CN105122569A - 用于采用双电源给双磁控管供电的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于采用双电源给双磁控管供电的系统和方法。第一电源给第一磁控管提供第一电压。第二电源给第二磁控管提供第二电压。平衡器电路控制驱动电流，以改变第一磁控管的磁场和第二磁控管的磁场，从而将第一电压和第二电压维持在基本相等的电压。

Description

用于采用双电源给双磁控管供电的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2013年03月15日提交的申请号为61/788,500的美国临时专利申请的权益，通过引用将其全部公开内容并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于控制由以共同电压操作的双电源来供电的一对磁控管的系统和方法。

背景技术

磁控管可以用于产生射频(RF)能量。该RF能量可以用于不同的目的，诸如加热物品(即，微波加热)，或者其可以用于产生等离子体。等离子体又可以用在许多不同的处理中，诸如薄膜沉积、金刚石沉积以及半导体制造过程。RF能量也可以用于在产生UV(或者可见)光的石英外壳内创建等离子体。在这方面决定性的那些性质是在将DC(直流)功率转换为RF能量时实现的高效率以及磁控管的几何结构。一个缺点是用于产生给定功率输出所要求的电压随磁控管的不同而发生变化。这种电压主要可以由磁控管的内部几何结构以及腔内的磁场强度来确定。

一些应用可以要求两个磁控管来提供所要求的RF能量。在这些情况下，每个磁控管要求单独的电源。然而，两个具有相同设计的磁控管可以不具有相同的电压-电流特性。两个相同的磁控管之间的正常制造公差和温差可以从个体到个体产生不同的电压-电流特性，并且在它们寿命周期的动态操作状态下发生变化(subejecttochange)。同样地，每个磁控管可以具有略微不同的电压。例如，磁控管可以具有彼此不同的操作曲线，使得一个磁控管可以比另一个磁控管产生更高的功率输出。具有较高输出功率的磁控管可以比另一个变得更热，导致其比另一个磁控管具有更短的有用预期使用期限。此外，这可以导致产生更高输出的磁控管的功率输出使得其半个灯泡中的等离子体比另一半变得更热，因此产生不对称的UV输出功率图案。

因此，期望出现的但是还未提供的是用于维持给双磁控管供电的双电源的恒定电压和电流操作点的系统和方法。

发明内容

通过提供采用双电源给双磁控管供电的系统和方法在本领域中解决了上述问题并实现了技术方案。第一电源将第一电压提供给第一磁控管。第二电源将第二电压提供给第二磁控管。平衡器电路控制驱动电流，以改变第一磁控管的磁场和第二磁控管的磁场，从而将第一电压和第二电压维持在基本相等的电压。第一电压和第二电压可以是基本恒定的电压。

在实施例中，第一电源将第一供电电流提供给第一磁控管，第二电源将与第一供电电流基本相等的第二供电电流提供给第二磁控管，从而在第一磁控管和第二磁控管之间维持基本共同的操作点。

在实施例中，系统还可以包括第一线圈驱动器和第二线圈驱动器，其中第一线圈驱动器电耦合到平衡器电路并且磁耦合到第一磁控管，第二线圈驱动器电耦合到第一线圈驱动器并且磁耦合到第二磁控管。第一线圈驱动器和第二线圈驱动器可以串联电耦合。

第一线圈驱动和第二线圈驱动器可以接收驱动电流。该驱动电流激励第一线圈驱动器，并且该驱动电流激励第二线圈驱动器，从而分别以相反的方向调节第一磁控管的磁场和第二磁控管的磁场，以将第一电压和第二电压维持在基本相等的电压。

在实施例中，平衡器电路还可以包括用于提供驱动电流的辅助电源。该平衡器电路还可以包括与第一电源信号通信以用于感测第一电压并且与第二电源信号通信以用于感测第二电压的处理设备。该处理设备可以是数字信号处理器。该处理设备可以将误差信号提供给辅助电源，以调节该驱动电流。提供给辅助电源的误差信号可以基于由处理设备实现的比例-积分-微分(PID)反馈回路或者比例-积分(PI)伺服回路的输出。

在实施例中，处理设备可以感测第一电压和第二电压之间的电压量值差。

在实施例中，驱动电流可以具有与第一电压和第二电压之间的量值差的极性对应的极性。驱动电流的量值可以进一步基于第一电压和第二电压之间的瞬时电压差以及第一电压和第二电压之间的收敛速率。

附图说明

从结合附图考虑的和以下呈现的示例性实施例的详细描述中，可以以更加容易地理解本发明，其中相同的附图标记指类似的元件，并且，其中：

图1是从双电源给两个磁控管供电的系统的一个实施例的电路图。

图2是示出给具有第一磁控管和第二磁控管的系统供电的方法的一个实施例的示例的流程图。

图3是示出常规磁控管电压相对线圈电流的图表。

应该理解，附图的目的是示出本发明的概念并且可以不成比例。

具体实施方式

图1是从双电源给两个磁控管供电的系统100的一个实施例的电路图。特别是，图1示出了电源10和电源12，诸如一对高压低涟波直流功率模块。例如，电源10和电源12可以分别包括能够在4.5KV输出0.84安培的固态高压功率模块。电源10和电源12可以设计成提供恒定的电流输出(或者近似地恒定的电流)。其它量的电流和功率也在本发明的范围之内。电源10和电源12可以沿着相应的高电位线18和高电位线20耦合到磁控管14和磁控管16相应的阴极上。在实施例中，磁控管14和磁控管16相应的灯丝22和灯丝24可以耦接到为灯丝加热提供所必须的电流的相应的灯丝变压器26和灯丝变压器28上。灯丝变压器26和灯丝变压器28的初级可以由AC(交流)电源(诸如100到200伏特)供电。也可以与灯丝端中的一个共用阴极端。

高电位线18和高电位线20分别提供根据实施例被感测和调节的电源信号电压HVA和HVB。电源输出电压HVA和HVB被相应的分压器30和分压器32感测，分压器30，32分别在信号线50、52上提供与电源信号电压HVA和HVB成比例的减小的输出电压。在信号线50、52上的减小的输出电压被作为输入提供给平衡器电路34。

在实施例中，平衡器电路34可以包括处理设备36。在实施例中，处理设备36可以是数字信号处理器。处理设备36耦合到辅助功率模块38。输出信号线40被配置成将线圈驱动电流ICOIL提供给一对串联连接的线圈驱动器42和线圈驱动器44，该线圈驱动器42、44分别磁耦合到相应的磁控管14和磁控管16。反向驱动线圈驱动器42和线圈驱动器44的绕组，从而将相反的磁场提供给磁控管14和磁控管16以减小在电源10和电源12的高电位线18和高电位线20上的电源输出电压HVA和HVB中的差，从而成为基本相等的电压。在实施例中，电源输出电压HVA和HVB可以基本恒定。

在图1中，平衡器电路34可以用于调节磁控管14和磁控管16中的电压。更具体的是，平衡器电路34被配置成控制提供给与第一磁控管14相关的线圈驱动器42的线圈驱动电流ICOIL以及提供给与第二磁控管16相关的线圈驱动器44的线圈驱动电流ICOIL。线圈驱动电流ICOIL具有改变第一磁控管14的磁场和第二磁控管16的磁场，从而将电源10和电源12在高电位线18和高电位线20上的电源输出电压HVA和HVB维持在基本相等的电压的效果。

在实施例中，平衡器电路34可以进一步配置成将信号电压HVA和HVB维持在基本恒定的电压。平衡器电路34被进一步配置成当线圈驱动器42和线圈驱动器44各自的线圈以相反方向缠绕时，采用量值相等但极性相反的线圈驱动电流ICOIL来驱动线圈驱动器42和线圈驱动器44。结果是，第一磁控管14的磁场和第二磁控管16的磁场趋向彼此相反，从而将在高电位线18和高电位线20上的电源10和电源12的信号电压HVA和HVB之间的任何电压差驱动为零。第一电源10被进一步配置成将第一供电电流HIA提供给第一磁控管14，并且第二电源12被进一步配置成将与第一供电电流HIA基本相等的第二供电电流HIB提供给第二磁控管16，从而在第一磁控管14和第二磁控管16之间维持基本共同的操作点(即，电压-电流特性的操作点)。

辅助功率模块38被配置成在处理设备36的控制下提供线圈驱动电流ICOIL。处理设备又被配置成感测平衡器电路34的输入46和输入48上的误差信号V_Error，以调节线圈驱动电流ICOII。误差信号V_Error在分压器30和分压器32的输出信号线50和输出信号线52上提供，以感测在高电位线18和高电位线20上的电源10和电源12的信号电压HVA和HVB之间的电压量值差。线圈驱动电流ICOIL具有与第一电压HVA和第二电压HVB之间的量值差的极性对应的极性。当处理设备36被配置成模拟比例-积分-微分(PID)反馈回路或者比例-积分(PI)伺服回路时，由平衡器电路34从误差信号V_Error中取得线圈驱动电流量值和极性。

线圈驱动电流ICOIL的量值和极性基于电源10和电源12在高电位线18和高电位线20上的信号电压HVA和HVB之间的瞬时电压差以及电源10和电源12在高电位线18和高电位线20上的信号电压HVA和HVB之间的收敛速率。

图2是示出为具有第一磁控管14和第二磁控管16的系统供电的方法200的一个实施例的示例的流程图。在方框205处，平衡器电路36将线圈驱动电流ICOIL提供给磁耦合到第一磁控管14的第一线圈驱动器42。在方框210处，平衡器电路34将线圈驱动电流ICOIL提供给电耦合到第一线圈驱动器42并且磁耦合到第二磁控管16的第二线圈驱动器44。在方框215处，平衡器电路34调节提供给第一线圈驱动器42和第二线圈驱动器44的线圈驱动电流ICOIL，用于改变第一磁控管14的磁场和第二磁控管16的磁场，从而将由第一电源10提供给第一磁控管14的第一电压HVA和由第二电源12提供给第二磁控管16的第二电压HVB维持在基本相等的电压。将基本相等定义为第一电压HVA和第二电压HVB之间约±10V或者更小的电压差。

基本相等的电压可以是基本恒定的电压。线圈驱动电流ICOIL可以激励第一线圈驱动器42，并且线圈驱动电流ICOIL可以激励第二线圈驱动器44，从而分别在相反方向上调节第一磁控管14的磁场和第二磁控管16的磁场，以将第一电压HVA和第二电压HVB维持在基本相等的电压。

提供给第一磁控管14和第二磁控管16的线圈驱动电流ICOIL可以以是相同的量值而相反的极性。第一电源10可以进一步配置成将第一供电电流HIA提供给第一磁控管14，第二电源12可以进一步配置成将与第一供电电流HIA基本相等的第二供电电流HIB提供给第二磁控管16，以在第一磁控管14和第二磁控管16之间维持基本共同的操作点。

由平衡器电路34提供的线圈驱动电流ICOIL可以基于误差信号V_error进行调节，误差信号基于例如感测由第一电源10提供给第一磁控管14的第一电压HVA和由第二电源12提供给第二磁控管16的第二电压HVB之间的电压量值差。在一个实施例中，平衡器电路34可以基于确定第一电压HVA和第二电压HVB之间的瞬时电压差以及第一电压HVA和第二电压HVB之间的收敛速率来调节线圈驱动电流ICOIL。

更特别地是，在一个实施例中，操作图1的系统100的处理设备36的软件控制可以采用驱动子程序来连续采样分别施加到两个磁控管的操作阳极电压HVA和HVB。驱动子程序可以操作处理设备36来以特定的方向将合适量的线圈驱动电流ICOIL供应给线圈驱动器42和线圈驱动器44，从而在基本全部的时间和在基本全部的操作条件下实现两个电压HVA和HVB的平衡。

在系统启动时，可以采样两个磁控管电压HVA和HVB。当两个磁控管电压HVA和HVB使得它们各自的峰值操作水平达到在特定数量的最近采样周期上小于峰值电压量值的变化量(例如，在最近5个采样周期中为100V(伏特)的变化)以内时，接着开始平衡电流程序。计算所监测的磁控管电压中的差V_error。采用来自处理设备36的命令控制辅助功率模块38的输出电流ICOIL，从而在从0A(安培)到±3A的范围内改变电流量值。在程序控制下调节辅助功率模块38的电流幅度和极性，从而平衡两个电压HVA和HVB。辅助功率模块38的电流幅度的极性对于V_error的正的电压差可以是正的，反之亦可以，就像监测的那样。

在平衡处理期间，在任何时刻将要提供给线圈驱动器42和线圈驱动器44的适当量的电流既取决于瞬时电压差V_error，又取决于两个电压HVA和HVB之间的收敛速率。应该以使得差以具有最小振荡量的可控方式减小到零的水平来提供。这通过已知的反馈控制技术，诸如比例-积分-微分(PID)反馈或者比例-积分(PI)反馈，来实现。在一个示例中，达到两个电压平均值的1％的差的解决时间应以，例如，100毫秒，为目标。在实例中，两个磁控管14和磁控管16之间的电压差的平衡精度应维持在10V或者更少。

处理过程可以利用正在进行的嵌套循环中的更新的电压差值和对应的驱动电流来实时连续重复，从而在主动操作(activeoperation)的整个周期(包括预热、稳定和操作变化的动态响应)中维持两个磁控管之间的平衡。

已经针对磁控管14和磁控管16之间的各种电压差建立了所要求的稳态线圈驱动电流的适当量，并且在下文中进行讨论。图3是示出常规磁控管电压相对线圈电流的图表。在图表中，操作阳极电压在没有线圈驱动时在840mA处约为4.45kV。磁控管电压可以随着不同的磁控管电流水平变化。其它的磁控管可以以稍微不同的电压操作。

电压相对于线圈电流的增加约为100V/A，随着磁控管的制造公差而稍微变化。由于采用相同的电流但是在相反的方向驱动两个驱动线圈42和驱动线圈44，于是，根据图3，1A的驱动线圈电流可以使具有200V操作电压差的两个磁控管达到相同的操作电压。差越小，使磁控管操作电压HVA和HVB达到可接受的公差范围内所需的电流量越小。所需的线圈驱动电流的量值和极性可以从一个操作点到另一个操作点变化，这是因为操作温度随时间变化或者操作参数随时间变化，这取决于两个磁控管14和磁控管16的V-I特征曲线的电流状态。

可以利用经验测试优化在处理没备36内执行的伺服回路子程序的控制速度和瞬态响应。所选择的初始线圈驱动电流ICOIL可以被编程到处理设备36中。当没有施加线圈驱动电流时，通过电流幅度到对应运行中的磁控管14和磁控管16对之间的初始电压差的最终值中的增量变化，可以基于实时实现收敛。可以采用查找表来选择针对给定电压差V_error的启动驱动线圈电流。这种查找表仅作为参考点来采用，这是因为该表可以随着磁控管操作参数以及它们随时间寿命使用的变量而在某种程度上变化。当所监测的磁控管电压差变为零时，可以达到最终的DC电流值。被编程的线圈驱动电流的增量改变量可以对应于确定解决速度和线圈驱动电流的瞬态响应(transientresponse)的给定的收敛速度。这可以进行经验地优化。

在确定一定量的标称(nominal)驱动电流以使两个磁控管之间的平衡达到某个操作点之后，子程序可以继续监测更新的电压并且计算新的误差电压V_error。V_error可以采用以进一步针对随变化的操作条件而上升的V_error中任何新的改变来调节线圈驱动电流。例如，磁控管电压差可以作为磁控管预热再次出现。另一个示例是当操作磁控管电流水平由用户改变时，其中磁控管电压差可以出现。线圈驱动电流可以在改变之后接着相应地调节以恢复平衡。

在示例中，可以监测一对磁控管14和磁控管16的输入电压VHA和VHB。该程序等待一段时间直到全部的操作电压VHA和操作电压VHB建立(例如，在彼此的公差内)，最长达到该时间段的最大值(例如，60秒)。如果电压VHA和VHB仍然没有稳定，那么仍然启动平衡计算。两个磁控管14和磁控管16之间的电压差V_error可以接着被计算为：

V_error＝{HVA(Vout_DC，Engine‘A’)}-{HVB(Vout_DC，Engine‘B’)}

近似地对于“V_error”的每个200V，平衡器线圈驱动电流(IOUT_BALANCER)可以被设为约+1A或者-1A(带符号的值)。为了向下调节V_error的绝对值，可以执行下面的计算：

平衡所更求的电流＝1000mA/200V＝5mA/V

V_error误差比例(V_Error_P)＝(V_error/8)

输出电流新计算(I_Out_New)＝(V_Error_P)×5mA/V

写入到处理设备36中的最终的输出电流：

IOUT_BALANCER＝(I_Out_Old)+(I_Out_New)

在“IOUT_BALANCER”的每次最终计算之后，可以将其保存为I_Out_Old，以用于下次计算。

应该理解的是示例性实施例仅仅是本发明的说明，并且在不脱离本发明的范围下，上述实施例的很多变异可以由本领域技术人员想出。因此，其旨在将全部的这些变异包括在随后权利要求书和它们等效物的范围内。

Claims (21)

1.一种系统，包括：

供应第一电压的第一电源；

供应第二电压的第二电源；

由第一电源供电的第一磁控管；

由第二电源供电的第二磁控管；以及

平衡器电路，该平衡器电路控制驱动电流，以改变所述第一磁控管的磁场和所述第二磁控管的磁场，从而将第一电压和第二电压维持在基本相等的电压。

2.如权利要求1所述的系统，其中第一电压和第二电压分别包括基本恒定的电压。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一电源进一步将第一供电电流提供给所述第一磁控管，所述第二电源进一步将与第一供电电流基本相等的第二供电电流提供给所述第二磁控管，从而维持所述第一磁控管和所述第二磁控管之间基本共同的操作点。

4.如权利要求1所述的系统，还包括：

电耦合到所述平衡器电路并且磁耦合到所述第一磁控管的第一线圈驱动器；

电耦合到所述第一线圈驱动器并且磁耦合到所述第二磁控管的第二线圈驱动器，

其中所述第一线圈驱动器和所述第二线圈驱动器接收驱动电流。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述第一线圈驱动器和所述第二线圈驱动器串联电耦合。

6.如权利要求4所述的系统，其中驱动电流激励所述第一线圈驱动器，并且驱动电流激励所述第二线圈驱动器，以分别在相反的方向上调节所述第一磁控管的磁场和所述第二磁控管的磁场，从而将第一电压和第二电压维持在基本相等的电压。

7.如权利要求4所述的系统，其中所述平衡器电路还包括用于供应驱动电流的辅助电源。

8.如权利要求7所述的系统，还包括与所述第一电源信号通信以感测第一电压并且与所述第二电源信号通信以感测第二电压的处理设备。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述处理设备包括数字信号处理器。

10.如权利要求8所述的系统，其中所述处理设备将误差信号供应给所述辅助电源，以调节驱动电流。

11.如权利要求10所述的系统，其中供应给所述辅助电源的误差信号基于由所述处理设备实现的比例-积分-微分PID反馈回路或者比例-积分PI伺服回路的输出。

12.如权利要求8所述的系统，其中所述处理设备感测第一电压和第二电压之间的电压量值差。

13.如权利要求12所述的系统，其中驱动电流包括与第一电压和第二电压之间的量值差的极性相对应的极性。

14.如权利要求8所述的系统，其中驱动电流的量值基于第一电压和第二电压之间的瞬时电压差以及第一电压和第二电压之间的收敛速率。

15.一种为具有第一磁控管和第二磁控管的系统供电的方法，所述方法包括：

为磁耦合到第一磁控管的第一线圈驱动器、和电耦合到第一线圈驱动器并且磁耦合到第二磁控管的第二线圈驱动器提供驱动电流；并且

调节提供给第一线圈驱动器和第二线圈驱动器的驱动电流，以改变第一磁控管的磁场和第二磁控管的磁场，从而将第一电源供应给第一磁控管的第一电压以及第二电源供应给第二磁控管的第二电压维持在基本相等的电压。

16.如权利要求15所述的方法，其中驱动电流激励所述第一线圈驱动器，并且驱动电流激励所述第二线圈驱动器，以分别在相反的方向上调节所述第一磁控管的磁场和所述第二磁控管的磁场，从而将第一电压和第二电压维持在基本相等的电压。

17.如权利要求15所述的方法，还包括将基本相等的电压维持在基本恒定的电压。

18.如权利要求15所述的方法，其中所述第一电源将第一供电电流提供给所述第一磁控管，所述第二电源将与第一供电电流基本相等的第二供电电流提供给第二磁控管，从而维持所述第一磁控管和所述第二磁控管之间基本共同的操作点。

19.如权利要求15所述的方法，还包括基于误差信号调节驱动电流。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述误差信号包括供应给所述第一磁控管的第一电压和供应给所述第二磁控管的第二电压之间的电压量值差。

21.如权利要求15所述的方法，其中调节驱动电流包括确定第一电压和第二电压之间的瞬时电压差以及第一电压和第二电压之间的收敛速率。