CN108886345B - 用于rf发生器内的受控过冲的设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种生成受控过冲的射频(RF)发生器。一个实施例包括RF功率放大器以及包括主DC电源、辅DC电源、半桥电路和控制电路的直流(DC)电源。所述半桥电路在第一开关状态下使辅DC电源与主DC电源电串联连接，在第二开关状态下使辅DC电源与主DC电源电断开。所述控制电路在第一时间周期内将所述半桥电路置于第一开关状态下，在第二时间周期内将所述半桥电路置于第二开关状态下，从而贯穿第一时间周期在所述RF发生器生成的功率当中产生受控过冲。

Description

用于RF发生器内的受控过冲的设备
技术领域
本公开总体上涉及射频(RF)发生器，更具体而言，涉及用于改善使用平衡功率放大器向等离子体处理腔室提供功率的RF发生器的性能的设备和技术。
背景技术
平衡放大器(例如，如K.Kurokawa,"Design theory of balanced transistoramplifiers(平衡晶体管放大器的设计理论),"Bell System Technical Journal,Oct.1965中所述的)经常被用到等离子体处理腔室的电源系统当中。与常规的单放大器不同，平衡放大器在使用脉冲功率维持等离子体时将提供更符合需要的脉冲形状。平衡放大器还提供更好的等离子体稳定性，并且进一步生成不依赖负载阻抗的正向功率。换言之，对于针对所述功率放大器的给定控制输入而言，正向功率不会由于负载阻抗变化(例如，其归因于等离子体密度或者其他等离子体特性的变化)而发生变化。
然而，平衡放大器还带来并且加剧了与常规单放大器相关联的问题。例如，在有负载失配的时候(例如，在阻抗剧烈变化的等离子体点火或者重新点火期间)，功耗在构成平衡放大器的两个放大器之间不均匀地分布，这可能对一个耗散更多功率的放大器造成损伤。对这一问题的常规解决方案是降低平衡放大器的功率分布(例如，在高负载反射系数幅度下降低负载功率)，从而使耗散更多功率的放大器不会受到损伤。在等离子体点火应用当中，这是主要缺陷，因为等离子体点火一般需要放大器向非匹配负载输送大量的功率。
因此，本领域需要一种改进的用以向等离子体处理腔室供应功率的RF发生器。
发明内容
在下文中将总结在附图中示出的本发明的示例性实施例。在具体实施方式部分当中将更加充分地描述这些和其他实施例。但是，应当理解，并不存在使本发明局限于在发明内容部分或者具体实施方式部分当中描述的形式。本领域技术人员将认识到存在很多落在权利要求表达的本发明的精神和范围内的修改、等价方案和替代构造。
一个方面可以被表征为一种在其功率输出当中生成受控过冲的射频(RF)发生器。所述RF发生器包括RF功率放大器、主DC(直流)电源、辅DC电源、半桥电路和控制电路。所述主DC电源和辅DC电源向所述RF功率放大器供应功率。所述控制电路将所属半桥电路置于第一开关状态内，所述第一开关状态使所述主DC电源和所述辅DC电源串联连接，由此贯穿第一时间周期在所述RF发生器的输出功率当中产生受控过冲。所述控制电路贯穿第二时间周期将所述半桥电路置于第二开关状态下，所述第二开关状态使所述辅DC电源与所述主DC电源断开。
另一方面可以被表征为直接地或者经由一个或多个匹配网络间接地向等离子体处理腔室内的等离子体负载供应功率的RF发生器。与这一方面有关的是使用所述RF发生器的输出功率中的受控过冲进行等离子体点火。
另一方面可以被表征为一种包括控制电路的RF发生器，所述控制电路还包括一种存储用以执行一种方法的程序指令的非暂态有形机器可读介质。所述方法包括在第一时间周期内将所述半桥电路置于第一开关状态下，从而贯穿所述第一时间周期在所述RF发生器生成的功率当中产生受控过冲，并且在第二时间周期内将所述半桥电路置于第二开关状态下。
在另一方面当中，所述RF发生器的控制电路通过观测所述负载的一个或多个特性的变化而确定所述受控过冲的持续时间。
附图说明
图1示出了根据本公开的实施例的等离子体处理系统的方框图；
图2是根据本公开的实施例的射频(RF)发生器的示意图；
图3是说明根据本公开的实施例的RF发生器的操作的功率波形图；
图4是根据本公开的实施例的用于控制RF发生器的方法的流程图；
图5是根据本公开的另一实施例的用于控制RF发生器的方法的流程图；以及
图6是描绘可以用于实现文中描述的控制电路的实施例的部件的方框图。
具体实施方式
射频(RF)发生器，尤其是使用平衡RF放大器的RF发生器如果在其输出的功率当中包含受控过冲的话，那么其将能够在如等离子体处理腔室当中的例如等离子体点火或者重新点火的应用当中发挥更有效的作用，“受控过冲”是指在一时间周期内RF发生器输出超过标称水平的一预定水平的功率。在一些实施例中，受控过冲出现在RF发生器生成的功率脉冲的前沿处。
一种生成这样的受控过冲的有效率并且廉价的方式是将两个DC电源串联起来，从而在期望的时间周期内向RF放大器提供受控的但是高于正常水平的功率，并且接下来使所述DC电源之一与RF放大器断开，从而使所供应的DC功率返回到标称水平。在一些实施例中，所述RF放大器是平衡放大器。
现在参考附图，在这几幅图中始终采用等同的附图标记标示同样或者类似的要素，具体参考图1，其为根据本公开的实施例的等离子体处理系统的方框图。在图1中，等离子体处理系统100包括RF发生器105，其直接或者经由一个或多个匹配网络110间接向等离子体处理腔室115内的等离子体负载输出功率。
图2是根据本公开的实施例的RF发生器105的示意图。在图2中，主DC电源205和辅DC电源210经由半桥电路215与RF功率放大器220电连接。在一些实施例中，主DC电源205和辅DC电源210中的任一者或两者是可变的。在实施例中，所述RF功率放大器可以通过平衡放大器实现，这是本领域技术人员已知的。
半桥电路215包括一对起着开关的作用的晶体管230和235以及一对二极管240和245。在一个实施例中，晶体管230和235是50-V/50-A金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且二极管240和245是所述MOSFET的本征体二极管(intrinsic body diodes)。在其他实施例中，可以省略二极管240和245，例如，如果所述MOSFET被没有本征体二极管的GaN HEMT器件所替代的话。在晶体管230被切换至其“导通”状态并且晶体管235被切换至其“截止”状态时，主DC电源205和辅DC电源210电串联，从而将其组合功率提供给RF功率放大器220。这一开关状态在文中将被称为半桥电路215的“第一开关状态”。在晶体管230被切换至其“截止”状态，并且晶体管235被切换至其“导通”状态时，辅DC电源210与所述电路断开连接，因而只有主DC电源向RF功率放大器220供应功率。这一开关状态在文中将被称为半桥电路215的“第二开关状态”。
可以通过在对应于期望的过冲持续时间的第一时间周期内将半桥电路215置于第一开关状态内而在RF发生器105输出的功率中生成受控过冲。在第二时间周期期间，半桥电路215被置于第二开关状态内，从而使RF发生器105输出的功率返回至标称水平。在一个实施例中，受控过冲出现在功率脉冲的前沿处，并且对应于标称输出功率的第二时间周期紧随所述受控过冲之后(参考下文的图3)。
在图2中所示的实施例中，控制电路225控制半桥电路215的开关状态，以生成期望的受控过冲。如该图中所示，控制电路225与晶体管230和235的栅极电连接，从而按需将所述晶体管切换为“导通”和“截止”。控制电路225包括测量和控制受控过冲的持续时间的定时电路或逻辑(图2中未示出)以及用于驱动晶体管230和235的栅极驱动电路(图2中未示出)。根据具体实施例，控制电路225可以是使用分立部件；执行存储在有形的非易失性机器可读存储介质内的程序指令的微处理器或微控制器；现场可编程门阵列(FPGA)或者其他架构来实现的。
图3是说明根据本公开的实施例的RF发生器105的操作的功率波形图300。在图3中，供应给等离子体处理腔室115的功率脉冲包括具有持续时长tpk的受控过冲305。在时间周期tpk期间，RF发生器105输出比标称功率水平310超出Ppk(所述过冲)的功率。在紧随所述受控过冲305的时间周期tn保持标称功率电平310。因而，时间周期tpk对应于上文联系图2讨论的“第一时间周期”(以及半桥电路215的第一开关状态)，并且时间周期tn对应于上文讨论的“第二时间周期”(以及半桥电路215的第二开关状态)。
如图3所示，RF发生器105输出的功率在各种时间上可以不同于分别对应于受控过冲305和标称功率水平310的输出功率水平。例如，被标为315的功率波形的部分表示与受控过冲305和标称功率水平310的功率水平均不同的功率水平。在其他实施例中，RF发生器105仅输出分别对应于过冲305和标称功率水平310的两种功率水平。换言之，在对应于RF发生器105的输出的功率波形中，时间周期tpk(受控过冲305)和tn(标称功率水平310)的后面可以跟随零个、一个或者一个以上的额外时间周期，在所述额外时间周期内，RF发生器105生成的功率的量不同于在tpk(受控过冲305)和tn(标称功率水平310)两者内生成的功率量。注意，在图3所示的实施例中，受控过冲305出现在功率脉冲的前沿处。此外，图3说明，在一些实施例中，可以使第一、第二及额外时间周期按照预定模式重复，以形成脉冲链。
图4是根据本公开的实施例的用于控制RF发生器105的方法400的流程图。在本实施例中，方法400由控制电路225执行。在块405中，控制电路225通过在时间周期tpk(参考图3)内将半桥电路215置于第一开关状态(参考上文对图2的讨论)内而在RF发生器105的输出功率内生成受控过冲305。在块410中，控制电路225在时间周期tn内通过将半桥电路置于第二开关状态而使输出的功率水平返回至标称功率水平310。
图5是根据本公开的另一实施例的用于控制RF发生器105的方法500的流程图。在块505中，控制电路225将半桥电路215置于第一开关状态内，从而在RF发生器105的功率输出内生成受控过冲305。在这一具体实施例中，不是受控过冲305持续固定时间周期tpk，而是控制电路225监测负载的一个或多个特性(例如，来自等离子体负载的反射的功率)，以识别出所观测的指示受控过冲305应当被终止的一个或多个特性的变化。这一点反映在块510中。例如，在等离子体处理腔室实施例(例如，如图1所示的)中，控制电路225可以通过观测来自等离子体负载的反射的功率的快速下降而检测到等离子体的点火或者重新点火已经发生。在通过这种方式检测到点火或者重新点火时，能够结束受控过冲305。在判决块515中，控制电路225判断所监测的一个或多个特性是否指示等离子体处理腔室115内的等离子体点火已经发生(即，所寻找的将表示点火或者重新点火的特性变化已经发生)。如果否，那么控制电路225继续监测所述一项或多项负载特性。如果是，那么控制电路225在块520中通过将半桥电路215置于第二开关状态内而结束受控过冲305，从而使RF发生器105输出的功率返回至标称功率水平310。
在一个例示性实施例中，在主DC电源205供应160V电轨(rail)和50A电流时，采用平衡RF功率放大器的RF发生器105在第二开关状态内生成6kW。在本实施例中，30-V辅DC电源210足以在受控过冲305持续期间创造40％的RF功率增长。如果有10％的时间需要这一额外功率，那么所需要的来自30-V辅DC电源210的功率仅为大约177W。在这一具体实施例中，辅DC电源210需要与地之间的200V的隔离(假设在一些应用中主DC电源电压能够从160V提高到200V)，并且如果用于对辅DC电源210分流的电容器足够大，那么辅DC电源210只需供应6安培。
联系文中公开的实施例描述的方法可以直接体现在硬件中，可以体现在被编码到非暂态机器可读介质当中的处理器可执行指令中，或者可以体现在两者的组合当中。参考图6，例如，其示出了描绘根据示范性实施例的可以用于实现控制电路225的物理部件的方框图。如图所示，在这一实施例中，显示器部分612和非易失性存储器620耦接至总线622，总线622还耦接至随机存取存储器(RAM)624、处理部分(包括N个处理部件)626、现场可编程门阵列(FPGA)627以及包括N个收发器的收发器部件628。尽管图6所描绘的部件表示物理部件，但是图6并非意在给出详细的硬件图；因而图6描绘的部件中的很多可以是通过常见构造实现的，或者可以分布在额外的物理部件当中。此外，可以设想，可以利用其他现有的以及尚未开发出的物理部件和架构来实施参考图6描述的功能部件。
这一显示器部分612所起的作用在于为用户提供用户界面，并且在几种实施方式中，所述显示器是通过触摸屏显示器实现的。一般而言，非易失性存储器620是非暂态存储器，其功能在于存储(例如，永久性存储)数据和机器可读(例如，处理器可执行)代码(包括与实施文中描述的方法相关联的可执行代码)。在一些实施例中，例如，非易失性存储器620包括引导加载程序代码、操作系统代码、文件系统代码以及非暂态处理器可执行代码，以促进参考文中将进一步描述的图4和图5所述的方法的执行。
在很多种实施方式中，非易失性存储器620是通过闪存存储器(例如，NAND或ONENAND存储器)实现的，但是也可以设想采用其他存储器类型。尽管有可能从非易失性存储器620执行所述代码，但是非易失性存储器620中的可执行代码通常被加载到RAM 624内并由处理部分626中的N个处理部件中的一者或多者执行。
在操作中，与RAM 624连接的N个处理部件一般可以通过操作执行非易失性存储器620中存储的指令，以实现控制电路225的功能。例如，用以实施参考图4和图5描述的方法的非暂态处理器可执行指令可以被永久性地存储到非易失性存储器620内，并由与RAM 624连接的N个处理部件执行。本领域技术人员将认识到，处理部分626可以包括视频处理器、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)和其他处理部件。
此外或者作为替代，现场可编程门阵列(FPGA)627可以被配置为实施文中描述的方法(例如，参考图4和图5描述的方法)的一个或多个方面。例如，非暂态FPGA-配置指令可以被永久地存储在非易失性存储器620内，并且可以被FPGA 627访问(例如，在引导期间)，从而将FPGA 627配置为实施控制电路225的功能。
输入部件可以通过操作接收指示输出功率(例如，图3中所描绘的功率波形)的一个或多个方面的信号(例如，经由传感器在RFPA 220的输出处)。在输入部件处接收到的信号可以包括(例如)电压、电流、正向功率、反射功率和等离子体负载阻抗。输出部件一般通过操作提供一个或多个模拟或数字信号，以实施所述发生器的操作方面。例如，所述输出部分可以将驱动信号选通至晶体管230和235，从而开启和关闭由晶体管230和235形成的导电通路。
所描绘的收发器部件628包括N个收发器链，其可以用于经由无线或有线网络与外部装置通信。所述N个收发器链中的每者可以表示与具体通信方案(例如，WiFi、以太网、Profibus等)相关联的收发器。
提供前文对所公开的实施例的描述是为了使任何本领域技术人员能够做出或者使用本发明。对这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且本文中所限定的一般性原则可以适用于其他实施例，而不脱离本发明的实质和范围。因此，本发明并非旨在局限于文中所示出的实施例，而是将被赋予与文中公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (20)

1.一种射频RF发生器，包括：
RF功率放大器；以及
与所述RF功率放大器电连接从而向所述RF功率放大器供应电功率的直流DC电源，所述DC电源包括：
主DC电源；
辅DC电源；
半桥电路，所述半桥电路在第一开关状态下通过使所述辅DC电源与所述主DC电源电串联连接而向所述RF功率放大器施加功率，并且在第二开关状态下使所述辅DC电源与所述主DC电源电断开，同时从所述主DC电源向所述RF功率放大器施加功率；以及
控制电路，所述控制电路在第一周期内将所述半桥电路置于所述第一开关状态下，并且在第二周期内将所述半桥电路置于所述第二开关状态下，从而贯穿所述第一周期在所述RF发生器生成的功率当中产生受控过冲，
其中，所述第一周期开始于所述RF发生器生成的功率脉冲的前沿，且所述第二周期紧随所述第一周期之后。
2.根据权利要求1所述的RF发生器，其中，所述RF功率放大器是平衡RF功率放大器。
3.根据权利要求1所述的RF发生器，其中，所述主DC电源和所述辅DC电源中的至少之一是可变的。
4.根据权利要求1所述的RF发生器，其中，所述RF发生器直接地或者通过一个或多个匹配网络间接地向等离子体负载供应功率。
5.根据权利要求1所述的RF发生器，其中，所述RF发生器生成的功率当中的受控过冲被用于等离子体点火。
6.根据权利要求1所述的RF发生器，其中，所述第一周期和所述第二周期后面跟随零个、一个或多个额外周期，在所述额外周期期间，所述RF发生器生成与所述第一周期和所述第二周期期间不同的功率量。
7.根据权利要求1所述的RF发生器，其中，所述第一周期、所述第二周期和任何额外周期按照预定模式重复，以形成脉冲链。
8.根据权利要求1所述的RF发生器，其中，所述控制电路被配置为通过观测与所述RF发生器的输出连接的负载的特性的变化而确定所述第一周期。
9.一种射频RF发生器，包括：
RF功率放大器；以及
与所述RF功率放大器电连接从而向所述RF功率放大器供应电功率的直流DC电源，所述DC电源包括：
主DC电源；
辅DC电源；
半桥电路，所述半桥电路在第一开关状态下使所述辅DC电源与所述主DC电源电串联连接，并且在第二开关状态下使所述辅DC电源与所述主DC电源电断开；以及
包括非暂态有形机器可读介质的控制电路，所述非暂态有形机器可读介质被用执行一种方法的指令进行编码，所述方法包括：
在开始于所述RF功率放大器生成的功率脉冲的前沿的第一周期内将所述半桥电路置于所述第一开关状态下，从而贯穿所述第一周期在所述RF发生器生成的功率当中产生用于等离子体点火的受控过冲；以及
在第二周期内将所述半桥电路置于所述第二开关状态下，所述第二周期紧随所述第一周期之后。
10.根据权利要求9所述的RF发生器，其中，所述第一周期和所述第二周期后面跟随零个、一个或多个额外周期，在所述额外周期期间，所述RF发生器生成与所述第一周期和所述第二周期期间不同的功率量。
11.根据权利要求9所述的RF发生器，其中，所述第一周期、所述第二周期和任何额外周期按照预定模式重复，以形成脉冲链。
12.根据权利要求9所述的RF发生器，其中，所述第一周期是固定的。
13.根据权利要求9所述的RF发生器，其中，所述方法进一步包括：
通过观测与所述RF发生器的输出连接的负载的特性的变化而确定所述第一周期。
14.根据权利要求9所述的RF发生器，其中，所述RF发生器直接地或者通过一个或多个匹配网络间接地向等离子体负载供应功率。
15.一种射频RF发生器，包括：
用于放大RF功率的装置；
用于向所述用于放大RF功率的装置供应直流DC功率的装置，所述用于供应DC功率的装置包括用于供应DC功率的主装置和用于供应DC功率的辅装置；
用于切换的装置，其在第一开关状态内使所述用于供应DC功率的辅装置与所述用于供应DC功率的主装置电串联连接，并且在第二开关状态内使所述用于供应DC功率的辅装置与所述用于供应DC功率的主装置电断开；以及
用于对所述用于切换的装置进行控制的装置，其在开始于所述用于放大RF功率的装置生成的功率脉冲的前沿的第一周期内将所述用于切换的装置置于所述第一开关状态下，并且在紧随所述第一周期的第二周期内将所述用于切换的装置置于所述第二开关状态下，从而贯穿所述第一周期在所述RF发生器生成的功率当中产生用于等离子体点火的受控过冲。
16.根据权利要求15所述的RF发生器，其中，所述用于对所述用于切换的装置进行控制的装置被配置为使所述第一周期和所述第二周期后面跟随零个、一个或多个额外周期，在所述额外周期期间，所述RF发生器生成与所述第一周期和所述第二周期期间不同的功率量。
17.根据权利要求15所述的RF发生器，其中，所述用于对所述用于切换的装置进行控制的装置被配置为使所述第一周期、所述第二周期和额外周期按照预定模式重复，以形成脉冲链。
18.根据权利要求15所述的RF发生器，其中，所述第一周期是固定的。
19.根据权利要求15所述的RF发生器，其中，所述用于对所述用于切换的装置进行控制的装置被配置为通过观测与所述RF发生器的输出连接的负载的特性的变化而确定所述第一周期。
20.根据权利要求15所述的RF发生器，其中，所述RF发生器直接地或者通过一个或多个匹配网络间接地向等离子体负载供应功率。
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