离子注入机用吸极电源的设计

2022-09-09金则军

电子工业专用设备 2022年3期

金则军

(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工艺步骤。离子注入机设备中经常要用到高压的直流大功率电源作为吸极电源，将需要掺杂的离子吸出然后注入到晶圆中。离子注入的机台不同，注入的能量也不同，但是吸极电源差别不大。

离子注入机对吸极电源有自己独特的技术要求，电源应具有防打火能力好、带动态负载能力强、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，随着电力电子器件的发展和开关电源的拓扑结构的变化，高压电源技术得到长足发展，高压电源在国外已有多年的研制经验，而且技术方案比较成熟，在电压等级和电源功率方面不断提升。

国内生产的高压电源在电压等级与电源性能上与国外研制水平仍存在一定差距，为此，通过试验研制出一种箱体插拔式的离子注入机用吸极电源，针对使用要求，考虑体积和绝缘因素，将整个倍压部分设计为独立部件，倍压电路结构采用上下分层的构造，充分利用空间，并将输出电阻采用折线串联的方式与高压插头连接。既保证了电源的抗冲击能力，也符合体积的要求。

将倍压部分设计成独立部件进行绝缘处理，确保了高压部分的长期可靠性和绝缘性能，同时也便于安装和后期维护。

1 吸极电源设计思路

1.1 吸极电源的设计原理

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半波倍压电路输出100 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。

其设计回路如图1所示。

图1 设计回路

该设计具有三大特点，具体为：

（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，想要使输出相同的功率，半桥式电路的输入电流就要求达到全桥式电路的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2 400 W和转换效率的要求，电路选择全桥拓扑结构。

（2）串联谐振电路。变压器的一次绕组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）双层倍压结构。倍压整流电路是把交流电变成直流电，同时实现升压的过程。

电路把较低的交流电压，利用耐压较高的整流二极管和电容，产生一个较高的直流电压，根据输出电压高低选择合适的倍压级数。

倍压整流电路本身电路并不难，难点在于直流电（DC）100 kV高压的绝缘处理。本设计将倍压整流电路划分为两部分，整流电容和整流二极管为一部分，滤波电路和取样电阻为另一部分，两部分采用上下两层，设计合理的倍压级数和间距，电压从低到高，使上下两层同一纵切面上的压差降到最低，大大提高倍压的绝缘性。

同时，针对输出电阻排布的设计，也是根据高压插头的特点特殊设计，电阻利用有限空间采用折线式布局将倍压电容和高压插头连接起来，既保证了电性能，又保证了高压端的绝缘性能。

1.2 整机构造

吸极电源整体是机箱式电源，如图2所示，内部含有控制电路、功率电路、变压器和倍压电路。电源前面板由电压电流显示表、开关及调控按键、旋钮组成，后面板由供电端、接地柱、高压输出端和外控接口组成，外控接口由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

DC100 kV吸极电源的研制重点和难点是倍压整流电路的绝缘处理，在较小的箱体内绝缘强度要高于DC100 kV，同时高压输出采用插拔的方式，很大程度上也加大了研制的难度，倍压部分整体设计为双层结构，输出电阻采用折线式排布，最大程度利用了有限的空间。

1.3 单元设计

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半波整流电路实现高压输出，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独立的部件，重点针对电路的结构布局进行设计，通过对整流电路的电容容值、二极管耐压合理选型和布局，实现倍压整流电路的稳定性和绝缘性。

倍压整流电路分为两部分，整流电容和整流二极管为一部分，滤波电路和取样电阻为另一部分，两部分采用上下两层的结构布局进行设计。

2 倍压整流电路结构设计思路

2.1 输出电阻的选择与设计

输出电阻作为直接连接高压端的器件，其抗高压短路冲击性能必须要好，经过长时间试验与验证，线绕电阻器成为输出电阻的首选。线绕电阻基于其制作工艺，使其具有很好的绝缘性、稳定性和过负载能力，应用时如果负载出现短路现象，可迅速在压接处熔断，起到保护电路的作用，同时线绕电阻的电阻丝被严密包封于陶瓷电阻体内部，具有优良的阻燃、防爆特性，在很大程度上增加了使用的安全性。

本文设计输出电阻采用多个同型号线绕电阻器串联的方式。基于结构布局，输出电阻采用折线串联的方式，这样不仅有效利用现有空间，同时最大程度上增加输出电阻数量，增强了电源抗高压短路冲击能力，提高电源使用寿命。

2.2 倍压整流结构设计

倍压整流是利用二极管的整流和导引作用，将电压分别贮存到各自的电容上，然后把它们按极性相加的原理串接起来，输出高于输入电压的高压。倍压整流电路如图3所示。

图3 2倍压整流电路

首先在第一半周E2经VD1对C1充电至E2的峰值E2m，第二半周C1上的电压和电源电压相加经VD2对C2充电至2E2m。当然开始几个周期电容上的电压并不能真正充到这样高，但经过几个周期以后，C2上的电压渐渐能稳定在2E2m左右，这就是2倍压整流的原理[1]。

考虑到该电源的绝缘要求，结合设备对吸极电源的空间要求，整个倍压电路部分设计成一个独立的部件，整体封装在一个盒子里面，该盒子采用亚克力材质（亚克力盒），亚克力化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，具有良好的介电和电绝缘性能。考虑到电源整体尺寸为标准3U机箱，机箱深度为600 mm，亚克力盒的设计尺寸为540 mm×200 mm×110 mm（长×宽×高），如图4所示。