CN111357076B - 用于改变发电机的视在源阻抗的方法和装置 - Google Patents

用于改变发电机的视在源阻抗的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于控制连接到负载的发电机的方法，该方法涉及获得与根据参考阻抗(Z？c#191)计算出的正向功率有关的第一测量值(M1)。该方法涉及调节发电机的输出，使得M1趋于第一设定值。该方法还涉及调节第一设定值，以便将常规发电机输出测量的第二测量值(M2)朝向第二设定值调节，其中，根据参考阻抗(Zc)计算出的正向功率等于公式(I)，其中v是参考点处的电压，该参考点可以在发电机和负载输入之间，并且i是参考点处相对于负载流动的电流(例如，朝向负载的电流或朝向发电机的电流的负值)。

Description

用于改变发电机的视在源阻抗的方法和装置
相关申请的交叉引用
本专利合作条约(PCT)申请与2017年10月11日提交的题为“METHOD ANDAPPARATUS FOR CHANGING THE APPARENT SOURCE IMPEDANCE OF A GENERATOR(改变发电机的视在源阻抗的方法和装置)”的美国专利申请No.62/570,693有关并要求其优先权，出于所有目的，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开的各方面涉及发电机的功率控制系统，并且更具体地，可涉及可以改变可以向等离子体负载提供功率的发电机的视在源阻抗的控制系统。
背景
等离子体处理系统在各种产业中广泛用于改变材料的表面特性。例如，现代集成电路的制造通常涉及许多处理步骤，这些处理步骤将等离子体用于蚀刻亚微米特征，或用于沉积原子级薄的材料层。典型的等离子体处理系统包括处理腔室以及功率传输系统，该功率传输系统创建等离子体并将等离子体维持在该腔室内部。在电学上，等离子体向功率传输系统呈现非线性负载。然而，由等离子体向功率传输系统呈现的阻抗通常不是恒定的，而是可以取决于向等离子体传输的功率、气体压力和化学性质以及其他工艺条件或其他变量而变化。
如已充分记载的(例如，参见美国专利9,741,544('544专利))，发电机与非线性负载(例如，等离子体负载)之间的相互作用可能导致不稳定。如在'544专利中所解释的，具有与向发电机呈现的等离子体系统阻抗相匹配的源阻抗的发电机对于等离子体稳定性而言并不总是最优的。对于高度敏感的等离子体系统(其中由等离子体系统向发电机呈现的阻抗根据所施加的功率而急剧改变)，使发电机源阻抗偏移会导致更好的稳定性。'544专利描述了一种用于物理地改变发电机源阻抗以使其从等离子体系统阻抗偏移的方法。在一个示例中，使用不同长度的电缆来改变发电机源阻抗。
尤其是考虑到这些观点，构思并开发了本公开的各方面。
概述
本公开的各方面可以涉及一种用于控制连接到负载(诸如，等离子体腔室以及相关联的等离子体负载)的发电机的方法、系统、装置等。尤其与该方法相关，但也可适用于系统和装置，其涉及调节发电机的输出，使得与根据参考阻抗(Zc)计算出的正向功率有关的第一测量值(M1)趋于M1的第一设定值(S1)。该方法还涉及调节S1，以便将发电机输出的常规测量的第二测量值(M2)朝向M2的第二设定值(S2)调节。根据参考阻抗(Zc)计算出的正向功率等于：
Figure GDA0003985824300000021
其中，v是参考点处的电压，并且i是参考点处相对于负载流动的电流。该方法可以由一个控制器、多个控制器、所述发电机、阻抗匹配网络以及功率传输系统的其他组件来实施。
本公开的各方面还涉及一种用于控制与负载(诸如，等离子体腔室以及相关联的等离子体负载)耦合的发电机的方法、装置、系统等。该方法(以及系统等)涉及接收发电机输出的常规测量的设定值，并控制来自发电机的功率输出，使得：针对所述设定值的缓慢变化以及针对所述负载向所述发电机呈现的阻抗的缓慢变化，发电机输出的常规测量趋于所述设定值，并且针对所述负载向所述发电机呈现的阻抗的快速变化，根据参考阻抗Zc计算出的正向功率趋于保持恒定。根据参考阻抗Zc计算出的正向功率等于：
Figure GDA0003985824300000031
其中，v是参考点处的电压，并且i是参考点处相对于负载流动的电流。
在另一方面，一种控制连接到负载的发电机的方法涉及计算与向负载传输的根据参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的测量值。第一控制器接收用于与根据参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的值的设定值，并且第一控制器调节所述发电机的输出，使得与向负载传输的根据参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的测量值趋于所述设定值。该方法还涉及通过第二控制器接收常规功率设定值和该常规功率值的测量值，该第二控制器可以与第一控制器体现在同一控制单元中，该第二控制器调节第一控制器的所述设定值，以便将常规功率值的测量值朝向常规功率的设定值调节。根据Zc的正向功率等于标量乘以参考点处的电压与Zc乘以在该参考点处从所述发电机流向所述负载或者从所述负载流向所述发电机的电流的和的模平方。
附图简述
根据以下对如在附图中所示出的那些发明概念的特定实施例的描述，本文阐述的本公开的各种特征和优点将是显而易见的。应当注意，附图不一定按比例绘制。然而，替代地，重点放在说明发明概念的原理上。旨在将本文公开的实施例和附图认为是说明性的而非限制性的。
图1是示出向等离子体负载供电的发电机的示意图，该发电机包括用于控制发电机的视在源阻抗的控制系统。
图2示出了用于控制发电机的视在源阻抗的控制系统以及相关联的操作的实施方式。
图3是具有被配置为执行图2中所示功能的计算模块的电子设备的示意图，该电子设备诸如是控制器、发电机、阻抗匹配网络或其他功率系统组件。
图4是具有存储器的计算机系统的示图，该存储器包括被配置为执行图2中所示操作的计算机可读指令。
详细描述
本文描述了一种新型且高效的用于通过改变发电机的视在源阻抗来修改发电机与非线性负载之间的相互作用的方法。在一个示例中，本文描述的系统和方法可以实现与在此通过引用而并入的'544专利中讨论的物理系统相同、相似或更有益的效果，但通过控制手段来实现。当然，本文讨论的控制系统和方法可以与'544专利中讨论的物理方法和系统结合使用。通过控制(无论是单独使用还是与物理手段结合使用)来实现这一点提高了整体系统性能，因为通常，仅在物理上使发电机的源阻抗偏移在一些情况下可能会阻碍发电机传输功率的能力，并且可能会阻碍适应于失配负载的能力。
一般而言，发电机包括控制系统，该控制系统被设计成向负载传输期望水平的正向或传输功率。发电机被设计成向可变或非线性负载(例如，等离子体负载)传输功率，并控制到等离子体负载的正向或传输功率。控制系统还可以限制从负载反射的最大功率。例如，在50Ω的系统中(其中例如，向发电机呈现的标称阻抗为50Ω)，其中v是参考点处的电压，并且i是相同参考点处流向负载的电流，从发电机的角度来看，正向信号a是：
Figure GDA0003985824300000041
并且反射信号b是：
Figure GDA0003985824300000042
通过这些定义，向负载传输的实际功率Pdel是：
Pdel＝|a|2-|b|2。
正向功率Pfwd被定义为：
Figure GDA0003985824300000043
反射功率Prfl被定义为：
Figure GDA0003985824300000051
用于确定用于将传输功率拆分为正向功率和反射功率的参考阻抗的重要参数是以上a和b的定义中i的乘数。可以将因子
Figure GDA0003985824300000052
看作便利值，因此当在等式Pdel＝|a|2-|b|2中计算功率时，无需应用比例因子。
通常，a和b是根据从耦合器或电压电流(vi)传感器获得的信号确定的。作为校准发电机的一部分，确定矩阵，使得利用从传感器获得的相量vf和vr，我们得到：
Figure GDA0003985824300000053
其中，Mc是通过校准发电机获得的矩阵。关于如何实现可以找到a和b的测量系统的细节可以例如在美国专利7,970,562中找到，该专利在此通过引用并入。
根据本公开的各方面，针对不同的参考阻抗Zc，计算前向信号和反射信号的集合。快速的内部回路对根据所计算的参考阻抗Zc计算出的正向功率进行控制。由于根据任意Zc计算出的正向功率不符合任何可识别的正向功率概念(通过适当选择Zc，通过仅根据Zc重新计算正向功率，可使正向功率从实际传输功率改变为∞，并使反射功率从0改变为∞)，因此运行根据可识别的功率概念进行控制的外部回路，可识别的功率概念为诸如传输功率(不管变化的Zc如何变更在正向功率和反射功率之间拆分传输功率的方式，传输功率都保持正确)或者根据常规参考阻抗(诸如为50Ω或75Ω)的正向功率。
为了说明这些概念，考虑向阻抗为52+j5Ω(其中
Figure GDA0003985824300000054
))的负载传输500W的正向功率的发电机。然后我们得到：
Figure GDA0003985824300000061
我们可以为阶段选择i作为我们的参考，因此：
i≈3.0966∠0＝3.0966。
由此：
v≈3.0966(52+j5)＝161.02+j15.48
，并且：
Pdel＝实部(v×i*)≈161.02×3.0966≈498.61W
其中x*表示x的复共轭。
我们还可以将反射功率计算为：
Figure GDA0003985824300000062
并且如预期的，这匹配：
Prfl＝Pfwd–Pdel≈500–498.61＝1.39。
针对任意阻抗Zc，入射信号
Figure GDA0003985824300000063
都为：
Figure GDA0003985824300000064
根据Zc的反射信号
Figure GDA0003985824300000065
为：
Figure GDA0003985824300000066
根据Zc的正向功率PfwdZc为：
Figure GDA0003985824300000071
并且，根据Zc的反射功率PrflZc为：
Figure GDA0003985824300000072
可以证明，有了这些定义，我们仍然有：
Pdel＝PfwdZc-PrflZc。
为了说明，令：
Zc＝62+j83
并在与之前相同的条件下，即，在将根据50Ω计算得到的500W的正向功率传输到52+j5的负载阻抗中的发电机的情况下，计算正向功率和反射功率。我们发现：
Figure GDA0003985824300000073
根据Zc的反射信号，bZc为：
Figure GDA0003985824300000074
Figure GDA0003985824300000075
Figure GDA0003985824300000076
如所预期的，我们仍然具有：
Pdel＝PfwdZc-PrflZc
≈801.8893-303.2796≈498.61。
注意，对于Zc＝62+j83的这种任意选择，将498.61W的传输功率拆分成大约801.89W的正向功率和303.28W的反射功率。在一些实施例中，这说明了为何与可识别的量有关的外部回路是必要的。换句话说，根据50欧姆的500瓦的正向功率是一个已理解的惯例，而本文提出的涉及例如根据62+j83的800瓦的正向功率的概念是全新的概念，并且使用外部回路允许用户或系统控制器根据已理解的惯例来指定发电机的输出。为了进一步说明这一点，可以验证：
1)对于Zc＝ZL*＝52-j5，正向功率等于传输功率(≈498.61W)，且反射功率为零，并且
2)对于106Ω(用于说明的任意选择的设定值)，正向功率约为2397411.07W，且反射功率约为2396912.46W，并且如所预期的，差值仍为实际传输功率或约为498.61W。
注意到以上第一个结果不是偶然的，因为当将功率传输到为Zc*的负载时，v＝Zc*i，因此根据Zc的反射信号为零：
Figure GDA0003985824300000081
该示例说明，仅通过改变用于计算正向功率和传输功率的参考阻抗，就可以将传输功率拆分成从与向负载传输的实际功率相等的值到∞的正向功率和范围从0到∞的反射功率。
控制正向功率，使得根据Zc计算出的正向功率保持恒定的效果如下：
1)在负载Zc*中，反射功率为零，因此在负载Zc*中，传输功率等于根据Zc计算出的正向功率，
2)在除Zc*以外的任何负载中，传输功率均小于到Zc*的传输功率。通过控制系统将根据Zc计算出的正向功率保持恒定的效果是，在控制系统带宽内，发电机看上去好像具有源阻抗Zc。
因此，在控制根据Zc的正向功率的控制系统的带宽内，我们具有表现为具有源阻抗Zc的发电机。控制源阻抗来改变发电机与非线性负载相互作用的方式的优点在'544专利中进行了解释，并且这些优点尤其包括在存在变化的和/或非线性的负载的情况下提高发电机稳定性。
为了实现控制根据任意参考阻抗的正向功率的控制系统，发现，由于：
Figure GDA0003985824300000091
而且，通过定义：
Figure GDA0003985824300000092
，并且
Figure GDA0003985824300000093
我们得到：
Figure GDA0003985824300000094
其中现在，Mc根据vf和vr计算a和b，
Figure GDA0003985824300000095
根据vf和vr计算
Figure GDA0003985824300000096
和
Figure GDA0003985824300000097
因此，在给定校准矩阵Mc和参考阻抗Zc的情况下，可以很容易地计算出新的校准矩阵
Figure GDA0003985824300000098
根据该新的校准矩阵可以找到与Zc有关的入射和反射信号，从而可以找到与Zc有关的正向功率，以便于实现本发明的各方面。
如本文所述，改变发电机的视在源阻抗会改变发电机-非线性负载(等离子体)的相互作用，这对于实现稳定的系统是有用的。它也改变了发电机对负载阻抗的改变作出反应的方式，并且由此还可用于在对进入非线性负载的功率进行脉冲调制或接通该功率时，影响脉冲形状。这种改变例如对于等离子体激发可能是有益的。
图1是耦合到等离子体腔室110的发电机100的示意图，在等离子体腔室110中，等离子体120可以被激发并维持用于各种工业或半导体制造工艺。在一个示例中，该系统可以包括匹配网络150，该匹配网络用于匹配等离子体负载和发电机之间的阻抗。发电机可以产生到负载的射频(RF)功率输出，其可以包括结合图2更详细讨论的控制器130。一般而言，除其他功能外，该控制器控制发电机的视在源阻抗。控制器还可以基于正向功率和反射功率的常规定义(例如，与50Ω有关)来控制向等离子体负载传输的功率。控制器可以是发电机或阻抗匹配网络的一部分，这取决于实现方式。视在源阻抗的变体和常规控制功能可以集成在一个控制器中或者是分开的。也有可能，一个或多个控制器是独立设备，或者以其他方式被集成到电源系统的其他组件中。发电机还可以包括其他组件，诸如DC电源、RF放大器和各种传感器，包括用于测量在参考点或甚至另一点处向负载传输的功率的各种属性的传感器140；在存在这种阻抗匹配网络的情况下，该参考点可以在发电机与处于匹配网络150的任一侧上的负载之间，或者甚至可以在以下点处：通过对这些测量值以及延伸超过该发电机和该负载的假想传输线的假定特性阻抗的数学运算，该点距离该发电机比该负载距离该发电机更远、或者该点距离该负载比该发电机距离该负载更远。
图2示出了控制系统的一个示例，该控制系统用于控制发电机的视在源阻抗，并进一步基于根据发电机的期望视在源阻抗计算出的正向功率来向电源(发电机、功率放大器、转换器、逆变器)200提供控制信号。该系统图还示出了用于控制视在源阻抗的方法。如一上所讨论的，该系统可以包括诸如在美国专利7,970,562中所讨论的传感器240和相关联的测量系统250。传感器和测量系统在参考点255处检测和测量向负载220传输的功率的各个方面。
系统和相关联的方法涉及获得与正向功率(例如，
Figure GDA0003985824300000111
)有关的值(261)，该值是根据向负载传输的参考阻抗(例如，Zc)来计算的。与根据Zc计算的正向功率有关的值可以是与|v+Zci|2成比例或取决于|v+Zci|2的任何值，其中v是参考点255处的电压(例如，在发电机输出或负载的输入处的电压)，i是在参考点处流向负载或发电机的电流。公知的数学变换(例如，使用史密斯图表和朝向负载或发电机的负载反射系数的旋转)可以将参考点移动到任何期望的位置，甚至移动到距离负载比发电机更远的位置或距离发电机比负载更远的点。
可以通过各种方式获得合适的Zc值。在一个示例中，参考'544专利中描述的系统，可以通过改变Zc并且基于对于Zc的不同值的情况下正向和反射电压的测量值来监视振荡来测试各种系统的稳定性。特别地，如果Zc是根据以下公式计算得到的阻抗：
Figure GDA0003985824300000112
并且ρ是幅值固定的复数，而且ρ的角度在0到360度之间变化，则效果类似于在发电机和非线性负载之间插入以发电机的输出频率(负载反射系数的0到360度旋转)在0度延迟到180度延迟之间变化的电缆长度，如'544专利中所述，只要ρ的幅值足够大(例如大于0.3)。随着相位的变化，振荡通常会在低频(通常小于1kHz)振荡和高频(通常大于10kHz)振荡之间切换。如果要找到一个稳定的区域(没有振荡)，则预期在低频振荡和高频振荡之间的边界处找到该区域。但是，这种行为应当有助于使自动搜索Zc的最优设置变得相当容易—在改变设置时可以监控振荡频率，并选择靠近低频振荡和高频振荡之间过渡的设置。如果未找到完全稳定的操作，则选择靠近该过渡但在该过渡的高频侧上的点通常允许系统以可接受的方式运行。当然，还可以查看波形特征(例如过冲和下冲)以确定Zc的最优设置。除了改变ρ的角度外，还可以改变ρ的幅值以寻找使得整个系统稳定或可接受地操作的值。Zc的确定例如可以通过在计算机中实现的算法280来完成。
仍然参考图2，该系统可以包括两个控制器(265、270)。这些控制器可以被集成在一起，并且仅因为它们在整个系统中提供不同功能而在本文中被描述为单独的控件。第一控制器265向电源提供控制输出。第一控制器接收两个输入-来自第二控制器270的设定值和根据Zc的测量出的正向功率(261)。更具体地，第一控制器265从第二控制器270接收设定值，其中该设定值用于与根据参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的测量出的正向值。第一控制器265调整发电机的输出，以使与根据参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的测量值趋于来自控制器270的第二设定值。
第二控制器接收常规的功率控制值。即，第二控制器接收常规设定值277和常规功率值276在参考点255处的测量值。常规功率值可以是电压、电流、实际传输功率、根据常规阻抗(例如50Ω)的正向功率等。使用常规值，第二控制器向第一控制器提供该设定值并调节该设定值，以便将常规功率值的测量值朝向常规功率的设定值调节。常规系统将不具有第一控制器，替代地，第二控制器将向受控电源简单地提供其输出。在本系统和方法中，替代地，第二控制器将其输出作为设定值提供给第一控制器。随后，第一控制器接收与根据Zc计算出的正向功率有关或取决于该正向功率的值的测量值，而不是接收提供给第二控制器的常规功率测量值。例如，如果负载220在参考点255处向发电机呈现的阻抗是60+j10Ω，常规设定值277在该参考点处为200V RMS，Zc为30+j40Ω，并且与正向功率有关的值为
Figure GDA0003985824300000131
那么一旦控制器在设定点处达到稳定状态，第二控制器就将接收为200V RMS的设定值277，并接收为200V RMS的测量值276，并向第一控制器提供为
Figure GDA0003985824300000132
的设定值。
对发电机输出的常规测量进行操作的第二控制器向第一控制器提供控制该发电机输出以使与根据参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的值移动到由第二控制器提供的设定值的设定值的效果如下：发电机遵循常规设定值277的缓慢变化，并且针对由等离子体负载向发电机呈现的负载阻抗的缓慢变化，发电机输出遵循常规设定值。针对由等离子体负载向发电机呈现的负载阻抗的快速变化，发电机趋于使根据参考阻抗Zc计算的正向功率保持恒定。这种行为产生了系统的一些优点。这种行为可以通过控制系统的不同配置来实现。在一个示例中，缓慢变化可以被认为是在频域中具有在低于频率F1(例如，介于0Hz和10Hz之间的F1的值，和在0Hz和10kHz之间)包含一半以上总能量的功率密度频谱的变化，并且快速变化是在频域中在高于F1包含的一半以上总能量的功率密度频谱的变化。
在一个示例中，与根据Zc的正向功率有关的值等于标量乘以参考点处的电压的与Zc乘以在该参考点处相对于负载流动的电流(例如，在该参考点处从发电机流向负载的电流或者流向发电机的电流取负值)的和的模平方。例如，如果Zc是10+j20，v是参考点处的电压，并且i是在参考点处从发电机流向负载的电流，则在该参考点处与根据Zc的正向功率有关的值可以是5|v+(10+j20)i|2。在另一示例中，与根据Zc的正向功率有关的值等于标量乘以参考点处电压的幅值，再加上-Zc乘以在参考点处从负载流向发电机的电流。例如，如果Zc是10+j20，v是参考点处的电压，并且i是在参考点处从负载流向发电机的电流，则在该参考点处与根据Zc的正向功率有关的值可以是|v-(10+j20)i|。在本公开中，与根据Zc的正向功率有关的值是从对v和i的数学运算得到的任何值x，使得在与功率传输系统相关的v和i的那些组合上，对于v和i的不同组合保持x恒定意味着对于v和i的那些相同组合保持
Figure GDA0003985824300000141
恒定。可能与功率传输系统相关的v和i的组合的示例是0.01<|i|<100和0.5|i|<|v|<1000|i|，这可能意味着期望功率传输系统预期将在10mA至100A之间的电流传输至负载，并且负载阻抗的幅值在0.5Ω至1000Ω之间。因此，对
Figure GDA0003985824300000143
进行操作以创建与
Figure GDA0003985824300000144
有关的值的示例包括自乘幂次值(例如，通过自乘为0.5的幂次值来取平方根)，乘以标量以及加上标量。更一般地，可以通过向
Figure GDA0003985824300000145
应用一对一的函数来获得与
Figure GDA0003985824300000146
有关的值。
还应当注意，对于没有相位概念的DC发电机，可以使用相同的原理来改变直流发电机和等离子体负载之间的相互作用。在这种情况下，v、i和Zc为实数，即，取代能选择复参考阻抗，而是限于选择参考阻抗。视在源阻抗的这种变化对于稳定性提高、在脉冲调制期间或在打开或改变设定值(例如功率、电压或电流)时的脉冲整形以及对于电弧处理(发电机如何对负载阻抗的突然变化作出响应)可以是有用的。DC发电机的视在源阻抗可以通过模拟无功源阻抗来进一步修改。例如，由电阻器R与电容器C并联以及与电感L串联的组合组成的源阻抗在控制系统带宽内可以通过用控制系统维持以下恒定来模拟：
Figure GDA0003985824300000142
Zc的值可以改变以实现不同的目标。例如，Zc在发电机的输出的起始处可以具有用于根据时间来控制功率的形状的一个值以增强激发，然后一旦等离子体被激发就切换到不同的值以实现稳定性。对于生成调制波形(例如，在两个不同的功率电平之间进行脉冲调制或以重复周期来重复波形)的发电机，可以与调制波形同步地改变Zc。
转到图3，示出了包括被布置成执行当前公开技术的各种操作的操作单元302-308的电子设备300。设备300的操作单元302-308由硬件或者硬件和软件的组合实现，以执行本公开的原理。本领域技术人员将理解，图3中描述的操作单元302-308可以被组合或分成各子块，以实现本公开的原理，而不是实现中包括的所有单元。因此，本文的描述支持操作单元302-308的任何可能的组合、分离或进一步定义。
在一种实现方式中，电子设备300包括：显示单元302，其被配置为显示诸如图形用户界面之类的信息；处理单元304，其与显示单元302通信；以及，输入单元306，其被配置为从一个或多个输入设备或系统接收数据。本文描述的各种操作可以由处理单元304使用由输入单元306接收到的数据来输出信息以供使用显示单元302来进行显示来实现。控制器可以不包括显示单元。
另外，在一种实现方式中，电子设备300包括实现关于图2描述的操作的单元。例如，操作260和270可以由计算来执行，可以由测量单元508来实现，并且操作406-412可以用单元308来实现。在一些实现方式中，计算单元308还实现用于确定或调整Zc的值的各种操作。
参考图4，提供了具有可以实现本文所讨论的各种系统和方法的一个或多个计算单元的示例计算系统400的详细描述。计算系统400可以适用于一个或多个控制器、测量系统、集成了图2的相同或全部功能的阻抗匹配系统、计算单元以及与图2的系统和方法有关的其他计算或设备。应当理解，这些设备的具体实施方式可以具有不同的可能的具体计算架构，在本文中没有具体讨论所有这些具体计算架构，但是本领域的普通技术人员将理解这些架构。
计算机系统400可以是能够执行计算机程序产品以执行计算机过程的计算系统。数据和程序文件可以输入到计算机系统400，计算机系统400读取文件并执行其中的程序。图4中示出了计算机系统400的一些元件，包括一个或多个硬件处理器402、一个或多个数据存储设备404、一个或多个存储设备408和/或一个或多个端口408-410。另外，本领域技术人员将认识到的其他元件可以被包括在计算系统400中，但是在图4中未明确描绘或在本文中没有进一步讨论。计算机系统400的各个元件可以通过一个或多个通信总线、点对点通信路径或在图4中未明确示出的其他通信方式彼此通信。
处理器402可以包括例如中央处理器(CPU)、微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)和/或一个或多个内部级的高速缓存。可以存在一个或多个处理器402，使得处理器402包括单个中央处理单元、或通常称为并行处理环境的能够执行指令并彼此并行执行操作的多个处理单元。
计算机系统400可以是常规计算机、分布式计算机或任何其他类型的计算机，诸如经由云计算架构使得可用的一个或多个外部计算机。当前描述的技术可选地实现在存储在(一个或多个)数据存储设备404中、存储在(一个或多个)存储器设备406中的软件中，和/或经由端口408-410中的一个或多个进行通信，从而将图4中的计算机系统400转换为用于实现本文描述的操作的专用机器。
一个或多个数据存储设备404可以包括能够存储在计算系统400内生成或采用的数据的任何非易失性数据存储设备，诸如用于执行计算机过程的计算机可执行指令，其可以包括应用程序和管理计算系统400的各个组件的操作系统(OS)的指令。数据存储设备404可以包括但不限于磁盘驱动器、光盘驱动器、固态驱动器(SSD)、闪存驱动器等。数据存储设备404可包括可移动数据存储介质、不可移动数据存储介质、和/或经由有线或无线网络体系结构与这些计算机程序产品(包括一个或多个数据库管理产品、网络服务器产品、应用服务器产品和/或其他另外的软件组件)一起可用的外部存储设备。可移动数据存储介质的示例包括光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘只读存储器(DVD-ROM)、磁光盘、闪存驱动器等。不可移动数据存储介质的示例包括内部磁性硬盘、SSD等。一个或多个存储设备406可以包括易失性存储器(例如，动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)等)和/或非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)、闪存等。
包含用于实现根据当前描述的技术的系统和方法的机制的计算机程序产品可以驻留在数据存储设备404和/或存储设备406中，这些计算机程序产品可以被称为机器可读介质。将意识到，机器可读介质可以包括能够存储或编码指令以执行供机器执行的本公开的任何一个或多个操作，或者能够存储或编码由这样的指令利用或者与这样的指令相关联的数据结构和/或模块的任何有形、非暂时性介质。机器可读介质可以包括存储一个或多个可执行指令或数据结构的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或关联的高速缓存和服务器)。
在一些实施方式中，计算机系统400包括一个或多个端口，诸如输入/输出(I/O)端口408以及用于与其他计算设备、网络设备或车辆设备进行通信的通信端口410。将理解，端口408-410可以被组合或分离，并且计算机系统400中可以包括更多或更少的端口。
I/O端口408可以连接到I/O设备或其他设备，通过I/O端口408将信息输入到计算系统400或从计算系统400输出信息。这些I/O设备可以包括但不限于一个或多个更多的输入设备、输出设备和/或环境换能器设备。
在一种实现方式中，输入设备将诸如人的声音、身体运动、身体触摸或压力等人类产生的信号转换为电信号作为输入数据，经由I/O端口408将其输入到计算系统400中。类似地，输出设备可以将经由I/O端口408从计算系统400接收到的电信号转换成可以被人类感测为输出的信号，例如声音、光和/或触摸。输入设备可以是字母数字输入设备，包括用于经由I/O端口408将信息和/或命令选择传递给处理器402的字母数字和其他键。
在一种实现方式中，通信端口410连接到网络，计算机系统400可以通过该通信端口410接收在执行本文所提出的方法和系统以及传输由此而确定的信息和网络配置改变时有用的网络数据。换句话说，通信端口410将计算机系统400连接到一个或多个通信接口设备，其被配置为通过一个或多个有线或无线通信网络或连接在计算系统400和其他设备之间发送和/或接收信息。这样的网络或连接的示例包括但不限于通用串行总线(USB)、以太网、Wi-Fi、
Figure GDA0003985824300000171
近场通信(NFC)、长期演进(LTE)等。可以经由通信端口410利用一个或多个这种通信接口设备来直接通过点对点通信路径、通过广域网(WAN)(例如，因特网)、通过局域网(LAN)、通过蜂窝(例如，第三代(3G)或第四代(4G))网络、或通过其它通信手段来与一个或多个其他机器通信。此外，通信端口410可以与天线或其他链路通信以用于电磁信号的发送和/或接收。
在示例实现方式中，健康数据、空气过滤数据和软件以及其他模块和服务可以由存储在数据存储设备404和/或存储器设备406上并由处理器402执行的指令来体现。计算机系统400可以与图2中所示的系统集成或以其它方式形成图2中所示的系统的一部分。
图4中所示的系统只是可以采用或根据本公开的方面进行配置的计算机系统的一个可能示例。将理解的是，可以利用存储用于在计算系统上实现当前公开的技术的计算机可执行指令的其他非暂时性、有形计算机可读存储介质。
在本公开中，所公开的方法可以被实现为设备可读的指令集或软件。此外，应当理解，所公开的方法中步骤的特定顺序或层次是示例方法的实例。基于设计偏好，应当理解的是，可以重新排列该方法中步骤的特定顺序或层次，同时保持在所公开的主题之内。随附的方法权利要求以示例顺序呈现了各个步骤的要素，并不一定意味着限于所呈现的特定顺序或层次。
所描述的公开可以被提供为计算机程序产品或软件，其可以包括其上存储有指令的非暂时性机器可读介质，该指令可以用于对计算机系统(或其他电子设备)进行编程以执行根据本公开的过程。机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式(例如，软件、处理应用)存储信息的任何机制。机器可读介质可以包括但不限于磁存储介质、光存储介质；磁光存储介质、只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；可擦除可编程存储器(例如EPROM和EEPROM)；闪存；或适合存储电子指令的其他类型的介质。
尽管已经参考各种实现方式来描述本公开，但是应当理解，这些实现方式是说明性的，并且本公开的范围不限于此。许多变化、修改、添加和改进是可能的。更一般地，已在特定实现方式的上下文中描述了根据本公开的实施例。在本公开的各种实施例中，功能可以是分开的或者以不同的方式组合在块中，或者用不同的术语来描述。这些和其他变化、修改、添加和改进可以落入本公开的范围内。

Claims (61)

1.一种用于控制连接到负载的发电机的方法，包括：
调节所述发电机的输出，其中，响应于调节所述输出，与根据参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的第一测量值M1趋于M1的第一设定值S1；以及
调节S1，以便将发电机输出的常规测量的第二测量值M2朝向M2的第二设定值S2调节。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述参考阻抗Zc计算出的所述正向功率等于：
Figure FDA0003985824290000011
其中，v是参考点处的电压，并且i是所述参考点处相对于所述负载流动的电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，与根据所述参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的第一测量值M1是从对v和i的数学运算得到的任何值x，使得针对与到所述负载的功率传输有关的v和i的所有组合，对于v和i的不同组合保持x恒定意味着对于v和i的那些相同组合保持|v+Zci|恒定。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，与根据所述参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的所述第一测量值M1等于f(|v+Zci|)，其中，f是任何一对一的函数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，发电机输出的常规测量的所述第二测量值M2是电压、电流、传输功率或根据50Ω或75Ω计算出的正向功率之一。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述参考点在所述发电机的输出与所述负载之间。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述参考点在数学上被延伸为距所述发电机比所述负载距所述发电机更远，或者距所述负载比所述发电机距所述负载更远。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，Zc是可调节的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，调节Zc以便提高稳定性。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过将Zc设置为等于下式来建立Zc：
Figure FDA0003985824290000021
其中，ρ是幅值在0到1之间的复数，并且ρ的角度从0°到360°改变，并且其中Zc是基于到所述负载的功率传输中的任何振荡的频率以及基于操作的稳定区域来建立的，在所述操作中，存在振荡频率的急剧变化。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述负载是等离子体负载，并且调节Zc以便提高等离子体激发。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发电机是射频发电机，并且Zc能够取复数值。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发电机是直流发电机，并且Zc被限制为实数值。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，|Zc-Z0|/|Zc+Z0|＞0.3，其中Z0是用于传导功率的同轴电缆的特征阻抗。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，Z0＝50。
16.一种用于控制与负载耦合的发电机的方法，包括：
接收用于发电机输出的常规测量的设定值；
控制来自所述发电机的功率输出，使得：
针对所述设定值的缓慢变化以及针对所述负载向所述发电机呈现的阻抗的缓慢变化，发电机输出的常规测量趋于所述设定值，并且
针对所述负载向所述发电机呈现的阻抗的快速变化，根据参考阻抗Zc计算出的正向功率趋于保持恒定。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，根据参考阻抗Zc计算出的正向功率等于：
Figure FDA0003985824290000031
其中，v是参考点处的电压，并且i是所述参考点处相对于所述负载流动的电流。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述缓慢变化是在频域中具有在低于频率F1包含一半以上总能量的功率密度频谱的变化，并且快速变化是在频域中具有在高于F1包含一半以上总能量的功率密度频谱的变化。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，F1是在10Hz和10kHz之间的值。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，发电机输出的常规测量是电压、电流、传输功率或根据50Ω或75Ω计算出的正向功率之一。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述参考点在所述发电机的输出与所述负载之间。
22.根据权利要求17所述的方法，其中，所述参考点在数学上被延伸为距所述发电机比所述负载距所述发电机更远，或者距所述负载比所述发电机距所述负载更远。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，Zc是可调节的。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，调节Zc以便提高稳定性。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，通过将Zc设置为等于下式来建立Zc：
Figure FDA0003985824290000032
其中，ρ是幅值在0到1之间的复数，并且ρ的角度从0°到360°改变，并且其中Zc是基于到所述负载的功率传输中的任何振荡的频率以及基于操作的稳定区域来建立的，在所述操作中，存在振荡频率的急剧变化。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述负载是等离子体负载，并且调节Zc以便提高等离子体激发。
27.根据权利要求16所述的方法，其中，所述发电机是射频发电机，并且Zc能够取复数值。
28.根据权利要求16所述的方法，其中，所述发电机是直流发电机，并且Zc被限制为实数值。
29.根据权利要求16所述的方法，其中，|Zc-Z0|/|Zc+Z0|＞0.3，其中，Z0是用于传导功率的同轴电缆的特征阻抗。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，Z0＝50。
31.一种电源，包括：
发电机；
第一控制器，将第一设定值S1用于与根据参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的值以及与根据所述参考阻抗Zc计算出的所述正向功率有关的值的测量值M1，所述第一控制器调节所述发电机的输出，使得M1趋于S1；以及
第二控制器，将第二设定值S2用于发电机输出的常规测量以及发电机输出的所述常规测量的测量值M2，所述第二控制器调节所述第一控制器的所述第一设定值S1，以将M2朝向S2调节。
32.根据权利要求31所述的电源，其中，根据参考阻抗Zc计算出的所述正向功率等于：
Figure FDA0003985824290000041
其中，v是参考点处的电压，并且i是所述参考点处相对于负载流动的电流。
33.根据权利要求31所述的电源，进一步包括：
测量系统，所述测量系统提供与根据所述参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的测量值M1以及发电机输出的所述常规测量的测量值M2。
34.根据权利要求32所述的电源，其中，与根据所述参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的值是从对v和i的数学运算得到的任何值x，使得针对与到所述负载的功率传输有关的v和i的所有组合，对于v和i的不同组合保持x恒定意味着对于v和i的那些相同组合保持|v+Zci|恒定。
35.根据权利要求32所述的电源，其中，与根据所述参考阻抗Zc计算出的正向功率有关的值等于f(|v+Zci|)，其中，f是任何一对一的函数。
36.根据权利要求31所述的电源，其中，发电机输出的所述常规测量是电压、电流、传输功率或根据50Ω或75Ω计算出的正向功率之一。
37.根据权利要求32所述的电源，其中，所述参考点在所述发电机的输出与所述负载之间。
38.根据权利要求32所述的电源，其中，所述参考点在数学上被延伸为距所述发电机比所述负载距所述发电机更远，或者距所述负载比所述发电机距所述负载更远。
39.根据权利要求32所述的电源，其中Zc是可调节的。
40.根据权利要求39所述的电源，其中，调节Zc以便提高稳定性。
41.根据权利要求40所述的电源，其中，通过将Zc设置为等于下式来建立Zc：
Figure FDA0003985824290000051
其中，ρ是幅值在0到1之间的复数，并且ρ的角度从0°到360°改变，并且基于到所述负载的功率传输中的任何振荡的频率以及基于操作的稳定区域来建立的，在所述操作中，存在振荡频率的急剧变化。
42.根据权利要求39所述的电源，其中，所述负载是等离子体负载，并且调节Zc以便提高等离子体激发。
43.根据权利要求31所述的电源，其中，所述发电机是射频发电机，并且Zc能够取复数值。
44.根据权利要求31所述的电源，其中，所述发电机是直流发电机，并且Zc被限制为实数值。
45.根据权利要求31所述的电源，其中，|Zc-Z0|/|Zc+Z0|＞0.3，其中，Z0是用于传导功率的同轴电缆的特征阻抗。
46.根据权利要求45所述的电源，其中，Z0＝50。
47.一种耦合到负载的电源，包括：
发电机；
用于控制所述发电机的控制器，其中所述控制器接收用于发电机输出的常规测量的设定值，并控制来自所述发电机的功率输出，使得：
针对所述设定值的缓慢变化以及针对所述负载向所述发电机呈现的阻抗的缓慢变化，发电机输出的常规测量趋于所述设定值，并且
针对所述负载向所述发电机呈现的阻抗的快速变化，根据参考阻抗Zc计算出的正向功率趋于保持恒定。
48.根据权利要求47所述的电源，其中，根据参考阻抗Zc计算出的正向功率等于：
Figure FDA0003985824290000061
其中，v是参考点处的电压，并且i是所述参考点处相对于所述负载流动的电流。
49.根据权利要求47所述的电源，其中，所述缓慢变化是在频域中具有在低于频率F1包含一半以上总能量的功率密度频谱的变化，并且快速变化是在频域中具有在高于F1包含一半以上总能量的功率密度频谱的变化。
50.根据权利要求49所述的电源，其中，F1是在10Hz和10kHz之间的值。
51.根据权利要求47所述的电源，其中，发电机输出的常规测量是电压、电流、传输功率或根据50Ω或75Ω计算出的正向功率之一。
52.根据权利要求48所述的电源，其中，所述参考点在所述发电机的输出与所述负载之间。
53.根据权利要求48所述的电源，其中，所述参考点在数学上被延伸为距所述发电机比所述负载距所述发电机更远，或者距所述负载比所述发电机距所述负载更远。
54.根据权利要求47所述的电源，其中Zc是可调节的。
55.根据权利要求54所述的电源，其中，调节Zc以便提高稳定性。
56.根据权利要求55所述的电源，其中，通过将Zc设置为等于下式来建立Zc：
Figure FDA0003985824290000071
其中，ρ是幅值在0到1之间的复数，并且ρ的角度从0°到360°改变，并且基于到所述负载的功率传输中的任何振荡的频率以及基于操作的稳定区域来建立的，在所述操作中，存在振荡频率的急剧变化。
57.根据权利要求54所述的电源，其中，所述负载是等离子体负载，并且调节Zc以便提高等离子体激发。
58.根据权利要求47所述的电源，其中，所述发电机是射频发电机，并且Zc能够取复数值。
59.根据权利要求47所述的电源，其中，所述发电机是直流发电机，并且Zc被限制为实数值。
60.根据权利要求47所述的电源，其中，|Zc-Z0|/|Zc+Zo|＞0.3，其中，Z0是用于传导功率的同轴电缆的特征阻抗。
61.根据权利要求60所述的电源，其中，Z0＝50。
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