用于PVD电源的新型三相LCC变换器

深圳市恒运昌真空技术有限公司 王 欣 乐卫平 刘 涛 张香港 马泽鹤

1 三相LCC 变换器拓扑

三相LCC 拓扑由两大部分组成，第一个部分为保护部分，第二个部分为主体部分（如图1所示）。

图1 三相LCC 变换器的第二部分

1.1 三相LCC 谐振变换器的保护部分

三相LCC 变换器的第一部分由过流保护开关、三相滤波器、三相接触器构成，三相接触器的末端接在第二部分的UVW 三相输入端。三相电源提供380VAC 电压，经过过流保护开关、三相滤波器、三相接触器等器件，由三相整流桥把三相电整流成600～900V 的直流电，为后续连接的三相DC/AC变换器提供能量。其中，三相输入滤波及过流保护的输入供电为三相交流380～480V，最大输入电流45A，输入电流经输入过流保护断路器，电源滤波器连接到三相接触器。

三相接触器由输入过压欠压缓冲保护板发出的控制信号进行开关动作，为保证设备的稳定工作，当出现输入供电电压超出额定工作电压范围，接触器将切断对内部电路的供电，过压欠压缓冲保护板实时监测输入的三相电压，当输入电压低于交流320V 或高于交流520V 时，保护板将发出信号断开三相接触器，退出工作模式。

1.2 三相LCC 谐振变换器的主体部分

三相LCC 的DC-AC 转换电路是整个设备的核心电路，由三个碳化硅MOSFET 半桥，LCC 谐振变压器，输出整流器构成，由三相调频隔离驱动板产生驱动信号，有一定的频率调整范围。

LCC 架构为2级谐振选频谐振回路，由三个单路LCC 谐振变压器构成，使用三组骨架磁芯首尾连接组成三相变压器，绕制工艺通过降低初次级之间的耦合形成初次级漏感，并与谐振电容分别组成初次级LCC 谐振回路，通过以上组合方式使谐振回路选频特性进一步提高，同时电压传输比提高，使得输出功率能够跟随频率变化进行大范围调节。

本电源由驱动信号控制三相MOSFET 全桥产生一定相位差的三相脉冲。三相脉冲的频率在相对应的频率范围内进行频率变化调整，当频率接近谐振点而增大，注入谐振回路的能量变大，到满足等离子体电源在点火时需要的高电压，点火后阻抗降低输出大电流。

输出整流电路上的三相整流桥，将高频变压器输出的三相高频交流电整流成脉动直流电，频率的提高和纹波的降低可以取消滤波电容，使得电路有更高的负载响应速度，满足等离子体电源对能量的高速瞬态响应，同时输出接口配套有高速电压和高速电流采集电路，最高采样频率为12.5MHz，输出最大功率为20kW。其输出特性和Q 值的关系如图2所示。

图2 输出范围图

当三相脉冲的频率在相对应的频率范围内进行频率变化调整时，两级LCC 变换器谐振腔的电压传输比将随着频率接近谐振点而增大，注入谐振回路的能量也从小变大，另外在不同的负载情况下输出回路的等效阻抗发生变化，电压增益随着Q 值的升高而升高，如图3曲线产生变化，恰好满足等离子体电源在点火时需要的高电压，点火后阻抗降低输出大电流的特性。

图3 新型三相LCC 谐振变换器系统图

2 高精度控制系统以及高速通讯系统

本工作研发的等离子体电源的软件系统主要采用以下技术。

2.1 基于DSP 的全数字化控制系统

TI 公司生产的C2000系列DSP 是强大的数字电源控制芯片，主频150MH，AD 采样处理速4MHz 能够满足本机要求。此项目软件控制方案，采用变积分高速PID 算法作为闭环控制，以功率、电流、电压的设定值作为基准。回路误差迭代通过DAC 芯片输出到波形产生和驱动电路，控制和改变电路的工作频率，达到稳定输出的目的。

2.2 基于ARM MCU 的通讯及系统控制

通信接口和并行接口：通信接口和并行接口由外部扩展STM32和外围电路组成，负责接收从DSP采样的数据和控制信息，并与其他设备进行处理和通信。并行接口采用高速SPI 总线，保证模块间高速同步工作。同步模式下，主模块产生同步信号，触发各模块按设定的相同参数工作，实现共享电流和同步控制。

搭配硬件电路部分，形成了图3的三相LCC 谐振电路的系统结构图。

3 试验测试平台的搭建

根据硬件电路系统框图搭建测试平台进行实体测试，试验设备包括本设计电源、笔记本电脑（安装上位机监控软件，如图4所示）、水冷可调负载、示波器、高压隔离差分探头、高精度分流器、万用表、电流钳表等设备。通过上位机进行选择20kW等离子体电源的恒功率、恒电压及恒电流模式，对整个电路系统进行实时监控。

图4 上位机界面与硬件测试平台

测试步骤：一是调整并固定水冷可调负载的阻抗，阻抗为16.6R（功率满载）；二是调整输入直流电压530V（通过调压器实现）；三是调节设置的输出功率，从0～10kW 进行变换，每1kW 为1档，共分为10档；四是在同一输出阻抗、同一输入电压下，切换设置的输出功率档次，记录对应参数，记录相对应参数，并保存图片。

监控点为碳化硅输入控制端、碳化硅DS 端、输入电压测试点、输出电压测试点。如图5所示，黄色1号线为碳化硅驱动开关信号；绿色2号线为碳化硅模块DS 端信号；蓝色3号线为本设计电源电压输出信号；红色4号线为被测设备输入电压波形（前级为调压器）。在功率调节工作模式下，固定输入电压与输出阻抗，保持输出功率为唯一变量。

图5 阶跃响应下的系统输出波形

深绿色填充为阶跃响应时间；浅绿色为输出精度，图形列表中的数字可以查看示波器抓取波形。阶跃响应时间约为10ms 左右，输出与设定值误差在±0.5%，达到电源设计目标。

4 结论

基于DSP 芯片搭配高速数字采样电路组成的全数字化环路控制构成，全数字化环路控制的采用确保了前馈补偿算法和变积分高速PID 算法的实现，实现更加快速的上升沿与下降沿波形，同时提高了ARC 抑弧检测的灵敏度和准确度。

采用基于数字化三相LCC 大功率变频控制拓扑，由驱动信号控制三相MOSFET 全桥产生一定相位差的三相脉冲，使三相脉冲的频率在相对应的频率范围内进行频率变化调整，当频率接近谐振点而增大，注入谐振回路的能量变大，到满足等离子体电源在点火时需要的高电压，点火后阻抗降低输出大电流。完全实现了等离子体电源对高频、高效及宽输出的应用要求。

采用的LCC 软开关谐振技术能够实现碳化硅MOSFET 器件的高频化。配合软开关电路，从而大大减小了开关损耗，同时谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，使开关噪声减小。大大提高了本设计电源的可靠性，延长了碳化硅MOSFET器件的寿命周期提高了可靠性。

本设计电源还能实现电弧检测与保护、靶材管理等高级功能：一是电弧检测与保护：通过电压、电流和负载阻抗的变化来识别、判断和保护电弧，最高识别频率可达12MHz，反应时间小于1us；二是靶材管理：控制电路内置闪存，计算和累积靶材寿命。当靶材寿命达到设定值时，会发出警报提示更换靶材。

从本电源的仿真结果和测试结果已验证上述的基本功能和高级功能都已成功实现，具有尺寸紧凑、出色的调节性和稳定性、高效、快速熄灭和恢复电弧等特点，相关技术指标达到或超过目前行业广泛使用的国外产品，预期能广泛应用于集成电路制造等领域的金属及非金属材料溅射工艺。