彌 謙，蘇朝輝

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安710021）

電弧離子鍍［1］（Arc Ion Plating，AIP）是將電弧技術(shù)應(yīng)用于真空鍍膜中，在真空環(huán)境下利用電弧蒸發(fā)靶材，實(shí)現(xiàn)鍍膜的過程［2］．它具有沉積能量大、沉積速率快、制備膜層致密度高的特點(diǎn)［3］．電弧離子鍍技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，并在隨后的幾十年里得到了全面的發(fā)展［4］．20世紀(jì)80年代被引入中國后，經(jīng)過多年的吸收、改造與發(fā)展，電弧離子鍍技術(shù)在裝飾鍍和刀具鍍等方面得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)也起到了積極的推動(dòng)作用［5］．

現(xiàn)如今大多數(shù)用引弧針進(jìn)行引弧的裝置都是采用機(jī)械式接觸引?。?］，在引弧過程中，引弧針和陰極靶源的接觸點(diǎn)會(huì)存在很高的電流密度和溫度，如果引弧針沒有及時(shí)離開，就可能造成引弧針與表面融化的靶材粘連，導(dǎo)致引弧工作無法完成．而非接觸式引弧方式，是將引弧針與靶材分離，通過給引弧電極施加高壓脈沖，使引弧電極和陰極靶材之間產(chǎn)生放電，從而激發(fā)出靶源離子，離子在磁場作用下沉積在基片上實(shí)現(xiàn)鍍膜［7-8］．文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)了一種非接觸式的引弧器，能夠?qū)崿F(xiàn)靶材的自動(dòng)引弧，但是其引弧方式為間斷式引弧，一次引弧失敗后會(huì)自動(dòng)關(guān)閉高壓脈沖，需要重新開啟脈沖信號(hào)，這樣大大降低了起弧效率，而且多次引弧可能會(huì)將引弧材料的離子帶入真空室污染膜層．

本文根據(jù)非接觸式引弧原理，提出新式引弧結(jié)構(gòu)，對(duì)起弧控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，持續(xù)產(chǎn)生高壓脈沖，對(duì)控制電路環(huán)節(jié)的性能進(jìn)行仿真測(cè)試，以期消除電弧離子鍍過程中引弧針與靶材粘連．

1 引弧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引弧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示．將設(shè)計(jì)的引弧結(jié)構(gòu)固定在起弧支架的側(cè)面，用指螺將引弧針固定在引弧架上，防止尖端放電，引弧針通過自身彎曲到達(dá)靶材表面附近，與靶材保持一定的距離，靶材通過壓圈固定在靶座上．

圖1 引弧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig．1 Arc structure design

開始工作時(shí)，將直流高壓脈沖引到引弧針上，這樣就會(huì)使引弧針和靶材之間產(chǎn)生尖端放電，電弧打在靶材的側(cè)面形成弧斑，弧斑在周圍磁場的作用下高速旋轉(zhuǎn)到靶材的表面，同時(shí)釋放出大量的靶材離子，離子沉積在基片上完成鍍膜．為了提高靶材的引弧速度，在起弧支架上均勻放置了三個(gè)起弧器，同時(shí)工作時(shí)就避免了單一引弧器起弧成功率低的問題．相比于接觸式起弧裝置，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)提高了引弧的速度，簡化了接觸式引弧復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，去除了機(jī)械式引弧的起弧針分離結(jié)構(gòu)，避免了因?yàn)闄C(jī)械故障對(duì)鍍膜過程的影響，提高了整體設(shè)備的使用壽命．

2 控制電路設(shè)計(jì)

起弧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示．從圖2可以看出整個(gè)電路由高壓脈沖生成環(huán)節(jié)和控制電路兩個(gè)部分組成．高壓脈沖生成電路是通過驅(qū)動(dòng)電路控制絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的開關(guān)將高壓直流信號(hào)斬波形成高壓脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極靶材的脈沖放電．在陰極靶源和真空室陽極之間接入一個(gè)恒流源，當(dāng)引弧成功后，靶源與真空室回路導(dǎo)通，傳感器用來檢測(cè)此回路中的電流大小從而判斷電弧工作是否穩(wěn)定，并將結(jié)果輸出給控制電路．控制電路由多諧振蕩器和電壓比較器組成，電壓比較器根據(jù)傳感器輸出的信號(hào)控制多諧振蕩器脈沖信號(hào)的開關(guān)，當(dāng)生成脈沖信號(hào)時(shí)，信號(hào)就會(huì)控制高壓脈沖生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生高壓脈沖，當(dāng)關(guān)閉脈沖信號(hào)時(shí)高壓脈沖也隨之關(guān)閉．

2．1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IGBT是由雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）和金屬氧化物半導(dǎo)體三極管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transister，MOSFET）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor，GTR）的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)，如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域．

大功率IGBT，需要大功率的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路主要分為分立元件驅(qū)動(dòng)電路、光耦合驅(qū)動(dòng)電路、厚膜驅(qū)動(dòng)電路和專用集成驅(qū)動(dòng)電路．其中，專用集成驅(qū)動(dòng)電路具有很強(qiáng)的抗干擾能力，集成化程度較高，反應(yīng)速度快，具有完善的保護(hù)功能，因此本文使用專用集成驅(qū)動(dòng)電路作為IGBT驅(qū)動(dòng)電路．由日本富士公司研發(fā)的EXB系列集成驅(qū)動(dòng)芯片是一種專用于IGBT的集驅(qū)動(dòng)保護(hù)等功能于一體的復(fù)合集成電路，其內(nèi)部采用具有高隔離電壓的光耦隔離器作為信號(hào)隔離．驅(qū)動(dòng)電路外加＋20V單電源供電，由內(nèi)部電阻和穩(wěn)壓管分壓為＋15V和-5V，分別作開柵電壓和關(guān)柵電壓．

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig．2 Plan of system design

2．2 脈沖電路設(shè)計(jì)

脈沖 寬 度 調(diào) 制 （Pulse Width Modulation，PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或場效應(yīng)管柵極的偏置，實(shí)現(xiàn)晶體管或場效應(yīng)管管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變．

本文設(shè)計(jì)使用555定時(shí)器來產(chǎn)生寬范圍的PWM．555定時(shí)器是一種中規(guī)模的集成電路，其成本低，性能可靠，只要在外部適當(dāng)配上阻容元件，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路．本文運(yùn)用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，工作是通過電容的充放電使電路在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間不斷變化，從而將直流信號(hào)變?yōu)榫匦尾ㄐ盘?hào)．

振蕩器輸出信號(hào)的時(shí)間參數(shù)T為

式中：R1為電阻；R2為滑動(dòng)變阻器；C為電容．

振蕩頻率f為

本設(shè)計(jì)根據(jù)需要設(shè)置電阻R1＝6kΩ，滑動(dòng)變阻器R2＝10kΩ，電容C＝0．15μF，根據(jù)式（2）當(dāng)R2＝8kΩ時(shí)，頻率f＝470Hz，滿足脈沖頻率200～500Hz的要求．

2．3 電壓比較電路設(shè)計(jì)

在鍍膜機(jī)正常工作時(shí)，靶源與真空室回路的電流大小在50～170A范圍，說明真空室內(nèi)電弧放電處于正常狀態(tài)．一旦電弧放電產(chǎn)生熄弧現(xiàn)象，主電源相當(dāng)于對(duì)靶源陰極和真空室陽極形成開路，電流將迅速減小至零．通過對(duì)電流信號(hào)的采集，可以監(jiān)控電弧放電的正常與否，當(dāng)熄弧時(shí)重新進(jìn)行靶材的引?。褂眯吞?hào)為LHB-200A的霍爾檢測(cè)式直流電流傳感器對(duì)電路信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，此直流電流傳感器可用于測(cè)量0～200A直流電流，并將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為額定直流0～5V電壓輸出．采用獨(dú)立閉環(huán)“自環(huán)磁平衡”的測(cè)量方式，抗干擾能力強(qiáng)，能在復(fù)雜的環(huán)境下較準(zhǔn)確地測(cè)量直流電流．

比較環(huán)節(jié)電路由電壓跟隨器、電壓比較器組成，電流傳感器的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)入電壓比較器，電壓跟隨器的輸出電壓和輸入電壓相同，電壓增益為1，具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點(diǎn)，其在反饋環(huán)節(jié)電路起到緩沖作用．電壓跟隨器的輸出端與電壓比較器的同向輸入端連接，反向輸入端接參考電壓，當(dāng)正向輸入端的電壓高于參考電壓時(shí)，輸出高電平；當(dāng)電壓低于參考電壓時(shí)，輸出低電平．開始鍍膜時(shí)，由于此時(shí)陰極靶材沒有處在放電狀態(tài)，因此從電流傳感器檢測(cè)的陰極電流信號(hào)為零，經(jīng)過電壓跟隨器后進(jìn)入正向比較器，輸入信號(hào)為零，小于參考電壓，輸出低電平，低電平使三極管導(dǎo)通并輸出脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)通過IGBT驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT的開關(guān)，將高壓直流信號(hào)斬波成高壓脈沖信號(hào)從而在引弧電極與陰極靶材間形成電弧，成功引?。?dāng)靶材放電穩(wěn)定后，電流升高，電壓比較器的輸入信號(hào)隨之升高，當(dāng)大于參考電壓時(shí)，輸出高電平，三極管截止，脈沖信號(hào)隨之中斷，高壓脈沖關(guān)閉，而當(dāng)陰極靶材熄弧時(shí)，陰極電路減弱，脈沖信號(hào)則會(huì)立刻產(chǎn)生，重新引弧，靶材繼續(xù)釋放靶材離子．

3 電路仿真

應(yīng)用Multisim軟件對(duì)電壓比較電路和脈沖生成電路進(jìn)行仿真測(cè)試，首先根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路在軟件中繪制仿真電路并設(shè)置各器件的參數(shù)，當(dāng)靶材起弧穩(wěn)定后，靶源與真空室回路的電流大小在50～170A范圍，傳感器的輸出電壓在1．25～4．25V之間，設(shè)置電壓比較器參考電壓為1．5V，當(dāng)輸入電壓大于參考電壓時(shí)輸出高電平從而關(guān)閉高壓脈沖，反之亦然；然后在整個(gè)電路的輸入端接入模擬電源，其作用是代替電流傳感器的輸出電壓；在輸出端連接示波器來觀察輸出信號(hào)的波形，仿真電路如圖3所示．

圖3 仿真電路圖Fig．3 Circuit simulation

整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)分為初始脈沖開啟、穩(wěn)弧脈沖關(guān)閉和熄弧脈沖開啟三個(gè)階段．具體為

1）引弧脈沖生成，初始工作時(shí)，由于還沒有形成電弧，陰極靶材與真空室回路的電流為零，傳感器檢測(cè)到的信號(hào)也為零，因此將輸出信號(hào)電壓設(shè)置為0V，表示電弧沒有產(chǎn)生．點(diǎn)擊開始按鈕進(jìn)行仿真，示波器輸出結(jié)果如圖4所示．示波器顯示波形為矩形波，表明電路成功輸出脈沖信號(hào)，可以通過IGBT形成高壓脈沖，對(duì)陰極靶材進(jìn)行起?。?/p>

圖4 初次引弧脈沖信號(hào)Fig．4 First arc pulse signal

2）穩(wěn)弧后脈沖自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)靶材電弧穩(wěn)定后，靶源與真空室回路的電流逐漸升高，當(dāng)電流大于參考電壓時(shí)表明引弧成功，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因此設(shè)置模擬電源為4V，表示電弧進(jìn)入穩(wěn)態(tài)．仿真后，示波器輸出結(jié)果如圖5所示．結(jié)果顯示示波器輸出為0 V，高壓脈沖信號(hào)自動(dòng)關(guān)閉．

3）熄弧脈沖自動(dòng)開啟，當(dāng)電弧即將熄滅時(shí)，回路電流會(huì)急劇下降，當(dāng)電流低于參考電壓時(shí)，輸出低電平，重新開啟脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶材的自動(dòng)引?。O(shè)置電源為1V，表示電弧即將熄滅．仿真后示波器輸出結(jié)果與初始脈沖開啟時(shí)一致，表明高壓脈沖信號(hào)重新產(chǎn)生．

通過三次仿真可以看出設(shè)計(jì)的起弧控制電路可以在鍍膜機(jī)初始工作時(shí)打開高壓脈沖對(duì)陰極進(jìn)行引弧，在電弧穩(wěn)定后自動(dòng)關(guān)閉脈沖信號(hào)，當(dāng)熄弧時(shí)又能重新開啟高壓脈沖，保證鍍膜過程中電弧的穩(wěn)定，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較合理，穩(wěn)定性較高，達(dá)到預(yù)期效果．

圖5 引弧穩(wěn)定后脈沖信號(hào)Fig．5 Pulse signal after the arc stability

4 印制電路板的制作與檢測(cè)

4．1 印制電路板制作

經(jīng)過對(duì)元件封裝的繪制、器件位置的安排以及布線和覆銅后，將電路圖轉(zhuǎn)換成了電路版圖，將印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）制作好后把元器件焊接在板子上，這樣一個(gè)完整的電路就制作完成，如圖6所示．

圖6 制作完成的PCB板Fig．6 PCB board completed

4．2 電路檢測(cè)

將電源打開調(diào)制檢測(cè)需要的電壓后關(guān)閉，把制作好的電路板與電源和示波器相連，如圖7所示．

圖7 PCB板檢測(cè)線路Fig．7 Detection circuit of PCB board

實(shí)驗(yàn)搭建好后，開始進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的方式與仿真時(shí)相同，在仿真中只進(jìn)行了控制環(huán)節(jié)的檢測(cè)，PCB板檢測(cè)中包含了IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，因此實(shí)驗(yàn)的輸出為驅(qū)動(dòng)電路的輸出波形．首先進(jìn)行初始脈沖開啟實(shí)驗(yàn)，把電源電壓調(diào)制0V，示波器輸出結(jié)果如圖8所示，輸出為矩形波，從圖8可以看到波形中有許多尖峰噪聲干擾，表示電路在設(shè)計(jì)中可能存在缺陷．

將電源電壓調(diào)制4V，進(jìn)行脈沖關(guān)閉實(shí)驗(yàn)，輸出結(jié)果如圖9所示，與仿真結(jié)果相同，表示脈沖已經(jīng)關(guān)閉．

圖8 脈沖波形圖Fig．8 Pulse waveform

最后進(jìn)行熄弧脈沖開啟實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖8一致．通過對(duì)PCB板的實(shí)驗(yàn)可以看到，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，PCB板能夠滿足設(shè)計(jì)要求，在生成脈沖信號(hào)時(shí)整個(gè)電路會(huì)受到一些干擾，電壓的突變可能會(huì)燒壞IGBT，電路產(chǎn)生噪聲的原因很多，可以通過增加去耦電容或者給IGBT柵極增加瞬變電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）來緩解尖峰，保證電路能夠安全運(yùn)行．

圖9 脈沖信號(hào)關(guān)閉Fig．9 Pulse signal off

5 結(jié) 論

1）采用了非接觸式高壓脈沖引弧方式，簡化了整體結(jié)構(gòu)，避免了機(jī)械式引弧由于機(jī)械故障對(duì)鍍膜的影響，增強(qiáng)了設(shè)備的使用壽命，并且設(shè)置三個(gè)起弧器同時(shí)工作，提高了起弧的成功率和引弧速度．

2）設(shè)計(jì)了起弧控制電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陰極靶源的自動(dòng)引弧，通過電壓比較電路對(duì)靶源電流檢測(cè)控制高壓脈沖信號(hào)的開啟和關(guān)閉，增強(qiáng)了鍍膜過程中對(duì)靶材引弧的控制和保護(hù)能力．

3）對(duì)電路的控制環(huán)節(jié)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：整個(gè)電路在鍍膜機(jī)工作的各個(gè)階段都能正確的判斷高壓脈沖的開關(guān)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較合理，穩(wěn)定性能良好，基本達(dá)到預(yù)期效果．該系統(tǒng)還可以根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展膜厚檢測(cè)等模塊，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的最大化．

4）制作了電路的PCB板并進(jìn)行了檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，電路能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不過試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)生成脈沖信號(hào)的波形受到干擾，為保證安全，在電路中適當(dāng)加入電容或TVS管可能會(huì)更好．

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