CN117559779A - 一种射频电源的推挽式并联驱动输出系统 - Google Patents

一种射频电源的推挽式并联驱动输出系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种射频电源的推挽式并联驱动输出系统，属于射频技术领域，解决了现有技术缺乏定频大功率的射频功率输出设计方案的问题。该系统包括：多组D类推挽式隔离逆变驱动电路、平衡电阻和一阶LC滤波器，以及，射频稳定器；其中，每组D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端分别分别连接各自平衡电阻的一端，所有平衡电阻的另一端与一个共同的中心点相连，形成星型结构；每组D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端还分别连接相应一阶LC滤波器的输入端，所有一阶LC滤波器的输出端相连形成汇流输出端口，汇流输出端口与射频稳定器相连；将所述汇流输出端口作为所述系统的射频信号输出端。

Description

一种射频电源的推挽式并联驱动输出系统
技术领域
本发明涉及射频技术领域，尤其涉及一种射频电源的推挽式并联驱动输出系统。
背景技术
射频等离子体电源系统被广泛应用于PECVD化学气相沉积、反应离子刻蚀等领域。整体射频等离子体电源系统的架构包括射频电源、匹配器与腔室负载，射频电源将功率信号输出至匹配器，匹配器进行阻抗匹配与转送功率信号至腔室负载。其中，射频电源输出端进行V/I量测，反馈至内部主板进行输出功率的调整(如通过PID运算调整功率无限趋近建议参考值PSET)，匹配器亦是依据输入/输出的功率信号进行输入阻抗(匹配器与腔室负载的合并阻抗)的计算与阻抗匹配(匹配器自身调变)的运作，使得功率信号能较高效益的输入至腔室负载。
实际应用过程中，对射频功率输出要求较高，如何提供定频大功率的射频功率输出，是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种射频电源的推挽式并联驱动输出系统，用以解决现有技术缺乏定频大功率的射频功率输出设计方案的问题。
本发明公开了一种射频电源的推挽式并联驱动输出系统，所述系统包括：多组D类推挽式隔离逆变驱动电路、平衡电阻和一阶LC滤波器，以及，射频稳定器；其中，
每组D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端分别连接各自平衡电阻的一端，所有平衡电阻的另一端与一个共同的中心点相连，形成星型结构；
每组D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端还分别连接相应一阶LC滤波器的输入端，所有一阶LC滤波器的输出端相连形成汇流输出端口，汇流输出端口与射频稳定器相连；
将所述汇流输出端口作为所述系统的射频信号输出端。
优选地，在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：
进一步，所述系统还包括隔直器；此时，
所述汇流输出端口还连接隔直器的输入端，并将所述隔直器的输出端作为所述系统的射频信号输出端。
进一步，所述系统还包括高阶LC滤波电路；此时，
所述汇流输出端口还连接高阶LC滤波电路的输入端，将高阶LC滤波电路的输出端作为所述系统的射频信号输出端。
进一步，所述系统还包括高阶LC滤波电路和隔直器；此时，
所述汇流输出端口还连接高阶LC滤波电路的输入端，所述高阶LC滤波电路的输出端连接隔直器的输入端，并将所述隔直器的输出端作为所述系统的射频信号输出端。
进一步，所述高阶LC滤波电路为二阶LC滤波器，或者，依次串联的二阶LC滤波器和三阶LC滤波器。
进一步，所述D类推挽式隔离逆变驱动电路包括变压器、第一开关管、第二开关管、第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块；其中，
第一方波直流源、第二方波直流源分别输入到变压器的初级线圈的异名端、同名端；第一方波直流源和第二方波直流源交替为高电平；
变压器的第一次级线圈的异名端连接第一嵌位防逆流模块的输入端，第一嵌位防逆流模块的输出端连接第一开关管的栅极；第一次级线圈的同名端、第一嵌位防逆流模块的嵌位端与第一开关管的源极均接地；
变压器的第二次级线圈的同名端连接第二嵌位防逆流模块的输入端，第二嵌位防逆流模块的输出端连接第二开关管的栅极，第二开关管的漏极连接电源；第二次级线圈的异名端、第二嵌位防逆流模块的嵌位端、第二开关管的源极与第一开关管的漏极相连，并将第一开关管的漏极作为所述D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端。
进一步，所述第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块的结构相同，均包括二极管、第三开关管和第一电阻；其中，
第三开关管的栅极连接二极管的阳极，第三开关管的源极连接二极管的阴极，第三开关管的漏极连接第一电阻的一端；
将第一电阻的另一端作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的嵌位端；将第三开关管的栅极作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的输入端；将第三开关管的源极作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的输出端。
进一步，所述D类推挽式隔离逆变驱动电路还包括第一RC滤波模块和第二RC滤波模块；其中，
第一次级线圈的同名端和异名端之间并联第一RC滤波模块；
第二次级线圈的同名端和异名端之间并联第二RC滤波模块。
进一步，所述第一开关管和第二开关管采用NMOS管；所述第三开关管采用PMOS管。
进一步，当第一方波直流源为低电平、第二方波直流源为高电平时，所述D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端的电位等于所述电源的电位；
当第一方波直流源为高电平、第二方波直流源为低电平时，所述D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端的电位等同接地或零电位。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
本发明提供的射频电源的推挽式并联驱动输出系统，提供了一种定频大功率的射频功率输出设计方案，通过采用多组D类推挽式隔离逆变驱动电路结合相关谐振拓扑，从而使得输出的射频信号功率增加、电压恒定，有效扩展了射频电源的推挽式并联驱动输出系统可提供的射频信号的功率范围，丰富了其应用场景。
同时，本发明还给出了一种D类推挽式隔离逆变驱动电路的优选设计方式，通过限制第一方波直流源和第二方波直流源交替为高电平，并在变压器的第一次级线圈、第二次级线圈的输出端设置第一嵌位防逆流模块、第二嵌位防逆流模块，对后续推挽管的开通形成限压和限流，有效控制了推挽式隔离逆变驱动电路的输出信号，很好地解决现有线性RF脉冲功率放大器容易出现动态非线性和增益失衡现象。同时，第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块可防止线圈短路瞬时高压烧毁推挽管，同时避免逆电流冲击线圈造成线圈高压烧毁。此外，由于D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端的输出电位与输出功率的调变通过电源Vs的电位变化而定，只要两输入信号的频率稳定，其输出的交流信号频率亦会相对稳定，达到定频调变功率的效果，从而满足定频环境下调整功率的需求。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；
图1为本发明实施例提供的射频电源的推挽式并联驱动输出系统的电路图；
图2为本发明实施例提供的射频电源的推挽式并联驱动输出系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的D类推挽式隔离逆变驱动电路的电路图；
图4为本发明实施例提供的D类推挽式隔离逆变驱动电路中第一开关管MOS1、第二开关管MOS2的控制波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种射频电源的推挽式并联驱动输出系统，该系统采用多组D类推挽式功放结合相关谐振拓扑实现，电路图如图1所示，结构示意图如图2所示，系统包括：多组D类推挽式隔离逆变驱动电路、平衡电阻和一阶LC滤波器，以及，射频稳定器；其中，每组D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端分别连接各自平衡电阻的一端，所有平衡电阻的另一端与一个共同的中心点(star)相连，形成星型结构；每组D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端还分别连接相应一阶LC滤波器的输入端，所有一阶LC滤波器的输出端相连形成汇流输出端口，汇流输出端口与射频稳定器相连；将所述汇流输出端口作为所述系统的射频信号输出端。
在本实施例中，对于每组D类推挽式隔离逆变驱动电路，平衡电阻与一阶LC滤波器并联连接，并通过分流形式限制信号输出端的输出至一阶LC滤波器的电流。此外，D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端的电流通过平衡电阻时，因为器件本身的温度变化而影响阻值变动，当以星型结构连接时，各组D类推挽式隔离逆变驱动电路输出的实质平衡电阻会形成一种动态调节，这种动态调节是因各组D类推挽式隔离逆变驱动电路输出相应的阻值与电流形成的一种平衡，这使得各输出端的电压及电流会因这种平衡而形成电压及电流的稳定，形成稳定的功率输出。在上述射频电源的推挽式并联驱动输出系统中，通过一阶LC滤波器对D类推挽式隔离逆变驱动电路的输出信号进行波形滤整。同时，所有一阶LC滤波器的输出端以并联或者合路器的方式将各组信号输出进行汇流，形成汇流输出端口。通过射频稳定器(RF Stabilizer)进行输出电平校准/校正，从而得到上述系统的射频信号输出。
优选地，为保证射频信号输出质量，本实施例在上述方案的基础上，还提供了以下可选的优化方案：
(1)系统还包括隔直器
此时，所述汇流输出端口还连接隔直器的输入端，并将所述隔直器的输出端作为所述系统的射频信号输出端。通过隔直器隔离信号中的直流分量，从而优化射频信号输出质量。示例性地，隔直器可采用隔直电容C实现。
(2)系统还包括高阶LC滤波电路
此时，所述汇流输出端口还连接高阶LC滤波电路的输入端，将高阶LC滤波电路的输出端作为所述系统的射频信号输出端。通过高阶LC滤波电路滤除高阶谐波，有效保证输出信号的质量。示例性地，所述高阶LC滤波电路为二阶LC滤波器，或者，依次串联的二阶LC滤波器和三阶LC滤波器。
(3)系统还包括高阶LC滤波电路和隔直器；
此时，所述汇流输出端口还连接高阶LC滤波电路的输入端，所述高阶LC滤波电路的输出端连接隔直器的输入端，并将所述隔直器的输出端作为所述系统的射频信号输出端。通过组合高阶LC滤波电路和隔直器，既能滤除信号中的高阶谐波，又能隔离信号中的直流分量，从而优化射频信号输出质量。
具体实施过程中，可根据实际应用场景对射频信号的输出需求，选取上述基础系统设计方式，或者各种优选系统设计方式。
在本实施例中，D类推挽式隔离逆变驱动电路为实现射频信号输出的核心器件，优选的D类推挽式隔离逆变驱动电路的电路图如图3所示，变压器、第一开关管MOS1、第二开关管MOS2、第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块；其中，第一方波直流源、第二方波直流源分别输入到变压器的初级线圈的异名端、同名端；第一方波直流源和第二方波直流源交替为高电平；变压器的第一次级线圈的异名端连接第一嵌位防逆流模块的输入端，第一嵌位防逆流模块的输出端连接第一开关管MOS1的栅极；第一次级线圈的同名端、第一嵌位防逆流模块的嵌位端与第一开关管MOS1的源极均接地；变压器的第二次级线圈的同名端连接第二嵌位防逆流模块的输入端，第二嵌位防逆流模块的输出端连接第二开关管MOS2的栅极，第二开关管MOS2的漏极连接电源；第二次级线圈的异名端、第二嵌位防逆流模块的嵌位端、第二开关管MOS2的源极与第一开关管MOS1的漏极相连，并将第一开关管MOS1的漏极作为所述D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端。
在本实施例中，第一开关管MOS1和第二开关管MOS2均为推挽管，第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块的设计，用于对推挽管的开通形成限压与限流的缓冲保护。第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块的结构相同，均包括二极管、第三开关管(嵌位管)和第一电阻(嵌位电阻)；其中，第三开关管的栅极连接二极管的阳极，第三开关管的源极连接二极管的阴极，第三开关管的漏极连接第一电阻的一端；将第一电阻的另一端作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的嵌位端；将第三开关管的栅极作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的输入端；将第三开关管的源极作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的输出端。在图3中，为加以区分，第一嵌位防逆流模块中的二极管、第三开关管、第一电阻分别用符号D1、MOS3、R1表示。第二嵌位防逆流模块中的二极管、第三开关管、第一电阻分别用符号D2、MOS4、R4表示。
优选地，该电路还包括第一RC滤波模块和第二RC滤波模块；其中，第一次级线圈的同名端和异名端之间并联第一RC滤波模块；第二次级线圈的同名端和异名端之间并联第二RC滤波模块。具体地，第一RC滤波模块包括第二电阻R2和第一电容C1；其中，第一次级线圈的异名端连接第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接第一次级线圈的同名端。第二RC滤波模块包括第三电阻R3和第二电容C2；其中，第二次级线圈的同名端连接第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接第二次级线圈的异名端。
优选地，为避免第一方波直流源和第二方波直流源的信号过于薄弱、不稳定，因此，本实施例中的电路还包括第一同相器和第二同相器；其中，第一同相器串联在变压器的初级线圈的异名端；第一方波直流源经由第一同相器输入到变压器的初级线圈的异名端；第二同相器串联在变压器的初级线圈的同名端；第二方波直流源经由第二同相器输入到变压器的初级线圈的同名端，以对输入信号作初次的同相稳定放大。
优选地，本实施例中的电路还包括第三电容C3；所述第三电容C3串联在变压器的初级线圈的同名端与第二同相器之间或串联在初级线圈的异名端与第一同相器之间，以吸收一部分电压波动的能量，使得输入到变压器的初级绕组的电压更加稳定。
此外，具体实施过程中，第一开关管MOS1和第二开关管MOS2采用NMOS管；第三开关管采用PMOS管。
下面，对本实施例提供的电路的工作过程做如下描述：
具体实施过程中需要注意，第一方波直流源和第二方波直流源交替为高电平，且高电平所占比例视占空比而确定。在有些情况下，第一方波直流源和第二方波直流源严格互为反相。
(1)第一方波直流源为低电平，第二方波直流源为高电平
此时，初级线圈电流为2->1，因次级线圈同名端的差异，第2组电路(第二次级线圈、第二开关管MOS2、第二嵌位防逆流模块和第二RC滤波模块连接所形成的电路，标号为②)的次级线圈电流方向与初级线圈相同。第2组电路的嵌位管的G极与S极未形成有效电位，嵌位管关断；推挽管G极与S极两端形成有效电位，推挽管导通；第2组电路的第二次级线圈几乎等同短接通路，RC滤波模块即会对推挽管的开通形成限压与限流的缓冲保护。
因次级线圈同名端的差异，第1组电路(第一次级线圈、第一开关管MOS1、第一嵌位防逆流模块和第一RC滤波模块连接所形成的电路，标号为①)的次级线圈电流方向与初级线圈相反，第1组电路中的推挽管G极与S极两端未形成有效电位，推挽管关断，嵌位管G极与S极两端形成有效电位，嵌位管导通；同时，嵌位电阻形成限流保护，次级线圈、RC滤波模块与嵌位防逆流模块形成不干涉输出的内循环回路。
此时，信号输出端的电位等于电源Vs的电位。
(2)第一方波直流源为高电平，第二方波直流源为低电平
此时，初级线圈电流为1->2，因次级线圈同名端的差异，第1组电路的次级线圈电流方向与初级线圈相反，第1组电路的嵌位管的G极与S极未形成有效电位，嵌位管关断；推挽管G极与S极形成有效电位，推挽管导通，第1组电路的线圈几乎等同短接通路，RC滤波模块即会对推挽管的开通形成限压与限流的缓冲保护。
因次级线圈同名端的差异，第2组电路的次级线圈电流方向与初级线圈相同，第2组电路的推挽管G极与S极两端未形成有效电位，推挽管关断，嵌位管G极与S极两端形成有效电位，嵌位管导通，同时嵌位电阻形成限流保护，次级线圈、RC滤波模块与嵌位防逆流模块形成不干涉输出的内循环回路。
此时，信号输出端的电位等同接地或零电位。
本发明实施例提供的D类推挽式隔离逆变驱动电路中第一开关管MOS1、第二开关管MOS2的控制波形示意图如图4所示。由图4可以看出，第一开关管MOS1、第二开关管MOS2的控制波形整体上保持反相。在第一开关管MOS1关断、第二开关管MOS2导通的情况下，D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端的电位等于电源Vs的电位。在第一开关管MOS1导通、第二开关管MOS2关断的情况下，D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端的电位等同接地或零电位。因此，通过两个时序延迟差的方波直流源，可以产生波形相对稳定、定频的交流信号。在本实施例所提供的D类推挽式隔离逆变驱动电路中，信号输出端的输出电位与输出功率，其调变是通过Vs的电位变化而定，只要两输入信号(第一方波直流源和第二方波直流源)的频率稳定，其输出的交流信号频率亦会相对稳定，从而达到定频调变功率的作用。在此基础上，采用多组D类推挽式隔离逆变驱动电路结合相关谐振拓扑，从而使得输出的射频信号功率增加、电压恒定，有效扩展了射频电源的推挽式并联驱动输出系统可提供的射频信号的功率范围，丰富了其应用场景。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种射频电源的推挽式并联驱动输出系统，其特征在于，所述系统包括：多组D类推挽式隔离逆变驱动电路、平衡电阻和一阶LC滤波器，以及，射频稳定器；其中，
每组D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端分别连接各自平衡电阻的一端，所有平衡电阻的另一端与一个共同的中心点相连，形成星型结构；
每组D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端还分别连接相应一阶LC滤波器的输入端，所有一阶LC滤波器的输出端相连形成汇流输出端口，汇流输出端口与射频稳定器相连；
将所述汇流输出端口作为所述系统的射频信号输出端。
2.根据权利要求1所述的射频电源的推挽式并联驱动输出系统，其特征在于，所述系统还包括隔直器；此时，
所述汇流输出端口还连接隔直器的输入端，并将所述隔直器的输出端作为所述系统的射频信号输出端。
3.根据权利要求1所述的射频电源的推挽式并联驱动输出系统，其特征在于，所述系统还包括高阶LC滤波电路；此时，
所述汇流输出端口还连接高阶LC滤波电路的输入端，将高阶LC滤波电路的输出端作为所述系统的射频信号输出端。
4.根据权利要求1所述的射频电源的推挽式并联驱动输出系统，其特征在于，所述系统还包括高阶LC滤波电路和隔直器；此时，
所述汇流输出端口还连接高阶LC滤波电路的输入端，所述高阶LC滤波电路的输出端连接隔直器的输入端，并将所述隔直器的输出端作为所述系统的射频信号输出端。
5.根据权利要求3或4所述的射频电源的推挽式并联驱动输出系统，其特征在于，所述高阶LC滤波电路为二阶LC滤波器，或者，依次串联的二阶LC滤波器和三阶LC滤波器。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的射频电源的推挽式并联驱动输出系统，其特征在于，所述D类推挽式隔离逆变驱动电路包括变压器、第一开关管、第二开关管、第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块；其中，
第一方波直流源、第二方波直流源分别输入到变压器的初级线圈的异名端、同名端；第一方波直流源和第二方波直流源交替为高电平；
变压器的第一次级线圈的异名端连接第一嵌位防逆流模块的输入端，第一嵌位防逆流模块的输出端连接第一开关管的栅极；第一次级线圈的同名端、第一嵌位防逆流模块的嵌位端与第一开关管的源极均接地；
变压器的第二次级线圈的同名端连接第二嵌位防逆流模块的输入端，第二嵌位防逆流模块的输出端连接第二开关管的栅极，第二开关管的漏极连接电源；第二次级线圈的异名端、第二嵌位防逆流模块的嵌位端、第二开关管的源极与第一开关管的漏极相连，并将第一开关管的漏极作为所述D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端。
7.根据权利要求6所述的射频电源的推挽式并联驱动输出系统，其特征在于，所述第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块的结构相同，均包括二极管、第三开关管和第一电阻；其中，
第三开关管的栅极连接二极管的阳极，第三开关管的源极连接二极管的阴极，第三开关管的漏极连接第一电阻的一端；
将第一电阻的另一端作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的嵌位端；将第三开关管的栅极作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的输入端；将第三开关管的源极作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的输出端。
8.根据权利要求7所述的射频电源的推挽式并联驱动输出系统，其特征在于，所述D类推挽式隔离逆变驱动电路还包括第一RC滤波模块和第二RC滤波模块；其中，
第一次级线圈的同名端和异名端之间并联第一RC滤波模块；
第二次级线圈的同名端和异名端之间并联第二RC滤波模块。
9.根据权利要求8所述的射频电源的推挽式并联驱动输出系统，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管采用NMOS管；所述第三开关管采用PMOS管。
10.根据权利要求9所述的射频电源的推挽式并联驱动输出系统，其特征在于，
当第一方波直流源为低电平、第二方波直流源为高电平时，所述D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端的电位等于所述电源的电位；
当第一方波直流源为高电平、第二方波直流源为低电平时，所述D类推挽式隔离逆变驱动电路的信号输出端的电位等同接地或零电位。
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