CN116157997A - 射频功率发生器和控制方法 - Google Patents

Abstract

一种功率发生器包括多个放大器块和组合器。所述放大器块中的每一个包括一个或多个放大器，并且所述组合器将从所述放大器块输出的调制的功率信号进行组合以生成负载的RF功率信号。控制所述放大器块以基于相位角使所述调制的功率信号异相。所述放大器块中的一些可以执行离散调制以生成所述调制的功率信号中的相应一个调制的功率信号。所述离散调制包括选择所述放大器块中的一个或多个中的所述放大器的不同组合，从而以离散阶跃改变所述RF功率信号。在实施例中，所述放大器可以是射频功率放大器。

Description

射频功率发生器和控制方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年7月31日提交的美国临时申请号63/059,532和于2020年9月30日提交的美国临时申请号63/085,432的在35U.S.C.§119(e)下的权益，这些申请的内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本文描述的一个或多个实施例涉及功率生成。

背景技术

对于许多工业应用，功率放大器在可变负载阻抗、高频率范围、以及高功率电平和峰均功率比下工作。这种应用的示例是用于半导体处理的等离子体生成。现有的功率发生器不能以不限制或以其他方式不利地影响等离子体发生器的操作或它们自己的操作的方式执行。例如，现有的功率发生器牺牲效率以便满足其他度量。这增加了尺寸和额定功率，并且导致差的峰值和平均功率效率、以及其他限制。

发明内容

本文描述的一个或多个实施例提供了一种具有独特系统架构和功率控制方法的射频(RF)功率发生器。

根据一个或多个实施例，一种功率发生器包括多个放大器块、以及组合器，每个放大器块包括一个或多个放大器，所述组合器用于对从所述多个放大器块输出的调制的功率信号进行组合以生成负载的RF功率信号。所述多个放大器块被配置为基于相位角使所述调制的功率信号异相。所述多个放大器块中的每个放大器块被配置为执行离散调制以生成所述调制的功率信号中的相应的一个调制的功率信号。所述离散调制包括选择所述多个功率放大器的不同组合从而以离散阶跃改变所述RF功率信号以对应于对负载功率的改变。在实施例中，所述放大器可以是RF功率放大器。

根据一个或多个实施例，一种用于管理功率的方法包括从第一放大器块生成第一调制的功率信号，从至少第二放大器块生成第二调制的功率信号，基于相位角使所述第一调制的功率信号和所述第二调制的功率信号异相，以及基于所述异相的第一调制的功率信号和所述异相的第二调制的功率信号来生成用于负载的RF功率信号。生成所述第一调制的功率信号包括切换所述第一放大器块中的多个放大器的不同组合，并且生成所述第二调制的功率信号包括切换所述第二放大器块中的多个放大器的不同组合。在实施例中，所述放大器可以是RF功率放大器。

附图说明

如附图所示，根据实施例的以下更详细描述，前述和其他目的、特征和优点将是显而易见的，在附图中相似附图标记贯穿不同视图指示相同部分。附图不一定是按比例的，而是将重点放在说明实施例的原理。

图1是射频(RF)功率发生器的框图。

图2是RF功率发生器的框图。

图3A至图3C是具有经由一个或多个组合器组合的输出的放大器的各种实施例的一系列示意图。

图4是切换模式功率放大器(PA)的示意图。

图5是多逆变器离散回退(MIDB)块(诸如图2或图6所示的MIDB块)的示例RF输出电压波形的电压与时间的曲线图。

图6是具有两个MIDB功率放大器(PA)的RF功率发生器的框图。

图7是阻抗变换器的示例实施例的示意图。

图8是用于PA的离散漏极调制电路的示例实施例的示意图。

图9A-图9C是图示用于生成RF功率信号的方法的一系列流程图。

图10是MIDB块输出电压与负载电压的曲线图(电压矢量图)。

图11是由MIDB块(图6中的Y_A和Y_B)看到的作为用于评估性能和功率管理的导纳的示例的未补偿负载导纳曲线的曲线图。

图12是MIDB系统的实施例的效率与输出功率的曲线图。

图13是图示对异相角的阶跃的动态响应的电压与时间的曲线图。

图14是图示对MIDB配置中的阶跃的动态响应的电压与时间的曲线图。

图15是示出一个或多个实施例的示例性能度量的电压与时间的曲线图。

具体实施方式

本文描述的一个或多个实施例提供了满足各种应用的功率要求的射频(RF)功率发生器。遍及各种实施方式，可以组合以下特征中的一个或多个：(1)将来自多个放大器块的功率信号异相(outphasing)以便快速响应的(并且如果需要，连续)功率生成，(2)将多个放大器块中的每个放大器块配置为包括多个放大器，(3)将多个放大器块中的每个放大器块配置为包括多个切换模式功率放大器，(4)通过切换(或选择)每个块中的放大器的不同组合来调制功率信号，以在RF功率信号的电压中产生离散阶跃，和/或(5)执行放大器块的电源电压的离散漏极调制，以产生高效率操作功率范围。

在一个实施例中，RF功率发生器可以用于为负载供电，该负载包括在半导体芯片制造工艺期间使用的类型的等离子体发生器。在其他实施例中，RF功率发生器可以为其他类型的负载供电，包括在各种功率范围内操作的负载，例如，不具有等离子体发生器的相同功率范围和性能要求的负载。此外，可以动态地执行RF功率信号中的离散阶跃改变，以满足随时间改变负载的功率要求。在一些实施例中，可以包括阻抗变换器以解决由改变负载阻抗引起的任何匹配问题和/或由在离散调制期间切换放大器块中的功率放大器的不同组合引起的阻抗改变。

图1示出了RF功率发生器1的实施例，其包括用于生成用于预期应用的功率的各个阶段。如上所述，一种应用可以是工业应用，诸如在半导体制造工艺中为等离子体发生器生成功率。其他应用可以是各种类型的通信和天线系统、雷达系统和微波腔谐振器以及其他。

参考图1，RF功率发生器1包括放大器级10、功率组合器30和阻抗变换器40。放大器级包括输出调制的功率信号的N个放大器块(其中N≥2)，调制的功率信号被组合以生成用于负载的输出RF功率信号。N个放大器块中的每一个包括多个功率放大器，所述多个功率放大器被选择性地切换(例如，选择或激活)以生成预定的功率块电压。将讨论第一放大器块的示例，其中应理解N个放大器块中的其余放大器块可以以相同或类似的方式配置。在其他实施例中，放大器块可以具有不同的结构和/或功能配置。

第一放大器块20₁包括并联布置的多个功率放大器PA。为了方便起见，在框20₁中仅详细示出了一个功率放大器21，其中应理解，可以类似地配置框中的其余一个或多个功率放大器。在一个实施例中，每个块中的功率放大器可以具有以切换模式而不是线性模式操作的逆变器配置。

功率放大器21可以包括单独提供或与一个或多个其他晶体管和/或电路元件一起提供的功率晶体管。功率晶体管可以是例如具有固定或可调节增益、预定带宽、功率效率和阻抗的MOSFET。在一些实施方式中，RF放大器可以是D类放大器、E类放大器、Phi类放大器或另一种类型的放大器。在一个实施例中，功率放大器21可以以切换模式操作。在另一实施例中，功率放大器21可以在线性区域中操作，例如，以(一个或多个)相对较低的功率电平操作。

另外，功率放大器21可以包括第一控制输入端22、电源输入端23、RF功率输出端24和第二控制输入端25。第一控制输入端22可以从控制和驱动器系统(或控制器)71接收第一控制信号。第一控制信号可以包括进入功率放大器21的功率晶体管的栅极信号。在一个实施例中，第一控制信号可以包括指示要输出的功率信号(电压)的振幅A1的信息和/或用于控制功率晶体管的切换模式(和异相)的定时信息(例如，相位φ₁)。在切换模式操作中，控制信息可以省略振幅。在线性模式操作中，振幅和相位信息两者可以包括在第一控制信号中。振幅和相位信息也可以由块中的其他功率放大器接收。

功率放大器23接收从电源72输出的多个电源电压V_D1,…,V_DN中的一个，其中N≥2。在一个实施例中，来自电源72的电压信号可以对应于固定电压。在另一实施例中，来自电源72的电压信号可以对应于可变电压。块20中的(一个或多个)其他功率放大器可以接收与功率放大器23相同的电源电压或不同的电源电压。出于说明性目的，将假设框20₁中的所有功率放大器都接收相同的电源电压。

电源72可以以各种方式配置。在一个实施例中，电源72可以从一个或多个输入能量源生成经调节的电源电压V_D1,…,V_DN。在一个实施例中，电源72可以生成独立控制的可变电压作为电源电压V_D1,…,V_DN，使得能够使用电源(或漏极)调制来调制来自放大器块的RF输出电压V_RF,j。在后一种情况下，电源72可以在可用的离散电压电平之间提供快速切换，使得能够快速调制输出功率电压V_D1,…,V_DN而无需快速转换电源电压。下面将更详细地描述这些特征。

在图1的实施例中，从电源72输出的电源电压与N个放大器块一对一对应。因此，在这种情况下，电源电压的数量可以等于放大器块的数量。从控制器71输出的控制信号的数量可以是真实的或不真实的，例如，从控制器输出的控制信号可以与放大器块一对一对应，或可以将不同的控制(例如，相位信息)输入到每个块的功率放大器中的不同功率放大器中，以便在异相期间从该块生成预期的输出功率电压。在其他实施例中，这些一对一对应可能不存在。

功率放大器21的输出电压24可以选择性地与框20₁中的一个或多个其他功率放大器的输出电压组合，或可以单独输出，这取决于例如正在实施的放大器块的离散调制方案(例如，相位角和/或功率管理方法)。从块20₁中的功率放大器(PA)输出的电压可以例如在也包括在块中的组合器29中组合。当放大器21具有大于1的正增益时，组合器继而可以输出具有等于或不同于(例如，大于)供应给电源输入端23的电压的振幅的功率信号(例如，电压V_RF1)。

功率信号24可以是中间电压(例如，在输入到功率组合器中之前经受进一步处理)，或可以原样输出到功率组合器。块20₁中的每个功率放大器的增益可以被设置为使得从组合器29输出的功率电压位于预定范围内，例如，以满足负载的功率要求(例如，Z_Load)，即使当与来自块20₁中的一个或多个其他功率放大器的功率信号选择性地组合时。从放大器块20₁输出的功率信号被示出为具有电压V_RF1。

第二控制输入端25被耦合以接收切换控制信号SCS形式的第二控制信号。切换控制信号可以从功率放大器内或耦合到功率放大器的切换控制电路28输出。在一个实施例中，切换控制信号SCS执行切换增强功能。当从电源72接收到电源电压时，以切换模式操作的功率放大器将电源电压转换为期望的RF功率信号。

除了这些特征之外，RF功率放大器21可以耦合到参考电位或偏置电压源27。参考电位可以是例如接地电位，但是在另一实施例中可以是不同的电位。此外，在输入到功率组合器30之前，来自放大器块20₁的功率信号V_RF1可以传递通过一个或多个有源元件。有源元件可以包括电抗性元件(例如，电容器、电感器、传输线等)，其可以帮助设置块的输出阻抗。当有源元件包括电容器时，电容器还可以例如用作噪声滤波器和/或平滑电容器。第一放大器块20₁的输出可以具有第一阻抗Z_AL,1，其例如可以基于块20₁中的功率放大器的状态而被固定或改变。

N个放大器块(直到块20_N)中的其余(一个或多个)放大器块可以具有与第一放大器块的特征类似的特征。这些块的输出阻抗被标记为Z_ALj，其中第N个块具有输出阻抗Z_ALN。因此，根据一个实施例，放大器级10可以被认为具有多个放大器块20₁至20_N，其中第j个功率块具有电源输入V_Dj和功率信号RF输出V_RFj，其中1≤j≤N。

在一个实施例中，放大器块可以被控制为始终导通。在这种情况下，可以选择性地切换每个块中的功率放大器的不同组合，以控制块的相应功率信号输出。这可以例如基于预定的和/或反馈控制的异相模式来实现。放大器块中的功率放大器的选择性切换可以用于实施从那些块输出的功率信号的离散调制。这继而可以引起输出到负载的RF功率信号以离散阶跃改变。

当在线性模式操作中时，从控制器71输出的振幅和相位信息两者可以控制从每个块输出的功率信号。这种情况下，一些或所有振幅A₁,…,A_N在可以彼此相同或不同。在切换模式下，只有相位φ_j可以根据预定的异相方案来使用。异相方案可以在预定时间选择性地激活的预定放大器块，以生成由功率组合器组合以便为负载供电的功率信号。通过控制N个放大器块中的每一个中的功率放大器(例如，通过控制功率放大器的导通/关断状态)，放大器级10可以实现足以满足许多应用的要求的可扩展功率发生器设计。

在一个实施例中，可以基于来自控制器71的控制信息以及针对每个放大器块中的功率放大器发生的切换来选择(或激活)放大器块本身。在此意义上，放大器块的切换(或选择)可以被认为对到负载的RF功率信号执行粗略调整，并且每个放大器块中的功率放大器的切换可以被认为对到负载的RF功率信号执行精细调整。控制放大器块的切换的控制信息可以用于例如改变块的操作状态(例如，激活/去激活或选择/取消选择)并且因此实施块的不同切换组合。

在一个实施例中，为了提高效率并实现宽负载范围，可以操作N个放大器块中的每一个中的功率晶体管，以跨块的操作范围的全部或预定部分维持零电压切换(ZVS或软切换)。可以包括辅助电路以便促进在不同状况下的ZVS操作。

功率组合器30生成用作用于为负载供电的基础的组合功率信号(V_RFT)35。组合功率信号基于从放大器级10输出(例如，从N个放大器块中的全部或一些输出)的功率信号的组合。在一个实施例中，可以使用无损(并且因此非隔离)组合方法来执行组合。在另一实施例中，可以使用与能量回收相结合的隔离组合方法来执行组合。在这些或其他实施例中，可以基于分配给RF功率信号中的相应RF功率信号的权重或权重系数来组合功率信号。功率组合器30的输出阻抗是Z_T。

在一个实施例中，功率组合器30可以执行除了其组合操作之外的一个或多个操作。例如，除了由阻抗变换器40执行的阻抗变换之外或与由阻抗变换器40执行的阻抗变换组合，功率组合器可以执行功率放大器块的负载调制，所述功率放大器块包括变换块阻抗(例如，Z_AL1至Z_ALN)。功率组合器还可以执行功率控制和/或可以缩小功率放大器块的操作范围。

阻抗变换器40转换功率组合器30的输出阻抗以将负载Z_Load的阻抗至少匹配到在预定容差内。该阻抗匹配操作可以改善RF功率到负载的传送的性能和效率。负载的特性可以控制要执行的阻抗变换。例如，与给定应用相关联的负载阻抗范围可以确定对应于负载的电压和/或电流电平。可以将这些电压和/或电流电平重新缩放到更适合于有效合成的电压和/或电流电平，例如，将负载阻抗重新缩放到更合适的范围。在一个实施例中，为此目的，阻抗变换器40可以执行固定或可变阻抗变换。为了实现此，阻抗变换器40可以包括可调谐匹配网络(TMN)或电阻压缩网络。变换器40的输出阻抗可以匹配(或基本上匹配)负载Z_Load的阻抗。另外，在一个实施例中，从阻抗变换器40输出的信号可以对应于提供给负载的RF功率信号90。

RF功率发生器10可包括多个附加特征。例如，RF功率发生器可以包括或耦合到控制系统80。控制系统可以包括例如先前讨论的控制器71和电源72。另外，控制系统80可以包括用于测量参数的一个或多个传感器81，所述参数包括但不限于以下：对应于V_RFou的输出电压、电流和功率、ZVS检测和功率放大器晶体管的监测、和/或系统温度。在一些实施例中，在可变负载状况下对电压和电流的准确高带宽测量(或对RF功率的直接测量)对于以甚至更快的响应时间甚至更准确地控制输出功率可能是有益的。例如，控制系统80可以包括从传感器到控制器71的反馈回路，以用于动态地改变来自放大器级10的功率信号生成，以便满足改变的负载、负载的阻抗和/或功率要求，或补偿RF功率发生器的各种条件，例如，以便维持RF功率发生器的各个部件在一个或多个预定范围内操作。

(一个或多个)传感器81将其测量值输入到控制器71中。取决于系统，控制器71可以生成各种类型的控制信号CS以便输出到电源72。在一个实施例中，控制信号可以选择或改变要供应给级10中的放大器块的电压V_D1,…,V_DN的全部或一部分。在一些实施例中，这可以全部或部分地通过指定参考电压V_D1,Ref至V_DN,Ref来实现。控制器71还可以生成用于控制来自放大器块的功率信号的异相的信号(例如，门控信号22)。对于切换模式操作，控制信号可以指示放大器块之间的切换定时和相对相位。在线性模式操作中，控制信号还可以包括用于生成输出到功率组合器30的输出功率信号的电压V_RF,1,…,V_RF,N的振幅。现在将讨论RF功率发生器20的这些和其他特征。

放大器级10可以基于多逆变器离散回退(MIDB)方法来控制功率生成。与已经提出的其他功率发生器不同，MIDB方法允许RF功率发生器无损地组合以并联组、电流组合组和/或电压组合组布置的切换模式功率放大器块的输出，同时在放大器块组之间执行异相以用于生成RF功率信号的目的。这种方法使得能够通过相移的快速改变来执行高带宽输出功率调制(例如，可以通过设置功率放大器块之间的栅极驱动器信号延迟来实施相移，该延迟可以基于对应的控制信号命令而以非常快的速率改变)，从而增加可靠性、性能和功率效率。

与这些益处相结合，RF功率发生器1的一个或多个实施例可以补偿电压相关损耗和电流相关损耗两者，这是其他RF功率发生器无法实现的性能益处。因此，可以实现更高的效率，特别是在相对较低的功率电平下。例如，其他提出的功率放大器在全电压下操作。因此，与电源电压相关的损耗分量(例如，设备输出电容器损耗、谐振损耗等)未被减少，并且因此未被补偿。这种补偿的缺乏对效率具有不利影响，特别是在降低的功率电平下。相比之下，并且根据一个或多个实施例，RF功率发生器1可以在包括相对较低功率电平的宽范围内补偿电压相关损耗，以及补偿电流相关损耗。此外，RF功率发生器1可以实现更宽范围的输出功率回退(例如，包含30dB或更大的大比率)。由于这些和其他原因，RF功率发生器1可以适用于更广泛的应用，包括但不限于具有高峰均功率比的应用。现在将讨论MIDB方法的实施例。

可以实施MIDB方法来对异相模式执行离散调制。在该方法中，每个放大器块中的功率放大器生成相应数量的固定(或基本上固定)幅度的RF电压矢量。通过改变(或切换)在N个放大器块中的一个或多个内活动的功率放大器的数量并且然后通过组合来自块的功率信号，可以执行输出RF功率信号90的电压中的离散阶跃。因此，异相角可以始终保持在预定范围内，这允许实现更高水平的效率(并且理想地，基本上更高水平的效率)，并且同时允许更宽的回退范围。

为了在实现高效率的同时进一步扩展输出功率范围，在一个或多个实施例中，RF功率发生器1可以在电源71中执行调制。例如，可以执行离散漏极调制，其中输入到一个或多个放大器块中的电源电压在多个离散水平之间切换。然后可以将异相与(在所有或一些块中实施的)MIDB方法一起使用，以提供对对应于负载的预定输出功率范围的连续控制。这可以例如通过在利用各种离散电源电压电平获得的功率电平之间进行插值来实现。

在输出功率控制方面，组合的离散漏极调制和MIDB方法可以提供用于执行RF电压幅度中的离散阶跃以与每个块异相的附加基础。这可以允许MIDB架构高度模块化，并且即使在相对低的功率电平下也可以减轻电源生成和调制开销。此外，在一个或多个实施例中，可以以连续的方式适配离散电源电压的生成，例如，可以控制电源调制动作在时间尺度上发生，该时间尺度例如可以比用于高速功率控制的时间尺度慢得多。

图2图示了RF功率发生器100的示例实施例。也就是说，图2的实施例可以是图1的RF功率发生器的一种实施方式。在该示例实施例中，RF功率发生器100实施与放大器块的异相组合的MIDB方法。

参考图2，RF功率发生器100包括电源110、放大器级120、功率组合器130和阻抗变换器140。电源110可以包括多个功率源111和可选的调制器112，调制器112可以包括一个或多个开关。功率源以N个离散电压电平输出电压，并且调制器112调制N个离散电压以用于输出到放大器级120。在一个实施例中，调制器112对从功率源111输出的N个离散电压执行离散漏极调制。下面更详细地讨论离散漏极调制的实施例。

放大器级120包括多个(M个)MIDB放大器块121₁至121_M，其中M≥1。放大器块中的每一个可以包括多个并联组合的RF功率放大器，使得可以离散地调制每个块的具有电压V_RF,1,…,V_RF,M的输出RF功率信号。

图3A至3C示出了可以如何配置MIDB块121₁至121_M中的每一个的各种实施例。图3A示出了一种这种配置的块，其包括两个模块化功率放大器(即功率放大器(PA1)211和功率放大器(PA2)212)以及组合器218。功率放大器211和212可以具有例如图1所示的结构，并且可以输出相应的电压V₁和V₂，并且在该示例情况下，输出相同的电流I。可以控制功率放大器211和212以执行块的输出电压的离散调制。这可以例如通过控制功率放大器的导通/关断状态以实现期望的调制来实现。可以例如基于从控制器输出的控制信息(例如，门控信号、相位值φ和/或从控制器71输出的其他信息)来控制功率放大器211和212的导通/关断状态。

在一个实施例中，可以通过将功率放大器的晶体管中的一个或多个保持在固定的门控状态(例如，通过将偏置(或控制)信号施加到晶体管并且特别是通过将偏置(或控制)信号施加到晶体管的一个或多个电极来保持特定切换“导通”)来将功率放大器保持在其关断状态。当操作(导通)时，功率放大器可以基于期望的组合器类型(例如，所示组合器的同相、正交、180度异相或某种其他相对相位关系)具有固定的相对相位(例如，(φ₁-φ₂))，其中其平均相位被控制以在MIDB块之间提供异相。替代地，也可以在操作中调整相对相位。以这种方式，可以基于不同的相位(φ₁和φ₂，其例如对于图3A所示的实施例可以是相同的)来选择(例如，激活或切换)功率放大器211和212的相应输出电压V₁和V₂，以一旦被组合就生成块的期望调制的功率信号输出。

换句话说，基于控制，MIDB块内的(一个或多个)PA可以是有源的(导通)或无源的(关断或AC接地)。同一MIDB块内的有源PA可以例如如图3A-图3C所示的那样同步切换(或如果使用替代组合器类型，则精确地相隔180°)。关于相位不同的异相，这可能发生在V_rf1-V_rfM之间，即在MIDB块之后。

如上所述，在实施例中，相对相位关系可以是固定的或结合期望的组合器结构来选择(包括但不限于以下的相对相位：同相、180度异相、正交和/或45或135度异相)，但是可以使其相位一起被调整以提供相对于不同块的异相。在图3A所示的组合器中，通常希望使功率放大器控制同相。在实施例中，可以添加选项以允许块内的可调整的相对相位，但是这将是不太常见的状况。应当理解，各个放大器响应于其门控信号是否被提供或保持在恒定阶段而被导通或关断。在一些情况下，保持特定功率放大器切换导通是为“关断”的PA的期望状态，使得它表现为短路。

因此，在一个实施例中，每个放大器块中的功率放大器可以基于控制而激活(导通)或去激活(关断或AC接地)。可以同步地切换同一放大器块内的有源功率放大器(例如，如图3A-3C所示)(或如果使用替代组合器类型，则精确地相隔180度)。在另一实施例中，可以异步地执行切换。在一个实施例中，相位在异相部分中可以是不同的。这可以例如在MIDB块之后发生。在一个实施例中，相对相位关系可以由期望的组合器结构固定(例如，同相、180度异相、正交)，但是可以使其相位一起被调整以提供相对于不同块的异相。在所示的示例组合器中，可以同相地控制功率放大器。在一个实施例中，可以在一个或多个放大器块内执行可调整的相对相位。是否接收到门控信号可以控制对应的功率放大器是导通还是关断还是保持在恒定阶段。(在一些情况下，保持特定的PA切换导通可以是为“关断”的PA的期望状态，使得它表现为短路)。

组合器218可以以共模方式组合功率放大器211和212的输出电压。应当注意，组合器218被图示为耦合电感器以更好地图示MIDB块内的电压组合特性，然而，实际上，组合器可以不一定基于传统AC变换器中的电感器。组合器218可以使用基于变换器的结构(诸如相间变换器)或RF功率组合器或包括传输线区段的RF耦合器(如在传输线变换器中)(例如，包括传输线区段的RF组合器或包括传输线区段的RF耦合器)以共模方式组合功率放大器211和212的输出电压。例如，如图3A所示，组合器218包括被耦合以有效地形成具有预定绕组比的变换器的两个绕组215和216。在该示例中，组合器包括生成块的输出功率信号电压的节点N1。在一个实施例中，块的输出功率信号电压(例如，V_RF1,…,V_RFM中的一个)可以对应于块中的功率放大器的输出电压V₁和V₂的加权和(例如，平均值)。来自放大器块的输出电流可以对应于功率放大器211和212的输出电流的总和，在该示例中其为2I。

图3B示出了可以表示每个放大器块的配置的级220。在该示例实施例中，级220包括三个模块化功率放大器221、222和223以及组合器228。功率放大器231至223可以具有例如图1所示的结构，并且可以输出相应的电压V₁、V₂和V₃，并且在该示例中，可以输出相同的电流I。可以控制功率放大器以执行块的输出电压的离散调制。这可以例如通过控制各个功率放大器的导通/关断状态以实现预定调制来实现。例如，可以基于从控制器输出的控制信息(例如，从控制器71输出的门控信号)来控制功率放大器221、222和223的导通/关断状态。以这种方式，功率放大器的相应输出电压V₁、V₂和V₃可以被选择(或激活)为具有适当的相位(φ₁、φ₂和φ₃)和门控控制，以一旦被组合就生成块的期望调制的输出功率信号电压。

应当注意，图3A-图3C中所示的示例之间的一个差异是构成块的PA的不同数量、以及实现共模电压组合所需的组合器(例如，图3A、3C图示了2路共模组合器/相间变换器的使用，而图3B图示了3路共模组合器/相间变换器的使用)。

组合器228可以使用基于相间变换器的结构(例如，基于耦合导体的结构)以共模方式组合电压221、222和223。例如，如图3B所示，组合器228包括三个绕组(导体)224、225和226，每个绕组布置在三腿变换器芯的腿上，并且在第一端处耦合到功率放大器中的相应功率放大器的输出端，并且在第二端处共同耦合到节点N2。这导致各个功率放大器看到成比例的电流，并且输出电压是三个功率放大器电压的加权和。功率放大器的输出在节点N2处被组合，其生成用于块的输出功率信号电压。在一个实施例中，块的输出电压(例如，V_RF,1,…,V_RF,M中的对应输出电压)可以对应于块中的功率放大器的输出电压V₁、V₂和V₃的加权和(例如，平均值)。来自功率放大器块的输出电流可以对应于功率放大器321、322和323的输出电流的总和，在该示例中其为3I

图3C示出了可以表示放大器级的每个块的配置的块230。在该示例实施例中，块230包括功率放大器的两个子块240和250。每个子块可以对应于例如图3A的块，但是其中每个级的输出端耦合到组合器260。第一子块240包括具有在组合器243中组合的输出电压的功率放大器241和241。第二子块250包括具有在组合器253中组合的输出电压的功率放大器251和252。

可以控制块230中的功率放大器以执行块的输出功率信号电压的离散调制。这可以例如通过控制功率放大器241、242、251和252的导通/关断状态以实现预定调制来实现。例如，可以基于从控制器输出的控制信息(例如，从控制器71输出的切换门控信号)来控制导通/关断状态。以这种方式，功率放大器的相应输出电压V₁、V₂、V₃和V₄可以被选择(或激活)为一旦被组合就生成块的期望调制的输出电压。(在这方面，应当注意，在实施例中，块中的PA的相对相位关系可以是固定的，并且通过导通或关断一个或多个放大器来以离散阶跃调制RF输出。“导通”放大器的相位可以一起调制以与不同的块异相。)组合器260组合第一子块240的输出电压V₁₂和第二子块250的输出电压V₃₄。在一个实施例中，组合器260可以类似于图3A的组合器213。来自节点N3的组合器260的输出可以是例如子块240和250的输出电压(V_RF)的加权和(例如，平均值)以及那些级的电流的和(在该示例中其为4I)。

在一个实施例中，图3A至3C中的组合器可以使用相间变换器或传输线变换器来实施。例如，MIDB放大器块中的每个组合器可以使用n路相间变换器或具有四分之一波长线功率组合器的2路相间变换器的“wiffle-tree”来实施。在这种情况下，每个块的输出功率信号电压可以对应于该块的功率放大器的输出电压的直接平均值。在所示的示例中，每个块中的功率放大器具有相同的输出电流。在另一实施例中，可以实施该配置的对偶，其中每个块中的所有功率放大器具有相等的电压和输出电流，其被求和，例如加权平均。

对于每个块，可以通过导通块中的所有功率放大器来实现峰值输出电压和功率。(类似地，放大器级的峰值输出电压和功率可以通过导通所有块中的功率放大器来实现。)根据一个实施例，可以通过选择性地关断(例如，基于相位φ或其他控制信息取消选择)任何一个块中的一个或多个功率放大器来以离散阶跃降低该块的峰值输出电压和功率。这可以例如基于功率放大器的导通/关断状态的预定模式来实现，其结果是实现满足负载要求的随时间的期望调制的(或改变)块输出电压。在一个实施例中，预定图案可以是对称切换图案，或在另一实施例中，可以是不对称切换图案。功率放大器可以以各种方式关断。例如，可以使用AC接地方法来关断每个功率放大器。

在一个实施例中，每个块中的功率放大器(PA)输出相同的电流(I)。在另一实施例中，每个块中的功率放大器中的一个或多个可以输出与其他功率放大器中的一个或多个不同的电流。此外，放大器块中的组合器已经被描述为共模组合器。在一个实施例中，每个块中的组合器的全部或一部分可以是另一种类型的组合器，例如差模组合器，其中每个MIDB块的输出电压基于该块中的各个功率电压的差，并且输出电流与功率放大器中的各个功率放大器的电流(例如电流I)相同。在一个实施例中，使用差分组合器的输出电压调制可以通过实施每个MIDB块中的功率放大器的导通/关断控制来实现。

先前指出，MIDB放大器块121₁至121_M都可以具有相同的配置，例如，图3A至3C的配置中的一个。在另一实施例中，MIDB放大器块中的一个或多个可以具有与其他不同的配置，例如，在一个实施例中，MIDB放大器块可以具有图3A至3C中所示的配置中的不同配置。

图4示出了可以用于实施放大器块中的功率放大器(PA)的功率放大器400的实施例。在一个实施例中，图1中的功率放大器21和/或图3A至3C中的每个MIDB块中的功率放大器(标记为PA)可以包括功率放大器400。虽然可以在一些应用中使用图4的配置，但是在其他实施例或应用中，功率放大器400可以具有不同的配置。对于等离子体生成应用，功率放大器400可以例如具有以下特征中的全部或一部分：(1)在预定切换频率范围(例如，数十MHz)内的高(或期望)效率，(2)用于MIDB控制的有效AC接地(和/或用于关断MIDB块中的功率放大器和组合器的其他连接)，(3)随着负载阻抗的改变而维持效率(例如，用于异相和放松对阻抗变换的要求)，和/或(4)对输出功率中的离散阶跃改变(例如，异相角、导通/关断状态和电源电压电平的阶跃改变)的快速动态响应。

参考图4，功率放大器400被配置在ZVS D类逆变器电路的示例中，该ZVS D类逆变器电路包括滤波器410、分流支路420、开关430和开关440。滤波器410包括串联耦合到输出端子401的电感器L_r和电容器C_r，在图3A至3C的情况下，输出端子401耦合到相关联的块组合器。基于L_r和C_r的值，滤波器被调谐为在相关联的切换频率下谐振，以滤除切换节点电压的基本分量。

分流支路420提供切换节点的附加电感负载，并且因此辅助开关以实现零电压切换，即使当功率放大器的负载例如在预定范围内改变时。分流支路包括电感器L_ZVS和电容器C_ZVS，电感器L_ZVS和电容器C_ZVS串联连接并且具有足以实现零电压切换操作的值，如前所述。

开关430和440以切换模式操作，并且可以由晶体管来实施，每个晶体管具有预定的导电率。开关430(Q1)耦合在节点N_ZVS和电源V_dd之间，并且例如可以是具有用于零电压切换的本征体二极管或等效物435的N信道晶体管。开关440(Q2)耦合在节点N_ZVS和参考电位450之间，例如接地，并且还可以是具有用于零电压切换的本征体二极管或等效物445的N信道晶体管。在操作中，当功率放大器400导通(例如，被选择或激活)时，晶体管430和440两者在每个导通的情况下切换，例如，对于切换周期的大约一半，优选地与实现每个晶体管的零电压切换一致。当功率放大器400关断(例如，未被选择或激活)时，开关430关断并且开关440恒定地导通。这有效地将AC接地并改变MIDB块的输出电压。注意，如果需要，对于功率放大器关断状态，可以转换哪个切换保持导通和哪个切换保持关断。

在其他实施例中，功率放大器400可以具有不同的配置。例如，功率放大器可以具有E类异相器结构，或可以是Φ₂类结构。在这些结构中，当处于关断状态时，可以使用附加切换将功率放大器与输入电源关断。此外，可以保持功率放大器(PA)的晶体管中的一个或多个以提供期望的AC接地。在其他MIDB情况下，不同的切换状态设置可以用于处于关断状态的功率放大器。例如，在迫使(一个或多个)放大器输出处的电压相等并且在块中或跨块的功率放大器之间平均电流的MIDB配置中，可以通过开路功率放大器输出(例如，使用开关)或通过将(一个或多个)放大器晶体管保持在关断状态来实现关断状态。

图5示出了切换波形500的示例，其可以用于选择性地导通和关断(在该示例中)功率放大器块121₁至121_M中的一个中的四个功率放大器，以生成具有四个PA的MIDB块的RF输出电压(Vrf)，例如，如图3C所示。相同或不同的波形可以用于M个放大器块中的其他放大器块中的功率放大器。在该示例中，切换波形指示功率放大器的导通/关断状态的对称模式。在区段510中，切换波形导通MIDB块中的所有功率放大器，并且因此该块输出峰值电压。在区段520中，切换波形导通三个功率放大器并关断其余的功率放大器。在区段530中，切换波形导通功率放大器中的两个功率放大器并且关断其余的两个功率放大器。在区段540中，切换波形导通功率放大器中的一个并关断其余的三个功率放大器。然后，取决于期望的输出功率和负载，波形可以重复，并且可以按照或可以不按照这里所示的幅度阶数。

因此，在该示例波形中，每个MIDB块导通并在周期内的所有时间输出电压。此外，由波形500例示的块的调制的输出电压以离散水平逐步降低(即，波形500是离散逐步降低的调制的输出电压Vrf的示例)。

然后，来自每个块的调制电压可以与块中的其余块的调制的输出电压异相到组合器。可以基于相位信息φ(或相位角α)来控制来自MIDB块的调制的电压的异相，该相位信息φ选择性地控制要导通或选择哪些放大器块。在一个实施例中，所有MIDB放大器块可以始终被导通。在另一实施例中，出于生成用于负载的RF功率信号的目的，可以随时间导通MIDB放大器块的不同组合(全部或少于全部)，这在负载功率要求由于从一个或多个传感器81反馈的信息而预期或意外地改变时可以是特别有益的。

可以通过从控制器71输出的相位控制信息来确定哪个MIDB块导通或关断，如前所述。在一个实施例中，关断状态可以涉及控制器71输出关断该块中的所有功率放大器的相位信息。因为从MIDB块中的选定块输出的功率信号电压以离散阶跃改变，所以来自放大器级120的功率信号电压的总输出可以以离散阶跃改变，以便满足负载的功率要求。

在发生阶跃改变之后，功率放大器(或任何给定块)的输出电压可以例如在几个RF周期内非常快速地稳定。该结构是高度模块化的，其中每个块包括两个或更多个功率放大器，以便获得要从每个块输出的预定离散数量的电压电平。与其他提出的设计相比，该模块化配置还可以实现更高的峰值功率和更宽的输出功率范围。

图6示出了M路组合器形式的功率组合器130的实施例。组合器130可以是无损组合器，其组合与放大器级120的MIDB块异相的电压，例如，图2中的V_RF1,…,V_RFM中的对应电压。出于说明性目的，组合器130被示出为组合从功率放大器级120输出的电压V_X和V_Y，功率放大器级120包括两个MIDB放大器块610和620。在这种情况下，电源71包括分别对应于100V和400V的两个功率源601和602，其被切换(使用切换逻辑603)以生成用于输入到功率放大器120中的调制的电源电压。在一个示例实施方式中，更高电压(例如，400V)可以从主DC电源导出，并且更低电压(例如，100V)可以从辅助电源导出。在该实施例中，在该非限制性实施例中，功率源的数量等于MIDB块的数量。在一个实施例中，功率源和MIDB块的数量可以不同。

在图6的示例实施例中，RF功率组合器130包括具有不对称补偿的Chireix型组合器。在图6中，RF组合器被图示为变换器650，其执行m:n电压和阻抗变换(其中通常，m可以大于或等于n，或m可以小于n)。例如，当基于耦合导体的构造需要从负载到PA块的输出端的向上阻抗变换时，m>n，以生成组合的输出电压V_L。组合器130还包括并联无功补偿部件jX_A和-jX_B，其可以被提供为将MIDB的阻抗输出调整到预定范围中。组合器130的输出电流I_L基于分别从MIDB功率放大器块610和620输出的电流I_X和I_Y。组合器的输出电压V_L(或图1中的V_RFT)通过阻抗变换器140与负载Z_L接口连接，阻抗变换器140的一个实施例对应于框680。

负载Z_L可以是固定的或可变的。在等离子体生成应用中，Z_L可以是可变负载。在这种情况下，RF功率发生器可以改变输出电压的电平，以便满足负载的不同功率要求。这可以至少部分地通过选择性地激活MIDB功率放大器块来实现。

阻抗变换器140(参见图1)调整RF功率发生器的阻抗以匹配负载。在一个实施例中，阻抗变换器将RF功率发生器的输出阻抗变换为将可变RF负载Z_L的阻抗至少匹配到在预定容差内的预定阻抗(或阻抗范围)。以这种方式执行阻抗匹配可以增加效率并减少功率放大器硬件的过额定，以便适应负载范围。

更具体地，切换模式MIDB块可以基于各个功率放大器的哪个组合被选择而具有不同的阻抗。阻抗变换器140可以映射放大器级120的输出阻抗以匹配负载的阻抗。在一个实施例中，阻抗变换器140可以允许RF功率发生器与可变负载(例如，等离子体腔室)直接接口连接，从而减轻对将负载阻抗匹配到某个中间阻抗值(例如，50Ω)的外部系统的需要。此外，通过在RF功率发生器中包括阻抗变换器，阻抗变换器可以执行更不极端的阻抗压缩，从而产生可以可接受地呈现给功率放大器的窄范围的负载阻抗

阻抗变换器580可以以各种方式实施。在一个实施例中，阻抗匹配器可以包括使用(a)相位切换的阻抗调制、(b)切换的电容器、(c)动态频率调谐和/或(d)电阻压缩网络中的一个或多个的可调谐匹配网络。可调谐匹配网络(TMN)580(参见图6)的实施例可以具有以下特征的全部或一部分。

·固定阻抗变换比，其中负载阻抗范围由某个变换比k缩放。

·固定匹配网络，其中固定值的无源部件用于提供一些负载变换，并且在一些情况下，如果频率在预定(例如，相对小的)范围内改变，则还提供一定程度的压缩。

·具有离散切换无源部件的匹配网络，其中若干二进制值部件可选地通过开关连接到系统中，以提供一系列离散匹配电抗。

·动态频率调谐(DFT)，其中频率在预定(例如，相对小的)程度内动态改变并与无源部件(例如，高Q谐振储能电路)组合以提供一系列连续可调谐的匹配电抗。

·相位切换的阻抗调制(PSIM)，其例如可以通过在每个RF周期控制固定电容器连接到系统的持续时间来执行。该技术可以在预定基频处获得一系列连续可调谐的匹配电抗。

·一个或多个电阻压缩网络(RCN)，其可以特别适合于存在具有紧密改变模式的一对(或多个)负载的情况。然后，该技术可以通过无源网络压缩两个(或多个)负载的实际阻抗改变的范围，每个负载单独地或作为组合一起。

如所讨论的，可变负载的一个示例是用于半导体处理应用的等离子体发生器。等离子体发生器具有宽的负载阻抗范围。TMN 580或阻抗变换器140的其他实施方式可以执行调整或重新映射，以匹配不同的负载阻抗，以便确保切换模式功率放大器的可接受操作。

图7示出了可用于实施图6中的阻抗变换器680或图1中的阻抗变换器30的可调谐匹配网络900的实施例。可调谐匹配网络可以操作为提供功率组合器的输出与负载之间的动态可调整阻抗匹配。这可以包括提供动态可变的电压变换和电抗性阻抗调整，并且可以包括耦合到离散切换无源网络720的输入端的动态频率调谐器(DFT)710。在一个实施例中，可调谐匹配网络可以结合功率组合器来操作，所述功率组合器提供额外阻抗变换比，例如基于根据传输线的功率组合器的匝数比的固定比率。

由MIDB块看到的输出阻抗可以对应于匹配的负载阻抗，其例如通过组合器的匝数比的平方(m/n)²来缩放。取决于功率放大器架构，该比率可以被设置为使得功率放大器在预定范围(例如，接近其最佳负载阻抗范围)内操作，使得效率被优化。

DFT 710可以接收功率组合器130的输出并生成连续改变的串联电抗。DFT单元可以例如利用被调谐以在操作频率的中心处谐振的高Q串联电感器(L)和电容器(C)来实施。因此，在中心工作频率处(并且理想地，恰好在中心工作频率处)，DFT储能电路呈现近似零阻抗(并且理想地，零阻抗)。然而，在中心频率以上和/或以下的连续受控频率改变(并且在至少一些实施例中，在中心频率以上和/或以下的小的、连续受控频率改变)的情况下，DFT储能电路可以相应地呈现串联电抗，该串联电抗可以是电感的和/或电容的，该串联电抗在将负载阻抗Z_L与期望阻抗Z_in匹配时用作阻抗变换网络的一部分。离散切换无源网络720包括通过开关724并联耦合在DFT 710和负载Z_L之间的多个电容器722。在一个示例实施方式中，电容器722可以是被选择性地切换以提供分流电抗的二值化电容器。切换电容器的不同组合允许分流电抗基于电容值以离散阶跃改变。在该实施例中，示出了具有逐渐增大的预定电容C₀、2C₀和4C₀的三个电容器。在另一实施例中，可以使用不同数量的电容器和/或具有不同电容进展的电容器。

如上所述，开关724可以选择性地断开，从而以离散阶跃改变所施加的分流电抗。开关可以例如基于来自控制器71的切换信号以不同的组合选择性地断开和闭合。在操作中，对应于施加在来自DFT 710的串联电抗之上的选定离散阶跃的小频率改变可以允许生成连续控制的串联电抗以满足负载的改变条件。因此，当与从DFT 710输出的串联电抗组合时，可调谐匹配网络680实现至少将可变负载的阻抗至少匹配到在预定容差或范围内的阻抗变换。此外，通过这种设计，可调谐匹配网络680能够将负载改变压缩到阻抗范围内，使得功率放大器的效率不会受到不利影响，同时保持低的整体系统复杂度。应当理解，可以类似地使用其他可调谐匹配网络设计，包括基于变容二极管、相位切换阻抗调制和其他技术。

图8示出了调制器800的实施例，调制器800可以对应于切换逻辑603(参见图6)的一个示例，并且调制器800可以用于执行电源72中的离散漏极调制。离散漏极调制可以扩展RF功率发生器的可实现的输出功率范围。它还可以降低功率放大器的电压相关损耗(例如，晶体管交叉相关损耗、ZVS谐振损耗等)，这在更低功率电平下可以变得占优势。

参考图8，调制器800被设计为的二级电源调制器，通过第一输入端810接收第一电源电压V_High并且通过第二输入端820接收第二电源电压V_Low。电源电压可以从不同类型的源或相同类型的源导出。在一个实施例中，电源电压可以来自不同额定功率的电源，例如，更高的电压V_High可以来自额定用于峰值至中等功率范围的主电源，并且更低的电压V_Low可以来自仅用于低功率电平额定的辅助电源。在等离子体生成应用中，在半导体器件电容非线性不利地影响功率放大器性能(例如，零电压切换(ZVS)的损耗)之前，第二电源电压V_Low可以具有处于或刚好高于最低电压电平的值。

两个电源电压都耦合到晶体管830的不同输入端，晶体管830例如可以是n信道晶体管。第一电源电压V_High可以被输入到晶体管的漏极中，并且第二电源电压V_Low通过阻断二极管840耦合到晶体管的源极。晶体管的栅极可以被耦合以接收控制信号来控制晶体管的切换，例如，控制信号可以是由如图1所示的控制器71生成的CS。

在一个实施例中，可以假设V_High和V_Low被连续地接收，并且V_Low大于阻断二极管840的正向偏置电压。当栅极信号被输入以使晶体管830导通时，第一电源电压V_High传递通过晶体管和节点N_out(即，在该示例实施例中，电压V_Low被阻断二极管840阻断，使得从节点N_out输出的电压为V_High)。然后将组合的电压发送到(例如，图2中的)放大器级120的一个或多个选定MIDB功率放大器块。当晶体管830没有接收到栅极信号时，二极管导通并且第二电源电压V_Low在输出节点N_out处输出到功率放大器。阻断二极管840用于在晶体管导通时阻止第一电源电压输入到输入端820。因此，调制器800生成用于输入到功率放大器的MIDB块的两个离散电压电平(例如，两个离散的DC电压电平V_Low或V_High)(或在其之间进行调制)。

虽然调制器800对于一些应用可能是有益的，但是在其他应用中，多于两个电源电压电平可以是有益的。因此，在一个实施例中，电源72的调制器可以输出多于两个电压电平。出于效率目的，从电源72输出的离散电压的数量可以在实施例之间改变，以实现期望的功率范围、响应速度和/或效率。

图9A示出了用于为负载生成RF功率的方法的实施例，该负载例如可以是等离子体发生器或另一种类型的负载。该方法可基于本文描述的RF功率发生器的一个或多个实施例来执行。

参考图9A，在901处，该方法最初包括生成(或接收)一个或多个调制的电源电压以用于输出到放大器级10。可以在相同或不同的时间将相同的调制的电源电压输出到放大器级中的所有放大器块，或可以在相同或不同的时间将不同的调制的电源电压输出到放大器块。调制可以是由一个或多个功率源提供的电压的离散漏极调制。哪些源被选择和调制要被执行可以基于例如从控制器71输出的一个或多个控制信号。控制信号可以对应于预定模式或方案，和/或可以例如基于来自一个或多个传感器81(例如，参见图1)的反馈而自适应地生成。

在903处，例如由控制器确定异相模式。异相模式可以对应于存储在非瞬态计算机可读介质(例如，存储器)75中的预先存储的控制信息。预先存储的控制信息可以是例如指令的形式或其他形式的固件或软件。预存储的控制信息可以控制MIDB块的操作，以用于生成到负载的RF功率信号的目的。异相模式和/或在控制器71的控制信息(例如，指令)内体现的其他控制信息可以确定要对每个MIDB放大器块中的功率放大器执行的离散调制。

在905处，控制MIDB块中的每一个以基于来自控制器的异相和/或其他控制信息生成相应的功率信号。当所有MIDB块始终导通时，使用与所有MIDB放大器块异相的功率信号的离散调制来生成用于负载的RF功率信号。在这种情况下，不切换(或选择)放大器块，并且例如根据对称或不对称序列切换每个块中的功率放大器。当MIDB放大器块与每个块中的功率放大器一起切换时，使用与块异相的功率信号的离散调制来生成用于负载的RF功率信号。为了执行用于离散调制的切换，一个或多个块中的一些功率放大器必须根据异相模式被停用。这可以通过例如AC接地来实现。

在907处，从功率放大器块输出的功率信号被组合以形成用于负载的RF功率信号。组合功率信号可以以各种方式执行，例如，在具有或没有权重的情况下，使用Chireix组合器等。如前所述，在放大器块中执行的离散调制可以引起RF功率信号的离散阶跃，以满足负载的不同功率要求。

在909处，调整RF功率发生器的输出阻抗以将负载的阻抗至少匹配到在预定容差内。调整可以由可调谐匹配网络或本文描述的任何其他类型的阻抗变换器来执行。

在911处，随着时间的推移，负载的功率要求和/或阻抗可能改变，和/或可能需要RF功率发生器的改变。执行对RF输出功率和/或阻抗的成比例改变以满足负载的不同功率要求并匹配负载阻抗的任何改变。这可以通过选择MIDB块的不同组合和/或选定MIDB块中的不同功率放大器来实现，以实现输出RF功率信号70的电压的改变(例如，离散阶跃)。例如，可以通过基于来自控制器71的控制信号改变功率放大器(PA)中的相应功率放大器的导通/关断状态来执行选择。

图9B示出了用于生成用于负载的RF功率的方法的实施例，该方法例如可以由本文公开的RF功率发生器实施例中的一个或多个来执行。参考图9B，该方法包括选择第一放大器块中的第一数量的功率放大器(921)，选择至少第二放大器块中的第二数量的功率放大器(922)，组合来自第一数量的功率放大器的电压以生成第一放大器块的输出电压(923)，组合来自第二数量的功率放大器的电压以生成第二放大器块的输出电压(924)，使第一和第二放大器块的输出电压异相(925)，并且组合异相电压以生成用于负载的RF功率信号(926)。与其他实施例一样，该方法可以被补充有选择放大器块中的不同放大器块的操作。否则，放大器块可以固定为连续导通。

图9C示出了用于生成用于负载的RF功率的方法的实施例，该方法例如可以由本文公开的RF功率发生器实施例中的一个或多个来执行。参考图9C，该方法包括从第一放大器块生成第一调制的功率信号(931)，从至少第二放大器块生成第二调制的功率信号(932)，基于相位角使第一调制的功率信号和第二调制的功率信号异相(933)，并且基于异相的第一调制的功率信号和第二调制的功率信号生成用于负载的RF功率信号(934)。生成第一调制的功率信号可以包括切换第一放大器块中的多个功率放大器中的一个或多个，并且生成第二调制的功率信号可以包括切换第二放大器块中的多个功率放大器中的一个或多个。

功率控制管理示例

本文描述的RF功率发生器实施例的许多应用中的一个是为半导体制造工艺中的等离子体发生器供电。与其他应用相比，等离子体发生器可能需要非常宽的输出功率调制范围。RF功率发生器实施例可以通过使用离散漏极调制和MIDB功率放大器块的导通/关断控制来实现RF输出电压中的宽的离散阶跃结合RF输出电压的精细连续调谐(在MIDB块之间具有异相)来实现该范围。下面描述这种功率控制管理方法的非限制性实施例。

图10示出了RF功率发生器的功率管理控制方法的电压矢量图的示例。该示例对应于具有两个MIDB相位放大器块的图6的RF功率发生器的实施例。

参考图10，从第一MIDB块510输出的RF电压对应于电压VX，并且从第二MIDB块520输出的RF电压对应于电压VY。这些电压可以由以下等式给出：

V_Y＝-|V|·e^jω

-V_Y＝|V|·e^jω

V_X＝-|V|·e^-jω

V_L＝2|V|·cos(α)

如从这些等式所示，通过异相角和MIDB块输出电压的幅度两者来控制组合器230的输出端处的负载电压(VL)，并且因此控制从RF功率发生器输出的功率。异相角(α)基于从MIDB块输出的两个RF电压之间的相移。

MIDB块中的选定块的(一个或多个)输出电压(在该示例中为电压|V|))的幅度通过漏极调制和相应于块中的一些块中的功率放大器的导通/关断控制来获得。利用图6的2级电源调制和MIDB块配置，两组四个非零电压幅度在相同的异相角(α)下可用。第一组对应于向量1010、1020、1030和1040，并且第二组向量对应于向量1060、1090、1080和1090。

更具体地，负载电压(VL)的幅度与输出功率直接相关(例如，其与|V_L|²成正比)，并且可以通过异相和离散漏极/MIDB调制的组合效应来调制。异相提供连续控制，因为相移可以连续改变，在一个实施例中，仅受限于实施硬件的分辨率。离散电压调制(例如，通过切换到不同的电源轨道或MIDB导通/关断配置来实现)可以覆盖非常宽的输出功率范围(例如，1000:1或30dB)，并且可以例如在RF功率发生器可以在不同的电压域实现更高效率或经历大的功率改变时被调用。

可以基于电源调制和MIDB控制的组合来实现MIDB块的输出处的离散电压阶跃。例如，在图8的2级电源电压被设置为V_High＝V并且

以及2MIDB功率放大器块配置的情况下，可用电压电平可以从下面示出的功率放大器120输出。这里，PA是指MIDB块中的单个功率放大器。使用该功率管理方法，可以获得单个异相功率范围(例如，通过根据平方电压比进行缩放)以覆盖非常宽的功率范围，同时维持高效率。

图11示出了根据一个或多个实施例的可以用于确定性能并执行功率管理和控制特征的导纳值的曲线图。该曲线图可以有益于评估在异相期间对MIDB块中的功率放大器的负载调制影响以及对应的补偿组件设计和异相角选择。出于示例目的，图11的曲线图可以对应于图6的二MIDB块相位放大器，但是可以外推到具有多于两个MIDB块的实施例。

参考图11，在异相期间(例如，还参见图6中的YA和YB)，图6中的MIDB块610的未补偿的负载导纳由上半圆曲线1110示出，并且MIDB块520的未补偿的负载导纳由下半圆曲线1120示出。MIDB块610的未补偿负载导纳(YA)和MIDB块620的未补偿负载导纳(YB)可以表示如下：

基于可调谐匹配网络680和组合器130将负载匹配到纯电阻有效阻抗RL的假设，轴被归一化为

每个MIDB块在其对应曲线上具有由异相角和补偿分量选择确定的负载导纳点。在固定MIDB输出电压幅度的情况下，输出功率与负载导纳的实部成比例，例如，Re{Y_Aor Y_B}越大，输出功率越高。

对于功率放大器(PA)，负载越靠近实轴(图11中的虚线)，PA越高效地操作。然而，从图中可以看出，当通过改变异相角来改变输出功率时，由MIDB块(并且因此由PA)看到的电导和电纳负载都将改变，从而影响该过程期间的系统效率。因此，在一些情况下，单独的异相可能具有用于有效操作的有限功率调制范围。在一些情况下，补偿电抗可以被选择为使曲线移位，使得导纳对于尽可能宽的功率调制范围(例如，值)保持接近实轴，使得导纳曲线的由图11中的框RB包围的部分接近实轴。

负载导纳特性可以独立于电压，以便确保对电压阶跃的功率控制连续性。在一些应用中，对于异相角范围可能存在某个最小跨度。在一个实施例中，对于所有MIDB块调制电压电平(对于MIDB块n，

)，可以预先确定最大电压阶跃(例如，2:1)。因此，在一个非限制性示例中，导纳范围可以至少跨越[/>

至/>

]例如，相位角(α)范围[26.57°,63.43°])可以是调制范围的子集。

在一些实施例中，对于给定的输出功率廓线，RF功率发生器的效率优化可以在每个MIDB块的功率放大器的最佳数量、电源电压电平、设备面积、补偿电抗和/或模板匹配组合器(例如，图6中的680)的目标负载阻抗方面是可能的。

在动态响应方面，控制方法可以以三种方式满足输出功率的命令阶跃改变：(1)异相角的改变，(2)MIDB导通/关断配置的改变，以及(3)离散电源调制的改变。改变异相角可以执行由每个MIDB块中的功率放大器看到的有效负载阻抗的阶跃改变。改变MIDB导通/关断配置和改变离散电源调制可以执行跨块功率放大器中的一个或多个块功率放大器的DC阻断组件的共模电压的阶跃改变。通过将储能电路分配给每个块功率放大器，RF功率发生器可以通过减小或最小化dc关断电容器值来在所有三种情况下实现非常快的稳定时间。这还可以具有至少完全模块化RF功率发生器的功率放大器120的附加益处，其中MIDB块可以容易地重新配置以满足预期应用的新规范。

示例模拟结果

T在LTSpice中实施了用于图6的2级、MIDB-2配置的功率发生器的示例电路模型，该功率发生器利用每个MIDB块中的ZVS D类放大器和功率放大器220的无损异相组合器来实施。功率发生器被配置用于对应于具有以下参数的真实世界等离子体加载应用的输出功率廓线：0.2kW持续1ms，1kW持续1ms，并且然后5kW持续20μs。此外，GaN FET PGA26E19BA开关被指定在ISM频带频率13.56MHz处。假定可调谐匹配网络580将可变等离子体负载匹配到固定的真实阻抗RL。获得以下模拟结果。

效率和功率范围模拟结果。对于效率图，采用用于Coss损耗计算的峰值dV/dt损耗拟合，并且对于有源块PA中的器件，5.5×标量标称Rds，并且应用当PA导通时用于导通开关的2×标量。另外，为电感器和理想共模组合器设置500的品质因数(Q)，并且基于开关损耗特性和功率范围考虑，电源电压电平处于300V和100V。为了考虑调制器损耗(例如，跨图7中的二极管740的损耗)，将99％标量应用于更低电源电压情况。一些关键的系统设计参数列于下表中。

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图12示出了使用MIDB功率放大器块、异相和Chireix组合器的模拟RF功率发生器的效率与输出功率回退曲线。主dc电源电压电平为300V，额定用于峰值功率为5kW，并且辅助电源电压电平为100V，额定用于峰值功率小于500W。对于每个连续节段1210、1220、1230和1240，输出功率被异相调制，并且在交叉点处使用离散RF电压调制(通过MIDB导通/关断控制和/或电源调制)以维持宽功率范围的高效率。

此外，在图12中，垂直线标记负载廓线中的功率电平。可以看出，在整个功率范围(200W至5kW)内实现了高于90％的高效率，并且在输出功率范围(5W至5kW)内实现了至少30dB。尽管额定用于多kW峰值功率，但是功率发生器可以以非常低的功率5W可靠地递送功率，在最低设计功率电平下具有>20％的效率。

图13示出了功率放大器的输出电压对异相的动态响应。图13中的波形示出了实现了非常快速的动态行为，在没有几个RF周期的情况下设置在新的命令电压电平。特别地，波形1310对应于Vload电压，并且指示1：1匝数比Chireix组合器的输出电压(例如，图5中的VL)。波形1320和1330对应于VPAO1和VPAO3，并且指示两个功率放大器的未滤波切换模式电压，每个功率放大器在不同的MIDB块中。在该模拟中，相位角α在时间＝3.69μs处从30°阶跃到60°，并在时间＝4.42μs处(例如，仅在10个RF周期之后)恢复到30°。

图14示出了MIDB功率放大器的输出电压的动态响应非常快的示例。在图14中，波形1410对应于1：1匝数比Chireix组合器的输出电压(图6中的VL)。VPAO2的波形1420和VPAO1的波形1330表示同一MIDB块中的两个PA中的相应PA的切换模式电压。一个PA在时间＝3.69μs处被关断(例如AC接地)，并且在时间＝4:42μs处被重新导通(例如，切换)。

图15示出了输出电压对离散电源调制的动态阶跃响应的示例，并且可以实现微秒水平的快速稳定。例如，对电源电压中的阶跃的动态响应(例如，由电源72中的调制器执行)以以下波形表示。波形1510对应于1：1匝数比Chireix组合器的输出电压(对应于图15中的Vvload和图6中的VL)。波形1520(标记为V(in1))对应于选定MIDB块中的功率放大器的电源电压，并且波形1530对应于该功率放大器的切换节点电压。电源电压在时间＝3.69μs处从300V降低到100V，并在时间＝4:42μs处恢复到300V。

根据一个或多个实施例，RF功率发生器被提供有独特的系统架构和功率控制方法。在一些实施方式中，RF功率发生器可以具有以下特征的各种组合：(1)用于快速响应(并且如果需要，连续)功率生成的功率信号的异相，(2)使用MIDB块中的切换模式(例如，导通/关断控制)功率放大器的离散功率电压调制，和/或(3)电源电压的离散漏极调制，以在各种应用中扩展负载的高效率操作功率范围。在一个实施例中，负载可以是在半导体芯片制造工艺期间使用的等离子体发生器。在其他实施例中，负载可以是不同的，并且可以在不同的(更高或更低)功率范围(例如，不具有等离子体发生器的高功率范围和性能要求的功率范围)内操作。

可以以各种方式执行离散漏极调制。在具有两个MIDB块的功率发生器中，例如，可以使用两个电源，例如，主DC功率源(例如，用于峰值到中间功率电平)和辅助DC功率源(例如，用于较低功率电平)。因此，RF功率发生器可以使用低开销的2级离散漏极调制。在这样做时，功率发生器可以在非常宽的回退范围内保持高效率并执行快速RF功率控制。在其他实施例中，功率发生器可以具有多于两个MIDB功率放大器块。

在一个实施例中，RF发生器可以包括执行调整(或重新映射)以匹配改变的负载阻抗的阻抗变换器，并且以便为切换模式功率放大器提供可接受的操作。另外，切换模式功率放大器本身可以具有改变的阻抗，阻抗变换器可以将该改变的阻抗映射到负载(例如，等离子体发生器或另一负载)的阻抗。

除了等离子体生成应用之外，RF功率发生器的各种实施例可以满足其他工业应用的要求，例如，在高频(例如，数十MHz)和功率电平(例如，以kW为单位的峰值功率)、以及宽的总功率范围(例如，30dB)和高峰均功率比下以可变负载阻抗操作的工业应用。

本文描述的方法、过程和/或操作可以由计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备执行的代码或指令来执行。计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备可以是本文中描述的那些，或是除了本文中描述的元件之外的元件。由于详细描述了形成方法(或计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备的操作)的基础的算法，用于实施方法实施例的操作的代码或指令可以将计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备变换成用于执行本文中的方法的专用处理器。

此外，另一实施例可以包括用于存储上述代码或指令的计算机可读介质，例如，非瞬态计算机可读介质。计算机可读介质可以是易失性或非易失性存储器或其他存储设备，其可以可移除地或固定地耦合到计算机、处理器、控制器、或将执行用于执行本文中的方法实施例或装置实施例的操作的代码或指令的其他信号处理设备。

本文公开的实施例的控制器、处理器、发生器、逻辑、调制器、组合器、变换器、匹配网络、驱动器以及其他信号生成和信号处理特征可以例如在可以包括硬件、软件或两者的非瞬态逻辑中实施。当至少部分地以硬件实施时，控制器、处理器、发生器、逻辑、调制器、组合器、变换器、匹配网络、驱动器以及其他信号生成和信号处理特征可以例如是各种各样的集成电路中的任何一种，这些集成电路包括但不限于专用集成电路、现场可编程门阵列、逻辑门的组合、片上系统、微处理器、或其他类型的处理或控制电路。

当至少部分地以软件实施时，控制器、处理器、发生器、逻辑、调制器、组合器、变换器、匹配网络、驱动器以及其他信号生成和信号处理特征可以包括例如用于存储待由(例如，计算机、处理器、微处理器、控制器或其他信号处理设备)执行的代码或指令的存储器或其他存储设备。计算机、处理器、微处理器、控制器或其他信号处理设备可以是本文描述的那些，或是除了本文描述的元件之外的元件。由于详细描述了形成方法(或计算机、处理器、微处理器、控制器或其他信号处理设备的操作)的基础的算法，用于实施方法实施例的操作的代码或指令可以将计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备变换成用于执行本文所述的方法的专用处理器。

本文参照相关附图描述了寻求保护的构思、系统、设备、结构和技术的各种实施例。可以在不脱离本文所描述的构思、系统、设备、结构和技术的范围的情况下设计替选实施例。注意，在以下描述中和附图中的元件之间阐述了各种连接和位置关系(例如，上方、下方、相邻等)。除非另有说明，否则这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且所描述的构思、系统、设备、结构和技术不旨在在这方面进行限制。因此，实体的耦合可以指直接或间接耦合，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接位置关系。

作为间接位置关系的示例，本说明书中对在层“B”上方形成层“A”的提及包括其中一个或多个中间层(例如，层“C”)在层“A”与层“B”之间的情况，只要层“A”和层“B”的相关特性和功能基本上不被中间层改变即可。以下定义和缩写将用于解释权利要求和说明书。在本文中，术语“包含(comprise)”、“含有(comprising)”、“包括(include)”、“包括(including)”、“有(has)”、“具有(having)”、“包含(contain)”或“含有(containing)”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括一系列元素的组合物、混合物、过程、方法、制品或装置不一定仅限于那些元素，而是可以包括未明确列出的或此类组合物、混合物、过程、方法、制品或装置固有的其他元素。

此外，术语“示例性”在本文中被用于意指“用作示例、实例或说明”。本文中被描述为“示例性”的任何实施例或设计不一定被解释为比其他实施例或设计优选或有利。术语“一个或多个”和“一个或多个”被理解为包括大于或等于一个的任何整数，即一个、两个、三个、四个等。术语“多个”被理解为包括大于或等于两个的任何整数，即两个、三个、四个、五个等。术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”。

说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的提及指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定涉及同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，认为无论是否明确描述，结合其他实施例影响这样的特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内。

出于下文中的描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”及其派生词应当涉及如在附图中定向的所描述的结构和方法。术语“覆盖”、“在顶上”、“在上面”、“定位在……上”或“定位在……顶上”意指诸如第一结构的第一元件存在于诸如第二结构的第二元件上，其中诸如接口结构的中间元件可以存在于第一元件与第二元件之间。术语“直接接触”意指诸如第一结构的第一元件和诸如第二结构的第二元件在没有任何中间元件的情况下连接。

在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等的序数术语来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一权利要求元素的任何优先级、优先序或顺序或执行方法的动作的时间顺序，而是仅仅用作标记来区分具有某个名称的一个权利要求元素与具有相同名称的另一元素(除了使用序数术语以外)以区分权利要求元素。

术语“近似”和“大约”可以用于意指在一些实施例中在目标值的±20％内、在一些实施例中在目标值的±10％内、在一些实施例中在目标值的±5％内、而在一些实施例中在目标值的±2％内。术语“近似”和“大约”可以包括目标值。术语“基本上相等”可以用于指在一些实施例中彼此相差在±20％内的值、在一些实施例中彼此相差在±10％内的值、在一些实施例中彼此相差在±5％内的值、而在一些实施例中彼此相差在±2％内的值。

术语“基本上”可以用于指在一些实施例中在比较度量的±20％内的值、在一些实施例中在比较度量的±10％内的值、在一些实施例中在比较度量的±5％内的值、而在一些实施例中在比较度量的±2％内的值。例如，“基本上”垂直于第二方向的第一方向可以指在一些实施例中与第二方向成90°角的±20％内的第一方向、在一些实施例中与第二方向成90°角的±10％内的第一方向、在一些实施例中与第二方向成90°角的±5％内的第一方向、而在一些实施例中与第二方向成90°角的±2％内的第一方向。

应当理解，所公开的主题在其应用中不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的构造的细节和部件的布置。所公开的主题能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践和执行。

此外，应当理解，本文所采用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应当被视为是限制性的。照此，本领域技术人员将理解，本公开内容所基于的构思可以容易地被用作用于设计用于执行所公开的主题的若干目的的其他结构、方法和系统的基础。因此，权利要求应当被视为包括此类等效构造，只要它们不脱离所公开的主题的精神和范围。

虽然已经在前述示例性实施例中描述和示出了所公开的主题，但是应当理解，本公开内容已经仅通过示例的方式进行，并且在不脱离所公开的主题的精神和范围的情况下，可以对所公开的主题的实施方式的细节进行多种改变。

Claims (20)

1.一种功率发生器，包括：

多个放大器块，所述多个放大器块中的每个放大器块包括多个放大器；以及

组合器，所述组合器用于对从所述多个放大器块输出的调制的信号进行组合以生成负载的射频(RF)功率信号，其中，所述多个放大器块被配置为基于至少一个相位角使所调制的功率信号异相，并且其中，所述多个放大器块中的每个放大器块被配置为执行离散调制以生成所调制的功率信号中的相应一个调制的功率信号，所述离散调制包括选择所述多个放大器的不同组合从而以离散阶跃改变所述RF功率信号。

2.根据权利要求1所述的功率发生器，其中，所述多个放大器中的每一个放大器被配置为生成固定电压。

3.根据权利要求1所述的功率发生器，其中，所述多个放大器中的每一个放大器被配置为以切换模式操作。

4.根据权利要求1所述的功率发生器，其中，所述多个放大器的所述不同组合被配置为实施所述RF功率信号中的离散阶跃改变的预定序列。

5.根据权利要求1所述的功率发生器，其中，所述多个放大器块中的每一个放大器块被配置为基于至少一个调制的电源电压来生成所述调制的功率信号中的对应的一个调制的功率信号。

6.根据权利要求5所述的功率发生器，还包括离散漏极调制器，所述离散漏极调制器被配置为经由离散漏极调制来调制所述电源电压。

7.根据权利要求1所述的功率发生器，还包括阻抗变换器，所述阻抗变换器被配置为改变所述组合器的输出阻抗以匹配所述负载的阻抗。

8.根据权利要求7所述的功率发生器，其中：

所述阻抗变换器包括可调谐匹配网络；并且

所述可调谐匹配网络被配置为以离散阶跃来改变所述组合器的所述输出阻抗，以匹配所述负载的所述阻抗的改变。

9.根据权利要求8所述的功率发生器，其中，所述可调谐匹配网络被配置为改变一个或多个分流电抗，从而以离散阶跃来改变所述组合器的所述输出阻抗，以匹配所述负载的所述阻抗的改变。

10.根据权利要求7所述的功率发生器，其中：

当针对所述多个放大器块中的每个放大器块选择所述多个功率放大器的不同组合时，所述组合器的所述输出阻抗改变，并且

所述阻抗变换器转换所述组合器的改变的输出阻抗以匹配所述负载的所述阻抗。

11.根据权利要求1所述的功率发生器，其中，所述多个放大器块中的每一个放大器块被配置为以共模方式操作。

12.根据权利要求1所述的功率发生器，其中，所述多个放大器块中的至少一个放大器块被配置为接收信号，所述信号控制所述多个放大器块中的所述至少一个放大器块的导通状态或关断状态，从而以离散阶跃来改变所述RF功率信号。

13.根据权利要求12所述的功率发生器，其中，通过选择所述多个放大器的不同组合而引起的所述RF功率信号的离散阶跃改变不同于通过控制所述多个放大器块中的所述至少一个放大器块的所述导通状态或所述关断状态而引起的所述RF功率信号的所述离散阶跃改变。

14.根据权利要求1所述的功率发生器，其中，所述负载包括等离子体发生器。

15.一种用于管理功率的方法，包括：

从第一放大器块生成第一调制的功率信号；

从至少第二放大器块生成第二调制的功率信号；

基于相位角使所述第一调制的功率信号和所述第二调制的功率信号异相；以及

基于所异相的第一调制的功率信号和所异相的第二调制的功率信号来生成用于负载的RF功率信号，其中，生成所述第一调制的功率信号包括切换所述第一放大器块中的多个放大器的不同组合，并且生成所述第二调制的功率信号包括切换所述第二放大器块中的多个放大器的不同组合。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述不同组合包括所述第一放大器块中的不同数量的切换放大器和所述第二放大器块中的不同数量的切换放大器。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多个放大器的所述不同组合被配置为实施所述RF功率信号的离散阶跃改变的预定序列。

18.根据权利要求15所述的方法，还包括：

将至少第一电源电压输入到所述第一放大器块；以及

将至少第二电源电压输入到所述第二放大器块，

其中，所述第一电源电压和所述第二电源电压是离散漏极调制电压。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括：

改变组合器的输出阻抗以匹配所述负载的阻抗，

其中，所述组合器基于所异相的第一调制的功率信号和所异相的第二调制的功率信号来生成所述RF功率信号。

20.根据权利要求15所述的方法，还包括：

改变组合器的输出阻抗以匹配阻抗负载，

其中，所述组合器基于所异相的第一调制的功率信号和所异相的第二调制的功率信号生成所述RF功率信号，并且所述组合器具有阻抗，所述阻抗基于所述第一放大器块中的切换功率放大器的数量的改变而改变。

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