大功率電漿表面處理用脈衝電源，在輝光放電形成的電漿中，離子轟擊陰極（工件）表面將發生一系列的物理、化學現象。離子滲氮、PCVD等都是利用低氣壓輝光放電進行表面處理的工藝技術。
基本介紹
- 中文名：大功率電漿表面處理用脈衝電源
- 所屬學科：物理學
大功率電漿表面處理用脈衝電源
一、電漿電源的特殊性
用於電漿表面處理的電源不同於其它一般電源就在於它必須滿足於氣體放電特性及表面處理的特殊工藝要求：
1.氣體放電特性與滅弧
電漿表面處理工作在異常輝光放電區。這種狀態極易過度到弧光放電狀態。弧光放電的發展會使電流劇增，既對電源造成威脅，又可能使工件表面燒蝕，必須很快截止。
油垢、銹斑、毛刺及工件吸附氣體到一定溫度後的大量釋放，都會產生弧光放電。而工藝過程必須經歷弧光清洗階段，因為，散弧有利於加快處理速度。但大能量的弧光則必須快速截止，這樣，就要求電源自動“判別”，利用散弧，截止大弧。
2.空心陰極效應與di/dt限制
圓筒狀工件或工件的孔洞便是空心陰極。空心陰極內的電子束彼此匯合，使負輝光併合在一起，其放電電流密度除正離子轟擊陰極所引起的次極電子發射的貢獻外，還有電子在陰極間來回振盪以及亞原子轟擊陰極所引起次級電子發射的貢獻。隨著振盪的延續，能量不斷積累，電流密度不斷增大（di/dt＞0），這樣就會引起局部超溫，這種現象稱為空心陰極效應，必須有效地控制。
3.巴刑（Paschen）曲線與輔助電源
巴刑曲線為一開口向上的曲線。即點燃電壓Ub隨Pd（P壓強，d極間距）變化有一極小值。
工藝處理過程中，必須克服點燃電壓與正常工作電壓可能相差很大的矛盾。
4.功率密度與節能
要保證所需滲氮表面均勻地被輝光覆蓋，獲得均勻滲氮，必須工作於異常輝光放電區，而只有當離子功率密度≥0.4W/cm2，才能處在異常輝光放電區。
在連續的供電下達到異常輝光放電區，必須以冷卻水增大熱輻射來帶走熱量以使得工作維持在某一溫度，這種能量損失占的比重非常大！
5.工藝要求與參量控制
連續供電產生輝光放電，其處理工作的溫度由放電的物理參數（氣壓、電壓、電流）來控制，某些情況下希望物理參數取較高值，必然帶來溫度無法控制。
為了解決上述矛盾，八十年代後期國際上發展了脈衝直流輝光放電技術，套用效果很好，它是電漿表面處理的一個重大進展。但由於產品售價高，加上技術保密，其核心技術無從考證，至今國內大多還採用直流電源來產生輝光放電激發電漿。下面介紹我所研製的大功率電漿表面處理用脈衝電源原理、電路特點和套用情況。
二、脈衝輝光放電的特點
(1)脈衝電源進行離子滲氮時，一旦產生弧光立即通過檢測電路傳給主控，在20μs內中斷電流弧光電流來不及發展便自然熄滅。弧光電流雖然集中一點，但能量小，不足以損傷工件。而在轟擊清洗階段，只限制可能發展成大能量的弧光，利用微弧加快清洗過程，有利提高工效。
PCVD由於常用鹵化物作原料氣，打弧現象更為嚴重，這時，利用脈衝電源來激發電漿就更有重要作用了。
(2)離子滲氮時，工件上的小孔、深孔及溝槽部分常會出現空心陰極效應，脈衝電源可使載流子的集聚很快中斷，從而抑制了空心陰極放電的發展，保證工件不出現局部過溫而導致變形。這一點在實際套用中得到證實。B.Edenhofer用1kHZ脈衝電源使Φ3×50mm的內孔中得到了均勻的擴散層。我們在對鋁型材熱擠壓模具進行離子氮化時，使0.6×5mm的窄縫中得到了均勻的擴散層，同時解決了機車曲軸離子氮化時必須堵油孔和平衡孔問題，大大節省了輔助工時。
對PCVD而言，脈衝電源不僅可以在刃具表面上沉積硬質膜，還能在形狀複雜的模具上獲得均勻的硬質塗層，這是一個極有發展前途的領域。
(3)節能，脈衝電源取消了串聯在主電源迴路中的限流電阻（離子氮化爐的供電系統區別於一般可控矽供電系統的重要一點是工作中出現負載打弧短路現象。因此，該電路中必須設有滅弧電路。而且還要設有較大的限流電阻）。可以節約大量電能。
脈衝電源提供給工件的離子平均功率密度E=E×t/T=DE，（其中D為占空比，E為脈衝功率密度）只要E大於產生異常輝光放電所需的功率密度，脈衝到來就在異常輝光區，工件受到均勻滲氮，而與熱輻射損失相平衡的是平均功率密度E，如果爐體內有良好的隔熱屏，熱損失小，就可以通過減小D來與熱輻射相補償，從而減少能耗，國外資料介紹脈衝電源比直流電源節約30%-50%的能源。
脈衝電源在D較小的情況下，並不影響滲氮時間。這被大量的實驗所證實。理論上，氮氣中脈衝放電單元子氮的產額大於直流放電的產額，具有更高的活性氮原子濃度。
(4)用脈衝電源進行離子滲氮時，工件升溫、保溫，所需的平均功率由D來控制，使得放電的物理參數（P、V、I）與控溫參數D分開，使於工藝參數獨立調節。
三、採用IGBT器件的脈衝電源電路結構及特點
電漿表面處理用脈衝電源有以下幾個特點：
1.斬波頻率較高（對離子滲氮為1kHZ）。
2.工作電壓高（1kV）。
3.負載為輝光放電，負載阻抗在劇烈變化，發生輝光放電到弧光放電轉變時，呈負阻特性。
4.要求放電電壓、電流近似方波。
脈衝電源的核心部分是直流斬波器。電路框圖(略)圖二是實際拍攝的電流、電壓波形當D從15%到85%時（頻率為1kHZ）電流、電壓都近似為矩形波。電壓幅度可以在1kV內任意調節，最大輸出脈衝峰值電流可達240A。此外，在電路設計上著重解決了以下兩個問題：
1.串聯問題 斬波器主開關器件IGBT是一種新型電力電子器件，由於目前市場上IGBT單個器件的耐壓在1200-1600V，必須使用兩個IGBT串聯工作。如果兩隻IGBT不同時開或不同時關，它們各自承受的電壓就不均等，這種不均衡經常發生或某一瞬間嚴重失衡，將導致其中一隻IGBT損壞，如果電路中沒有有效的保護措施，另一隻IGBT也會緊接著損壞，我們採用了一種特殊的串接方法，並在控制電路中對兩個IGBT的工作均衡狀態進行實時監測，一旦失衡到不允許值即暫中止工作，恢復平衡後自動重新啟動。這種設計可使串接的大功率器件能可靠地工作。我們還在驅動電路上進行了細緻的設計，以儘量減小驅動帶來的不平衡。
2.保護測控 對弧光、空心陰極效應，陰陽極短路等引起的過流，檢測電路能迅速傳遞信號，使IGBT在10-20μs內截止，既保護了電源主功率器件，又防止了工件燒蝕和部分過溫變形；運用脈衝電源處理工件時，D和峰值電流對工藝影響較大，本電源將二者準確顯示出來；處理工件時，溫度是非常重要的工藝參量，本電源對溫度採取PID控制。
脈衝電源在離子滲氮方面已表現出許多優點；如何充分發揮其易於調節工藝參數的優點有待進一步研究。
脈衝電源用於PCVD更具優越性。K.-T.Rie等人運用脈衝電源沉積TiN，在較低的脈衝電壓、適當的占空比下，獲得了高硬度（HV2500）、緻密的TiN塗層。
