都存在一定差距，为此，通过多次试验研制出一种层叠开放式集成化离子注入机用高压电源，电源针对使用要求，考虑体积和质量，将倍压部分设计为层叠开放式、高集成化的倍压筒结构，同时对倍压筒部件进行绝缘处理，确保倍压筒的长期可靠性和绝缘性能，同时也便于后期维护。

1 高压电源研制思路

1.1 高压电源研制原理设计

电源通过AC/DC 全桥整流电路后转换成DC供电，经过驱动电路和全桥功率变换电路后，通过变压器升压，升压后的交流电压经过全波倍压电路输出350 kV 直流高压。通过对输出电压和输出电流的采样和处理，由控制电路反馈至全桥功率变换电路控制输出电压和电流，从而构成输出电压和输出电流的闭环回路，达到稳定输出电压和输出电流的目的。

原理设计如图1 所示。

图1 原理设计图

该原理设计具有以下特点：

（1）全桥拓扑结构。全桥式电路有4 只开关管，需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管，驱动电路相对半桥式电路较复杂，但电路输出功率要比半桥电路大1 倍。全桥式电路变压器原边电压为±VDC（VDC为全桥整流后的直流电压，约为 300 V）。P=V原边·I输入，所以要想输出相同的功率，半桥式电路的输入电流就要求是全桥式电路的2 倍。同时在变压器的设计上也存在一定的区别，半桥式电路变压器原边线径要粗一些，全桥式电路的原边线圈匝数则要相对多一些。全桥式电路与其他电路相比不需要泄放电阻，漏感中储存的能量会直接回馈给总线（BUS），电路的效率就相对较高。因此，针对离子注入机用的高压电源，考虑到输出功率3 500 W 和转换效率的要求，电路选择全桥拓扑结构。

（2）两个变压器并联输出。将两个变压器的一次绕组并联在同一电压的母线上，二次绕组起尾头连接后与后级的全波整流电路对应连接。同时，变压器一次绕组必须加入谐振电感和谐振电容，与变压器共同组成串联谐振电路。当容抗XC与感抗XL相等时，即XC=XL，电路中的电压u 与电流i的相位相同，电路呈现电阻性，这种现象叫串联谐振。当电路发生串联谐振时XC=XL，电路的阻抗Zr2=R2+(XC-XL)2=R2，即Zr=R，电路中总阻抗最小，输出电流将达到最大值。由于回路的谐振，电源较小的输出电压就可在谐振电容上产生较高的谐振电压。这样设计的目的是为了提高电源整体转换效率，同时可以减小变压器体积和自身损耗。

（3）全波整流电路。整流是把交流电变成直流电的过程。利用具有单向导电性的装置，可以将方向和大小交变的电流转化为直流电。

全波整流电路实际上是由两个半波整流电路结合而成，本设计选用两个变压器并联，两个二次绕组串联，变压器的串联点为地电位，把交流电压正、负半周分成两部分。正弦交流电正半周时一组二极管导通，电流通过后到负载；负半周时另一组二极管导通，电流通过后也到负载。和半波整流电路相比，在交流电压的正、负半周上都有电流通过负载。虽然每个时刻流到负载的电流并未增加，但平均输出电流比半波整流加倍。

1.2 整机构造

高压电源整体由一台机箱式控制器和一个倍压筒组成，如图2 所示，控制器前面板由电压电流显示表、开关及调控按键、旋钮组成，控制器后面板通过航空插头、高压线和倍压筒相连，同时经由DB25 连接器与计算机相连。电源整体结构并不复杂，操作简单易懂。

图2 整机示意图

DC350 kV 高压电源的研制重点和难点是倍压筒，倍压筒整体为层叠开放式，3.2 节将对倍压筒的研制展开说明。

1.3 研究内容

1.3.1 LLC 全桥谐振拓扑稳定技术仿真研究与设计

基于全桥谐振拓扑结构，建立PWM 控制电路、反馈控制电路，通过功率管的导通与截止控制变压器的储能和放能，实现能量转换，变压器次级输出的交流信号通过倍压全波整流实现高压输出，通过将输出电压采样信号给到反馈放大电路，控制PWM 电路的占空比从而控制功率管的导通时间来实现电压的稳定输出。重点针对变压器的初次级的匝数、匝数比设计；谐振电路的频率、幅度、波形设计；功率管的散热结构、工艺设计，建立电路的仿真模型。

1.3.2 保护电路设计

基于反馈控制电路，增加抗负载短路冲击功能。通过对输出负载电流采样，并对采集信号优化处理，控制反馈环路，进而控制功率管IGBT 的驱动波形，降低输出功率，从而实现短路保护功能。重点针对采样信号的采样点、采样值、精确度设计，采样信号的放大处理、响应时间设计。

1.3.3 倍压整流电路的设计

基于可维修性和体积质量的限制，倍压整流电路设计为开放式，重点针对器件的参数选型进行设计，通过对整流电路的电容容值、二极管耐压合理选型和布局，实现开放式倍压结构的稳定性、绝缘性。

倍压整流电路的设计是整个电源研制的重点，由于输出电压很高，考虑到电源的实际应用需求，因此对高压器件的选型、布局、绝缘距离以及爬电距离的设计相当重要，也是研究的难点，以下将对倍压全波整流电路的设计思路进行详细介绍。

3 倍压全波整流电路设计思路

3.1 整流元件的选择与应用

作为整流元件的二极管应根据不同的整流模式和负载大小来选择。如果选择不当，会影响正常工作，甚至会烧管，或过度使用导致浪费。本文介绍了一种高集成化的高压硅堆，与常规制作工艺不同的是，它将高压二极管进行高度集成，这种制作工艺使得高压二极管暴露在空气中的高压连接点减少，最大程度地提高其绝缘可靠性。

作为整流滤波电容器，通常认为其最主要的参数是额定电压和电容量。一般使用瓷介电容较多，但是在实际应用中考虑到瓷介电容器的温度系数较大、精度不高，使电容器在整流电路中的寿命减少。

本文介绍了一种采用高压薄膜电容器作为整流滤波电容器的研制方法。高压薄膜电容器具有一致性好、绝缘阻抗很高、介质损耗很小等特点，因此电路采用薄膜电容器作为整流滤波电容器不仅可以提高电容器的使用寿命，也可以提高电路中IGTB 逆变器的可靠性。

3.2 倍压全波整流结构设计

倍压部分整体设计为层叠开放式的倍压筒结构，如图3 所示，由底座、上盖板和对称的14 级倍压层叠形成，总高度为1 140 mm。实际上，根据输出电压高低不同，可以采用不同级数的倍压进行层叠。考虑到质量和体积要求，倍压筒整体为开放式结构，通过高压器件的合理选用和布局、高压爬电距离和绝缘距离的合理设计以及均压环的使用，共同确保倍压筒在裸露空气中的绝缘性能和可靠性能。