CN103875056B - 用于保护连接到射频发生器的无源组件的方法和装置 - Google Patents

用于保护连接到射频发生器的无源组件的方法和装置 Download PDF

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Abstract

用于保护连接到射频发生器（11、11.1、51、52）的无源组件（14、53、54）的方法，包括以下的方法步骤：a.利用射频发生器（11、11.1、51、52）在基频处产生射频功率；b.通过射频电缆（14、53、54）向负载（16）输送所述射频功率；c.确定与连接到所述RF发生器的至少一个无源组件特别是射频电缆（14、53、54）上的射频负载相关的变量；d.将所确定的变量与描述至少一个连接的无源组件上的最大负载的参考变量相比较；e.基于比较结果来调整由所述射频发生器（11、11.1、51、52）在所述基频处产生的射频功率。

Description

用于保护连接到射频发生器的无源组件的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于保护连接到高频发生器的无源组件的方法。本发明还涉及具有HF源和第一控制电路的高频发生器，所述HF源在基频处产生高频功率信号，所述第一控制电路馈入有与通过所述高频发生器与负载之间的高频电缆所输送的HF功率相关的信号。
背景技术
高频电缆，特别是同轴电缆，被用于从高频发生器向匹配网络(匹配箱)输送在基频(也称为工作频率)处所产生的高频功率。高频功率从匹配网络被输送到负载，例如被输送到等离子体腔。如果匹配网络不能将高频发生器的输出阻抗与负载阻抗相匹配，则由于不匹配，一些功率将反射在负载上。在这种情况下，在基频的谐波频率处产生了功率。这些频率处的功率经过匹配网络和高频电缆并到达高频发生器。
在谐波频率的情况下，负载(等离子体)、电极、匹配网络、高频电缆和高频发生器的输出电路充当具有高固有品质的电抗元件。由负载上的反射引起的谐波的激励(例如100W有效功率的谐波在工作频率处具有10kW功率)可以因此引起具有高无功功率(例如10kVA)的谐振。该无功功率表示了在高频发生器与匹配网络之间的高频电缆上的附加负载。这一问题适用于特别是所谓的双频率系统，因为这些系统具有特别多的电抗元件(两个高频发生器、HF电缆和具有滤波器的阻抗匹配网络)。加载具有无功功率的高频电缆会导致高频电缆的故障。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供通过其可以避免上述问题的方法和高频发生器。
该目的是通过用于保护连接到高频发生器的无源组件特别是高频电缆的方法来实现的，所述方法包括以下步骤：
a.利用高频发生器在基频处产生高频功率；
b.通过高频电缆向负载输送所述高频功率；
c.确定与所述高频负载相关的变量，特别是在不同于所述基频的至少一个频率处、在连接到所述高频发生器的至少一个无源组件上、特别是在高频电缆上；
d.将所确定的变量与描述至少一个连接的无源组件上的最大负载(最大允许负载)的参考变量进行比较；
e.基于所述比较结果来调整由所述高频发生器在所述基频处产生的所述高频功率。
通过检测所输送的高频功率或与无源组件特别是所述高频电缆(HF电缆)的高频负载相关的变量，可以减少所述发生器功率以防止所述无源组件特别是所述高频电缆的过载。因此可以基于所述无源组件特别是检测到的HF电缆上的所述高频负载来控制(开环或闭环控制)由所述高频发生器在所述基频处产生的功率。可以确定在基频处和/或在从不同于其的一个或多个频率处所输送的高频功率或与其有关的变量。例如，无源组件可以是高频电缆、连接元件(插座)、测量器件、电极、等离子体腔等。当HF功率产生在1至100MHz范围内的基频处以及在1kW至100kW范围内的瓦数下时以及在等离子体生成和激光激励系统中，优选使用所述方法。
由高频发生器在基频处产生的高频功率可以由开环控制或特别是基于比较结果由闭环控制来进行控制。因此，不仅开环控制而且闭环控制是可以的。具体地说，可以执行限制性的控制。
此外，可以确定与通过高频电缆在基频处所输送的高频功率相关的变量，将所确定的变量与高频功率的设定值进行比较，以及基于比较结果来调整由高频发生器在基频处产生的高频功率。因此，可以根据两个准则来调整由高频发生器在基频处产生的高频功率。首先，注意无源组件特别是高频电缆上的高频负载没有变得过大。其次，可以检测到向负载提供的功率并且可以相应地调整所产生的功率以尽可能有效地获得在基频处向负载供给的功率的设定值。具体地说，可以根据额定功率来调节功率。在这一方面，对于调整由高频发生器在基频处产生的高频功率，使用比较结果是可以的，其导致高频功率相对较大的降低。因此，在一方面有效地抵消了无源组件特别是高频电缆的负载以及在另一方面防止了向负载供给过量的功率。
可以确定通过高频电缆在不同于基频的频率处所输送的功率。当确定了在不同于基频的频率处所输送的功率时或当确定了与其相关的变量时，则特别容易确定高频电缆上或无源组件上的高频负载。具体地说，可以利用谐波来确定负载。
还可以提供的是确定通过高频电缆朝一个方向所输送的全部功率。在这一方面，不管是全部功率、朝正向(即从高频发生器向负载)所输送的功率还是反射在负载上的功率可以被确定。还可以确定对于每个方向输送的是哪一个功率。
此外，可以确定通过高频电缆在基频处朝一个方向所输送的功率。当确定了在基频处朝一个方向所输送的功率时以及当确定了朝一个方向所输送的全部功率时，可以通过形成差值来评估哪一个高频负载是由不同于基频的频率(例如由谐波或低于基频的频率)引起的。
为监测高频发生器，显示通过高频电缆朝负载的方向所输送的全部功率或在不同于基频的频率处的功率可以是有利的。所显示的功率或所显示的高频电缆上的负载可以使用基频作为参考频率。
所述方法的一个变型可以提供的是使用宽带带通滤波器来对与通过高频电缆所输送的功率相关的信号进行滤波。因此，特别是可以在谐波的情况下确定功率。滤波可以在1至200MHz的范围内执行。
在这一方面，带通滤波器可以用修正频率响应来进行修改。受制于频率，高频电缆具有有区别的功率等级。如果谐波出现在不同的频率处，则较高的频率例如可以由修正频率响应进行更彻底地评估，从而提供与高频电缆上的负载有关的更精确的信息。具体地说可以因此认为，在不匹配的情况下，电缆等级低于高频电缆的数据手册中规定的功率等级。
此外，还可以提供的是使用由高频发生器朝负载的方向所供给的正向功率或使用反射功率来确定高频电缆上或无源组件上的高频负载。例如，如果高频发生器对于全部频率具有高反射因子以及如果负载对于除基频外的全部频率具有高反射因子，则可以仅考虑反射功率。这是因为对于每个谐波频率来说，正向功率与反射功率相同。
然而，如果高频发生器对于全部频率或者对于除基频外的全部频率具有低反射因子，以及如果负载对于除基频外的全部频率具有高反射因子，则来自负载的全部谐波在发生器中被吸收。正向功率和反射功率必须被评估用于测量谐波功率以及用于电缆负载。
方法的变型可以提供的是确定多个高频电缆或无源组件上的高频负载，相应的高频发生器通过所述多个高频电缆或无源组件连接到负载，以及如果高频负载超过预定值，则降低连接到负载的全部HF发生器在相应的基频处所产生的高频功率。
可以调整描述无源组件的最大负载(最大允许负载)的参考变量。因此，可以对在每种情况下使用的无源组件进行调整。
此外，描述最大负载的所述参考变量可以根据连接到等离子体腔的至少一个无源组件的和/或至少一个有源组件的一系列预定特性来确定。例如，制造商可以为无源组件规定一个或多个参数，然后根据其来确定参考变量，因此举例来说来选择或计算参考变量。连接到等离子体腔的有源组件可以是例如匹配网络(匹配箱)或高频发生器。
作为替代或除此之外，可以自动地调整描述最大负载的参考变量。例如，可以基于对连接的无源组件(例如高频电缆)或对可以在其它频率处操作的其它高频发生器的自动检测来自动地调整所述参考变量。
本发明的范围还包括具有HF源和第一控制电路的高频发生器，所述HF源在基频处产生高频功率信号，所述第一控制电路馈入有与通过所述高频发生器与负载之间的高频电缆所输送的HF功率相关的信号，所述第一控制电路具有控制器，所述控制器用于基于针对所述HF负载特别是针对所述HF电缆负载(向所述控制器提供)的设定值、特别是基于作为参考值的最大值以及所输送的HF功率来控制所述HF源。因此，利用这一类型的高频发生器，可以基于(电缆)负载在基频处控制高频发生器的输出功率。因此可以不仅仅在针对输出功率的设定值下调节输出功率。
控制电路可以具有宽带带通滤波器。这一类型的带通滤波器使得可以确定在谐波处所输送的功率。具体地说，可以将滤波器调整至1至200MHz范围的频带。
带通滤波器可以具有修正频率响应。因此，可以认为电缆功率等级是基于50Ω负载的情况，而反射因子1是针对谐波呈现的。
此外，可以提供第二控制电路，所述第二控制电路馈入有与通过高频发生器与负载之间的高频电缆所输送的HF功率相关的信号。所述控制电路具有控制器，所述控制器用于基于由所述高频发生器在基频处要输出的高频功率的(向所述控制器提供的)设定值以及所输送的HF功率来控制所述HF源。因此也可以调节到针对高频功率的设定值。
第二控制电路可以具有调整到基频的滤波器。因此，可以检测在基频处向负载提供的功率或反射到基频的功率。
所述控制器可以通过优先级电路连接到HF源。在这一方面，所述优先级电路可以被配置作为限制性的控制器。或者，可以将所述优先级电路配置为数字控制器。具体地说，因此可以对由HF源在基频处产生的HF功率造成较大减少的所述控制电路划分优先级以用于控制高频源。
此外，可以提供用于确定通过HF电缆所输送的谐波功率的模块。因此可以确定(电缆)负载(其由谐波功率构成)的比例。
另外，可以提供用于确定通过HF电缆所输送的高频功率的模块。具体地说，因此可以确定通过HF电缆所输送的全部功率。
可以提供一个或多个显示设备来显示通过HF电缆所输送的谐波功率和/或显示通过HF电缆所输送的高频功率。因此，操作方可以立刻接收与HF电缆上或另外的一个或多个无源组件上的高频负载有关的信息。
本发明的范围还包括电源装置，所述电源装置包括根据本发明的高频发生器，其通过高频电缆连接到负载。此外，至少一个另外的高频发生器可以通过高频电缆连接到所述负载。这形成了所谓的双频系统，该系统利用根据本发明的高频发生器来防止高频电缆的故障。
可以提供定向耦合器来确定正向功率或反射功率。在这一方面，可以提供的是所述定向耦合器具有固定的耦合因子。所述定向耦合器优选地布置在高频发生器的高频输出处。可以外部地提供所述定向耦合器或所述定向耦合器可以是高频发生器的部分。作为使用定向耦合器的替代，可以测量电流或电压以便确定电缆负载。
电源装置可以包括第一和第二高频发生器。
在所述电源装置中，所述第一高频发生器可以在具体为3.39MHz的第一基频处产生高频功率信号，而所述第二高频发生器可以在具体为13.56MHz的第二频率处产生高频功率信号。
所述两个高频发生器可以各自通过高频电缆连接到阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元继而共同地连接到等离子体腔的电极。
如上所描述的，所述高频发生器均可以包括第一控制电路。
所述负载可以被配置为等离子体装置。
参照示出了本发明的必要细节的附图，在以下对本发明的实施例的详细说明中提供了以及还在权利要求书中提供了本发明的进一步的特征和优点。呈现所示出的特征，使得根据本发明的特征可以变得清晰可见。各个特征可以自身单独地实现或在本发明的变型中的多个组合中实现。
本发明的实施例在示意性附图中予以示出并且在以下说明中进行更为详细地描述。
附图说明
图1示出了电源装置的第一实施例；
图2示出了电源装置的第二实施例；
图3是对双频系统的示意性说明。
具体实施方式
图1示出了电源装置10。电源装置10包括高频发生器11，高频发生器11包括高频源12、HF驱动级12a和作为输出电路的HF输出级12b。被配置为定向耦合器的测量设备13连接到高频发生器11的输出。从那里，高频电缆14延伸到阻抗匹配网络15，阻抗匹配网络15进而连接到被配置为等离子体装置的负载16。
在根据图1的电源装置10的配置中，假定高频发生器11对于全部频率具有高反射因子。还假定负载16对于除了基频之外的全部频率具有高反射因子。在这种情况下，对于每个谐波振幅来说，正向功率P1与反射功率PR相同。这意味着仅有正向功率(这里用P1来指明)必须被考虑用于对谐波功率和电缆负载的测量。术语“正向功率”被认为表示从高频发生器11朝负载16的方向所传送的功率。
因此，在测量设备13的输出17处接收到的是例如在0与1W之间范围内的信号，所述范围具有基频以及例如谐波的其它频率，在基频处由高频发生器11产生HF功率信号。将该信号馈送到控制电路18并且在那里具体来说被馈送到宽带带通滤波器19。带通滤波器19可以对1至200MHz范围内的频率进行滤波。带通滤波器19受到电缆功率等级的修正频率响应20的影响。
将经过滤波的信号馈送到检测器21，检测器21根据经过滤波的信号来生成直流电压信号，所述直流电压信号表示了通过HF电缆14输送到负载16的整体高频功率的实际值的度量。因此可以将HF功率的实际值显示在显示设备22上。
在反相器23中反相来自检测器21的输出信号并且将经过反相的信号馈送到加法控制器24。还将HF电缆功率的设定值25馈送到控制器24作为参考变量。由于反相器23反相了实际功率的测量值，因此在控制器24中从HF电缆功率的设定值25中有效地减去实际功率，并且随后确定实际功率是否超过设定值。
控制器24通过限制性的控制器26连接到HF源12的混频器27。高频振荡器28也连接到混频器27。如果控制器24确定HF电缆功率的实际值超过了HF电缆功率的设定值，则驱动混频器27使得由高频发生器11在基频处输出的高频功率得以降低。
此外，将在输出17处的信号馈送到带通滤波器29，将带通滤波器29调整到基频，即它是窄带滤波器。将仍然仅与无谐波的情况下基频处的功率相关的经过滤波的信号馈送到检测器30，从检测器30中给出了直流电压信号，所述直流电压信号是在无谐波的情况下基频处的高频功率的实际值的度量。该信号由反相器31反相并且被馈送到控制器32，控制器32被配置为加法控制器。还将基频处高频功率的设定值33馈送到控制器32。
通过限制性的控制器36将来自控制器32的输出信号馈送到混频器27。限制性的控制器26、36使控制器24、32的输出值影响高频发生器11的输出功率，控制器24、32的输出值造成了在基频处所产生的高频功率的较大减少。对于修正操作，还提供了电压信号，所述电压信号通过电源U和限流电阻来连接。控制器24、32本质上是进行比较。也可以使用比较单元来替代控制器24、32。在这种情况下，将不必反相来自检测器21、30的输出信号。执行反相，以便在控制器24、32中可以根据设定值或参考值来确定差值。
在加法单元34中，将来自检测器30的反相输出信号添加到来自检测器21的输出信号。这意味着从总功率的测量值中减去基频处功率的测量值。该结果是在不同于基频的频率处的功率、特别是来自谐波功率的或与其相关的变量的实际值，随后将功率显示在显示设备35上。
图2示出了电源装置10.1的实施例，其中高频发生器11.1对于全部频率或对于除基频外的全部频率具有较低的反射因子。负载对于除基频外的全部频率具有较高的反射因子。在这种情况下，有必要在高频发生器11.1的HF输出处评估正向功率P1和反射功率PR，以便测量谐波功率和电缆负载。与图1中的那些单元相对应的单元已经在图2中被赋予相同的附图标记。
可以看出，控制电路18.1现在连接到测量设备13的输出40。已被调整到基频的窄带带通滤波器41也连接到输出40。这里，确定了与基频处的反射功率相关的变量。将来自带通滤波器41的输出信号馈送到检测器42，检测器42的输出信号是直流电压信号，在反相器43中反相所述直流电压信号。与图1的情况不同，将来自反相器43的输出信号而不是来自反相器31的输出信号馈送到加法单元34。这里再次地，来自加法单元34的输出信号是谐波功率的实际值的度量，其被显示在显示设备35上。
控制电路18.1不再具有反相器23。出于这一原因，提供了进一步的加法单元44，加法单元44馈入有反射谐波功率的实际值(或与其相关的变量)以及具有基频处的正向功率的实际值(即具有来自检测器30的输出信号)。在加法单元44的输出处发布的结果对应于高频电缆功率的实际值。此外，将该信号馈送到控制器24。
图3示出了以所谓的双频系统50为形式的电源装置。该系统50包括第一高频发生器51和第二高频发生器52。高频发生器51产生例如在3.39MHz的基频处的高频功率信号，而高频发生器52产生例如在13.56MHz的频率处的高频功率信号。每个高频发生器51、52通过高频电缆53、54连接到阻抗匹配单元55、56，阻抗匹配单元55、56继而共同地连接到等离子体腔58的电极57。接地的对电极(counter electrode)59位于离子体腔58中。等离子体60产生在电极57与对电极59之间。高频发生器51、52各具有属于图1或图2中所描述的类型的控制电路18.3、18.4。

Claims (15)

1.一种用于保护连接到高频发生器(11、11.1、51、52)的无源组件的方法，所述方法包括以下步骤：
a.利用所述高频发生器(11、11.1、51、52)在基频处产生高频功率；
b.通过高频电缆(14、53、54)向负载(16)输送所述高频功率；
c.确定与连接到所述高频发生器(11、11.1、51、52)的至少一个无源组件的高频负载相关的变量；
d.将所确定的变量与描述在至少一个连接的无源组件上的最大负载的参考变量相比较；
e.基于比较结果来调整由所述高频发生器(11、11.1、51、52)在所述基频处产生的所述高频功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述比较结果来控制由所述高频发生器(11、11.1、51、52)在所述基频处产生的所述高频功率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定与在所述基频处通过所述高频电缆(14、53、54)所输送的所述高频功率相关的变量，将所确定的变量与所述高频功率的设定值(33)相比较，以及基于所述比较结果来匹配由所述高频发生器(11、11.1、51、52)在所述基频处产生的所述高频功率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述比较结果被用于调整由所述高频发生器(11、11.1、51、52)在所述基频处产生的所述高频功率，其造成所述高频功率相对较大的降低。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定在不同于所述基频的频率处通过所述高频电缆所输送的功率。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，显示通过所述高频电缆(14、53、54)朝所述负载(16)的方向所输送的全部功率或在不同于所述基频的频率处的功率中的至少一项。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定多个无源组件的高频负载，以及如果高频负载超过预定值，则降低连接到所述负载(16)的全部HF发生器(11、11.1、51、52)在各自的基频处所产生的HF功率。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，调整描述无源组件上的所述最大负载的所述参考变量。
9.一种高频发生器(11、11.1、51、52)，具有HF源(12)和第一控制电路(18、18.1)，所述HF源(12)在基频处产生高频功率信号，所述第一控制电路馈入有与通过所述高频发生器(11、11.1、51、52)与负载(16)之间的高频电缆(14、53、54)所输送的HF功率相关的信号，其中所述第一控制电路具有控制器(24)，所述控制器(24)用于基于馈送到针对HF负载特别是针对HF电缆负载的控制电路的设定值以及所输送的HF功率来控制所述HF源(12)。
10.根据权利要求9所述的高频发生器，其特征在于，提供第二控制电路，所述第二控制电路馈入有与通过所述高频发生器(11、11.1、51、52)与所述负载(16)之间的高频电缆(14、53、54)所输送的HF功率相关的信号，其中，所述第二控制电路具有控制器(32)，所述控制器(32)用于基于由所述高频发生器(11、11.1、51、52)在所述基频处要输出的所述高频功率的设定值(33)以及所输送的HF功率来控制所述HF源(12)。
11.根据权利要求9或10所述的高频发生器，其特征在于，所述控制器(24、32)通过优先级电路(26)连接到所述HF源(12)。
12.根据前述权利要求9或10中的任一项所述的高频发生器，其特征在于，提供用于确定通过所述HF电缆(14、53、54)所输送的谐波功率的模块。
13.根据前述权利要求9或10中的任一项所述的高频发生器，其特征在于，提供用于确定通过所述HF电缆(14、53、54)所输送的所述高频功率的模块。
14.一种电源装置(10、10.1)，具有根据前述权利要求9到13中的任一项所述的高频发生器(11、11.1、51、52)，其通过高频电缆(14、53、54)连接到负载(16)。
15.根据权利要求14所述的电源装置，其特征在于，至少一个另外的高频发生器(51、52)通过高频电缆(53、54)连接到所述负载。
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