CN102255606A - 基于e类功率放大电路的固态射频电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于E类功率放大电路的固态射频电源，包括射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器，射频功率放大电路包括场效应晶体管、谐振电容、串联电感和并联电感，其中场效应晶体管的栅极与射频信号发生器的信号输出端相连接，源极接地，漏极分别与并联电感的一端、谐振电容的一端相连接，并联电感的另一端连接供电线路的直流输出端，谐振电容的另一端与串联电感的一端相连接，串联电感的另一端与射频功率检测器的输入端相连接，串联电感的一部分与谐振电容构成串联谐振网络，另一部分和场效应晶体管的输出电容构成使得场效应晶体管工作于E类开关模式的负载网络。本发明具有效率高、结构简单以及成本低等优点。

Description

基于E类功率放大电路的固态射频电源

技术领域

 本发明涉及射频功率输出装置，尤其是涉及一种基于E类功率放大电路的固态射频电源。

背景技术

射频电源是用于产生射频功率信号的装置，属于半导体工艺设备的核心部件，所有产生等离子体进行材料处理的设备都需要射频电源提供能量。在集成电路、太阳能电池和LED（Light Emitting Diode，发光二极管）的工艺制造设备，例如刻蚀机、PVD（Physical Vapor Deposition，物理气相沉积）、PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）、ALD（Atomic layer deposition，原子层沉积）等设备，均装备有不同功率规格的射频电源。

射频电源一般由射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器组成。按照放大电路的核心元器件划分，可分为电子管式射频电源和固态射频电源，其中电子管式射频电源采用电子管作为功率放大元件，而固态射频电源则采用晶体管作为功率放大元件。当前，国内厂商的产品以电子管式射频电源为主，虽然其具有较大的阻抗失配承受能力，但是因为存在着易老化、输出功率不稳定和工作电压高等缺点，只能作为一般教学科研设备中的部件。国外主流厂商，例如美国AE公司、Comdel公司和MKS公司，均采用晶体管作为功率放大元件，提供的固态射频电源已经广泛使用于主流的半导体工艺生产线。

然而，这些国际厂商的固态射频电源基本上都利用低电压大电流的双极性晶体管作为功率放大元件，构建B类或C类的功率放大电路，然后采用功率合成的方式得到大功率的固态射频电源。根据电子线路的基本知识易知，B类和C类的功率放大电路属于线性放大，B类的理想效率为78.5%，而C类虽然理想效率可达100%，但它是通过减小导通角来提高效率，然而导通角与基波振幅密切相关，基波振幅减小直接导致输出功率变小，因此减小导通角来提高效率并不适用属于大信号功率放大的射频电源。由此，采用B类和C类功率放大电路的射频电源存在着效率不高，发热量大的问题。

当前，集成电路制造产业向着更大尺寸的目标发展，晶圆直径从4寸、6寸、8寸到12寸，腔室的尺寸也需要同样增加，这意味着射频电源系统需要提供更大的功率以保证工艺设备能够处理更大面积的晶圆。然而，国际厂商所提供的固态射频电源，实现大功率需要由多个射频功率放大电路进行功率合成，单个C类射频放大电路的输出功率最大仅为200W左右。例如，对于12寸晶圆的刻蚀工艺，一般需要1500W的射频电源，故需要采用8个射频功率放大电路来进行功率合成，但是如此构建大功率的射频电源，存在着结构复杂，器件增多，成本高，相应的检测电路复杂的问题。

发明内容

为了解决现有射频电源存在的效率低、发热量大以及构建大功率固态射频电源的结构复杂、成本高等问题，本发明提供了一种基于E类功率放大电路的固态射频电源，所述固态射频电源包括射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器，所述射频功率放大电路包括场效应晶体管、谐振电容、串联电感和并联电感；其中所述场效应晶体管的栅极与所述射频信号发生器的信号输出端相连接，所述场效应晶体管的源极接地，所述场效应晶体管的漏极分别与所述并联电感的一端、谐振电容的一端相连接；所述并联电感的另一端连接所述供电线路的直流输出端，所述谐振电容的另一端与所述串联电感的一端相连接；所述串联电感的另一端与所述射频功率检测器的输入端相连接；所述串联电感的一部分与所述谐振电容构成串联谐振网络，所述串联电感的另一部分和所述场效应晶体管的输出电容构成能够使得所述场效应晶体管工作于E类开关模式的负载网络。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述场效应晶体管的漏极耐压范围为200V～1000V，导通电流范围为10A～50A，开关频率大于2MHz。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述场效应晶体管的漏极与地之间设有并联电容，所述并联电容的容值的取值范围为10 pF～1 nF；所述串联谐振网络的谐振频率与所述射频信号发生器的输出信号的频率相同，品质因数大于1。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述并联电感为高频扼流圈，所述高频扼流圈对所述射频信号发生器的输出信号频率具有高电抗。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述串联电感与所述射频功率检测器的输入端之间设有射频匹配滤波电路。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述射频信号发生器的信号输出端与所述场效应晶体管的栅极之间设有串联电阻。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述射频信号发生器包括晶振、信号调理电路和射频信号驱动芯片，所述信号调理电路对来自于所述晶振的射频信号进行调制且将已调制的射频信号输出至所述射频信号驱动芯片的射频信号输入端，所述射频信号驱动芯片对所述已调制的射频信号进行放大后发送至所述射频信号发生器的信号输出端。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述信号调理电路对来自于所述晶振的射频信号进行调制包括分频、调整占空比或整形。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述射频信号发生器的输出信号频率为2MHz、13.56MHz或27.12MHz。

进一步地，本发明还具有如下特点：根据所述固态射频电源输出功率的大小，所述场效应晶体管的数量为2、4、8或16个。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

A、由于本发明采用E类功率放大电路构建射频功率放大电路，E类功率放大电路的特性在于通过选择合适的器件参数（例如电容、电感）使得场效应晶体管的漏极电压和电流不同时出现，即晶体管上不存在功率损耗，从而获得100%的理想效率；与C类功率放大相比，E类功率放大可以在不改变输出功率的前提下获得较大的效率，本发明射频功率放大电路的损耗主要由场效应晶体管的饱和内阻造成，实际效率可高达90%，故发热量小；

B、本发明的射频功率放大电路结构简单，成本低；

C、本发明的射频功率放大电路采用一个场效应晶体管，可以实现1000W的输出功率，如果需要实现2000W的输出功率，只需要2个场效应晶体管，而现有技术则需要16个（按照功率合成的原理，在构建大功率时，功率放大晶体管的数量一般为2的整数次幂，现有技术的单个晶体管输出功率最大仅为200W），所以本发明构建大功率电源的结构相对简单，器件使用少，成本较低；

D、本发明的射频功率放大电路采用较高品质因数的串联谐振网络和射频匹配滤波电路，因此固态射频电源的输出波形为等幅等频的标准正弦，输出功率稳定，使用寿命长，精度高。

附图说明

图1为本发明的射频信号发生器的电路原理框图；

图2为本发明的射频功率放大电路的第一种实施方式的电路原理图；

图3为本发明的射频功率放大电路的第二种实施方式的电路原理图；

图4为本发明的射频功率放大电路的第三种实施方式的电路原理图；

图5为本发明的射频功率放大电路的第四种实施方式的电路原理图；

图6为本发明的射频功率放大电路的第五种实施方式的电路原理图；

图7为本发明的射频功率放大电路的第六种实施方式的电路原理图。

具体实施方式

为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种基于E类功率放大电路的固态射频电源。所谓固态射频电源是指射频功率放大电路的核心放大部件为晶体管，而不是传统的电子管。E类放大电路起源于上世纪80年代初，因为没有高频高耐压的器件，早期只是建立数学模型进行仿真；近些年来出现一些高频晶体管器件，科研人员利用这些晶体管构建了小功率的信号发射机（一般在100W以下），用于无线通信和广播领域；本发明是针对现有半导体工艺的现状，结合了电子线路的相关知识，选择了合适的器件，例如具有适合参数的场效应晶体管、电容、电感等，构建可用于IC（集成电路）生产线的较大功率的固态射频电源。

本发明基于E类功率放大电路的固态射频电源包括射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器。此外，本固态射频电源还包括主控制器和人机界面接口等。其中，射频信号发生器分别与射频功率放大电路、供电线路和主控制器相连，射频功率放大电路分别与供电线路、射频功率检测器以及主控制器相连接，此外主控制器分别连接供电线路和射频功率检测器。

如图1所示，本发明的射频信号发生器包括晶振X1、信号调理电路和射频信号驱动芯片U3。晶振X1可为有源晶振或无源晶振，一般采用稳定度好的石英晶体振荡器，例如在0～70℃范围内，频率变化量只有25 PPM（百万分之二十五）。由于晶振的输出功率很小，大约只有几毫瓦，驱动能力有限，并且其输出时钟信号的占空比往往不是50%，所以需要信号调理电路对来自晶振X1的射频信号进行调制，调制包括可对信号进行分频、调整占空比和/或整形。信号调理电路包括D触发器、施密特触发器和电位器。例如，固态射频电源的频率为13.56MHz，那么可采用频率为27.12MHz的晶振，晶振的输出信号经过D触发器分频，施密特触发器整形和电位器调整占空比后，可得到功率合适、占空比为50%的标准方波信号。射频信号驱动芯片U3的射频信号输入端将已调制的射频信号进行放大，获得能够驱动射频功率放大电路的场效应晶体管导通和关闭的射频驱动信号，其频率为固态射频电源的输出频率，波形为占空比接近50%的近似方波或近似梯形波，最大电平高于场效应晶体管导通的最大门限电压，最小电平为0，最后发送至射频信号发生器的信号输出端以便提供射频功率放大电路。

可选择地，射频信号发生器的输出信号频率为2MHz、13.56MHz或27.12MHz。

本发明的射频功率放大电路主要包括场效应晶体管、谐振电容、串联电感和并联电感，具有多种实施方式。这些实施方式中，虽然在射频信号发生器的信号输出端与场效应晶体管Q1的栅极之间串联电阻，用于消除射频信号线路的自激振荡，以及在供电系统的直流输出端VCC与并联电感L4的连接点处设有接地的解耦电容C0，但是如果PCB（Print Circuit Board，印刷线路板）的阻抗参数、器件选择都合适，那么可以省略串联电阻R1和解耦电容C0。

图2表示本发明的射频功率放大电路的第一种实施方式，场效应晶体管Q1的栅极经由串联电阻R1与射频信号发生器的信号输出端相连接，Q1的源极接地，漏极分别与并联电感L4的一端、谐振电容C1的一端相连接；并联电感L4的另一端连接供电线路的直流输出端VCC，谐振电容C1的另一端与串联电感L1的一端相连接；串联电感L1的另一端为射频输出端，直接与射频功率检测器的输入端相连接。

其中，场效应晶体管Q1的漏极耐压范围为200V～1000V，导通电流范围为10A～50A，开关频率大于1MHz。串联电感L1的一部分电感与谐振电容C1构成串联谐振网络，串联谐振网络的谐振频率与射频信号发生器的输出信号的频率相同，品质因数大于1，优选大于3。串联电感L1的另一部分电感和Q1的输出电容构成能够使得场效应晶体管Q1工作于E类开关模式的负载网络，E类开关模式为，当场效应晶体管Q1的栅极电压达到其门限值时，Q1的漏极和源极导通，Q1的漏极的电压为其导通电流与饱和内阻的乘积；当Q1断开时，其导通电流为零，如果Q1的饱和内阻足够小，那么在Q1上的功率消耗（即漏极电压与导通电流的乘积）也相当小，意味着效率高且发热量少。

本发明的射频功率放大电路的工作原理为：来自于射频信号发生器的射频驱动信号施加于场效应晶体管Q1的栅极，使得场效应晶体管Q1按照固态射频电源的输出频率工作于E类开关模式；串联电感L1的一部分电感与谐振电容C1构成的串联谐振网络对输出波形进行调谐，如果谐振的品质因数较大时，例如大于3，可得到几乎标准正弦的等幅等频的输出波形；调整来自供电线路的直流输出端VCC的供电电压，可以获得不同的射频输出功率。

图3表示本发明的射频功率放大电路的第二种实施方式，与第一种实施方式相比，本实施方式只是采用高频扼流圈来替换电感L4，高频扼流圈对射频信号发生器的输出信号频率具有高电抗，几乎只允许稳定的直流电流通过，并且直流电阻为零。这种方式有利于保护供电线路，避免输出功率出现波动。

图4表示本发明的射频功率放大电路的第三种实施方式，与第二种实施方式相比，场效应晶体管Q1的漏极与地之间设有并联电容C5，并联电容的容值C5的取值范围为10 pF～1 nF，优选地可为100 pF～300 pF。这种方式是因为在某些情况下，串联电感L1的另一部分电感和Q1的输出电容并不足以构成能够使得场效应晶体管Q1工作于E类开关模式的负载网络，需要增大电容量，因此设置并联电容C5，使得整个输出电容为Q1的输出电容与并联电容的和，从而满足E类开关模式的要求。

图5表示本发明的射频功率放大电路的第四种实施方式，与第三种实施方式相比，串联电感L1与射频功率放大器的输出端（即射频功率检测器的输入端）之间设有射频匹配滤波电路，此射频匹配滤波电路由匹配电容C2和匹配电感L2组成，此匹配电容C2的取值范围为1 pF～2 nF，优选地可为10 pF～1 nF。这种方式主要是针对如下情形：外部负载难以与构成负载网络的串联电感、输出电容相匹配，或者串联电感L1之后的射频信号谐波较大。合理地选择C2和L2，可以方便地构建满足E类开关模式的负载网络。

图6表示本发明的射频功率放大电路的第五种实施方式，与第四种实施方式相比，只是再增加了一级射频匹配滤波电路，由匹配电容C3、C4以及匹配电感L3组成，主要实现匹配滤波功能。此匹配电容C3的取值范围为1 pF～2 nF，优选地可为10 pF～1 nF；此匹配电容C4的取值范围为1 pF～2 nF，优选地可为10 pF～1 nF。

图7表示本发明的射频功率放大电路的第六种实施方式，与第五种实施方式相比，只是去除了并联电容C5，主要考虑到在某些情况下，串联电感L1的另一部分电感和Q1的输出电容足以构成能够使得场效应晶体管Q1工作于E类开关模式的负载网络。

至于供电线路，可采用直流电源，其分别向射频信号发生器、射频功率放大电路、控制器和人机界面接口提供不同的供电电压，包括固定电压和可调电压，其中固定电压包括5V和15V，可调电压的范围为0V～500V。可调电压一般提供至射频功率放大电路，主要是根据固态射频电源的输出功率要求而在主控制器的作用下改变。

主控制器可采用单片机、DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）、FPGA（Field Programmable Gate Array，可编程逻辑门阵列）、CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）或GAL（generic array logic，通用阵列逻辑）等，经过编程写入，主控制器能够接收人机界面接口的操作信息或上位机的指令，按照一定的规则进行处理后，监视射频信号发生器、射频功率放大电路、供电系统、射频功率检测器的状态，控制这些部分的动作。

射频功率检测器可采用集总参数元件构成类似高频阻抗电桥的形式，或者采用分布参数电路的微带线方式。射频功率检测器主要包括电流互感器、电压互感器和检波电路，可测量射频信号的输出功率和反射功率。

应当注意地，在本发明中，射频功率放大电路只是采用了一个场效应晶体管Q1，虽然能够获得1000W的输出功率，满足许多半导体工艺设备的需要，但是随着设备腔室尺寸的变大，晶元的面积也增大，需要更大的输出功率才能满足工艺要求。因此，根据所述固态射频电源输出功率的大小，场效应晶体管的数量为2、4、8或16个，即可构建2000W、4000W、8000W和10KW的固态射频电源。

应当注意地，本文所提及的数值范围，包括范围的边界值。在本文中，“和/或”是指两种以上的选项不仅可以只选择其中之一，而且还可以选择两个以上的选项；多种选项的组合根据实际状况而确定。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的本质和基本原理之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于E类功率放大电路的固态射频电源，所述固态射频电源包括射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器，其特征在于：所述射频功率放大电路包括场效应晶体管、谐振电容、串联电感和并联电感；其中所述场效应晶体管的栅极与所述射频信号发生器的信号输出端相连接，所述场效应晶体管的源极接地，所述场效应晶体管的漏极分别与所述并联电感的一端、谐振电容的一端相连接；所述并联电感的另一端连接所述供电线路的直流输出端，所述谐振电容的另一端与所述串联电感的一端相连接；所述串联电感的另一端与所述射频功率检测器的输入端相连接；所述串联电感的一部分与所述谐振电容构成串联谐振网络，所述串联电感的另一部分和所述场效应晶体管的输出电容构成能够使得所述场效应晶体管工作于E类开关模式的负载网络。

2.根据权利要求1所述的固态射频电源，其特征在于：所述场效应晶体管的漏极耐压范围为200V～1000V，导通电流范围为10A～50A，开关频率大于2MHz。

3.根据权利要求2所述的固态射频电源，其特征在于：所述场效应晶体管的漏极与地之间设有并联电容，所述并联电容的容值的取值范围为10 pF～1 nF；所述串联谐振网络的谐振频率与所述射频信号发生器的输出信号的频率相同，品质因数大于1。

4.根据权利要求3所述的固态射频电源，其特征在于：所述并联电感为高频扼流圈，所述高频扼流圈对所述射频信号发生器的输出信号频率具有高电抗。

5.根据权利要求4所述的固态射频电源，其特征在于：所述串联电感与所述射频功率检测器的输入端之间设有射频匹配滤波电路。

6.根据权利要求5所述的固态射频电源，其特征在于：所述射频信号发生器的信号输出端与所述场效应晶体管的栅极之间设有串联电阻。

7.根据权利要求6所述的固态射频电源，其特征在于：所述射频信号发生器包括晶振、信号调理电路和射频信号驱动芯片，所述信号调理电路对来自于所述晶振的射频信号进行调制且将已调制的射频信号输出至所述射频信号驱动芯片的射频信号输入端，所述射频信号驱动芯片对所述已调制的射频信号进行放大后发送至所述射频信号发生器的信号输出端。

8.根据权利要求7所述的固态射频电源，其特征在于：所述信号调理电路对来自于所述晶振的射频信号进行调制包括分频、调整占空比或整形。

9.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的固态射频电源，其特征在于：所述射频信号发生器的输出信号频率为2MHz、13.56MHz或27.12MHz。

10.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的固态射频电源，其特征在于：根据所述固态射频电源输出功率的大小，所述场效应晶体管的数量为2、4、8或16个。

Images