CN116722751A - 一种频率选择型射频电源及柔性变频控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率选择型射频电源及柔性变频控制方法，本发明中的频率选择型射频电源主要包括经过改进的射频电源主电路拓扑及与其配套的柔性调频控制技术；射频电源主电路拓扑包括AC/DC整流模块，DC/DC高频隔离模块，DC/AC逆变模块和控制模块，柔性调频控制方法是通过对锁相环的输入输出控制实现射频电源的柔性调频以及多个射频电源的一定同步关系构建。本申请一方面解决了射频电源偏离额定工作点处产生的输出特性恶化问题，另一方面也可方便的实现对多个射频电源同步输出的控制，扩展了等离子体射频电源的射频输出范围和应用范围，能够在一定程度上降低工艺制造的成本。

Description

一种频率选择型射频电源及柔性变频控制方法
技术领域
本发明涉及电源装置的射频电源领域，特别是一种频率选择型射频电源及柔性变频控制方法。
背景技术
等离子体处理装置被广泛应用于半导体加工领域中，如物理气相沉积PVD和化学气相沉积CVD等。譬如常见的等离子体增强型化学气相沉积PECVD，其原理是利用辉光放电产生的等离子体使气体分解并快速发生反应，从而生成薄膜。
射频气体放电时电子作振荡运动，二次电子将产生更多碰撞电离，反应腔室中的射频放电等离子电荷密度与电子/离子浓度会随着增加。由于受到瞬时电场变化作用以及等离子体振荡特性影响，可动性高的电子会按照电源频率做周期性运动。以炉管类PECVD为例，根据不同工艺的需求，射频电源的输出频率一般在30kHz至400kHz之间分布。目前的射频电源在设计时均固定输出频率，不能根据工艺制造的需求马上调整，无法实时动态调整输出频率以达到最优的薄膜沉积效果；或者不同的工艺步骤需要配置不同频率的射频电源，增加了成本和故障率。普通射频电源要实现输出频率动态调整有几个难点：一是常规射频电源主电路拓扑跟输出频率密切相关，如采用E类功率放大器、谐振逆变器等拓扑，其主电路硬件必须按照固定输出频率点来设计，一旦偏离额定频率点，射频电源的输出特性会恶化，无法高效工作；二是控制电路和控制方法不支持变频功能，尤其是当需要多台射频电源做到输出同步时。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供了一种频率选择型射频电源，其输出频率能根据工艺制造和工艺步骤实时调整，相应的提出了一种频率选择型射频电源的柔性变频控制方法，用于调节射频电源输出频率，并且能适应多台射频电源同步输出工作的场景。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种频率选择型射频电源，其特征在于：包括AC/DC整流模块、DC/DC高频隔离模块、DC/AC逆变模块以及控制模块，所述AC/DC整流模块的输出端连接DC/DC高频隔离模块的输入端，所述AC/DC整流模块将输入端输入的交流市电变换为直流电1，所述直流电1经AC/DC整流模块的输出端输入到DC/DC高频隔离模块的输入端作为DC/DC高频隔离模块的输入，所述DC/DC高频隔离模块的输出端连接DC/AC逆变模块的输入端，所述DC/DC高频隔离模块将输入端输入的直流电1变换为直流电2，所述直流电2经DC/DC高频隔离模块的输出端输入到DC/AC逆变模块的输入端作为DC/AC逆变模块的输入，所述控制模块分别连接上位机和DC/AC逆变模块，所述控制模块接收上位机的频率指令并通过射频电源的柔性变频控制方法产生控制DC/AC逆变模块所需的射频频率信号并作用于DC/AC逆变模块，所述DC/AC逆变模块的输出端连接负载，所述DC/AC逆变模块经控制模块控制将直流电2转换为射频工艺所需的射频输出经其输出端输出到负载。
作为本发明的优选技术方案：所述AC/DC整流模块包括整流电路、PFC电路以及与三相电网输入连接的三相滤波电感L1、L2、L3，三相滤波电感L1、L2、L3依次与输入ABC三相串联，所述整流电路包括二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，开关K1、K2、K3以及电容C1、C2，所述整流电路的输入侧与三相滤波电感L1、L2、L3相连，输出侧与PFC电路相连，K1、K2、K3三个开关根据输入ABC三相电压的相位关系进行工频换相，产生工频六脉波脉动直流电1，所述PFC电路包括电感L4和开关管Q1、Q2，PFC电路的输入侧与整流电路输出侧相连，其输出侧与DC/DC高频隔离模块相连，所述开关管Q1、Q2进行高频切换，控制电感L4的电流为与输入ABC三相电压中瞬时值为中间值的一相电压同相位，并且幅值与射频电源的实际输出功率成正比的正弦电流，实现输入ABC三相的PFC功能。
作为本发明的优选技术方案：所述DC/DC高频隔离模块包括开关管Q3、Q4、Q5、Q6，电感L5，电容C3，高频变压器以及二极管D7、D8、D9、D10，所述DC/DC高频隔离模块的输入侧与所述AC/DC整流模块的输出侧相连，其输出侧与DC/AC逆变模块相连，所述DC/DC高频隔离模块通过变频控制，将工频六脉波脉动直流电1转换为平稳恒定的直流电2。
作为本发明的优选技术方案：所述DC/AC逆变模块包括并联连接的电感L6，二极管D11，所述DC/AC逆变模块的输入侧与所述DC/DC高频隔离模块相连，其输出侧与单相全桥逆变电路相连，所述单相全桥逆变电路包括开关管Q7、Q8、Q9、Q10，所述单相全桥逆变电路的输入侧与并联连接的电感L6和二极管D11相连，其输出侧与RC吸收电路和负载相连，所述RC吸收电路由电阻R1和电容C4串联组成，其并联在单相全桥逆变电路输出侧，所述单相全桥逆变电路根据控制模块的频率指令，逆变产生所需的射频输出。
作为本发明的优选技术方案：根据所述射频电源的输出功率需求，所述电感L6的电流被控制为平稳的直流电流，且其幅值与射频电源的输出功率成正比。
作为本发明的优选技术方案：当所述二极管D11在单相全桥逆变电路的Q7、Q8、Q9、Q10四个开关管全部关断时，为电感L6提供续流通路。
作为本发明的优选技术方案：所述射频输出的频率在保持其输出特性的的情况下通过控制模块进行无级调节和选择。
上述结构中：本发明提出的一种频率选择型射频电源，包括AC/DC整流模块、DC/DC高频隔离模块、DC/AC逆变模块以及控制模块，
AC/DC整流模块：其作用主要为将输入的交流市电变换为直流电1，其中直流电1作为DC/DC高频隔离模块的输入，同时实现输入侧PFC功能，提高射频电源输入功率因数，AC/DC整流模块包括整流电路、PFC电路以及与三相电网输入连接的三相滤波电感L1、L2、L3，三相滤波电感L1、L2、L3依次与输入ABC三相串联；
DC/DC高频隔离模块：其作用主要为将输入的直流电1变换为直流电2，起到电气隔离作用，DC/DC高频隔离模块包括开关管Q3、Q4、Q5、Q6，电感L5，电容C3，高频变压器以及二极管D7、D8、D9、D10；
DC/AC逆变模块：负责将直流电2转换为射频工艺所需的射频输出给等离子体负载供能，且其能根据上位机指令改变输出频率，DC/AC逆变模块包括并联连接的电感L6，二极管D11，所述DC/AC逆变模块的输入侧与所述DC/DC高频隔离模块相连，其输出侧与单相全桥逆变电路相连，所述单相全桥逆变电路包括开关管Q7、Q8、Q9、Q10，所述单相全桥逆变电路的输入侧与并联连接的电感L6和二极管D11相连，其输出侧与RC吸收电路和负载相连，所述RC吸收电路由电阻R1和电容C4串联组成，其并联在单相全桥逆变电路输出侧；
控制模块：负责接收上位机的频率指令，通过专门设计的方法产生控制DC/AC逆变模块所需的高精度高稳定度射频频率信号，作用于DC/AC逆变模块，得到满足工艺需求的射频功率输出，控制模块可以根据外部同步输入时基信号的有无来选择外部同步输入时基信号fsynin或射频电源本地时基信号floc作为锁相环的输入。
本发明提出的射频电源避免了常规射频电源偏离额定工作点处输出特性会迅速恶化的问题，其射频输出频率可以在保持其输出特性的的情况下通过控制模块进行无级调节和选择，并不依赖于主电路参数。
通过本发明中的频率选择型射频电源主电路拓扑，其射频输出的频率并不依赖于主电路参数，因此无常规射频电源的输出频率固定无法调整的缺点，其射频输出频率可以在保持其输出特性的情况下通过控制模块进行无级调节和选择。
一种频率选择型射频电源的柔性变频控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：控制模块检测射频电源有无外部同步输入时基信号fsynin，根据外部同步输入时基信号fsynin的有无，通过单刀双掷开关模拟K来选择外部同步输入时基信号fsynin或者射频电源本地时基信号floc，具体为：当外部同步输入时基信号fsynin存在时，选择fsynin，否则选择floc；
S2：单刀双掷模拟开关K的输出送至锁相环模块PLL，作为PLL的时基输入fin；
S3：外部上位机发送的频率指令也送至PLL，作为PLL的锁相参数的输入，PLL的锁相参数通过上位机进行调节，进而调节输出信号的相位，用于补偿可能存在的信号线路传输延迟；
S4：PLL的时基输入fin和锁相参数一起，经过PLL产生两路频率输出信号，分别为fsynout和fo，其中fsynout为一跟PLL时基输入fin相关的频率信号，选取跟fin同频率、同相位的信号，或者fsynout根据实际工艺现场的需求，为跟fin同频率、不同相位的信号，用于补偿信号线路上的传输延迟；而fo则为外部上位机发送的频率指令所指定的频率和相位的信号，fo也可根据实际情况加入相位补偿以弥补信号线路上的传输延迟；
S5：fsynout作为当前射频电源的外部同步输出时基信号，从当前射频电源输出，送至外部其它需要跟当前射频电源保持一定同步关系输出的射频电源的外部同步输入，作为外部其它射频电源的外部同步输入时基信号；而fo信号送至DC/AC逆变模块，产生同频同相的射频输出。
作为本发明的优选技术方案：在步骤S4中：经过所述锁相环模块产生的两路频率输出信号，一个作为DC/AC逆变模块的控制信号，另一个作为其他射频电源的外部同步输入时基信号；
相应的，所述射频电源的锁相环模块也具有两个输入方式：当存在外部同步输入时基信号时选择外部同步输入时基信号，当其不存在时选择本地时基信号作为输入。
上述结构中：通过上述射频电源的柔性变频控制方法能够实现控制模块接收上位机的频率指令时，能够通过射频电源的柔性变频控制方法产生控制DC/AC逆变模块所需的射频频率信号并作用于DC/AC逆变模块，由于所述DC/AC逆变模块的输出端连接负载，所述DC/AC逆变模块经控制模块控制将直流电2转换为射频工艺所需的射频输出经其输出端输出到负载，射频电源的柔性变频控制方法可以通过上位机调节PLL锁相参数，进而调节输出信号的相位，用于补偿可能存在的信号线路传输延迟，
经过所述锁相环模块产生的两路频率输出信号，一个作为DC/AC逆变模块的控制信号，另一个作为其他射频电源的外部同步输入时基信号；相应的，所述射频电源的锁相环模块也具有两个输入方式：当存在外部同步输入时基信号时选择外部同步输入时基信号，当其不存在时选择本地时基信号作为输入。
通过本发明控制部分中的柔性变频控制方法，每个射频电源的锁相环模块都有两个输入方式，当存在外部同步输入时基信号时选择外部同步输入时基信号，当其不存在时选择本地时基信号作为输入；相应地，每个射频电源的锁相环模块都有两个输出信号，其中一个作为DC/AC逆变模块的控制信号，另一个作为其他射频电源的外部同步输入时基信号；通过锁相环模块的外部同步输入时基信号和同步输出时基信号，可以控制多个射频电源建立一定的同步关系，满足含多射频电源的等离子体系统的工艺需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
通过本发明中的频率选择型射频电源主电路拓扑，其射频输出的频率并不依赖于主电路参数，因此无常规射频电源的输出频率固定无法调整的缺点，其射频输出频率可以在保持其输出特性的情况下通过控制模块进行无级调节和选择。
通过本发明控制部分中的柔性变频控制方法，每个射频电源的锁相环模块都有两个输入方式，当存在外部同步输入时基信号时选择外部同步输入时基信号，当其不存在时选择本地时基信号作为输入；相应地，每个射频电源的锁相环模块都有两个输出信号，其中一个作为DC/AC逆变模块的控制信号，另一个作为其他射频电源的外部同步输入时基信号；通过锁相环模块的外部同步输入时基信号和同步输出时基信号，可以控制多个射频电源建立一定的同步关系，满足含多射频电源的等离子体系统的工艺需求。
附图说明
图1为本发明中的频率选择型射频电源的主电路拓扑示意图；
图2为本发明中频率选择型的射频电源电路图；
图3为本发明涉及的柔性变频控制方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示本发明提出了一种频率选择型射频电源，包括AC/DC整流模块、DC/DC高频隔离模块、DC/AC逆变模块以及控制模块，所述AC/DC整流模块的输出端连接DC/DC高频隔离模块的输入端，所述AC/DC整流模块将输入端输入的交流市电变换为直流电1，所述直流电1经AC/DC整流模块的输出端输入到DC/DC高频隔离模块的输入端作为DC/DC高频隔离模块的输入，所述DC/DC高频隔离模块的输出端连接DC/AC逆变模块的输入端，所述DC/DC高频隔离模块将输入端输入的直流电1变换为直流电2，所述直流电2经DC/DC高频隔离模块的输出端输入到DC/AC逆变模块的输入端作为DC/AC逆变模块的输入，所述控制模块分别连接上位机和DC/AC逆变模块，所述控制模块接收上位机的频率指令并通过射频电源的柔性变频控制方法产生控制DC/AC逆变模块所需的射频频率信号并作用于DC/AC逆变模块，所述DC/AC逆变模块的输出端连接负载，所述DC/AC逆变模块经控制模块控制将直流电2转换为射频工艺所需的射频输出经其输出端输出到负载。
在本实施例中：所述AC/DC整流模块包括整流电路、PFC电路以及与三相电网输入连接的三相滤波电感L1、L2、L3，三相滤波电感L1、L2、L3依次与输入ABC三相串联，所述整流电路包括二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，开关K1、K2、K3以及电容C1、C2，所述整流电路的输入侧与三相滤波电感L1、L2、L3相连，输出侧与PFC电路相连，K1、K2、K3三个开关根据输入ABC三相电压的相位关系进行工频换相，产生工频六脉波脉动直流电1，所述PFC电路包括电感L4和开关管Q1、Q2，PFC电路的输入侧与整流电路输出侧相连，其输出侧与DC/DC高频隔离模块相连，所述开关管Q1、Q2进行高频切换，控制电感L4的电流为与输入ABC三相电压中瞬时值为中间值的一相电压同相位，并且幅值与射频电源的实际输出功率成正比的正弦电流，实现输入ABC三相的PFC功能。
在本实施例中：所述DC/DC高频隔离模块包括开关管Q3、Q4、Q5、Q6，电感L5，电容C3，高频变压器以及二极管D7、D8、D9、D10，所述DC/DC高频隔离模块的输入侧与所述AC/DC整流模块的输出侧相连，其输出侧与DC/AC逆变模块相连，所述DC/DC高频隔离模块通过变频控制，将工频六脉波脉动直流电1转换为平稳恒定的直流电2。
在本实施例中：所述DC/AC逆变模块包括并联连接的电感L6，二极管D11，所述DC/AC逆变模块的输入侧与所述DC/DC高频隔离模块相连，其输出侧与单相全桥逆变电路相连，所述单相全桥逆变电路包括开关管Q7、Q8、Q9、Q10，所述单相全桥逆变电路的输入侧与并联连接的电感L6和二极管D11相连，其输出侧与RC吸收电路和负载相连，所述RC吸收电路由电阻R1和电容C4串联组成，其并联在单相全桥逆变电路输出侧，所述单相全桥逆变电路根据控制模块的频率指令，逆变产生所需的射频输出。
根据所述射频电源的输出功率需求，所述电感L6的电流被控制为平稳的直流电流，且其幅值与射频电源的输出功率成正比。
当所述二极管D11在单相全桥逆变电路的Q7、Q8、Q9、Q10四个开关管全部关断时，为电感L6提供续流通路。
所述射频输出的频率在保持其输出特性的的情况下通过控制模块进行无级调节和选择。
本发明提出的一种频率选择型射频电源，包括AC/DC整流模块、DC/DC高频隔离模块、DC/AC逆变模块以及控制模块，
经过特殊设计的DC/AC逆变模块和控制模块，DC/AC逆变模块负责将直流电2转换为工艺所需频率的射频输出给等离子体负载进行供能；控制模块负责接受上位机的频率指令，控制DC/AC逆变模块输出满足工艺需求的射频输出。
具体的，DC/AC逆变模块，负责将直流电2转换为射频工艺所需的射频输出给等离子体负载供能，且其经过特殊设计的构造可以使其正常工作不依赖于确定的频率，从而能够实时调整输出频率，控制模块能够负责接收上位机的频率指令，通过专门设计的射频电源的柔性变频控制方法产生控制DC/AC逆变模块所需的高精度高稳定度射频频率信号，作用于DC/AC逆变模块，得到满足工艺需求的射频输出。
如图2所示，频率选择型射频电源的具体结构和电路连接如下：
AC/DC整流模块：其作用主要为将输入的交流市电变换为直流电1，其中直流电1作为DC/DC高频隔离模块的输入，同时实现输入侧PFC功能，提高射频电源输入功率因数，AC/DC整流模块包括整流电路、PFC电路以及与三相电网输入连接的三相滤波电感L1、L2、L3，三相滤波电感L1、L2、L3依次与输入ABC三相串联；
DC/DC高频隔离模块：其作用主要为将输入的直流电1变换为直流电2，起到电气隔离作用，DC/DC高频隔离模块包括开关管Q3、Q4、Q5、Q6，电感L5，电容C3，高频变压器以及二极管D7、D8、D9、D10；
DC/AC逆变模块：负责将直流电2转换为射频工艺所需的射频输出给等离子体负载供能，且其能根据上位机指令改变输出频率，DC/AC逆变模块包括并联连接的电感L6，二极管D11，所述DC/AC逆变模块的输入侧与所述DC/DC高频隔离模块相连，其输出侧与单相全桥逆变电路相连，所述单相全桥逆变电路包括开关管Q7、Q8、Q9、Q10，所述单相全桥逆变电路的输入侧与并联连接的电感L6和二极管D11相连，其输出侧与RC吸收电路和负载相连，所述RC吸收电路由电阻R1和电容C4串联组成，其并联在单相全桥逆变电路输出侧；
控制模块：负责接收上位机的频率指令，通过专门设计的方法产生控制DC/AC逆变模块所需的高精度高稳定度射频频率信号，作用于DC/AC逆变模块，得到满足工艺需求的射频功率输出，控制模块可以根据外部同步输入时基信号的有无来选择外部同步输入时基信号fsynin或射频电源本地时基信号floc作为锁相环的输入。
本发明提出的射频电源避免了常规射频电源偏离额定工作点处输出特性会迅速恶化的问题，其射频输出频率可以在保持其输出特性的的情况下通过控制模块进行无级调节和选择，并不依赖于主电路参数。
通过本发明中的频率选择型射频电源主电路拓扑，其射频输出的频率并不依赖于主电路参数，因此无常规射频电源的输出频率固定无法调整的缺点，其射频输出频率可以在保持其输出特性的情况下通过控制模块进行无级调节和选择。
如图3所示，本发明还提出了一种频率选择型射频电源的柔性变频控制方法，包括如下步骤：
S1：控制模块检测射频电源有无外部同步输入时基信号fsynin，根据外部同步输入时基信号fsynin的有无，通过单刀双掷开关模拟K来选择外部同步输入时基信号fsynin或者射频电源本地时基信号floc，具体为：当外部同步输入时基信号fsynin存在时，选择fsynin，否则选择floc；
S2：单刀双掷模拟开关K的输出送至锁相环模块PLL，作为PLL的时基输入fin；
S3：外部上位机发送的频率指令也送至PLL，作为PLL的锁相参数的输入，PLL的锁相参数通过上位机进行调节，进而调节输出信号的相位，用于补偿可能存在的信号线路传输延迟；
S4：PLL的时基输入fin和锁相参数一起，经过PLL产生两路频率输出信号，分别为fsynout和fo，其中fsynout为一跟PLL时基输入fin相关的频率信号，选取跟fin同频率、同相位的信号，或者fsynout根据实际工艺现场的需求，为跟fin同频率、不同相位的信号，用于补偿信号线路上的传输延迟；而fo则为外部上位机发送的频率指令所指定的频率和相位的信号，fo也可根据实际情况加入相位补偿以弥补信号线路上的传输延迟；
S5：fsynout作为当前射频电源的外部同步输出时基信号，从当前射频电源输出，送至外部其它需要跟当前射频电源保持一定同步关系输出的射频电源的外部同步输入，作为外部其它射频电源的外部同步输入时基信号；而fo信号送至DC/AC逆变模块，产生同频同相的射频输出。
在步骤S4中：经过所述锁相环模块产生的两路频率输出信号，一个作为DC/AC逆变模块的控制信号，另一个作为其他射频电源的外部同步输入时基信号；
相应的，所述射频电源的锁相环模块也具有两个输入方式：当存在外部同步输入时基信号时选择外部同步输入时基信号，当其不存在时选择本地时基信号作为输入。
通过上述射频电源的柔性变频控制方法能够实现控制模块接收上位机的频率指令时，能够通过射频电源的柔性变频控制方法产生控制DC/AC逆变模块所需的射频频率信号并作用于DC/AC逆变模块，由于所述DC/AC逆变模块的输出端连接负载，所述DC/AC逆变模块经控制模块控制将直流电2转换为射频工艺所需的射频输出经其输出端输出到负载，射频电源的柔性变频控制方法可以通过上位机调节PLL锁相参数，进而调节输出信号的相位，用于补偿可能存在的信号线路传输延迟，
经过所述锁相环模块产生的两路频率输出信号，一个作为DC/AC逆变模块的控制信号，另一个作为其他射频电源的外部同步输入时基信号；相应的，所述射频电源的锁相环模块也具有两个输入方式：当存在外部同步输入时基信号时选择外部同步输入时基信号，当其不存在时选择本地时基信号作为输入。
通过本发明控制部分中的柔性变频控制方法，每个射频电源的锁相环模块都有两个输入方式，当存在外部同步输入时基信号时选择外部同步输入时基信号，当其不存在时选择本地时基信号作为输入；相应地，每个射频电源的锁相环模块都有两个输出信号，其中一个作为DC/AC逆变模块的控制信号，另一个作为其他射频电源的外部同步输入时基信号；通过锁相环模块的外部同步输入时基信号和同步输出时基信号，可以控制多个射频电源建立一定的同步关系，满足含多射频电源的等离子体系统的工艺需求。
通过本发明中的频率选择型射频电源主电路拓扑，其射频输出的频率并不依赖于主电路参数，因此无常规射频电源的输出频率固定无法调整的缺点，其射频输出频率可以在保持其输出特性的情况下通过控制模块进行无级调节和选择。
通过本发明控制部分中的柔性变频控制方法，每个射频电源的锁相环模块都有两个输入方式，当存在外部同步输入时基信号时选择外部同步输入时基信号，当其不存在时选择本地时基信号作为输入；相应地，每个射频电源的锁相环模块都有两个输出信号，其中一个作为DC/AC逆变模块的控制信号，另一个作为其他射频电源的外部同步输入时基信号；通过锁相环模块的外部同步输入时基信号和同步输出时基信号，可以控制多个射频电源建立一定的同步关系，满足含多射频电源的等离子体系统的工艺需求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种频率选择型射频电源，其特征在于：包括AC/DC整流模块、DC/DC高频隔离模块、DC/AC逆变模块以及控制模块，所述AC/DC整流模块的输出端连接DC/DC高频隔离模块的输入端，所述AC/DC整流模块将输入端输入的交流市电变换为直流电1，所述直流电1经AC/DC整流模块的输出端输入到DC/DC高频隔离模块的输入端作为DC/DC高频隔离模块的输入，所述DC/DC高频隔离模块的输出端连接DC/AC逆变模块的输入端，所述DC/DC高频隔离模块将输入端输入的直流电1变换为直流电2，所述直流电2经DC/DC高频隔离模块的输出端输入到DC/AC逆变模块的输入端作为DC/AC逆变模块的输入，所述控制模块分别连接上位机和DC/AC逆变模块，所述控制模块接收上位机的频率指令并通过射频电源的柔性变频控制方法产生控制DC/AC逆变模块所需的射频频率信号并作用于DC/AC逆变模块，所述DC/AC逆变模块的输出端连接负载，所述DC/AC逆变模块经控制模块控制将直流电2转换为射频工艺所需的射频输出经其输出端输出到负载。
2.根据权利要求1所述的一种频率选择型射频电源，其特征在于：所述AC/DC整流模块包括整流电路、PFC电路以及与三相电网输入连接的三相滤波电感L1、L2、L3，三相滤波电感L1、L2、L3依次与输入ABC三相串联，所述整流电路包括二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，开关K1、K2、K3以及电容C1、C2，所述整流电路的输入侧与三相滤波电感L1、L2、L3相连，输出侧与PFC电路相连，K1、K2、K3三个开关根据输入ABC三相电压的相位关系进行工频换相，产生工频六脉波脉动直流电1，所述PFC电路包括电感L4和开关管Q1、Q2，PFC电路的输入侧与整流电路输出侧相连，其输出侧与DC/DC高频隔离模块相连，所述开关管Q1、Q2进行高频切换，控制电感L4的电流为与输入ABC三相电压中瞬时值为中间值的一相电压同相位，并且幅值与射频电源的实际输出功率成正比的正弦电流，实现输入ABC三相的PFC功能。
3.根据权利要求1或2所述的一种频率选择型射频电源，其特征在于：所述DC/DC高频隔离模块包括开关管Q3、Q4、Q5、Q6，电感L5，电容C3，高频变压器以及二极管D7、D8、D9、D10，所述DC/DC高频隔离模块的输入侧与所述AC/DC整流模块的输出侧相连，其输出侧与DC/AC逆变模块相连，所述DC/DC高频隔离模块通过变频控制，将工频六脉波脉动直流电1转换为平稳恒定的直流电2。
4.根据权利要求1所述的一种频率选择型射频电源，其特征在于：所述DC/AC逆变模块包括并联连接的电感L6，二极管D11，所述DC/AC逆变模块的输入侧与所述DC/DC高频隔离模块相连，其输出侧与单相全桥逆变电路相连，所述单相全桥逆变电路包括开关管Q7、Q8、Q9、Q10，所述单相全桥逆变电路的输入侧与并联连接的电感L6和二极管D11相连，其输出侧与RC吸收电路和负载相连，所述RC吸收电路由电阻R1和电容C4串联组成，其并联在单相全桥逆变电路输出侧，所述单相全桥逆变电路根据控制模块的频率指令，逆变产生所需的射频输出。
5.根据权利要求4所述的一种频率选择型射频电源，其特征在于：根据所述射频电源的输出功率需求，所述电感L6的电流被控制为平稳的直流电流，且其幅值与射频电源的输出功率成正比。
6.根据权利要求4所述的一种频率选择型射频电源，其特征在于：当所述二极管D11在单相全桥逆变电路的Q7、Q8、Q9、Q10四个开关管全部关断时，为电感L6提供续流通路。
7.根据权利要求1所述的一种频率选择型射频电源，其特征在于：所述射频输出的频率在保持其输出特性的的情况下通过控制模块进行无级调节和选择。
8.基于权利要求1-7任一项所述一种频率选择型射频电源的柔性变频控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：控制模块检测射频电源有无外部同步输入时基信号fsynin，根据外部同步输入时基信号fsynin的有无，通过单刀双掷开关模拟K来选择外部同步输入时基信号fsynin或者射频电源本地时基信号floc，具体为：当外部同步输入时基信号fsynin存在时，选择fsynin，否则选择floc；
S2：单刀双掷模拟开关K的输出送至锁相环模块PLL，作为PLL的时基输入fin；
S3：外部上位机发送的频率指令也送至PLL，作为PLL的锁相参数的输入，PLL的锁相参数通过上位机进行调节，进而调节输出信号的相位，用于补偿可能存在的信号线路传输延迟；
S4：PLL的时基输入fin和锁相参数一起，经过PLL产生两路频率输出信号，分别为fsynout和fo，其中fsynout为一跟PLL时基输入fin相关的频率信号，选取跟fin同频率、同相位的信号，或者fsynout根据实际工艺现场的需求，为跟fin同频率、不同相位的信号，用于补偿信号线路上的传输延迟；而fo则为外部上位机发送的频率指令所指定的频率和相位的信号，fo也可根据实际情况加入相位补偿以弥补信号线路上的传输延迟；
S5：fsynout作为当前射频电源的外部同步输出时基信号，从当前射频电源输出，送至外部其它需要跟当前射频电源保持一定同步关系输出的射频电源的外部同步输入，作为外部其它射频电源的外部同步输入时基信号；而fo信号送至DC/AC逆变模块，产生同频同相的射频输出。
9.根据权利要求8所述的一种频率选择型射频电源的柔性变频控制方法，其特征在于：在步骤S4中：经过所述锁相环模块产生的两路频率输出信号，一个作为DC/AC逆变模块的控制信号，另一个作为其他射频电源的外部同步输入时基信号；
相应的，所述射频电源的锁相环模块也具有两个输入方式：当存在外部同步输入时基信号时选择外部同步输入时基信号，当其不存在时选择本地时基信号作为输入。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117240125A (zh) * 2023-11-15 2023-12-15 深圳市恒运昌真空技术有限公司 电源功率控制电路、控制方法、射频电源及电源系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070114945A1 (en) * 2005-11-21 2007-05-24 Mattaboni Paul J Inductively-coupled RF power source
CN200962566Y (zh) * 2006-10-17 2007-10-17 杭州朗索医用消毒剂有限公司 用于低温等离子过氧化氢消毒杀菌设备的射频电源
CN108390573A (zh) * 2018-03-14 2018-08-10 中南大学 一种有源三次谐波注入的矩阵式电力电子变压器
CN115988726A (zh) * 2022-12-30 2023-04-18 西安航天动力研究所 用于等离子体产生的高效射频源及其射频能量产生方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070114945A1 (en) * 2005-11-21 2007-05-24 Mattaboni Paul J Inductively-coupled RF power source
CN101313471A (zh) * 2005-11-21 2008-11-26 赛默飞世尔科技公司 感应耦合的射频电源
CN200962566Y (zh) * 2006-10-17 2007-10-17 杭州朗索医用消毒剂有限公司 用于低温等离子过氧化氢消毒杀菌设备的射频电源
CN108390573A (zh) * 2018-03-14 2018-08-10 中南大学 一种有源三次谐波注入的矩阵式电力电子变压器
CN115988726A (zh) * 2022-12-30 2023-04-18 西安航天动力研究所 用于等离子体产生的高效射频源及其射频能量产生方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117240125A (zh) * 2023-11-15 2023-12-15 深圳市恒运昌真空技术有限公司 电源功率控制电路、控制方法、射频电源及电源系统
CN117240125B (zh) * 2023-11-15 2024-04-05 深圳市恒运昌真空技术股份有限公司 电源功率控制电路、控制方法、射频电源及电源系统

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