電源系統(tǒng)以及用于產(chǎn)生功率的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種電源系統(tǒng)(20)。為了能夠處理負(fù)載跳變，將對(duì)高頻信號(hào)的幅度控制與對(duì)放大器(38，39)的電源電壓的電壓控制組合，放大器(38，39)將高頻信號(hào)放大。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
電源系統(tǒng)以及用于產(chǎn)生功率的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種包括功率轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)，該功率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生高頻功率信號(hào)并且可以連接到負(fù)載以向等離子體過(guò)程或氣體激光器過(guò)程供應(yīng)功率，該功率轉(zhuǎn)換器具有至少一個(gè)第一放大器路徑。
[0002]本發(fā)明還涉及一種用于產(chǎn)生可以被供應(yīng)到負(fù)載的高頻功率的方法，其中，模擬信號(hào)被供應(yīng)到至少一個(gè)放大器路徑并且在放大器路徑中被放大成高頻功率信號(hào)。
【背景技術(shù)】
[0003]電源系統(tǒng)(具體而言，在>1ΜΗζ并且具體而言小于200MHz并且主要地具體而言小于90MHz的頻率下產(chǎn)生功率的系統(tǒng))被用于激光器激發(fā)、等離子體涂覆裝置中或者感應(yīng)應(yīng)用的示例。
[0004]這種類(lèi)型的電源系統(tǒng)包括產(chǎn)生功率的放大器，所產(chǎn)生的功率被供應(yīng)到等離子體涂覆裝置、感應(yīng)應(yīng)用或激光器激發(fā)。原則上，存在用于實(shí)施放大器的功率調(diào)節(jié)的兩個(gè)概念。在幅度調(diào)節(jié)中，借助于輸入信號(hào)的幅度對(duì)放大器的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。在線性運(yùn)算中，放大器的效率取決于幅度。
[0005]替代地，可以通過(guò)調(diào)節(jié)放大器的電源電壓來(lái)調(diào)節(jié)放大器的輸出功率。在這種類(lèi)型的調(diào)節(jié)中，效率在大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)保持相對(duì)恒定。然而，調(diào)節(jié)速度是相對(duì)慢的，并且因而對(duì)輸出功率的調(diào)節(jié)是相對(duì)慢的，具體而言比第一次描述的調(diào)節(jié)概念中慢。
[0006]在電源系統(tǒng)中，可能出現(xiàn)所需功率的突然變化，例如，在等離子體室中出現(xiàn)電弧并且所供應(yīng)的功率因此必須被突然減小的情況下。第一前述調(diào)節(jié)概念或第二前述調(diào)節(jié)概念都不能夠滿足在大功率范圍內(nèi)結(jié)合高效率的快速調(diào)節(jié)的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本發(fā)明的目的在于提供電源系統(tǒng)和用于產(chǎn)生可以被供應(yīng)到等離子體過(guò)程或氣體激光器過(guò)程的功率的方法，通過(guò)該方法可以快速地和可靠地調(diào)整功率轉(zhuǎn)換器的功率。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)具有功率轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的，該功率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生高頻功率信號(hào)并且可以連接到負(fù)載以向等離子體過(guò)程或氣體激光器過(guò)程供應(yīng)功率，該功率轉(zhuǎn)換器包括至少一個(gè)第一放大器路徑，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)由數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的模擬信號(hào)被供應(yīng)到至少一個(gè)放大器路徑。用于產(chǎn)生被供應(yīng)到DAC的數(shù)字信號(hào)的邏輯電路單元連接DAC的上行側(cè)(upstream)，該邏輯電路單元具有:
[0009]信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中，儲(chǔ)存了用于產(chǎn)生模擬信號(hào)形式的信號(hào)數(shù)據(jù)值，
[0010]幅度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中，儲(chǔ)存用于影響模擬信號(hào)的幅度的幅度數(shù)據(jù)值，
[0011]乘法器，該乘法器用于將信號(hào)數(shù)據(jù)值乘以幅度數(shù)據(jù)值。
[0012]提供了一種可調(diào)整的電壓電源，其連接到至少一個(gè)放大器并且為其供應(yīng)電壓。
[0013]電壓電源具體而言可以是DC電壓電源，其可以向放大器供應(yīng)DC功率或DC電壓。
[0014]在根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)中，因而組合兩個(gè)調(diào)節(jié)概念。在等離子體應(yīng)用、感應(yīng)應(yīng)用或激光器激發(fā)應(yīng)用中，典型地遵循預(yù)設(shè)配置(profile)。因而常常預(yù)知所需的動(dòng)態(tài)范圍(輸出功率)以及期望值跳變的時(shí)刻。因而可以同時(shí)使用兩個(gè)調(diào)節(jié)概念。因而可以通過(guò)幅度調(diào)節(jié)的方式來(lái)實(shí)施功率的快速變化。隨后，可以重新調(diào)整電壓調(diào)節(jié)，并且因而可以增加效率。具體而言，在快速增加效率的情況下，應(yīng)當(dāng)注意，要采用保留足夠的調(diào)節(jié)范圍的方式來(lái)預(yù)先選擇電壓和幅度。簡(jiǎn)言之，是未計(jì)劃的動(dòng)態(tài)負(fù)載過(guò)程，由于可以在短時(shí)間段內(nèi)忽略系統(tǒng)的效率，所以僅可能的是使用快速幅度調(diào)節(jié)。對(duì)于幅度調(diào)節(jié)，可以以簡(jiǎn)單的方式產(chǎn)生具有關(guān)于信號(hào)形式以及在DAC中所產(chǎn)生的模擬信號(hào)的幅度的信息的數(shù)字信號(hào)。具體而言，可以由被儲(chǔ)存在信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的信號(hào)數(shù)據(jù)值的序列(借助于計(jì)數(shù)器讀出的)來(lái)產(chǎn)生數(shù)字值的序列，并且該信號(hào)數(shù)據(jù)值的序列被供應(yīng)到乘法器，并且借助于該乘法器來(lái)乘以從幅度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀出的幅度數(shù)據(jù)值。具體而言，這在并行地產(chǎn)生多個(gè)模擬信號(hào)并且隨后被組合器組合以使得可以采用特別簡(jiǎn)單和快速的方式來(lái)互相調(diào)整被組合的信號(hào)的情況下是有利的。使用因此產(chǎn)生的模擬信號(hào)來(lái)激勵(lì)的放大器路徑特別適用于多個(gè)放大器路徑的并行操作?？梢砸院?jiǎn)單的方式在放大器路徑的輸出處組合因此產(chǎn)生的功率。這導(dǎo)致可以非?？焖俚睾蜏?zhǔn)確地調(diào)諧功率轉(zhuǎn)換器的總功率。負(fù)載可以是等離子體過(guò)程或氣體激光器過(guò)程。
[0015]可以提供用于調(diào)節(jié)電壓電源的被施加到放大器的電壓的調(diào)節(jié)單元。該調(diào)節(jié)單元不需要在電壓電源中實(shí)施。例如，可以在連接到電壓電源的數(shù)字邏輯電路中實(shí)施調(diào)節(jié)單元。
[0016]可以提供用于設(shè)定電壓電源中所產(chǎn)生的電壓以及由DAC產(chǎn)生的模擬信號(hào)兩者的設(shè)定點(diǎn)的控制單元。在這種情況下，優(yōu)選地基于電源系統(tǒng)的期望的功率需求來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)。具體而言，通常已知可能需要產(chǎn)生什么類(lèi)型的高頻功率信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，可以為電壓電源和模擬信號(hào)指定相應(yīng)的設(shè)定點(diǎn)。
[0017]替代地或另外地，可以提供用于設(shè)定高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)的控制單元，并且可以提供下行數(shù)字邏輯電路，該下行數(shù)字邏輯電路被設(shè)計(jì)為確定電壓電源中所產(chǎn)生的電壓以及由DAC產(chǎn)生的模擬信號(hào)兩者的設(shè)定點(diǎn)。優(yōu)選地，高頻功率信號(hào)的幅度被指定為高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)。因此，可以從高頻功率信號(hào)的幅度的設(shè)定點(diǎn)獲取所產(chǎn)生的電壓的設(shè)定點(diǎn)和所產(chǎn)生的模擬信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)。
[0018]此外，可以提供用于指定電壓電源的設(shè)定點(diǎn)的接口。該接口具體而言可以連接到尚級(jí)系統(tǒng)控制器。
[0019]此外，可以提供用于指定電壓電源中所產(chǎn)生的電壓的設(shè)定點(diǎn)相對(duì)于高頻功率信號(hào)的幅度的過(guò)沖的接口。高頻功率信號(hào)的幅度可以是高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)。然而，還可以使用高頻功率信號(hào)的所測(cè)量的幅度。
[0020]替代地，可以提供計(jì)算單元，該計(jì)算單元被設(shè)計(jì)為根據(jù)對(duì)高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)的指定以及對(duì)過(guò)沖的指定來(lái)確定電壓電源中所產(chǎn)生的電壓以及由DAC產(chǎn)生的模擬信號(hào)兩者的設(shè)定點(diǎn)。具體而言，數(shù)字邏輯電路可以獲知高頻功率信號(hào)的期望幅度以及高頻功率信號(hào)的所測(cè)量的幅度?？梢灾付妷弘娫吹脑O(shè)定點(diǎn)的過(guò)沖，或者可以計(jì)算過(guò)沖。具體而言，可以選擇或計(jì)算過(guò)沖，以使得由電壓電源產(chǎn)生的電壓(并且通過(guò)該電壓，所述電源為至少一個(gè)放大器供電)大于高頻功率信號(hào)的輸出幅度。
[0021]此外，可以提供計(jì)算單元，該計(jì)算單元被設(shè)計(jì)為根據(jù)對(duì)高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)的指定以及對(duì)預(yù)設(shè)速度值或預(yù)設(shè)效率值的指定來(lái)確定電壓電源中所產(chǎn)生的電壓以及由DAC產(chǎn)生的模擬信號(hào)兩者的設(shè)定點(diǎn)。因此，如果期望快速的調(diào)節(jié)(在此情況下效率不重要)，那么可以設(shè)定電壓電源中所產(chǎn)生的具有較大的過(guò)沖的電壓的設(shè)定點(diǎn)。在另一方面，如果期望高效的調(diào)節(jié)，那么可以設(shè)定具有小過(guò)沖的電壓的設(shè)定點(diǎn)。預(yù)設(shè)速度值可以設(shè)定多快地調(diào)節(jié)功率。借助于這個(gè)值，因而可以確定應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)電壓還是幅度。例如可以基于等離子體過(guò)程、激光器激發(fā)過(guò)程或感應(yīng)應(yīng)用所遵循的配置來(lái)選擇或指定預(yù)設(shè)速度值。這同樣適用于預(yù)設(shè)效率值。
[0022]在提供至少兩個(gè)放大器路徑的情況下產(chǎn)生了特定優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)被供應(yīng)到每個(gè)放大器路徑的每個(gè)DAC以及連接每個(gè)DAC的上行側(cè)的邏輯電路單元，模擬信號(hào)由數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生。該測(cè)量導(dǎo)致對(duì)于高輸出功率特別緊密的設(shè)計(jì)。因此，使得生產(chǎn)較簡(jiǎn)單，并且降低了成本。這種類(lèi)型的構(gòu)造也較可靠?？梢蕴貏e有效地對(duì)這種類(lèi)型的功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)諧。
[0023]可以提供連接到(多個(gè))邏輯電路單元的數(shù)字邏輯電路。可以由邏輯電路單元來(lái)選擇要相乘的數(shù)據(jù)值。
[0024]數(shù)字邏輯電路以及一個(gè)或多個(gè)邏輯電路單元可以集成在邏輯部件中。這提高了集成度。僅有小數(shù)量的組成部分必須被使用，并且這節(jié)省了空間且是經(jīng)濟(jì)的。
[0025]信號(hào)數(shù)據(jù)值和/或幅度數(shù)據(jù)值可以儲(chǔ)存在查找表(LUT)中，其中，可以針對(duì)要設(shè)定的信號(hào)形狀和幅度以特別簡(jiǎn)單的方式對(duì)它們進(jìn)行選擇。
[0026]信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和幅度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以采用查找表(LUT)的形式。這允許節(jié)省存儲(chǔ)器空間，因?yàn)樵趯?shí)際數(shù)據(jù)庫(kù)(具有大量的詞條)中僅可以承載短代碼并且可以使用來(lái)自表的相關(guān)聯(lián)的長(zhǎng)標(biāo)題。對(duì)于一些配置，可以在查找表中限定預(yù)計(jì)算結(jié)果或其它信息。因此不需要計(jì)算值，并且從而可以極其快速地適應(yīng)模擬信號(hào)進(jìn)而適應(yīng)功率。
[0027]數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以具有參考信號(hào)輸入。該參考信號(hào)輸入可以用于影響模擬信號(hào)的產(chǎn)生。以此方式，可以特別快速地改變模擬信號(hào)。
[0028]驅(qū)動(dòng)電路可以連接參考信號(hào)輸入的上行側(cè)。借助于這種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)電路，可以快速地改變參考信號(hào)輸入的輸入信號(hào)，以便由此也快速地改變所產(chǎn)生的模擬信號(hào)。
[0029]如果數(shù)模轉(zhuǎn)換器和相關(guān)聯(lián)的邏輯電路單元集成在直接數(shù)字綜合(DDS)模塊中，則產(chǎn)生特別緊密的設(shè)計(jì)。
[0030]如果在數(shù)模轉(zhuǎn)換器與放大器路徑之間提供用于對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波的濾波器布置，則可以在放大器路徑的輸入處輸入具有特別少諧波的信號(hào)。這使得整個(gè)系統(tǒng)更加高效。
[0031]功率發(fā)生器可以包括多于兩個(gè)的放大器路徑，數(shù)模轉(zhuǎn)換器與所述放大器路徑中的每個(gè)放大器路徑相關(guān)聯(lián)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器向相應(yīng)的放大器路徑供應(yīng)模擬信號(hào)。這種測(cè)量導(dǎo)致對(duì)于高輸出功率特別緊密的設(shè)計(jì)?？梢蕴貏e有效地對(duì)這種類(lèi)型的功率發(fā)生器進(jìn)行調(diào)諧。
[0032]放大器路徑可以連接到組合器以用于組合放大器路徑中所產(chǎn)生的功率以形成總功率。在這種情況下，可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的組合器，這些組合器更加便于產(chǎn)生在輸入信號(hào)的相位、幅度和頻率方面已設(shè)定的高要求。因此，可以以特別緊密和節(jié)約成本的方式來(lái)構(gòu)造功率轉(zhuǎn)換器。
[0033]組合器可以被設(shè)計(jì)為在沒(méi)有不同強(qiáng)度和/或相位的輸入信號(hào)的輸出阻抗的情況下組合放大器路徑中所產(chǎn)生的功率。這種類(lèi)型的組合器是特別節(jié)能和經(jīng)濟(jì)的。此外，可以將這種類(lèi)型的組合器構(gòu)造得非常緊密，并且具有少數(shù)組成部分。
[0034]相移耦合器單元也可以用作組合器。相移耦合器單元被理解為具有耦合器并且可選地具有用于一個(gè)或多個(gè)放大器路徑中的每個(gè)放大器路徑的相移網(wǎng)絡(luò)的單元，其中，在正確操作期間，耦合器單元的輸入信號(hào)具有相對(duì)于彼此非0°也非180°并且具體而言大于0°且小于180°的相位。例如，輸入信號(hào)可以相移過(guò)90°。在本發(fā)明的含義內(nèi)，其輸入信號(hào)具有相對(duì)于彼此0°或180°的相移的耦合器單元不被認(rèn)為是相移耦合器單元，因?yàn)樵谶@種情況下僅僅將輸入信號(hào)相加而沒(méi)有進(jìn)行進(jìn)一步的相移。
[0035]相移耦合器單元可以是90°混合耦合器。這采用具有最小部件支出的最佳方式來(lái)滿足要求。
[0036]相移耦合器單元還被理解為被配置為饋送反射功率的單元，反射功率從負(fù)載穿過(guò)耦合器傳導(dǎo)到放大器，回到具有不同相位的放大器。在失配的情況下，相同阻抗的兩個(gè)放大器連接到90°混合耦合器的輸入端子，90°混合耦合器例如以相移90°的方式來(lái)劃分兩個(gè)放大器之間的反射功率。
[0037]相移耦合器單元還被理解為在其第一輸入端子處具有第一輸入阻抗并且在其第二輸入端子處具有第二輸入阻抗的單元并且被配置為采用在沒(méi)有反射功率穿過(guò)耦合器單元到達(dá)輸入端子時(shí)輸入阻抗相等并且在反射功率穿過(guò)耦合器單元到達(dá)輸入端子時(shí)輸入阻抗不同的方式。如上所述，耦合器單元可以被配置為采用將向其輸出端子反射的功率以相移的方式傳遞到其輸入端子并且從而將反射功率傳遞到放大器路徑中的放大器的方式。耦合器單元處的輸入阻抗因而可以發(fā)生變化，并且具體而言可以不同。這可能導(dǎo)致第一放大器的輸出阻抗會(huì)取與第二放大器的輸出阻抗不同的值。這繼而可以采用將一個(gè)放大器的功率傳導(dǎo)到另一個(gè)放大器的方式來(lái)影響耦合器單元的特性，從而放大器相互影響。放大器的阻抗可以變?yōu)樨?fù)的。在一些負(fù)載狀態(tài)下，這可能導(dǎo)致第一放大器路徑中的第一放大器向第二放大器路徑中的第二放大器供應(yīng)功率。在過(guò)去，這些特性可能導(dǎo)致阻礙對(duì)相移耦合器單元的使用。要擔(dān)心的是，放大器將會(huì)引入不穩(wěn)定的狀態(tài)。
[0038]使用高反射因數(shù)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)示出相反的這種情況，具體而言是在放大器中使用LDMOS晶體管的情況。晶體管在兩個(gè)放大器路徑中不同地加熱，但是在沒(méi)有負(fù)載的狀態(tài)下晶體管是與具有耦合器單元的電源系統(tǒng)中一樣高的對(duì)晶體管的最大加熱，耦合器單元的輸入信號(hào)具有0°的相位差。這可能與以下事實(shí)相關(guān):由于晶體管的寄生元件的值較低，采用具有相移耦合器單元的晶體管在最熱點(diǎn)處比不具有相移耦合器單元的情況下的晶體管加熱少得多的方式使放大器的阻抗精確地發(fā)生變化。
[0039]不穩(wěn)定的更加常見(jiàn)的原因是負(fù)載的阻抗的非?？焖俚淖兓?，例如等離子體過(guò)程的。負(fù)載變化如此快速地發(fā)生，從而使連接在電源系統(tǒng)與負(fù)載之間的阻抗調(diào)整網(wǎng)絡(luò)或者電源系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)都不能足夠快速地對(duì)負(fù)載變化作出反應(yīng)。快速的負(fù)載變化產(chǎn)生反射功率，所述反射功率被反射到放大器中。如上所述，這改變了放大器的阻抗。因此，在快速的負(fù)載變化之后，放大器不再如在負(fù)載變化之前一樣供應(yīng)相同的功率。然而，在包括相移耦合器單元(具體而言包括90°混合耦合器)的電源系統(tǒng)中，與不具有這種類(lèi)型的耦合器單元或者具有非相移特性的電源系統(tǒng)中相比，每次負(fù)載狀態(tài)變化的功率變化要小得多。因此，包括相移耦合器單元的電源系統(tǒng)表現(xiàn)得更加穩(wěn)定。
[0040]使用相移耦合器單元的優(yōu)點(diǎn)在于在失配的情況下連接到耦合器單元的兩個(gè)放大器路徑經(jīng)歷不同的阻抗。此外，在失配的情況下，功率不會(huì)被饋送回放大器路徑，但相反地可以消散到吸收性電阻器中。因?yàn)榉糯笃髀窂浇?jīng)歷了不同的阻抗，所以在失配的情況下放大器的晶體管變熱到不同的程度，與相同相位組合的情況不同，即使在沒(méi)有調(diào)節(jié)電源電壓的情況下，與使用常規(guī)組合器相比，兩個(gè)晶體管中的較熱的一個(gè)晶體管少加熱約45%。
[0041]—個(gè)放大器(具體而言，每個(gè)放大器)可以在其輸出處具有輸出阻抗，所述輸出阻抗與耦合器單元的輸入阻抗不同。在這種情況下，放大器反射被傳導(dǎo)回耦合器單元的大部分功率，該耦合器單元隨后將功率傳導(dǎo)到吸收性電阻器中。這種類(lèi)型的電源系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于降低了負(fù)載與放大器之間的駐波的比例。這種類(lèi)型的電源系統(tǒng)的頻繁提及的缺點(diǎn)在于大量功率被轉(zhuǎn)換為吸收性電阻器中的熱，并且因此電阻器不得不被制作得很大并且被提供有良好的冷卻性。這將使得這種類(lèi)型的電源系統(tǒng)昂貴。然而，較高的費(fèi)用由較高的穩(wěn)定性和可靠性補(bǔ)償。
[0042]—個(gè)放大器(具體而言，每個(gè)放大器)被配置為采用在放大器供應(yīng)其功率處的阻抗發(fā)生變化時(shí)放大器的輸出阻抗發(fā)生變化的方式。例如，這可以是反射功率被傳導(dǎo)到放大器的情況。具體而言，在連接到耦合器單元的輸出的負(fù)載阻抗發(fā)生變化的情況下，耦合器單元的連接到放大器的輸入阻抗可以發(fā)生變化。
[0043]使用根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)，可以在飽和狀態(tài)下(換言之，在完全導(dǎo)電的狀態(tài)下)和壓縮狀態(tài)下(換言之，具有隨著輸入功率的不斷增大而下降的放大率)以及在它們的特性的線性范圍內(nèi)的任何點(diǎn)處對(duì)晶體管進(jìn)行操作。因此，對(duì)于電源系統(tǒng)，可以向任何期望的負(fù)載供應(yīng)限定的功率，并且即使在不正確的調(diào)整而沒(méi)有超過(guò)預(yù)定限度的加熱情況下也是如此。
[0044]作為附加優(yōu)點(diǎn)，可以在較高電源電壓下在功率回退(back-off)范圍內(nèi)對(duì)包括相移耦合器單元和前述晶體管技術(shù)的電源系統(tǒng)進(jìn)行操作。因此，可以以小輸出功率更加快速地對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)輸入功率的方式對(duì)輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，包括吸收性電阻器的相移耦合器單元可以用于在兩個(gè)放大器路徑的相位相對(duì)于彼此發(fā)生變化的情況下在兩個(gè)輸出功率之間快速脈沖化(pulsing)或者調(diào)制輸出功率。在這種情況下，部分功率不會(huì)流動(dòng)到電源系統(tǒng)的輸出，而相反地流動(dòng)到吸收性電阻器。
[0045]對(duì)于等離子體過(guò)程，有時(shí)期望在低于高頻功率信號(hào)的頻率的調(diào)制或脈沖化頻率下經(jīng)調(diào)制或經(jīng)脈沖化的高頻功率信號(hào)。這可以使用電源系統(tǒng)特別良好地實(shí)施。具體而言，出于此目的，相移耦合器單元是有利的。為了調(diào)制高頻功率信號(hào)或使高頻功率信號(hào)脈沖化，可以通過(guò)調(diào)制頻率或脈沖信號(hào)的方式來(lái)調(diào)整放大器路徑之間的高頻信號(hào)的相位。以此方式，可以特別快速地進(jìn)行脈沖化或調(diào)制。
[0046]放大器路徑可以包括使用LDMOS技術(shù)的晶體管。LDMOS代表“橫向擴(kuò)散的金屬氧化物半導(dǎo)體”。這些是迄今為止主要在GHz范圍內(nèi)使用的M0SFET。在使用放大器來(lái)產(chǎn)生可以被供應(yīng)到等離子體過(guò)程的功率期間，驚奇地發(fā)現(xiàn)使用LDMOS技術(shù)的這些晶體管比可比較的常規(guī)MOSFET表現(xiàn)得可靠得多。這可以歸因于高得多的載流能力。具體而言，在使用多個(gè)放大器路徑并且處于3.4MHz、13MHz、27MHz、40MHz、80MHz和162MHz頻率下的測(cè)試中，這些晶體管類(lèi)型已經(jīng)被證實(shí)有特別高的可靠性。這些晶體管類(lèi)型優(yōu)于常規(guī)MOSFET的其它優(yōu)點(diǎn)在于相同的晶體管可以用于所述頻率(3.4MHz、13MHz、27MHz、40MHz、80MHz和162MHz)。因此，可以使用非常類(lèi)似或者甚至相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造放大器和電源系統(tǒng)，所述電源系統(tǒng)可以在IMHz至200MHz的范圍內(nèi)的頻率下使用超過(guò)幾十年。這些是在等離子體過(guò)程中常常使用的并且用于氣體激光器激發(fā)的頻率?？梢酝ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單地改變對(duì)DAC的驅(qū)動(dòng)來(lái)調(diào)整頻率;可以通過(guò)改變數(shù)字存儲(chǔ)器中或LUT中的值來(lái)調(diào)整幅度。
[0047]如果被供應(yīng)到等離子體過(guò)程的功率中有太多功率被反射回來(lái)，那么在等離子體過(guò)程中以這些頻率操作的常規(guī)MOSFET常常有問(wèn)題。因此，所產(chǎn)生的功率常常必須受到限制，以免使反射功率能夠超過(guò)臨界極限。因此，等離子體過(guò)程總是不能被可靠地點(diǎn)燃，或者在期望的功率范圍內(nèi)進(jìn)行操作。此外，復(fù)變阻抗調(diào)整電路和組合器被提供用于克服這些缺點(diǎn)?，F(xiàn)在特別有利的是，在處理高水平的反射功率時(shí)(例如，在向等離體子過(guò)程供應(yīng)功率時(shí))使用LDMOS晶體管。結(jié)合上述組合器，LDMOS晶體管的優(yōu)點(diǎn)在于可以由晶體管來(lái)接收高得多的反射功率。因此，對(duì)于連接在電源系統(tǒng)與負(fù)載之間的附加的阻抗調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的要求較低，并且可以在這些阻抗調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中降低部件和調(diào)節(jié)的成本。
[0048]具有相關(guān)聯(lián)的邏輯開(kāi)關(guān)元件的單獨(dú)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以與所提供的每個(gè)放大器路徑、高級(jí)存儲(chǔ)器、尤其是查找表相關(guān)聯(lián)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接到與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)的邏輯開(kāi)關(guān)元件?？梢越柚诟呒?jí)存儲(chǔ)器來(lái)描述與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器。結(jié)果是整個(gè)系統(tǒng)適用于非常高的功率并且可以被生產(chǎn)有緊密設(shè)計(jì)。在輸出功率方面可以非常有效地調(diào)整和調(diào)諧系統(tǒng)。
[0049]高級(jí)存儲(chǔ)器可以集成在邏輯電路中。此外，用于至少一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參考信號(hào)輸入的驅(qū)動(dòng)電路可以集成在邏輯部件中，該邏輯部件可以采用可編程邏輯器件(PLD)(具體而言，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA))的形式。邏輯電路可以由數(shù)字信號(hào)處理器激勵(lì)。
[0050]具體而言，DAC也可以集成在所述PLD或FPGA中。此外，用于至少一個(gè)DAC的參考信號(hào)輸入的驅(qū)動(dòng)電路可以集成在PLD或FPGA中?？梢杂蓴?shù)字處理器(具體而言，由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP))驅(qū)動(dòng)PLD或FPGA。這些測(cè)量可以有助于針對(duì)高功率產(chǎn)生緊密的設(shè)計(jì)，并且可以有助于使得功率轉(zhuǎn)換器能夠很好地調(diào)諧。
[0051]可以提供連接到系統(tǒng)控制器的測(cè)量設(shè)備，該系統(tǒng)控制器繼而至少間接地(具體而言，借助于數(shù)字處理器或DSP)驅(qū)動(dòng)邏輯電路。這可以產(chǎn)生對(duì)被供應(yīng)到等離子體過(guò)程的功率非常精確和快速的調(diào)節(jié)。
[0052]可以檢測(cè)到所產(chǎn)生的總功率和/或從負(fù)載反射的功率(具體而言，等離子體室)并且將其供應(yīng)到高級(jí)控制器。以此方式，可以控制或調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換器的輸出功率。這甚至可以直接在包括FPGA、DDS并且可能包括DSP的印刷電路板上的FPGA中實(shí)行。
[0053]借助于本發(fā)明，可以校準(zhǔn)個(gè)體放大器路徑的容限，容限由于組成部分和/或有限的精度而在生產(chǎn)期間出現(xiàn)。這使得可以采用簡(jiǎn)單的方式來(lái)組合功率。這還降低了生產(chǎn)成本，因?yàn)椴恍枰獑蝹€(gè)地協(xié)調(diào)所有的級(jí)。在速度方面的優(yōu)點(diǎn)歸因于:將所述校準(zhǔn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的可能性，以及在設(shè)定新的功率值時(shí)借助于FPGA將所述數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)生地(S卩，同時(shí)地)施加到所有的放大器路徑的可能性。
[0054]此外，多個(gè)獨(dú)立的功率轉(zhuǎn)換器或功率發(fā)生系統(tǒng)因而可以在相位和/或幅度方面同步。
[0055]為了確保這個(gè)概念起作用，必須存在可以通過(guò)改變被供應(yīng)到放大器路徑的信號(hào)的幅度來(lái)控制的放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了精確，出于這個(gè)目的，功率轉(zhuǎn)換器可以在各種操作模式下(具體而言，在各種操作類(lèi)別下)進(jìn)行操作。為了小功率(例如，低于200W的功率)，因而可以將轉(zhuǎn)換器保持在線性操作模式下，具體而言在操作類(lèi)別AB下。然而，為了高功率(具體而言超過(guò)800W的功率)，將所述轉(zhuǎn)換器保持在由開(kāi)關(guān)過(guò)程確定的操作模式下，具體而言在操作類(lèi)別E或F下進(jìn)行操作，更優(yōu)選地在操作類(lèi)別“相反類(lèi)別F”下。所描述的操作的模式適用于幅度調(diào)節(jié)。可以從所有的操作的模式獲準(zhǔn)進(jìn)入電壓調(diào)節(jié)。也可以同時(shí)發(fā)生地(即，同時(shí)地)應(yīng)用電壓調(diào)節(jié)和幅度調(diào)節(jié)。
[0056]本發(fā)明還涉及一種用于產(chǎn)生可以被供應(yīng)到負(fù)載的高頻功率的方法，其中，將通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)由數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的模擬信號(hào)供應(yīng)到至少一個(gè)放大器路徑，并且在放大器路徑中將所述模擬信號(hào)放大成高頻功率信號(hào)，通過(guò)將儲(chǔ)存在信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的信號(hào)數(shù)據(jù)值乘以儲(chǔ)存在幅度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的幅度數(shù)據(jù)值來(lái)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，借助于可調(diào)整的電壓向放大器路徑的至少一個(gè)放大器供應(yīng)功率。模擬信號(hào)可以是模擬電壓。
[0057]這導(dǎo)致關(guān)于電源系統(tǒng)的上述優(yōu)點(diǎn)。
[0058]可以由控制單元來(lái)設(shè)定電壓電源中所產(chǎn)生的電壓的設(shè)定點(diǎn)以及由DAC產(chǎn)生的模擬信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)。
[0059]替代地，可以通過(guò)控制單元將高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)傳達(dá)到下行數(shù)字邏輯電路，并且可以由邏輯電路來(lái)確定電壓電源中所產(chǎn)生的電壓和由DAC產(chǎn)生的模擬信號(hào)兩者的設(shè)定點(diǎn)。
[0060]此外，如果高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)發(fā)生變化，那么可以在第一方法步驟中設(shè)定由DAC產(chǎn)生的模擬信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)，并且可以在第二方法步驟中設(shè)定電壓電源中所產(chǎn)生的電壓的設(shè)定點(diǎn)。因此，借助于幅度調(diào)節(jié)，快速的調(diào)節(jié)是可能的，尤其是在減小輸出功率時(shí)。隨后可以緩慢地重新調(diào)整電壓電源，以增大效率。因此，防止了不必要的損耗。
[0061]如果高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)發(fā)生變化，那么可以在第一方法步驟中設(shè)定電壓電源中所產(chǎn)生的電壓的設(shè)定點(diǎn)，并且可以在第二方法步驟中設(shè)定由DAC產(chǎn)生的模擬信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)。因此，可以進(jìn)行快速的調(diào)節(jié)，尤其是在減小輸出功率時(shí)。然而，在這種情況下，有必要預(yù)先了解計(jì)劃增大的功率。然后可以首先增大用于供應(yīng)(多個(gè))放大器的電壓電源的電壓。因此，效率下降。然而，由于重新調(diào)整幅度，所以在短時(shí)間段之后效率提高。
[0062]可以通過(guò)調(diào)節(jié)用于向至少一個(gè)放大器供應(yīng)功率的電壓來(lái)調(diào)整可調(diào)整的電壓。
[0063]電壓電源可以向至少一個(gè)放大器供應(yīng)經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓，所述經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓具有超過(guò)高頻功率信號(hào)的所檢測(cè)到的或指定的電壓幅度的指定過(guò)沖。因此，可以快速地增大功率。
[0064]可以在多個(gè)級(jí)中指定可預(yù)定的過(guò)沖。因此，如果期望具有低效率的快速調(diào)節(jié)，那么可以選擇大過(guò)沖。相反地，如果期望具有較好效率的較慢的調(diào)節(jié)，那么較小的過(guò)沖就足夠了，并且因此可以指定較小的過(guò)沖。在這種情況下，相對(duì)快速地下降是可能的，但是調(diào)節(jié)直到較高的輸出功率只可以相對(duì)緩慢地進(jìn)行，因?yàn)楸仨氃龃罂烧{(diào)整的電壓以便增大功率，并且這固有地較慢。
[0065]優(yōu)選地，將數(shù)字值的序列供應(yīng)到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)輸入，數(shù)模轉(zhuǎn)換器由這些值產(chǎn)生模擬信號(hào)。以此方式，可以特別快速地和精確地產(chǎn)生模擬信號(hào)。
[0066]為了影響模擬信號(hào)，可以將參考信號(hào)供應(yīng)到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參考信號(hào)輸入。因此，模擬信號(hào)不僅受到數(shù)字值的序列的影響還受到被供應(yīng)到參考信號(hào)輸入的參考信號(hào)的影響。因此，存在影響和精確地調(diào)整模擬信號(hào)的許多可能性。
[0067]可以對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，從而由此產(chǎn)生前述優(yōu)點(diǎn)。
[0068]可以通過(guò)多個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的每個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及相關(guān)聯(lián)的放大器路徑中的放大器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)模擬信號(hào)。因此，可以在并聯(lián)的放大器路徑中產(chǎn)生相對(duì)小的功率，并且然后可以將相對(duì)小的功率組合成總功率。由于所產(chǎn)生功率是相對(duì)小的，所以節(jié)約成本的部件可以用于個(gè)體放大器路徑。
[0069]可以通過(guò)組合器將放大器路徑的輸出信號(hào)耦合，以形成總功率。因此，產(chǎn)生功率發(fā)生器的高輸出功率很簡(jiǎn)單。放大器路徑的輸出信號(hào)具體而言可以被供應(yīng)到相移耦合器單元，采用相位相關(guān)的方式將輸出信號(hào)從該相移耦合器單元耦合以形成總功率。
[0070]可以通過(guò)高級(jí)存儲(chǔ)器來(lái)描述信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和幅度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。借助于高級(jí)存儲(chǔ)器，因而可以確定和影響與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器的內(nèi)容。
[0071]HF功率信號(hào)(S卩，每個(gè)放大器路徑的輸出信號(hào))的幅度可以受到模擬信號(hào)的預(yù)定幅度的影響，該模擬信號(hào)被供應(yīng)到相應(yīng)的放大器路徑。
[0072]模擬信號(hào)可以直接被供應(yīng)到放大器路徑，并且模擬信號(hào)的幅度變化可以直接導(dǎo)致放大器路徑的HF功率信號(hào)的幅度變化。因此，尤其減小了在硬件方面的花費(fèi)。此外，這防止了模擬信號(hào)的任何幅度信息的損失，稍后將必須重新產(chǎn)生模擬信號(hào)的任何幅度信息。
[0073]本發(fā)明還涉及一種用于補(bǔ)償在各個(gè)放大器路徑中所產(chǎn)生的HF功率信號(hào)的幅度和相位方面的容限的方法，該HF功率信號(hào)是由每個(gè)DAC產(chǎn)生并且在各種情況下由被供應(yīng)到每個(gè)放大器路徑的高級(jí)數(shù)字存儲(chǔ)器控制單元組件在幅度和相位方面進(jìn)行調(diào)節(jié)的信號(hào)。這導(dǎo)致特別有效的調(diào)諧和校準(zhǔn)。
[0074]每個(gè)放大器路徑的HF功率信號(hào)的幅度可以受到由DAC產(chǎn)生的模擬信號(hào)的幅度影響。
[0075]根據(jù)本發(fā)明，在產(chǎn)生第一輸出功率的情況下第一信號(hào)可以被供應(yīng)到第一放大器路徑，在產(chǎn)生第二輸出功率的情況下第二信號(hào)可以被供應(yīng)到第一放大器路徑，在產(chǎn)生第一輸出功率的情況下第三信號(hào)可以被供應(yīng)到第二放大器路徑，在產(chǎn)生第二輸出功率的情況下第四信號(hào)可以被供應(yīng)到第二放大器路徑，第一信號(hào)、第二信號(hào)、第三信號(hào)和第四信號(hào)的幅度儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。
【附圖說(shuō)明】
[0076]根據(jù)對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的以下描述、通過(guò)附圖的方式(附圖示出了對(duì)于本發(fā)明必要的細(xì)節(jié))、以及根據(jù)權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。個(gè)體特征均可以在本發(fā)明的變型中以隔離的方式或者以任何期望的組合一起實(shí)施。
[0077]在附圖中示意性地示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并且在下面參考附圖更加詳細(xì)地對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了描述，在附圖中:
[0078]圖1是包括有電源系統(tǒng)的等離子體系統(tǒng)的高度示意圖；
[0079]圖2是電源系統(tǒng)的方框圖；
[0080]圖3是DDS模塊的方框圖；
[0081 ]圖4是用于示出降低輸出功率的過(guò)程的方框圖；
[0082]圖5是對(duì)增大輸出功率的過(guò)程進(jìn)行解釋的方框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0083]圖1示出了等離子體系統(tǒng)1，等離子體系統(tǒng)I包括電源系統(tǒng)2。電源系統(tǒng)2繼而包括功率轉(zhuǎn)換器3，功率轉(zhuǎn)換器3可以連接到電壓電源網(wǎng)絡(luò)4。在功率轉(zhuǎn)換器3的輸出處所產(chǎn)生的功率經(jīng)由阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)5傳達(dá)到等離子體室6，在等離子體室6中產(chǎn)生了等離子體，所產(chǎn)生的等離子體可以用于在等離子體室6中進(jìn)行等離子體加工。具體而言，可以對(duì)工件進(jìn)行蝕刻，或者可以將材料層施加到襯底。
[0084]圖2是電源系統(tǒng)20的高度示意圖。電源系統(tǒng)20具有功率轉(zhuǎn)換器30，功率轉(zhuǎn)換器30產(chǎn)生可以被供應(yīng)到負(fù)載(例如，等離子體過(guò)程或激光器激發(fā))的輸出功率。多個(gè)放大器路徑31、32被提供在功率轉(zhuǎn)換器30中。放大器路徑31、32大部分相同。因此，在下文中僅描述一個(gè)放大器路徑31。放大器路徑31、32(可能存在比所示出的兩個(gè)放大器路徑更多的放大器路徑31、32)包括多個(gè)放大器37、38，放大器37、38適用于放大模擬信號(hào)。在每個(gè)放大器路徑31、32的端部，存在具有至少一個(gè)LDMOS晶體管的放大器39，放大器39的輸出例如經(jīng)由阻抗調(diào)節(jié)構(gòu)件和/或?yàn)V波器而直接或間接地連接到組合器40。具體而言，所有的放大器路徑31、32的所有輸出(具體而言以相同的方式)連接到組合器40。借助于組合器40，將放大器路徑31、32的個(gè)體功率耦合以形成總功率。
[0085]放大器路徑31、32大部分相同的事實(shí)不一定意味著它們具有相同的放大率。對(duì)于相同的輸入信號(hào)，在構(gòu)造電路期間在組成部分和容限上的變化可能導(dǎo)致放大器路徑31、32中所產(chǎn)生的高頻功率信號(hào)的相位和/或幅度上相當(dāng)大的差異。
[0086]邏輯電路單元42與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)41相關(guān)聯(lián)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)41連接放大器路徑31、32中的每個(gè)放大器路徑的上行側(cè)。具體而言，從邏輯電路單元42向DAC 41供應(yīng)數(shù)字值的序列，DAC 41由該序列產(chǎn)生模擬輸出信號(hào)，所述模擬輸出信號(hào)可選地在通過(guò)可選濾波器55進(jìn)行濾波之后被供應(yīng)到放大器路徑31、32AAC 41和邏輯電路單元42可以集成在直接數(shù)字合成模塊(DDS模塊)43中，直接數(shù)字合成模塊(DDS模塊)43也被稱(chēng)為直接數(shù)字綜合器。單獨(dú)的DDS模塊43(并且因此DAC 41和邏輯電路單元42)與放大器路徑31、32中的每個(gè)放大器路徑相關(guān)聯(lián)。通過(guò)圖3中的示例的方式來(lái)描述DDS模塊43。
[0087]在這種情況下，邏輯電路單元42包括:
[0088]1、信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器61，其中，儲(chǔ)存用于產(chǎn)生模擬信號(hào)的信號(hào)數(shù)據(jù)值；
[0089]2、幅度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62，其中，儲(chǔ)存用于影響模擬信號(hào)的幅度的幅度數(shù)據(jù)值；
[0090]3、乘法器63，其用于將信號(hào)數(shù)據(jù)值乘以幅度數(shù)據(jù)值；以及
[0091]4、計(jì)數(shù)器64，其確保從信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器61讀出信號(hào)數(shù)據(jù)值，并且將信號(hào)數(shù)據(jù)值在預(yù)定的時(shí)鐘周期內(nèi)供應(yīng)到乘法器。
[0092]信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器61和幅度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62兩者都可以采用查找表(LUT)的形式。
[0093]DAC41還包括參考信號(hào)輸入44，驅(qū)動(dòng)電路45可以連接參考信號(hào)輸入44的上行側(cè)以便產(chǎn)生參考信號(hào)。激勵(lì)電路45可以在以下描述的數(shù)字邏輯電路(可編程邏輯器件，PLD)46中實(shí)施。數(shù)字邏輯電路可以采用現(xiàn)場(chǎng)可編程(邏輯)門(mén)陣列(FPGA)的形式。
[0094]借助于在參考信號(hào)輸入44處輸入的參考信號(hào)，可以影響輸出信號(hào)，即由DAC41產(chǎn)生的模擬信號(hào)。類(lèi)似地包括采用查找表(LUT)形式的存儲(chǔ)器47的數(shù)字邏輯電路46連接DDS模塊43的上行側(cè)。幅度數(shù)據(jù)值可以儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器47中，可以通過(guò)存儲(chǔ)器47將這些值寫(xiě)入幅度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62中。另外，還可以儲(chǔ)存用于相位校正的數(shù)據(jù)。儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器47中的值用于補(bǔ)償放大器路徑31、32中的差異或者下行組合器40中的差異。它們可以傳達(dá)到邏輯電路單元42，具體而言傳達(dá)到幅度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62。由控制單元48激勵(lì)數(shù)據(jù)邏輯電路46，控制單元48具體而言可以采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的形式，并且經(jīng)由數(shù)據(jù)總線50連接到系統(tǒng)控制器49。
[0095]可以在一個(gè)邏輯部件58中實(shí)施控制單元48、存儲(chǔ)器47以及邏輯電路單元42。邏輯部件58可以采用數(shù)字邏輯電路PLD的形式，具體而言采用FPGA的形式。如果DAC 41也被集成，那么產(chǎn)生了緊密的邏輯模塊57 ο控制單元48、存儲(chǔ)器47、DDS模塊43、DAC41、濾波器55以及第一放大器37可以全部實(shí)施在印刷電路板56上。相同的印刷電路板56可以用于多個(gè)不同的電源系統(tǒng)，所述多個(gè)不同的電源系統(tǒng)具有不同的功率、不同的頻率以及不同的電源負(fù)載(激光器、等尚子體等)。
[0096]借助于定向耦合器51將組合器40的輸出功率提供到負(fù)載，例如等離子體過(guò)程。借助于定向耦合器51，可以檢測(cè)到輸出的功率和由負(fù)載反射的功率。由連接到定向耦合器51的測(cè)量裝置52來(lái)準(zhǔn)備測(cè)量信號(hào)。
[0097]測(cè)量裝置52繼而連接到系統(tǒng)控制器49。借助于系統(tǒng)控制器49并且基于所檢測(cè)到的輸出功率以及所檢測(cè)到的反射功率，因而可以確定應(yīng)當(dāng)由組合器40來(lái)產(chǎn)生哪些輸出功率。根據(jù)本說(shuō)明書(shū)，系統(tǒng)控制器49可以激勵(lì)控制單元48，控制單元48可以繼而激勵(lì)數(shù)字邏輯電路46。
[0098]電弧檢測(cè)裝置可以實(shí)施在測(cè)量裝置中。為了能夠?qū)﹄娀】焖俚刈鞒龇磻?yīng)，電弧檢測(cè)裝置(即，測(cè)量裝置)可以直接連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器41，具體而言連接到其參考信號(hào)輸入44或者連接到驅(qū)動(dòng)電路45。
[0099]包含幅度信息、相位信息以及可選地包含頻率信息的數(shù)字值可以儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器47中，并且從而可以在DAC 41的輸出處產(chǎn)生具有預(yù)定幅度、頻率位置和相位的模擬信號(hào)。這允許個(gè)體放大器路徑31、32的輸出信號(hào)彼此適應(yīng)，以使得所述信號(hào)可以在組合器40中耦合以便提高輸出功率。具體而言，可以在不損失所產(chǎn)生的輸出阻抗的情況下使用非常簡(jiǎn)單的組合器40，并且功率損耗可以保持低的。
[0100]借助于根據(jù)本發(fā)明的用于產(chǎn)生模擬信號(hào)的過(guò)程，可以影響組合器40的輸出中的功率并且使所述功率非常快速變化。
[0101]電源系統(tǒng)20還包括可調(diào)整的電壓電源59，可調(diào)整的電壓電源59繼而包括多個(gè)電壓電源模塊53a、54a、53b和54b。電壓電源模塊53a、54a、53b、54b以及電壓電源59連接到放大器路徑31、32的放大器38、39。還可能的是具有到放大器37的連接。在實(shí)施例中，可以以恒定的電壓對(duì)放大器37進(jìn)行操作。具體而言，借助于電壓電源59向放大器路徑31、32的放大器38、39供應(yīng)可調(diào)整的電壓。優(yōu)選地，電壓是向放大器37-39供應(yīng)的DC電壓。在放大器路徑31、32的輸出處提供了測(cè)量裝置33、34，借助于測(cè)量裝置33、34對(duì)放大器路徑31、32的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。由此確定的所測(cè)量的值被饋送回邏輯電路46，在邏輯電路46中存在調(diào)節(jié)單元46a。調(diào)節(jié)單元46a繼而連接到電壓電源59。因此可以調(diào)節(jié)或調(diào)整向放大器37-39供應(yīng)的電壓。
[0102]控制單元48可以被提供用于設(shè)定高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)。所述設(shè)定點(diǎn)可以是放大器路徑31、32的輸出處的高頻功率信號(hào)，或者組合器40的輸出處的高頻功率信號(hào)。這個(gè)設(shè)定點(diǎn)可以傳達(dá)到邏輯電路46，其中，確定了DAC 41中所確定的模擬信號(hào)以及由電壓電源59產(chǎn)生的電壓兩者的設(shè)定點(diǎn)。替代地，可以由控制單元48來(lái)指定所產(chǎn)生的電壓和模擬信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)。根據(jù)另一替代方案，可以經(jīng)由邏輯電路46的接口 35來(lái)指定電壓電源59中所產(chǎn)生的電壓的設(shè)定點(diǎn)。
[0?03]在邏輯電路46中，也可以被提供計(jì)算單元46b，計(jì)算單元46b被設(shè)計(jì)為根據(jù)對(duì)高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)的指定以及對(duì)過(guò)沖的指定來(lái)確定電壓電源59中所產(chǎn)生的電壓以及由DAC41產(chǎn)生的模擬信號(hào)兩者的設(shè)定點(diǎn)。替代地，計(jì)算單元46b可以被設(shè)計(jì)為根據(jù)對(duì)高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)的指定以及對(duì)預(yù)設(shè)速度值或預(yù)設(shè)效率值的指定來(lái)確定電壓電源59中所產(chǎn)生的電壓以及由DAC 41產(chǎn)生的模擬信號(hào)兩者的設(shè)定點(diǎn)。計(jì)算單元46b可以類(lèi)似地借助于接口35來(lái)接收設(shè)定點(diǎn)和過(guò)沖。接口 35可以連接到用于數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)控制器49。具體而言，可以借助于系統(tǒng)控制器49來(lái)指定是否應(yīng)當(dāng)實(shí)行快速的幅度調(diào)節(jié)或者是否應(yīng)當(dāng)實(shí)行略微較慢的電壓調(diào)節(jié)。將基于隨后的圖4和圖5來(lái)對(duì)此進(jìn)行解釋。
[0104]圖4示出了在必須快速減小輸出功率時(shí)的過(guò)程。在第一操作條件100下，電源系統(tǒng)20以例如50V的電源電壓進(jìn)行操作。放大器路徑31、32的輸入處的輸入信號(hào)的幅度是100%。所需輸出功率例如是1250W，并且電源系統(tǒng)以80 %的效率運(yùn)行。箭頭1I指示所需輸出功率的設(shè)定點(diǎn)跳變。具體而言，輸出功率必須突然地減小，例如減小至550W的值。以借助于幅度調(diào)節(jié)通過(guò)快速地修改放大器路徑31、32中所產(chǎn)生的信號(hào)的方式來(lái)使功率快速地適應(yīng)。在操作條件102下，放大器37-39的電源電壓因此保持在50V。輸入信號(hào)的幅度減小到20%。效率下降到55%。接下來(lái)，在操作條件103下，重新調(diào)整模擬信號(hào)的電壓和幅度，以便再次增大效率。因此，在操作條件103下，放大器37-39的電源電壓降低到30V。輸入信號(hào)的幅度再次為100%。所需輸出功率依然是150W，并且效率已經(jīng)再次增加到80%。
[0105]圖5示出了在必須突然增大輸出功率時(shí)的過(guò)程。在操作條件200下，電源系統(tǒng)20以30V的電源電壓進(jìn)行操作。輸入信號(hào)的幅度是100%。所需輸出功率是550W，并且電源系統(tǒng)20以80%的效率進(jìn)行操作。由于已知將需要較高的輸出功率，在從操作條件200到操作條件201的過(guò)渡期間，放大器37-39的電源電壓首先增大到50V。輸入信號(hào)的幅度依然僅為20%。輸出功率保持在550W，并且效率下降到55%。此后，如箭頭202所指示的，設(shè)定點(diǎn)跳變。借助于快速幅度調(diào)節(jié)，操作條件從操作條件201經(jīng)過(guò)到操作條件203。放大器37-39的電源電壓為55Vο輸入信號(hào)的幅度是100 %，輸出功率為1250W，并且系統(tǒng)以80%的效率運(yùn)行。為了能夠執(zhí)行所述設(shè)定點(diǎn)跳變，預(yù)先指定了放大器37-39的電源電壓的過(guò)沖，即電壓電源59中所產(chǎn)生的電壓被選擇為高于設(shè)定點(diǎn)，這實(shí)際上不會(huì)在操作條件201下被要求。然而，由于此原因，可以借助于幅度調(diào)節(jié)(即，通過(guò)調(diào)整DAC 41中的模擬信號(hào))來(lái)快速地調(diào)節(jié)幅度，以便由此使得設(shè)定點(diǎn)非?？焖俚靥兊捷^高的輸出功率。
[0106]在根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)中，將對(duì)高頻信號(hào)的幅度調(diào)節(jié)與對(duì)將高頻信號(hào)放大的放大器的電源電壓的電壓調(diào)節(jié)組合，以便能夠處理負(fù)載中的突然跳變。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電源系統(tǒng)(2，20)，包括功率轉(zhuǎn)換器(3,30),所述功率轉(zhuǎn)換器(3，30)產(chǎn)生高頻功率信號(hào)并且能夠連接到負(fù)載(6)以向等離子體過(guò)程或氣體激光器過(guò)程供應(yīng)功率，所述功率轉(zhuǎn)換器(3，30)具有至少一個(gè)第一放大器路徑(31，32)，所述至少一個(gè)第一放大器路徑(31，32)具有至少一個(gè)放大器(37，38，39)，并且通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) (41)由數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的模擬信號(hào)被供應(yīng)到所述至少一個(gè)放大器路徑(31，32)，用于產(chǎn)生被供應(yīng)到所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的所述數(shù)字信號(hào)的邏輯電路單元(42)被連接到所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) (41)的上行側(cè)，并且所述邏輯電路單元(42)包括: 信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(61)，在所述信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(61)中儲(chǔ)存用于產(chǎn)生模擬信號(hào)形式的信號(hào)數(shù)據(jù)值， 幅度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(62)，在所述幅度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(62)中儲(chǔ)存用于影響所述模擬信號(hào)的幅度的幅度數(shù)據(jù)值， 乘法器(63)，所述乘法器(63)用于將所述信號(hào)數(shù)據(jù)值乘以所述幅度數(shù)據(jù)值， 其特征在于:提供了可調(diào)整的電壓電源(59)，所述可調(diào)整的電壓電源(59)連接到所述至少一個(gè)放大器(37，38，39)并且向所述至少一個(gè)放大器(37，38，39)供應(yīng)電壓。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:調(diào)節(jié)單元(46a)被提供用于調(diào)節(jié)所述電壓電源的被施加到所述放大器(37，38，39)的電壓。3.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述電壓電源(59)被設(shè)計(jì)為DC電壓電源，所述DC電壓電源能夠向所述放大器(37，38，39)供應(yīng)DC功率或DC電壓。4.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:提供了用于設(shè)定所述高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)的控制單元(48)，并且提供了下行數(shù)字邏輯電路(46)，所述下行數(shù)字邏輯電路(46)被設(shè)計(jì)為確定要在所述電壓電源(59)中產(chǎn)生的所述電壓和要由所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) (41)產(chǎn)生的所述模擬信號(hào)兩者的設(shè)定點(diǎn)。5.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:接口(35)被提供用于指定要在所述電壓電源(59)中產(chǎn)生的所述電壓的所述設(shè)定點(diǎn)相對(duì)于所述高頻功率信號(hào)的幅度的過(guò)沖。6.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:提供了計(jì)算單元(46b)，所述計(jì)算單元(46b)被設(shè)計(jì)為根據(jù)對(duì)所述高頻功率信號(hào)的所述設(shè)定點(diǎn)的指定和對(duì)過(guò)沖的指定來(lái)確定要在所述電壓電源(59)中產(chǎn)生的所述電壓和要由所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)(41)產(chǎn)生的所述模擬信號(hào)兩者的所述設(shè)定點(diǎn)。7.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:提供了計(jì)算單元(46b)，所述計(jì)算單元(46b)被設(shè)計(jì)為根據(jù)對(duì)所述高頻功率信號(hào)的所述設(shè)定點(diǎn)的指定和對(duì)預(yù)設(shè)速度值或預(yù)設(shè)效率值的指定來(lái)確定要在所述電壓電源(59)中產(chǎn)生的所述電壓和要由所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) (41)產(chǎn)生的所述模擬信號(hào)兩者的所述設(shè)定點(diǎn)。8.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:提供了至少兩個(gè)放大器路徑(31，32)，通過(guò)每個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(040(41)由數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的模擬信號(hào)被供應(yīng)到每個(gè)放大器路徑(31，32)，并且邏輯電路單元(42)被連接到每個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)(41)的上行側(cè)。9.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述邏輯電路單元(42)采用數(shù)字邏輯電路的形式。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)字邏輯電路和一個(gè)或多個(gè)邏輯電路單元集成在一個(gè)邏輯部件中。11.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:在所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)(41)與所述放大器路徑(31，32)之間提供了用于對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行濾波的濾波器布置(55) ο12.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述功率轉(zhuǎn)換器(3，30)具有多于兩個(gè)的放大器路徑(31，32)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(040(41)與所述多于兩個(gè)的放大器路徑(31，32)中的每個(gè)放大器路徑相關(guān)聯(lián)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)(41)向相應(yīng)的放大器路徑(31，32)供應(yīng)模擬信號(hào)。13.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述放大器路徑(31，32)連接到組合器(40)，所述組合器(40)用于組合所述放大器路徑中所產(chǎn)生的功率以形成總功率。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述組合器(40)采用相移耦合器單元的形式，尤其是采用90°混合耦合器的形式。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述放大器中的一個(gè)放大器，尤其是每個(gè)放大器(37，38，39)，在所述放大器的輸出處具有輸出阻抗，所述輸出阻抗與所述耦合器單元的輸入阻抗不同。16.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述放大器路徑(31，32)具有使用LDMOS技術(shù)的晶體管。17.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:具有相關(guān)聯(lián)的邏輯開(kāi)關(guān)元件的單獨(dú)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)(41)與所提供的每個(gè)放大器路徑(31，32)、尤其是查找表的尚級(jí)存儲(chǔ)器相關(guān)聯(lián)，所提供的每個(gè)放大器路徑(31,32)、尤其是查找表的尚級(jí)存儲(chǔ)器連接到與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)(41)相關(guān)聯(lián)的所述邏輯開(kāi)關(guān)元件。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述高級(jí)存儲(chǔ)器集成在邏輯電路中，尤其是集成在可編程邏輯器件(PLD)中，尤其是集成在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)中。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:用于至少一個(gè)所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) (41)的參考信號(hào)輸入的驅(qū)動(dòng)電路集成在所述邏輯部件中。20.根據(jù)權(quán)利要求18或權(quán)利要求19中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)集成在所述可編程邏輯器件(PLD)或所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)中。21.根據(jù)先前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:提供了測(cè)量設(shè)備，所述測(cè)量設(shè)備連接到系統(tǒng)控制器，所述系統(tǒng)控制器繼而至少間接地，尤其是借助于數(shù)字處理器或DSP驅(qū)動(dòng)所述邏輯電路。22.—種用于產(chǎn)生能夠被供應(yīng)到負(fù)載(6)的高頻功率的方法，在所述方法中，將通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)(41)由數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的模擬信號(hào)供應(yīng)到至少一個(gè)放大器路徑(31，32)，并且在所述放大器路徑(31，32)中將所述模擬信號(hào)放大成高頻功率信號(hào)，通過(guò)將儲(chǔ)存在信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(61)中的信號(hào)數(shù)據(jù)值乘以儲(chǔ)存在幅度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(62)中的幅度數(shù)據(jù)值來(lái)產(chǎn)生所述數(shù)字信號(hào)，其特征在于:借助于可調(diào)整的電壓向所述放大器路徑(31，32)的至少一個(gè)放大器(37-39)供應(yīng)功率。23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的用于產(chǎn)生高頻功率的方法，其特征在于:通過(guò)控制單元(48)來(lái)設(shè)定要在電壓電源(59)中產(chǎn)生的電壓和要由所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)(41)產(chǎn)生的所述模擬信號(hào)兩者的設(shè)定點(diǎn)。24.根據(jù)權(quán)利要求22或權(quán)利要求23中的任一項(xiàng)所述的用于產(chǎn)生高頻功率的方法，其特征在于:如果所述高頻功率信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)發(fā)生變化，那么在第一方法步驟中設(shè)定要由所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)(41)產(chǎn)生的所述模擬信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)，并且在第二方法步驟中設(shè)定要在所述電壓電源(59)中產(chǎn)生的所述電壓的設(shè)定點(diǎn)。25.根據(jù)先前的權(quán)利要求22至24中的任一項(xiàng)所述的用于產(chǎn)生高頻功率的方法，其特征在于:如果所述高頻功率信號(hào)的所述設(shè)定點(diǎn)發(fā)生變化，那么在第一方法步驟中設(shè)定要在所述電壓電源(59)中產(chǎn)生的所述電壓的設(shè)定點(diǎn)，并且在第二方法步驟中設(shè)定要由所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) (41)產(chǎn)生的所述模擬信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】H01J37/32GK105830195SQ201480069010
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2014年12月16日
【發(fā)明人】A·格雷德, D·克勞瑟, A·拉班茨, C·托默, A·佩娜維達(dá)爾
【申請(qǐng)人】通快許廷格兩合公司