CN107735943B - 电源系统及用于调节电源系统的放大级的输出变量的方法 - Google Patents

电源系统及用于调节电源系统的放大级的输出变量的方法 Download PDF

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Abstract

一种电源系统(2)包括放大级(14)，所述放大级包括至少一个晶体管(15)、尤其是LDMOS晶体管，所述晶体管通过功率端子(16)连接至电源电压并且所述晶体管的驱动端子(17)由驱动电压来驱动，而且，用于调节晶体管(15)的驱动电压的第一控制器(22)和用于调节所述电源电压的第二控制器(23)被提供，其中，控制器(22，23)中的一个构造成将状态信号馈送给另一个控制器(23，22)，并且所述另一个控制器(23，22)构造成分析评估所述状态信号。

Description

电源系统及用于调节电源系统的放大级的输出变量的方法
技术领域
本发明涉及一种包括放大级的电源系统，并且还涉及一种用于调节电源系统的放大级的输出变量的方法。
背景技术
这种装置和方法以及类似的现有技术可以从下述文献知晓，例如：US2008/0284510A1，US8,095,090B2，US2007/0145900A1，DE102013226511A1，US2014/0084700A1，US2009/0004981A1。
电源系统、尤其是在≥1MHz的频率下生成电力的系统例如用于激光激励、用在等离子涂装设备中、或者还可以用于感应应用。这种电源系统包括放大器，所述放大器生成提供给等离子涂装设备、感应应用或激光激励的功率。在理论上，具有两种用于控制放大器的功率的构思。在幅值控制中，放大器的输出功率通过输入信号的幅值来控制。替代地，放大器的输出功率可以通过控制放大器的电源电压来控制。在这种类型的控制中，可以在宽的动态范围内使得效率保持相对恒定。放大器通常包括连接至电源电压的至少一个晶体管。由于电源电压被控制，因而使得晶体管的驱动电压与电源电压结合，这使得晶体管承受热应力。尤其，晶体管具有在处理中被损坏的风险或显著减小它的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于使得能够在晶体管上避免这样的热应力，从而尽可能地阻止故障的出现和使用寿命的缩短。
该目的是根据本发明通过下述电源系统来实现的，所述电源系统包括放大级，所述放大级包括至少一个晶体管、尤其是LDMOS晶体管，所述晶体管通过功率端子连接至电源电压并且晶体管的驱动端子由驱动电压驱动，所述电源系统还包括用于调节晶体管的驱动电压的第一控制器和用于调节正在提供的电源电压的第二控制器。
在这种情况下，控制器之一可以构造成向另一控制器馈送状态信号。所述另一控制器可以构造成分析评估状态信号。
所述另一控制器可以构造成对状态信号作出反应。
这使得能够以良好受控的操作点或操作范围来操作放大级，并且这以安全的方式确保了放大级的功能。尤其，放大级的晶体管承受过多的热应力的状况可以被避免。
第一控制器的操控值以及一状态信号可以施加在第二控制器的输入部处，所述状态信号表示第一控制器是否处于它的极限。
状态信号的特征在于它表示生成该状态信号的控制器处于控制极限状态。
尤其，根据本发明，功率控制系统分成两个通道、即第一控制器和第二控制器。
测量装置可以设置，以来检测放大级的作为控制变量的输出变量。测量装置可以用来检测由放大级生成的输出变量。所述输出变量可以与一设定点比较以获得用于控制器、尤其是用于第一控制器的输入变量。
为此，控制偏差确定装置可以被提供，所述控制偏差确定装置由控制变量和一设定点来确定控制偏差，控制偏差确定装置连接至第一控制器。采用这种方式，误差可以被确定并馈送给第一控制器。第一控制器由此可以以控制环来执行所谓的闭环控制。
第一控制器的输出部可以连接至第二控制器的输入部。由此，第二控制器可以根据已经通过第一控制器调节的变量来调节用于电源电压的操控变量或电源电压本身。电源电压因此是根据第一控制器的输出变量来调节的。
第二控制器的输出部可以连接至第一控制器的输入部。在这种情况下，第一控制器通过考虑由第二控制器确定的输出变量来调节第一控制器的输出变量。
此外，第二控制器可以连接至控制偏差确定装置。因此，尤其，控制偏差可以馈送给这两个控制器并且这两个控制器中的每一个可以分别被提供以来自另一个控制器的输出信号。这形成非常复合的控制。尤其，这两个控制器基于放大级的输出部处测量的输出变量来执行控制并互相限制它们的操作范围或调节范围。
控制器中的一个可以构造成执行控制、尤其是闭环控制，并且另一个控制器可以构造成执行开环控制。在这种情况下，第一控制器尤其可以执行闭环控制并且第二控制器尤其可以执行开环控制。
控制器中的一个构造成可以构造成将状态信号馈送给另一个控制器，并且所述另一个控制器可以构造成分析评估所述状态信号，并且构造成尤其响应状态信号。状态信号的特征在于：它表示产生所述状态信号的控制器处于控制极限状态。设计成能分析评估状态信号的控制器可以设计成尤其能在“另一个控制器处于控制极限”的状态被检测到时从闭环控制切换成开环控制或反向切换。尤其，第一控制器可以构造成将状态信号馈送给第二控制器，并且第二控制器可以构造成分析评估所述状态信号。第二控制器可以构造成：在第一控制器表示它处于它的极限时，第二控制器作为闭环控制器来操作并尤其将设定点偏差用作输入变量，该偏差还出现在第一控制器的输入部处。此外，第二控制器可以构造成：在第一控制器正在以正常方式执行控制时、即没有处于它的极限时，第一控制器作为开环控制器(开环模式)通过沿循预定的特征曲线来操作。
本发明的范围还覆盖了一种用于调节电源系统的放大级的输出变量的方法，在该方法中，放大级的晶体管的驱动电压通过考虑设定点和/或由放大级处生成的输出变量来调节，并且晶体管的电源电压通过考虑驱动电压的调节来调节。因此，有两个操控变量馈送给放大级或放大级的晶体管，这使得放大器或晶体管能够以两个自由度来操作。这能够避免不安全的状况，尤其是会导致晶体管过热的状况。尤其，这实现了：所述两个操控变量(驱动电压和电源电压)的所有的操作范围并非都能够彼此自由地组合。由此可以避免下述状况：在以低效率操作的过程中产生的过多的热而损坏放大级的晶体管。
驱动电压也可以通过考虑电源电压的调节而被调节。这还实现了对放大级的晶体管、尤其是LDMOS晶体管的操作范围的限制。
驱动电压可以通过考虑设定点和/或由放大级生成的输出变量来调节。这些特征可以以显著更可靠的方式来确保没有出现会导致晶体管损坏的操作点。
本发明的更多的特征和优点可以参考展示对本发明重要的细节的附图在本发明的实施例的下述说明以及权利要求中发现。各特征中的每个可以单独地实施或以任意期待的方式组合的方式以本发明的变型例来实施。
附图说明
本发明的一优选实施例在图中示意性示出并且在下文中参考附图予以更详细地说明，在附图中：
图1是包括电源系统的等离子系统的高度示意性示图；
图2示出放大器的晶体管的控制的框图；
图3示出放大器的效率随着电源电压的变化的图示。
具体实施方式
图1示出包括电源系统2的等离子系统1。电源系统2继而包括电源转换器3，电源转换器3可以连接至电压供给网4。在电源转换器3的输出部处生成的功率通过阻抗匹配网5传递给等离子腔6，在等离子腔6内生成等离子，所述等离子可以用于在等离子腔6内进行等离子机加工。尤其，工件可以被蚀刻或者材料层可以施加给衬底。
图2示出来自图1的电源系统3的一部分。尤其，电源系统3包括放大级14，放大级14包括至少一个晶体管15。晶体管15通过功率端子16连接至电源电压。所述晶体管通过驱动端子17连接至驱动电压、例如栅极电压或基极电压。在放大级14的输出部18处，放大级14生成输出信号、尤其是高频功率信号。测量装置19连接至输出部18，通过测量装置19可以检测输出信号。采用这种方式测量的信号提供给控制偏差确定装置20，在控制偏差确定装置20处预给定输出部18处的输出变量的设定点。控制偏差确定装置20从设定点21和控制变量确定控制偏差，该控制偏差对应于测量装置19的输出变量，所述控制偏差馈送给至第一控制器22。第一控制器22确定晶体管15的驱动电压或用于晶体管15的驱动电压的操控变量。第一控制器22的输出部连接至第二控制器23的输入部，第二控制器23根据由第一控制器22确定的变量来确定电源电压或用于电源电压的操控变量并将所述电压或所述操控变量馈送给放大级14。
第二控制器23的输出部还可以选择性地连接至第一控制器22的输入部。这由虚线24表示。所述控制偏差还可以馈送给第二控制器23，并且这可以由虚线25表示。优选地，控制器22以闭式控制回路来操作并由此执行闭环控制，而第二控制器23以开式控制回路来布置并由此执行开环控制。然而，不仅第一控制器22的操控值可以施加在第二控制器23的输入部处，而且表示第一控制器22是否处于它的极限的状态信号也可以施加在第二控制器23的输入部处。该状态信号用来在第二控制器23中于开环控制与闭环控制之间切换。在第一控制器22表示它处于它的极限时，第二控制器23用作闭环控制器并将相对于所述设定点的偏差作为输入变量，该设定点偏差也出现在第一控制器22的输入部处。在第一控制器22正在以正常方式执行控制时，第二控制器23仅通过沿循预定的特征曲线以开环控制模式来操作。第二控制器23由此并非总是处于开环控制模式。
在图3中，绘制出在多个电源电压下随着输出功率变化的放大级14的效率。曲线100在50V的电源电压下生成，曲线101在48V的电源电压下生成，曲线102在45V的电源电压下生成，曲线103在40V的电源电压下生成，曲线104在35V的电源电压下生成，曲线105在30V的电源电压下生成，曲线106在25V的电源电压下生成，曲线107在20V的电源电压下生成，曲线108在15V的电源电压下生成，并且曲线109在10V的电源电压下生成。曲线100尤其清楚地示出在50V的电源电压下建立约50W的输出功率和由此仅仅水平非常低的功率。在这种情况下，很大量的功率在放大级14的晶体管15中转换成热，并且这可能导致晶体管损坏。避免这种状态是重要的。通过根据本发明的如图2所示的布置可以有效地避免这种状态。

Claims (24)

1.一种电源系统(2)，所述电源系统包括放大级(14)，所述放大级包括至少一个晶体管(15)，所述晶体管通过功率端子(16)连接至电源电压并且所述晶体管的驱动端子(17)由驱动电压来驱动，而且，用于调节晶体管(15)的驱动电压的第一控制器(22)和用于调节所述电源电压的第二控制器(23)被提供，其中，控制器(22，23)中的一个构造成将状态信号馈送给另一个控制器(23，22)，并且所述另一个控制器(23，22)构造成分析评估所述状态信号，其特征在于，所述状态信号的特征在于：它表示生成该状态信号的控制器(22，23)处于它的控制极限状态。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述另一个控制器(23，22)构造成对所述状态信号作出反应。
3.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，所述第一控制器(22)的操控值以及一状态信号施加于所述第二控制器(23)的输入部处，该状态信号表示所述第一控制器(22)是否处于它的极限。
4.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，功率控制系统分成两个通道、即所述第一控制器(22)和所述第二控制器(23)。
5.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，测量装置(19)被设置，以检测所述放大级(14)的作为控制变量的输出变量。
6.根据权利要求5所述的电源系统，其特征在于，所述测量装置(19)构造成检测由所述放大级(14)生成的所述输出变量，以获得用于控制器(22，23)的输入变量。
7.根据权利要求6所述的电源系统，其特征在于，所述测量装置(19)构造成比较所述输出变量与设定点。
8.根据权利要求6所述的电源系统，其特征在于，所述控制器为所述第一控制器(22)。
9.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，构造成分析评估所述状态信号的控制器(23，22)构造成在检测到“另一个控制器处于它的控制极限”的状态时从闭环控制切换成开环控制或者从开环控制切换成闭环控制。
10.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，所述第一控制器(22)构造成将所述状态信号馈送给所述第二控制器(23)并且所述第二控制器(23)构造成分析评估所述状态信号。
11.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，所述第二控制器(23)构造成：在所述第一控制器(22)表示它处于它的极限时，所述第二控制器(23)作为闭环控制器来操作。
12.根据权利要求11所述的电源系统，其特征在于，所述第二控制器(23)将设定点偏差用作输入变量，所述设定点偏差还出现在所述第一控制器(22)的输入部处。
13.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，所述第二控制器(23)构造成：在所述第一控制器(22)正在以正常的方式执行控制时、即没有处于它的极限时，所述第二控制器(23)作为开环控制器通过沿循预定的特征曲线来操作。
14.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，控制偏差确定装置(20)被设置，所述控制偏差确定装置从控制变量和设定点确定出控制偏差，所述控制偏差确定装置(20)连接至所述第一控制器(22)。
15.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，所述第一控制器(22)的输出部连接至所述第二控制器(23)的输入部。
16.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，所述第二控制器(23)的输出部连接至所述第一控制器(22)的输入部。
17.根据权利要求14所述的电源系统，其特征在于，所述第二控制器(23)连接至所述控制偏差确定装置(20)。
18.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，控制器(22，23)中的一个构造成执行闭环控制并且所述控制器(22，23)中的一个设计成执行开环控制。
19.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，所述晶体管(15)是LDMOS晶体管。
20.一种用于调节电源系统(2)的放大级(14)的输出变量的方法，在所述方法中，通过考虑设定点和/或由所述放大级(14)生成的输出变量来调节所述放大级(14)的晶体管(15)的驱动电压，并且通过考虑所述驱动电压的调节来调节所述晶体管(15)的电源电压，其中，控制器(22，23)中的一个将状态信号馈送给另一个控制器(23，22)，并且所述另一个控制器(23，22)分析评估所述状态信号，其特征在于，所述状态信号表示生成该状态信号的控制器(22，23)处于控制极限状态。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述另一个控制器(23，22)对所述状态信号作出反应。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于，使第一控制器(22)的操控值以及一状态信号施加于第二控制器(23)的输入部处，所述状态信号表示所述第一控制器(22)是否处于它的极限。
23.根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于，通过考虑所述电源电压的调节来调节所述驱动电压。
24.根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于，通过考虑所述设定点和/或由所述放大级(14)生成的输出变量来调节所述驱动电压。
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