Estudo, projeto e implementação de fonte de potência pulsada de alta tensão com emprego de interruptores de estado sólido para uso em processos de deposição física de vapor

Abstract

O conceito de fonte de potência pulsada é apresentado, bem como suas principais aplicações. É explorado o papel da eletrônica de potência nesse contexto. Os principais conversores empregados na fabricação de fontes de potência pulsada de estado sólido encontrados na literatura são discutidos. Uma topologia de fonte de potência pulsada de estado sólido em que tensão, corrente máxima, razão cíclica e frequência podem ser controladas com precisão e configuradas pelo usuário é proposta. A flexibilidade da fonte é desejável em aplicações de deposição física de vapor, especialmente para laboratórios de pesquisa no campo da engenharia de materiais. Um protótipo em escala é fabricado, com potência média nominal de sendo capaz de fornecer tensões unipolares entre e com frequência entre e e largura de pulso mínima e máxima de e , respectivamente. Os pulsos gerados são retangulares, com tempos de subida e descida na ordem de algumas dezenas de nanossegundos, e atingem de potência. A proposta emprega um conversor LCC ressonante com múltiplas saídas. A escolha do conversor ressonante é explicada com base na comparação entre conversores da mesma classe. É feita a análise, simulação e experimentação do protótipo. Sugere-se que as capacidades desse conversor podem ser estendidas para a geração de tensões bipolares simétricas e assimétricas.

Abstract: The concept of pulsed power supply is presented, as well as its main applications. The role of power electronics in this context is explored. The main converters used in the fabrication of solid state pulsed power supplies found in literature are discussed. A solid state pulsed power supply topology in which voltage, maximum current, duty cycle and frequency can be accurately controlled and set by the user is proposed. Flexibility of the power supply is desirable in physical vapor deposition applications, especially for research laboratories in the field of materials engineering. A 1000 W rated power proof-of-principle prototype is built, being able to generate unipolar voltages ranging from 160 V to 1600 V, with frequencies from 1 kHz to 100 kHz and pulse width from 100 ns to 100 us. The voltage pulses are rectangular, with rise- and fall-times in the order of some tens of nanoseconds. Instantaneously, the pulses reach 10 kW. The solution employs a resonant LCC converter with multiple outputs. The choice of the resonant converter is explained based on the comparison with converters in the same class. The prototype is analyzed, simulated and tested. It is suggested that the capabilities of this converter can be extended to the generation of symmetrical and asymmetrical bipolar voltages.