电弧离子镀等离子体负载特性与脉冲偏压电源研究.pdf

大连理工大学
博士学位论文
电弧离子镀的等离子体负载特性与脉冲偏压电源研究
姓名:戚栋
申请学位级别:博士
专业:机械制造及其自动化
指导教师:郭东明;王宁会
20050501
大连理工大学博士学位论文
摘要
脉冲偏压电弧离子镀是近年来离子镀技术的一个重要发展方向,但目前制约脉冲偏压
电弧离子镀技术发展的一些问题待解决。本论文就其中电弧离子镀的等离子体负载特性、
脉冲偏压电源及脉冲偏压电源与电弧离子镀等离子体负载间的匹配、脉冲偏压电源的绿色
化设计等问题进行了深入研究。这些问题的研究和解决对提高电弧离子镀工艺水平是至关
重要的。
在电弧离子镀等离子体负载特性研究方面
结合实验研究,并运用等离子体鞘层理论、电工学理论和数值模拟技术,建立了电弧
离子镀等离子体负载的宏观电路模型,得出电弧离子镀等离子体负载本质上是由等离子体
鞘层引起的容性负载,它在电路中可等效为一只电容和电阻相并联的单元。
通过对脉冲偏压下电弧离子镀等离子体鞘层随时间演化过程的研究,得到了电弧离子
镀等离子体鞘层随时间演化的解析式,由此得出电弧离子镀等离子体形成稳态鞘层的时间、
鞘层的厚度及其变化范围均远小于束线离子注入等离子体等鞘层对应的值,电弧离子镀等
离子体鞘层的扩展几乎是实时跟随脉冲偏压的变化。
根据电弧离子镀等离子体鞘层随时间演化的特点,对时变量一电弧离子镀等离子体
鞘层厚度,通过取其时间平均厚度而,将时变量电弧离子镀等离子体鞘层电容
〔切,等效为与时间无关而只与脉冲偏压幅度和等离子体的电子温度等微观参数有关的量,
进而建立了电弧离子镀等离子体负载的宏观电路模型与等离子体微观参数间的关系,据此
并利用探针对电弧离子镀等离子体参数的诊断结果,得到了电弧离子镀等离子体
鞘层等效电容的数值范围。
通过实验、仿真模拟和理论计算,验证了建立的电弧离子镀等离子体负载的宏观电路
模型及其与等离子体微观参数间的关系是有效的。
以上研究为解决电弧离子镀脉冲偏压电源及其与负载间匹配的问题、电弧离子镀工艺
中的相关问题,提俱了理论上和技术上的支持。
在电弧离子镀脉冲偏压电源研究方面
结合电弧离子镀等离子体负载特性,研制了幅值在范围、频率在
范围、占空比在范围连续可调,额定功率为的固体开关式脉冲偏压电源。
其中设计了一种级联型结构的高压脉冲形成电路,使脉冲偏压电源的扩展性和延伸性好,
有利于实现模块化研制了一种集接地保护和开关功能于一体的半导体功率开关模块,填
补了现有半导体功率开关无接地保护功能的空白,有利于提高电源的安全性基于差动电
压放大器,设计了一种新的占空比测量电路,它能简单地以数字形式给出脉冲偏压的占空
比,解决了现有占空比测量方法存在的缺陷。
摘要
运用电路理论和拉氏变换,得出电弧离子镀负载回路的传递函数,由此得到负载回
路对阶跃信号的响应特性,为解决镀膜工艺中负载上脉冲电压出现振荡的问题及匹配电
路的设计提供了理论指导和设计思路针对电弧离子镀负载特性,设计了一种电感支
路与电阻和电容串联支路相并联形式的匹配电路,并得出含有该匹配电路的负载回
路的频响特性,它在脉冲电压的有效频谱范围内,基本接近不失真系统的频响特性,仿
真和实验结果验证了该匹配电路是有效的。
通过预测和实测得到电弧离子镀脉冲偏压电源的噪声频谱主要分布在以下,
据此并利用电磁场理论分析得出,脉冲偏压电源的干扰主要是近场干扰,电源中载流导
线产生的电磁场以高阻抗的电场为主,其强度与电流成正比,与距离成反比,电源
中电流环路产生的电磁场以低阻抗的磁场为主,其强度与电流和面积成正比,与距
离尸成反比,为解决脉冲偏压电源的电磁兼容性问题提供了思路设计了“”型整
流滤波电路,并对其参数进行了优化,使脉冲偏压电源的功率因数得到明显提高。
实验表明,本文研制的脉冲偏压电源满足了电弧离子镀工艺的需要。
关键词电弧离子镀等离子体负载脉冲偏压电源匹配电磁兼容
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摘要

































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独创性说明
作者郑重声明本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究
工作及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方
外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得