CN110504761B - 用于等离子体电源的共振网络及用于等离子体发生器的电力供应装置 - Google Patents

用于等离子体电源的共振网络及用于等离子体发生器的电力供应装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及用于等离子体电源的共振网络及用于等离子体发生器的电力供应装置，所述等离子体电源的共振网络连接在电源部和输出部之间，该共振网络可包括与所述电源部串联连接的共振电感(Lr)；与所述输出部并联连接且与所述共振电感(Lr)串联连接的共振电容(Cr)；以及与所述输出部和所述共振电感(Lr)串联连接且与所述共振电容(Cr)并联连接的无源元件。

Description

用于等离子体电源的共振网络及用于等离子体发生器的电力 供应装置
技术领域
本发明涉及等离子体装置，更为具体而言，涉及一种用于等离子体电源的共振网络及利用该共振网络的用于等离子体发生器的电力供应装置。
背景技术
目前，为了制作等离子体装置中所需的高频电源，使用容易输出恒定电流的共振型电力变换装置。这种电力变换装置通常利用频率控制法，对输出电流进行控制，但是，对于等离子体负荷，由于与输出电流成反比例地变化的等离子体负荷的电阻值，一般地，不能利用频率控制法控制输出电流。为了解决该问题，对于用于等离子体负荷的共振型转换器，通过利用图6的LC共振网络构建系统后，无需考虑负荷的电阻值，便可在具有一定的输出电流的共振频率中运用该系统。
此外，包括共振型转换器的等离子体电力变换装置最近在半导体设备和环境净化装置等中使用，随着其适用范围的扩大，要求在各种范围中控制输出电流，等离子体电力变换装置为了在满足这种要求条件的同时为了避免漏失(drop-out)，在共振频率中进行相移控制。
然而，为了进行相移控制且控制更广范围的输出电流，在设计共振网络时，需要考虑零电压开关(ZVS：Zero Voltage Switching)的工作区域，但是，LC共振网络结构的共振型转换器由于等离子体发生器导致Llkg的设计受限，零电压开关(ZVS：Zero VoltageSwitching)工作很难在具有LC共振网络的输出电流范围的设计范围中的低电流中进行。
此外，当很难进行零电压开关(ZVS)工作时，由于电源装置的开关受到很大的压力，将会影响系统的安全性。
发明内容
【技术问题】
本发明的目的在于，为了满足上述要求，提出一种可在更广范围的输出电流中进行零电压开关(ZVS：Zero Voltage Switching)工作的用于等离子体电源的共振网络及用于等离子体发生器的电力供应装置。
【解决技术的手段】
本发明实施例涉及的用于等离子体电源的共振网络，该共振网络连接在电源部及输出部之间，该共振网络可包括：共振电感Lr，其与所述电源部串联连接；共振电容Cr，其与所述输出部并联连接，且与所述共振电感Lr串联连接；以及无源元件，其与所述输出部和所述共振电感Lr串联连接，且与所述共振电容Cr并联连接。
这种情况下，还可包括附加电感L1kg，其与所述无源元件和所述输出部串联连接。
此外，所述无源元件可由电容C构成以确定所述电源部的零电压开关(ZVS：ZeroVoltage Switching)区域。
此外，所述无源元件的电容的元件值小于所述共振电容Cr的元件值。
此外，具有基于所述无源元件可调节所述电源部的电压、电流的大小及共振频率的相位差的结构。
此外，可控制所述共振频率的相移，且基于所述相移的控制可调节所述电源部的电压。
另外，本发明的实施例涉及的用于等离子体发生器的电力供应装置，该电力供应装置用于向等离子体发生器内点火等离子体，该电力供应装置可包括：电源部；变压器，其包括连接在所述等离子体发生器的铁氧体磁心及缠绕在所述铁氧体磁心上的第一线圈；以及所述共振网络，其连接在所述电源部和所述第一线圈之间；所述共振网络包括：共振电感Lr，其与所述电源部串联连接；共振电容Cr，其与所述第一线圈并联连接，且与所述共振电感Lr串联连接；以及无源元件，其与所述第一线圈和所述共振电感Lr串联连接，且与所述共振电容Cr并联连接。
这种情况下，还可包括附加电感L1kg，其与所述无源元件和所述输出部串联连接。
此外，所述无源元件可由电容C构成以确定所述电源部的零电压开关(ZVS：ZeroVoltage Switching)区域。
此外，所述电源部包括整流器和反相器，具有基于所述无源元件可调节所述反相器的电压、电流的大小及共振频率的相位差的结构。
此外，可控制所述共振频率的相移，且基于所述相移的控制可调节所述电源部的电压。
【发明的效果】
如上所述，本发明一实施例涉及的用于等离子体电源的共振网络及利用该共振网络的用于等离子体发生器的电力供应装置，在共振频率中利用相移方法，可通过控制输出电流以避免发生漏失(drop-out)现象。
此外，通过在用于等离子体电源的共振网络中新增无源元件，基于无源元件调节反相器的电压、电流或者共振频率的相位差等，由此，可在更广范围的输出电流中进行零电压开关(ZVS：Zero Voltage Switching)工作。当然，本发明的范围并不受限于所述效果。
附图说明
图1是用于说明本发明实施例涉及的用于等离子体电源的共振网络的图。
图2是用于说明本发明另一实施例涉及的用于等离子体电源的共振网络的图。
图3是本发明实施例涉及的用于等离子体发生器的电力供应装置的图。
图4是图示在等离子体负荷中控制频率时作为问题的漏失现象的曲线图。
图5是在控制用于等离子体的电源装置的相移时，图示基于相移程度的反相器输出电流的大小变换的曲线图。
图6是现有技术的LC共振网络的电路图。
图7a和图7b是用于说明LC共振网络的输出电流和共振频率的相位差的曲线图。
图8a和图8b是用于说明本发明实施例涉及的用于等离子体电源的共振网络的输出电流和共振频率的相位差的曲线图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明实施例进行详细说明如下。但是本发明不是用于限制以下公开的实施例，而是用于以不同的各种形态实现，以下的实施例可使本发明的公开更加完全，为了使发明的范畴更加完全而向本技术领域具有一般技术知识的技术人员提供。而且，为了便于说明，附图中构成要素的尺寸可能会被放大或者缩小。
此外，以下的实施例是为了向本技术领域的具有一般技术的技术人员充分地说明本发明而提供的，可具有各种其他形式的变形，本发明的范围不应受限于以下记载的实施例。
此外，在以下的实施例中使用的例如“包括”或者“具有”等用语是指说明书中记载的特征或者组成要素的存在，而非预先排斥可附加一个以上其他特征或者组成要素附加的可能性。
以下参照图1，对本发明实施例涉及的用于等离子体电源的共振网络进行说明。
参照图1，本发明的用于等离子体电源的共振网络120可包括共振电感141、Lr、共振电容142、Cr及无源元件123。
更为具体地，本发明的用于等离子体电源的共振网络120连接在电源部110与输出部122之间，可包括LC共振网络电路600，所述LC共振网络电路600具有与共振电容142、Cr串联连接的共振电感141、Lr。此时，共振电感141、Lr与电源部110串联连接，共振电容142、Cr与输出部122并联连接，且可与共振电感141、Lr串联连接，并可形成低通滤波器(Low PassFilter，LPF)。
另外，本发明的用于等离子体电源的共振网络120可在LC共振网络600中包括无源元件123。更加详细地，无源元件123可与输出部122和共振电感141、Lr串联连接，可与共振电容142、Cr并联连接。
例如，无源元件123可由电容C构成，无源元件123的电容C可以小于共振电容142、Cr的元件值的形式构成。
更详细地，本发明的用于等离子体电源的共振网络120基于无源元件123可调节电源部110的电压或者电流及共振频率的相位差。
此外，由于基于无源元件123调节电源部110，例如反相器的电压或者电流及共振频率的相位差，即使在低于LC共振网络600的输出电流中，共振频率的相位差也可增大，同时即使共振频率的相位差增大也可使零电压开关(ZVS)工作。有关这方面的详细说明，在以后的图7a至图8b中进行详细说明。
图2是用于说明本发明另一实施例涉及的用于等离子体电源的共振网络的图。
参照图2，电源部110可包括整流器113和反相器115，用于等离子体电源的共振网络120的前端可与电源部110的反相器115接触。输出部122可包括变压器125，并连接在共振网络120的后端且中间夹有附加电感143、Llkg。
另外，附加电感143、Llkg可以是寄生电感，这种情况下，附加电感143、Llkg也可被理解为是用于等离子体电源的共振网络120的组成。这种情况下，附加电感143、Llkg可被理解为与电容123C串联连接。这种情况下，共振网络120可形成LCCL网络结构。
图3是本发明实施例涉及的用于等离子体发生器的电力供应装置的图。
参照图3，等离子体电力供应装置100可包括电源部110、用于等离子体电源的共振网络120及变压器125。此时，电源部110可包括整流器113和反相器115。
这种情况下，图3中作为一实施例，以环形磁路(toroidal)现象的等离子体供给源作为例子进行说明。电源部110中虽然包括整流器113和反相器115，但是电源部110基于系统设计者可进行各种结构变形。
等离子体电力供应装置100作为用于向等离子体发生器130内点火等离子体并传递能量的构成，等离子体电力供应装置100的能量可点火等离子体或者可生成等离子体，所述等离子体通过经由等离子体发生器130的气体及变压器而诱导连接。
此时，变压器125包括铁氧体磁心和第一线圈。铁氧体磁心以与等离子体放电通道锁交且其身体的一部分被围绕的形式安装，第一线圈可用于缠绕所述铁氧体磁心而提供。
另外，等离子体发生器130作为等离子体源，具有用于收容可变为等离子体的气体(Ar或者O2)的身体，身体的一个或者一个以上的侧面暴露在处理腔133面前，基于等离子体产生的带电粒子可与待处理物质直接接触。
此时，电流由等离子体发生器130内的气体诱导，并诱发等离子体的点火，一旦生成等离子体，等离子体用于激发其它源气体，并可生成期望的反应气体。
另外，本发明的用于等离子体发生器的电力供应装置为了防止如图4的漏失现象，在共振频率中进行相移控制，通过图4将对漏失现象进行说明。
图4是图示在等离子体负荷中控制频率时作为问题的漏失现象的曲线图。
漏失(drop-out)现象300是指由于气体不能持续地供应一定以上的能量而不能维持等离子体的现象。等离子体点火后的电阻值具有与导入等离子体发生器的电流成反比例的特征，由于这种特征，在等离子体负荷中使用共振型电力供应装置时，将发生漏失现象300。
当发生漏失(Drop-out)现象300时，半导体制造工艺中蚀刻、清洗等工艺中将会发生问题，需要重新启动等离子体发生装置，从而存在损失时间的问题，为了防止所述的漏失现象300，本申请发明中，在共振频率中控制相移。
此时，在共振频率中控制用于等离子体的电源装置的相移时，可减小基本波的大小，这部分内容将通过图5进行说明。
图5是在控制用于等离子体的电源装置的相移时，图示基于相移程度的反相器输出电流的大小变换的曲线图。
参照图5，当控制用于等离子体的电力供应装置的相移时，反相器的输出电压逐渐变小。更详细地，如反相器输出电压的曲线图，相比于0～π的区间，在π～2π的区间减小，当控制该相移时，反相器的输出电压逐渐变小，与其对应的基本波的大小变小，基于变小的基本波负荷侧电流(I plasma)的大小减小。
因此，在用于等离子体发生器的电源装置中，当进行相移控制时，可控制基本波的大小。
另外，在本发明的共振频率中，基于用于等离子体发生器的电力供应装置100的相移角度的反相器基本波减少量可计算，如[数学公式1]。
【数学公式1】
Vo.inv.1：反相器输出电压
图6是现有技术的LC共振网络的电路图。
参照图6，现有技术的LC共振网络600可包括与电源部串联连接的共振电感Lr及与输出部并联连接且与共振电感Lr串联连接的共振电容Cr。
此时，对于包含LC共振网络600的等离子体电力供应装置，为了防止漏失，虽然在共振频率中执行相移控制，但是对于LC共振网络600结构的共振型转换器，由于附加电感L1kg的设计受等离子体发生器的限制，在具有较广的输出电流范围的设计标准中的低电流中，发生LC共振网络600不能执行零电压开关(ZVS：Zero Voltage Switching)工作的问题。
由此，本申请发明为了在输出电流的低电流中可进行零电压开关(ZVS)工作，提出了在用于等离子体电源的共振网络120中新增无源元件123，更详细地，参照图7a、图7b、图8a及图8b，通过比较LC共振网络600，对本申请发明的用于等离子体电源的共振网络120的输出电流和共振频率相位差进行说明。
参照图7a和图7b，LC共振网络600中反相器的低输出电流(例如35A)中，只在18度相位差对应的区域上可进行零电压开关(ZVS)工作。
这种情况下，如果LC共振网络600中采用更大的共振频率的相位差，则由于不能进行零电压开关(ZVS)工作，在低输出电流中产生对零电压开关(ZVS)操作的局限，当不能进行零电压开关(ZVS)时，等离子体电力供应装置的开关将承受巨大的压力，可能会发生对系统安全性造成影响的问题。
因此，本发明的用于等离子体电源的共振网络120通过在LC共振网络600中新增无源元件123，并基于无源元件123调节反相器的电压或者电流及共振频率的相位差，在与LC共振网络600相同的低电流输出电压(35A)中可使用更大的相位差，同时可进行零电压开关(ZVS)工作。
更详细地，参照图8a和图8b，本发明的用于等离子体电源的共振网络120在与LC共振网络600相同的低输出电压(35A)中，基于无源元件123调节共振频率的相位差，即使在55度的相位差中仍能进行零电压开关(ZVS)工作。
因此，本发明的用于等离子体电源的共振网络120相比于LC共振网络600，由于在大于18度相位差的55度的相位差中，仍能进行零电压开关(ZVS)工作，因此，相比于LC共振网络600，可在更广的输出电流范围中进行零电压开关(ZVS)工作。
另外，LC共振网络600的输出电流大小虽然与用于等离子体电源的共振网络120的输出电流大小相同，但对于用于等离子体电源的共振网络120的相位差大于LC共振网络的相位差的理由，可将通过[数学公式2]至[数学公式5]进行说明。
现有技术的LC共振网络600的输出电流大小可计算，如[数学公式2]。
【数学公式2】
此外，本发明的用于等离子体电源的共振网络120的输出电流大小可计算，如[数学公式3]。
【数学公式3】
在此，当计算LC共振网络600和用于等离子体电源的共振网络120的输出电流时，可知[数学公式2]和[数学公式3]的频率区域中的输出电流大小相同。
然而，LC共振网络600的电流相位差可计算，如[数学公式4]，
【数学公式4】
用于等离子体电源的共振网络120的电流相位差可计算，如[数学公式5]，
【数学公式5】
对此进行比较可知，如[数学公式2]和[数学公式3]，虽然计算出的LC共振网络600和用于等离子体电源的共振网络120的频率区域中的输出电流相同，但是相比于LC共振网络600，用于等离子体电源的共振网络120的电流相位差更大。
因此，当本申请发明的输出电流与现有的LC共振网络600的输出电流相同时，由于计算结果，共振频率的相位差大于LC共振网络，因此本申请发明中提出的用于等离子体电源的共振网络600相比于LC共振网络120可扩大零电压开关(ZVS)区域。
这种情况下，为了扩大零电压开关(ZVS)区域，需要对本申请发明中应用的[数学公式3]和[数学公式5]进行数学公式的分析。此时，对于数学公式的分析要求本发明所属技术领域的一般技术人员，即需要充分理解共振网络，又需要理解等离子体负荷有关的内容。
另外，现有的数学公式可通过复杂的5次以上的多项式构成，本申请发明中采用的[数学公式3]和[数学公式5]的数学公式基于只限于使用共振频率的网络，将5次方程式转换为简单的公式，因此，计算数学公式时变得十分容易。
本发明虽然参照附图中图示的一实施例进行了说明，但这仅仅是用于举例说明，仅此而已。对于本技术领域具有一般技术知识的技术人员而言，应该明白还可存在各种变形及等同的其他实施例。因此，本发明的范围不应该局限于所述实施例，而应该包括专利权利要求书以及与权利要求书等同的内容。
【附图标识的说明】
110：电源部
113：整流器
115：反相器
120：用于等离子体电源的共振网络
123：无源元件

Claims (7)

1.一种用于等离子体电源的共振网络，该共振网络连接在电源部与输出部之间，其特征在于，该共振网络包括：
共振电感(Lr)，其与所述电源部串联连接；
共振电容(Cr)，其与所述输出部并联连接，且与所述共振电感(Lr)串联连接；以及
无源元件，其与所述输出部和所述共振电感(Lr)串联连接，且与所述共振电容(Cr)并联连接；
其中，所述无源元件由电容(C)构成以扩大所述电源部的零电压开关(ZVS：ZeroVoltage Switching)区域；
所述无源元件的电容的元件值小于所述共振电容(Cr)的元件值；
所述电源部的共振频率的相位差由所述无源元件的电容调节。
2.如权利要求1所述的用于等离子体电源的共振网络，其特征在于，
还包括附加电感(L1kg)，其与所述无源元件和所述输出部串联连接。
3.如权利要求1所述的用于等离子体电源的共振网络，其特征在于，
可控制所述共振频率的相移，且基于所述相移的控制可调节所述电源部的电压。
4.一种用于等离子体发生器的电力供应装置，该电力供应装置用于向等离子体发生器内点火等离子体，其特征在于，该电力供应装置包括：
电源部；
变压器，其包括连接在所述等离子体发生器的铁氧体磁心及缠绕在所述铁氧体磁心上的第一线圈；以及
共振网络，其连接在所述电源部和所述第一线圈之间；
所述共振网络包括：
共振电感(Lr)，其与所述电源部串联连接；
共振电容(Cr)，其与所述第一线圈并联连接，且与所述共振电感(Lr)串联连接；以及
无源元件，其与所述第一线圈和所述共振电感(Lr)串联连接，且与所述共振电容(Cr)并联连接；
其中，所述无源元件由电容(C)构成以扩大所述电源部的零电压开关(ZVS：ZeroVoltage Switching)区域；
所述无源元件的电容的元件值小于所述共振电容(Cr)的元件值；
所述电源部的共振频率的相位差由所述无源元件的电容调节。
5.如权利要求4所述的用于等离子体发生器的电力供应装置，其特征在于，
还包括附加电感(L1kg)，其与所述无源元件和输出部串联连接。
6.如权利要求4所述的用于等离子体发生器的电力供应装置，其特征在于，
所述电源部包括整流器和反相器。
7.如权利要求4所述的用于等离子体发生器的电力供应装置，其特征在于，
可控制所述共振频率的相移，且基于所述相移的控制可调节所述电源部的电压。
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