DE4122624A1 - Schutzeinrichtung fuer einen hochfrequenz-generator, hochfrequenz-generator und verfahren zum schutz eines hochfrequenz-generators gegen dessen zerstoerung bei leistungsfehlanpassung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzreinrichtung für einen einen insbesondere plasmaerzeugenden Verbraucher speisenden Hochfrequenz-Generator gegen dessen Zer­ störung bei Leistungsfehlanpassung, mit einer Detektor­ schaltung zum Ermitteln einer Fehlanpassung der Aus­ gangsleistung des Hochfrequenz-Generators an die Ein­ gangsleistung des Verbrauchers, wobei die Detektor­ schaltung ein die Fehlanpassung anzeigendes Ausgangs­ signal erzeugt, und mit einer mit der Detektorschaltung verbundenen Steuerschaltung zum Steuern der Ausgangs­ leistung des Hochfrequenz-Generators bei Leistungs­ fehlanpassung. Ferner betrifft die Erfindung einen Hochfrequenz-Generator, insbesondere für einen plasma­ erzeugenden Verbraucher mit einer derartigen Schutz­ einrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines einen insbesondere plasmaerzeugenden Verbraucher spei­ senden Hochfrequenz-Generators zum Schutz desselben und/oder von dessen Leistungsverstärkungsschaltung, insbesondere deren Leistungsverstärkungselement, vor Zerstörung infolge von Leistungsfehlanpassung.

Hochfrequenz-Generatoren bzw. Leistungsverstärkungs­ schaltungen (Endstufen) geben ihre Hochfrequenz- Leistung an eine Impedanz ab, die typischerweise 50 Ohm beträgt. Hochfrequenz-Generatoren werden u. a. zum Be­ treiben industrieller Anlagen der Plasma- und Laser­ technik eingesetzt, bei denen der Verbraucher aus einem gezündeten Plasma besteht. Diese plasmaerzeugenden Ver­ braucher weisen typischerweise eine Impedanz ungleich 50 Ohm auf, so daß zur Leistungsanpassung zwischen den Hochfrequenz-Generator und den Verbraucher ein Anpas­ sungsnetzwerk, eine sogenannte Matchbox, geschaltet wird, die zusammen mit dem Verbraucher für den Hoch­ frequenz-Generator eine Last von 50 Ohm darstellt.

Bei jedem Einschalten der Plasma- oder Laseranlage muß das Plasma zunächst gezündet werden; die typischen Zündzeiten liegen dabei zwischen 10 und 100 Mikrosekun­ den. Aufgrund experimenteller Umstände, falscher Gas­ drücke und Undichtigkeiten der Anlagen tritt sehr häu­ fig der Fall ein, daß das Plasma nicht zündet und somit keinen Verbraucher darstellt, der die Hochfrequenz­ leistung oder -energie abnimmt. Die Hochfrequenz­ leistung wird vielmehr zum Generator zurück reflek­ tiert; man spricht von stehenden Wellen auf der Ver­ bindungsleitung zwischen dem Hochfrequenz-Generator und dem Verbraucher und von einem schlechten "Stehwellen­ verhältnis". Selbst bei intakten Plasma-Anlagen ist ein mehrmaliger Zündversuch bzw. -vorgang als normal zu bezeichnen, da die Anpassungsnetzwerke, die im Regel­ fall selbsteinstellend ausgebildet sind, oft viele Sekunden benötigen, um die richtige Leistungsanpassung zu realisieren.

Aufgrund eines schlechten Stehwellenverhältnisses, d. h. der Reflexion nahezu der gesamten Ausgangsleistung des Hochfrequenz-Generators, kommt es zu unzulässigen Strom- oder Spannungsüberhöhungen in der Leistungs­ verstärkungsschaltung (Endstufe) des Hochfrequenz- Generators, weshalb an den dort vorhandenen Halbleiter- Verstärkungselementen oder Verstärkungsröhren häufig Schäden (thermische Zerstörungen) auftreten.

Die bekannten Hochfrequenz-Generatoren weisen eine der Endstufe nachgeschaltete Schutzelektronik auf, die aus einer Detektorschaltung zur Ermittlung einer Leistungs­ fehlanpassung und einer Steuerschaltung zum Steuern der Ausgangsleistung des Hochfrequenz-Generators bei Fehl­ anpassung besteht. Sobald die Detektorschaltung an die Steuerschaltung das eine Leistungsfehlanpassung an­ zeigende Ausgangssignal ausgibt, steuert die Steuer­ schaltung den Hochfrequenz-Generator bzw. dessen End­ stufe oder, je nach Ausgestaltung des Hochfrequenz- Generators auch dessen Vorverstärkungsstufen derart, daß die Hochfrequenzleistung durch Verkleinerung der Spannungsamplitude verringert wird. Durch diese Art der Steuerung der Hochfrequenzleistung bei Fehlanpassung wird zwar der Hochfrequenz-Generator und dessen End­ stufe vor einer Überbelastung geschützt, gleichzeitig wird aber auch der Hochfrequenz-Ausgangsleistung der zum Zünden des Plasmas notwendige Hochfrequenzpegel entzogen. Damit wird dem Plasma jegliche Chance ent­ zogen, bei anfänglicher Fehlanpassung, die wie oben erwähnt nicht notwendigerweise auf einem Defekt des Verbrauchers beruhen muß, noch gezündet zu werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hoch­ frequenz-Generator, eine Schutzeinrichtung für einen Hochfrequenz-Generator und ein Verfahren zum Betreiben eines Hochfrequenz-Generators bei Leistungsfehlanpas­ sung zu schaffen bzw. anzugeben, bei denen der Ver­ braucher trotz Leistungsfehlanpassung weiterhin mit der vollen Hochfrequenz-Spitzenleistung versorgt wird und dennoch ein zuverlässiger Schutz vor Zerstörung infolge von Fehlanpassung gegeben ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Schutzeinrichtung für einen Hochfrequenz-Generator so­ wie ein Hochfrequenz-Generator mit einer derartigen Schutzeinrichtung vorgeschlagen, die mit einer Detek­ torschaltung zum Ermitteln einer Leistungsfehlanpassung und einer mit der Detektorschaltung verbundenen Steuer­ schaltung zum Steuern der Ausgangsleistung bei Vor­ liegen des eine Leistungsfehlanpassung anzeigenden Aus­ gangssignals der Detektorschaltung versehen sind, wobei die Steuerschaltung im Falle der Leistungsfehlanpassung die Hochfrequenz-Ausgangsleistung derart steuert, daß ihr zeitlicher Mittelwert ohne Verringerung der zum Speisen des Verbrauchers erforderlichen Spitzenleistung reduziert ist, bis die Leistungsanpassung erfolgt ist. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Hoch­ frequenz-Generator bei Leistungsfehlanpassung also der­ art betrieben, daß der zeitliche Mittelwert seiner Hochfrequenz-Ausgangsleistung unter Beibehaltung der Spitzenleistung verringert wird und daß der Hoch­ frequenz-Generator erst dann (wieder) auf den Nenn­ betrieb zum Ausgeben der Nenn-Ausgangsleistung auto­ matisch umschaltet, sobald eine Leistungsanpassung er­ folgt ist.

Nach der Erfindung wird bei einer Leistungsfehlanpas­ sung der Mittelwert der Hochfrequenz-Ausgangsleistung reduziert, was vorzugsweise durch Verringerung des Effektivwertes der Hochfrequenz-Ausgangsspannung er­ folgt. Da hierbei nach der Erfindung gefordert wird, daß die Nenn-Ausgangsleistung, d. h. die Amplitude der Nenn-Ausgangsspannung (zeitweise) zumindest beizube­ halten, wenn nicht gar erhöht ist, bedeutet dies, daß es bei Leistungsfehlanpassung Zeitspannen gibt, in denen die Ausgangsleistung geringer als die Spitzen- Ausgangsleistung ist. Vorteilhafterweise arbeitet der Hochfrequenz-Generator für die Dauer der Leistungsfehl­ anpassung im Puls- oder Taktbetrieb, in dem die Steuer­ schaltung den Hochfrequenz-Generator derart steuert, daß die Ausgangsleistung (Ausgangsspannung) für jeweils kurze Zeitintervalle zwischen der Nenn-Ausgangsleistung (Nenn-Ausgangsspannung) und Null geschaltet wird.

Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß dem Verbraucher trotz Leistungsfehlanpassung (kurzzeitig) maximale Versorgungsleistung zur Verfügung gestellt wird. Damit wird dem Verbraucher trotz Leistungsfehlan­ passung noch die Möglichkeit gegeben, vorschriftsmäßig betrieben zu werden. Plasmaerzeugende Anlagen können also bei Speisung durch den erfindungsgemäßen Hoch­ frequenz-Generator auch bei Fehlanpassung noch zünden, was insbesondere deshalb von Vorteil ist, weil sich die Impedanzverhältnisse plasmaerzeugender Verbraucher beim Einschalten verändern (können). Die Leistungselektronik (bipolare Transistoren, MOSFET-Transistoren, Leistungs- oder Power-MOSFET-Transistoren) wird bei Leistungsfehl­ anpassung dadurch vor einer thermischen Zerstörung ge­ schützt, daß der Hochfrequenz-Generator bei Leistungs­ fehlanpassung nur kurzzeitig seine maximale Ausgangs­ leistung abgibt, also auch nur kurzzeitig eine recht hohe Leistung bzw. Energie reflektiert wird. Diese Reflexion von Leistung bzw. Energie kann deshalb nicht zu einer thermischen Zerstörung der Leistungselektronik führen, da zwischenzeitlich die Ausgangsleistung ge­ gebenenfalls bis auf Null reduziert wird, also auch zwischenzeitlich weniger bzw. gar keine Leistung bzw. Energie reflektiert wird.

Mit der Erfindung ist also ein Weg aufgezeigt, wie die beiden sich im Falle einer Leistungsfehlanpassung widersprechenden Forderungen nach einerseits Schutz des Hochfrequenz-Generators vor Zerstörung und andererseits Schaffung der Betriebsbedingungen zum Betreiben des Verbrauchers erfüllt werden können, ohne daß weder auf einen Schutz des Hochfrequenz-Generators vor einer Zer­ störung noch auf die Möglichkeit, den Verbraucher dennoch ordnungsgemäß betreiben zu können, verzichtet werden muß.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Steuerschaltung den Hochfrequenz-Genera­ tor oder zumindest dessen Endstufe ausschaltet, falls die Detektorschaltung für die Dauer einer vorbestimmten Zeitspanne das die Leistungsfehlanpassung anzeigende Ausgangssignal ausgibt. Diese Zeitspanne beträgt vor­ zugsweise bis zu ca. 10 Sekunden. Sobald die Detektor­ schaltung nach Ausgabe des die Fehlanpassung anzeigen­ den Ausgangssignals auf ein Ausgangssignal umschaltet, das der Steuerschaltung die inzwischen erfolgte Leistungsanpassung anzeigt, wird der Hochfrequenz- Generator nach der Erfindung (wieder) im Nenn-Betrieb gefahren. Sollte jedoch der Zustand der Leistungsfehl­ anpassung für eine vorbestimmte mit der Ausgabe des Ausgangssignals für Leistungsfehlanpassung beginnenden Zeitspanne anhalten, wird nach der hier beschriebenen Weiterbildung der Erfindung der Hochfrequenz-Generator automatisch ausgeschaltet. In diesem Falle ist nämlich von einem Defekt des Verbrauchers auszugehen, so daß ein weiteres Arbeiten des Hochfrequenz-Generators in der oben beschriebenen (Schutz-) Betriebsart nicht sinnvoll ist.

Die Vorgabe der Zeitspanne wird vorteilhafterweise durch eine einen Bestandteil der Steuerschaltung bil­ dende Zeitgebungsschaltung realisiert, die auf den Empfang des Detektorschaltungs-Ausgangssignals für Leistungsfehlanpassung die Zeitspanne vorgibt und nach Ablauf der Zeitspanne ein AUS-Signal zum Ausschalten des Hochfrequenz-Generators oder dessen Schaltungs­ teilen ausgibt, falls die Detektorschaltung bis zum Ablauf der Zeitspanne das Ausgangssignal für Leistungs­ fehlanpassung ausgibt.

Wie bereits oben erwähnt, wird die Reduzierung der mittleren Ausgangsleistung des Hochfrequenz-Generators bei gegenüber Normalbetrieb mindestens gleich großer maximaler Leistung zweckmäßigerweise dadurch reali­ siert, daß die Hochfrequenz-Hüllkurve gepulst oder ge­ taktet wird. Hierzu ist die Steuerschaltung gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit einer Taktsignal-Erzeugungsschaltung versehen, die auf den Empfang des Detektorschaltungs-Ausgangssignals für Leistungsfehlanpassung hin ein Taktsignal zum intermit­ tierenden Aktivieren und Deaktivieren des Hochfrequenz- Generators oder dessen Schaltungseinheiten, wie bei­ spielsweise eine Vorverstärkerstufe oder die Verstär­ kungsendstufe, ausgibt. Die Aktivierung und Deaktivie­ rung kann z. B. durch Ein- und Ausschalten der Betriebs­ spannung(en) des Hochfrequenz-Generators oder dessen Schaltungsteilen erfolgen. Wie nach der Erfindung vor­ gesehen, wird gemäß dieser Weiterbildung erreicht, daß der Spitzenwert der Hochfrequenz-Ausgangsleistung bzw. -Spannung auf seinem eingestellten Wert (Nennwert) ver­ bleibt, wenn ein schlechtes Stehwellenverhältnis, also eine Leistungsfehlanpassung vorliegt. Zum Schutz der Endstufe wird in der Zeitebene die Ausgangsleistung "ausgetastet" bzw. gepulst, was zu einer Reduzierung der ausgegebenen Durchschnittsleistung führt, auf die Spitzenleistung, die für den Betrieb, insbesondere für den Zündvorgang bei einem plasmaerzeugenden Verbraucher verantwortlich ist, keinen Einfluß hat. Die Aktivierung und Deaktivierung der Verstärkerendstufe des Hoch­ frequenz-Generators kann beispielsweise in einfacher Weise dadurch realisiert werden, daß in den Signalpfad, d. h. dem Signaleingang der Endstufe ein steuerbarer Schalter vorgeschaltet wird, dessen Steuerelektrode im Normalbetrieb des Hochfrequenz-Generators mit einem konstanten Einschalt-Signal zum Einschalten des steuer­ baren Schalters und im Schutzbetrieb bei Leistungsfehl­ anpassung mit einem Taktsignal versorgt wird. Der neben der verbesserten Zündfähigkeit des plasmaerzeugenden Verbrauchers entscheidende Vorteil der Pulsung bzw. Taktung der Hochfrequenz-Leistung besteht darin, daß während dieses Betriebs des Hochfrequenz-Generators vor allem die Hochfrequenz-Leistungstransistoren (bipolar und MOSFET) thermisch weniger beansprucht werden und somit die Zuverlässigkeit des Hochfrequenz-Generators erhöht wird.

Das Tastverhältnis des Taktsignals ist hier vorteil­ hafterweise derart gewählt, daß zum Zünden des Plasmas ausreichend lang andauernde erste Zeitspannen zum Akti­ vieren des Hochfrequenz-Generators und zum Erholen der Leistungselektronik von der thermischen Überbe­ anspruchung während der ersten Zeitspannen ausreichend lange zweite Zeitspannen zum Deaktivieren des Hoch­ frequenz-Generators vorgesehen sind. Die EIN-Zeitspan­ nen (ersten Zeitspannen), in denen das Taktsignal den Einschalt-Signalpegel für den Schalter führt, und die AUS-Zeitspannen (zweite Zeitspannen), in denen das Taktsignal den Ausschalt-Signalpegel für den Schalter führt, sollten vorteilhafterweise in Abhängigkeit von der Größe der thermischen Zeitkonstante des elektro­ nischen Leistungsverstärkungselementes des Hoch­ frequenz-Generators gewählt werden. Die Einschaltdauer des steuerbaren Schalters sollte wesentlich kürzer als die thermische Zeitkonstante, vorzugsweise 1/5 bis 1/50 der thermischen Zeitkonstante betragen, während die Ausschaltdauer des steuerbaren Schalters mindestens doppelt so groß wie die Einschaltdauer gewählt werden sollte, vorzugsweise das Vier- bis Zehnfache der Ein­ schaltdauer beträgt. Die thermische Zeitkonstante eines Leistungs-MOSFET-Transistors beträgt typischerweise 1 bis 5 Millisekunden. Der Hochfrequenz-Generator bzw. dessen Verstärkungsendstufe sollte bei Leistungsfehlan­ passung also für jeweils 100 Mikrosekunden bis 1 Milli­ sekunden, vorzugsweise 300 Mikrosekunden, arbeiten, um im Anschluß daran für 200 Mikrosekunden bis 2 Milli­ sekunde, vorzugsweise bis zu 4 bis 5 Millisekunden, ausgeschaltet sein.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Detektorschaltung einen mit dem Ausgang des Hochfrequenz-Generators gekoppelten Richtkoppler oder ein Reflektometer aufweist, dessen Ausgang mit einer Auswerteschaltung der Detektorschaltung verbunden ist, die das eine Leistungsfehlanpassung anzeigende Ausgangssignal dann erzeugt, wenn die von dem Richt­ koppler oder dem Reflektometer detektierte reflektierte Leistung einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt. Dieser Schwellwert kann entweder absolut vorgegeben sein oder in Abhängigkeit von der jeweils abgegebenen Ausgangsleistung des Hochfrequenz-Generators als ein bestimmter prozentualer Anteil derselben gewählt sein.

Die Erfindung wurde in ihren drei Aspekten Schutzein­ richtung, Hochfrequenz-Generator und Betriebsverfahren oben in erster Linie anhand des Betriebs eines plasma­ erzeugenden Verbrauchers beschrieben. Die Erfindung ist aber ebenso anwendbar bei jedem Hochfrequenz-Generator oder -Leistungsverstärker, der bei einem schlechten Stehwellenverhältnis betrieben wird.

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Hochfrequenz-Genera­ tors mit einer Schutzeinrichtung zum Schutz des Hochfrequenz-Generators gegen Schäden infolge von Leistungsfehlanpassung und

Fig. 2 Zeitverläufe der Ausgangsspannung des Hoch­ frequenz-Generators im Normalbetrieb und bei Fehlanpassung sowie die Steuerspannung zum Aktivieren und Deaktivieren des Hochfrequenz- Generators bei Fehlanpassung.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines Hochfrequenz- Generators 10 dargestellt, der aus einer Einheit 12 zur Erzeugung der Hochfrequenz-Ausgangsleistung und einer Schutzeinrichtung 14 zum Schutz der Einheit 12 vor Zer­ störung im Falle einer Leistungsfehlanpassung besteht. Die Einheit 12 zur Erzeugung der Hochfrequenzleistung ist bei dem in Fig. 1 als Blockschaltbild gezeigten Ausführungsbeispiel als nach dem Verstärkerkonzept auf­ gebaute Schaltung dargestellt, bei der eine Schwin­ gungserzeugungsvorrichtung 16 in Form beispielsweise eines Quarz-Oszillators die Schwingung bei der von dem Hochfrequenz-Generator 10 zu liefernden Frequenz er­ zeugt und das von dem Quarz-Oszillator ausgegebene Signal mit Kleinstpegel in mehreren Vorverstärkerstufen 18 verstärkt wird, um in der Leistungsverstärkungsend­ stufe 20 auf die Ausgangsleistung verstärkt zu werden. Im Signalpfad der Einheit 12 zur Erzeugung der Hoch­ frequenzleistung ist ein steuerbarer Schalter 22, z. B. ein Transistor geschaltet, über den die letzte Vorver­ stärkerstufe mit der Leistungsverstärkerstufe (End­ stufe) 20 verbunden ist. Der steuerbare Schalter 22 weist eine Steuerelektrode 24 auf, an der je nach Be­ triebsart des Hochfrequenz-Generators 10 unterschied­ liche Signale zum Steuern des Schalters 22 anliegen, was später noch beschrieben werden wird.

Obwohl die Erfindung in dem in den Figuren dargestell­ ten Ausführungsbeispiel anhand eines nach dem Verstär­ kerkonzept aufgebauten Hochfrequenz-Generators be­ schrieben ist, läßt sie sich ebenso bei einem nach dem Freischwingerkonzept aufgebauten Hochfrequenz-Generator realisieren. Bei einem Freischwinger würde beispiels­ weise innerhalb des Ringes, vorzugsweise zwischen dem Ausgang des frequenzselektiven Rückkopplungsnetzwerkes und der (einzigen) (Leistungs-)Verstärkungsstufe ein steuerbarer Schalter zum Aktivieren und Deaktivieren des Hochfrequenz-Generators geschaltet sein.

Mit dem Ausgang der Endstufe 20 ist gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Hochfrequenz-Generator 10 ein Richtkopp­ ler 26 verbunden, der seinerseits mit einem der zu be­ treibenden Last 28 vorgeschalteten Anpassungsnetzwerk 30, auch Matchbox genannt, verbunden ist. Die Aufgabe des Anpassungsnetzwerkes 30 besteht darin, die von der Eigenimpedanz des Hochfrequenz-Generators 10 ab­ weichende Impedanz der Beschaltung des Ausgangs des Hochfrequenz-Generators 10 auf den Wert der Impedanz des Hochfrequenz-Generators 10 zu transformieren, so daß die Last 28 bei Leistungsanpassung betrieben wird. Bei der Last 28 handelt es sich um einen plasmaerzeu­ genden Verbraucher, wie beispielsweise eine Plasmabe­ handlungskammer oder eine Gaslaseranlage.

Der Richtkoppler 26 weist zwei Ausgänge auf, an denen die ausgekoppelten Signale abgegriffen werden können. Bei diesen Signalen handelt es sich zum einen um ein die Höhe der von der Einheit 12 ausgegebenen Hoch­ frequenz-Leistung P_v repräsentierendes P_v-Signal und zum anderen um ein die zur Einheit 12 reflektierte Leistung P_ref repräsentierendes P_ref-Signal. Diese beiden Signale werden über Leitungen 32 und 34 einer Auswerteschaltung 36 zugeführt, in der die beiden Signale verglichen werden. Sofern das P_ref-Signal einen bestimmten Bruchteil des P_v-Signals, also einen be­ stimmten vorgegebenen Schwellwert, übersteigt, gibt die Auswerteschaltung ein diesen Zustand anzeigendes Aus­ gangssignal auf einer Ausgangsleitung 38 aus. Liegt dieses Ausgangssignal der Auswerteschaltung 36 auf der Leitung 38 vor, ist dies ein Zeichen dafür, daß eine Leistungsfehlanpassung zwischen der Ausgangsleistung der Leistungsverstärkerstufe 20 und der Eingangs­ leistung der Beschaltung des Ausgangs des Hochfrequenz- Generators 10 vorliegt. Bei dem Richtkoppler 26 und der Auswerteschaltung 36 handelt es sich also um eine Detektorschaltung 40 zum Ermitteln einer Leistungsfehl­ anpassung und zur Ausgabe eines die Leistungsfehlanpas­ sung anzeigenden Ausgangssignals.

Über die Leitung 38 ist die Auswerteschaltung 36 sowohl mit einer Taktsignal-Erzeugungsschaltung 42 als auch mit einer Zeitgebungs- oder Timer-Schaltung 44 verbun­ den. Die Taktsignal-Erzeugungsschaltung 42 ist mit der Steuerelektrode 24 des steuerbaren Schalters 22 verbun­ den, während die Timer-Schaltung 44 an ihrem Ausgang nach Ablauf einer internen Zeitspanne T_Schutz ein AUS- Signal erzeugt, dessen Verwendung später beschrieben werden wird. Die Taktsignal-Erzeugungsschaltung 42 und die Timer-Schalter 44 bilden eine Steuerschaltung 46 zum weiter unten beschriebenen Steuern der Ausgangs­ leistung bzw. -spannung des Hochfrequenz-Generators 10. Neben der Leitung 38 ist die Auswerteschaltung durch eine weitere Leitung 48 mit der Taktsignal-Erzeugungs­ schaltung 42 und der Timer-Schaltung 44 verbunden. Die Leitung 48 führt das die Leistungsanpassung anzeigende Ausgangssignal der Auswerteschaltung, das wie das Aus­ gangssignal für die Leistungsfehlanpassung sowohl der Taktsignal-Erzeugungsschaltung 42 als auch der Timer- Schaltung 44 zugeführt wird. Die beiden Ausgangssignale für Leistungsanpassung und -fehlanpassung können auch über die Leitung jeweils einen Eingang der beiden Kom­ ponenten der Steuerschaltung 46 zugeführt werden. In Fig. 1 ist also eine von mehreren denkbaren Realisie­ rungen der Schutzeinrichtung 14 dargestellt.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellten Hochfrequenz-Generators 10 unter Zuhilfenahme der Signal-Zeitverläufe der Fig. 2a bis 2c beschrieben. Bei Leistungsanpassung und Speisung der Last 28 gibt der Hochfrequenz-Generator 10 seine Nenn-Ausgangsleistung aus, bei der die Hoch­ frequenz-Ausgangsspannung den Scheitelwert Û_Nenn auf­ weist (s. Fig. 2a). Die Auswerteschaltung 36 gibt bei Leistungsanpassung über die Leitung 48 das Ausgangs­ signal für Leistungsanpassung aus, mit dem einerseits die Timer-Schaltung 44 derart gesteuert wird, daß sie das AUS-Signal nicht erzeugt, und andererseits der Schalter 42 stets eingeschaltet bleibt. Letzteres kann beispielsweise dadurch realisiert sein, daß die Leitung 48 und der Taktsignal-Ausgang der Taktsignal-Erzeugungs­ schaltung 42 mit den Eingängen eines ODER-Gatters ver­ bunden sind, dessen Ausgang mit der Steuerelektrode 24 des steuerbaren Schalters 22 verbunden ist. Sobald die Detektorschaltung 40 das Fehlanpassung anzeigende Aus­ gangssignal auf der Leitung 38 liefert, wird vom Normal-Betrieb auf den sogenannten Schutz-Betrieb des Hochfrequenz-Generators 10 umgeschaltet. Bei Leistungs­ fehlanpassung, die bei plasmaerzeugenden Verbrauchern insbesondere beim Einschalten des Verbrauchers, d. h. beim Zünden des Plasmas, aber auch unter anderen Um­ ständen während des Betriebs des plasmaerzeugenden Ver­ brauchers auftreten kann, wird nämlich ein unzulässig hoher Anteil an zuvor ausgegebener Hochfrequenzleistung an der Last 28 reflektiert und dem Hochfrequenz-Genera­ tor 10, und damit seiner Leistungsverstärkerstufe 20 zurückgeführt. An dem Ausgang des Leistungsverstär­ kungselementes, bei dem es sich um ein elektronisches Bauteil wie eine Röhre, oder ein Leistungs-Bipolar- oder MOSFET-Transistor handelt, entstehen unzulässig hohe Spannungen und/oder Ströme, die zu einer ther­ mischen Zerstörung des Leistungsverstärkungselementes führen. Zum Schutz der Leitungsverstärkungsstufe 20 vor thermischer Zerstörung wird der Hochfrequenz-Generator 10 bei Leistungsfehlanpassung im Schutz-Betrieb gefah­ ren, bei dem die Ausgangsleistung gepulst oder getaktet wird, ohne daß der maximale Scheitelwert der in dieser Betriebsart erzeugten Ausgangsspannung gegenüber dem­ jenigen im Nennbetrieb reduziert ist. Die zum Betreiben des plasmaerzeugenden Verbrauchers erforderliche Nenn- Ausgangsleistung des Hochfrequenz-Generators 10 wird also auch in der Schutz-Betriebsart erzeugt und zwar vor längeren Unterbrechungen, um die Leistungsverstär­ kungsstufe 20 vor einer thermischen Zerstörung zu schützen. Durch Pulsung bzw. Taktung der Nenn-Ausgangs­ leistung im Falle einer Fehlanpassung wird einerseits der Hochfrequenz-Generator 10 vor einer thermischen Zerstörung geschützt und andererseits für die Dauer eines Zündvorganges die für die zündkritischen Prozesse eines plasmaerzeugenden Verbrauchers erforderliche Hochfrequenzleistung weiterhin zur Verfügung gestellt.

Der zeitliche Verlauf der Hochfrequenz-Ausgangsspannung des Hochfrequenz-Generators 10 ist in Fig. 2b darge­ stellt. Dieser zeitliche Verlauf wird durch Anlegen des in Fig. 2c dargestellten Taktsignals an die Steuerelek­ trode 24 des steuerbaren Schalters 22 erreicht. Das Taktsignal gemäß Fig. 2c wird von der Taktsignal-Erzeu­ gungsschaltung 42 auf den Empfang des die Leistungs­ fehlanpassung anzeigenden Ausgangssignals der Auswerte­ schaltung 36 erzeugt. Das Taktsignal weist Zeitspannen T_EIN auf, in denen die Steuerelektrode 24 mit einer Spannung zum Einschalten des Schalters 22 versorgt wird, und auf die Zeitspannen T_EIN folgende T_AUS-Zeit­ spannen auf, in denen der Schalter 22 ausgeschaltet ist. Die Dauer der T_EIN-Zeitspannen beträgt bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel 100 Mikrosekun­ den. Angesichts der thermischen Zeitkonstante bei­ spielsweise eines Leistungs-MOSFET-Transistors von 1 bis 5 Millisekunden führt die Reflexion der Ausgangs­ leistung zum Hochfrequenz-Generator zurück (es herrscht Fehlanpassung) nicht zur thermischen Zerstörung des MOSFET-Transistors. Die T_AUS-Zeitspanne beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 400 Mikrosekunden, also das Vierfache der T_EIN-Zeitspanne. Die T_EIN-Zeitspanne von 100 Mikrosekunden ist derart gewählt, daß das Plasma des plasmaerzeugenden Verbrauchers, das typischerweise Zündzeiten zwischen 10 und 100 Mikrosekunden benötigt, in die Lage versetzt wird zu zünden, wenn sich das An­ passungsnetzwerk 30 entsprechend eingestellt hat oder die Betriebsbedingungen, die zum Impedanzwechsel der Last geführt haben, nicht mehr bestehen.

Der Puls- oder Taktbetrieb zum Schutz des Hochfrequenz- Generators 10 bei Leistungsfehlanpassung wird eine ge­ wisse Zeit, beispielsweise 10 Sekunden aufrechterhal­ ten. Diese Zeitspanne wird in der Timer-Schaltung 44 auf den Empfang des die Leistungsfehlanpassung anzei­ genden Ausgangssignals der Detektorschaltung 40 vorge­ geben. Sofern die Timer-Schaltung 44 bis zum Ablauf der Zeitspanne ein die Leistungsanpassung anzeigendes Aus­ gangssignal nicht empfängt (über die Leitung 48), oder anders ausgedrückt der Zustand der Leistungsfehlanpas­ sung für die Dauer der Zeitspanne anhält, erzeugt die Timer-Schaltung 44 das bereits oben erwähnte AUS- Signal, mit dessen Hilfe die Netzspannung für den Hoch­ frequenz-Generator 10 oder die Betriebsspannungen für die einzelnen Schaltungskomponenten des Hochfrequenz- Generators 10 ausgeschaltet wird bzw. werden.

Die entscheidende Maßnahme bei dem hier anhand der Figuren beschriebenen Hochfrequenz-Generators 10 be­ steht darin, daß bei Leistungsfehlanpassung auf eine Betriebsart umgeschaltet wird, bei der im Vergleich zum Normalbetrieb zum Schutz vor thermischen Zerstörungen der Effektivwert der Hochfrequenz-Ausgangsspannung, d. h. der Mittelwert der Hochfrequenz-Ausgangsleistung unter jeweils kurzzeitiger Beibehaltung des Scheitel­ wertes der Nenn-Ausgangsspannung bzw. des Spitzenwertes der Nenn-Ausgangsleistung reduziert wird.

Claims (21)

1. Schutzeinrichtung für einen einen insbesondere plasmaerzeugenden Verbraucher speisenden Hoch­ frequenz-Generator gegen Zerstörung bei Leistungs­ fehlanpassung, mit

• - einer Detektorschaltung (40) zum Ermitteln einer Fehlanpassung der Ausgangsleistung des Hochfrequenz-Generators (10) an die Eingangs­ leistung des Verbrauchers (28), wobei die Detektorschaltung (40) ein Fehlanpassung an­ zeigendes Ausgangssignal erzeugt und
• - einer mit der Detektorschaltung (40) verbunde­ nen Steuerschaltung (46) zum Steuern der Nenn- Ausgangsleistung des Hochfrequenz-Generators (10) im Falle einer Leistungsfehlanpassung, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (46) den Hochfrequenz- Generator (10) auf den Empfang des Ausgangssignals der Detektorschaltung (40) derart steuert, daß die Ausgangsleistung des Hochfrequenz-Generators im Mittel ohne Verringerung der zum Speisen des Ver­ brauchers (28) erforderlichen Spitzenleistung reduziert ist, bis Leistungsanpassung erfolgt ist.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerschaltung (46) den Hoch­ frequenz-Generator (10) ausschaltet, falls die Detektorschaltung (40) für die Dauer einer vorbe­ stimmten Zeitspanne das Leistungsfehlanpassung anzeigende Ausgangssignal ausgibt.

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (46) eine Taktsignal-Erzeugungsschaltung (42) aufweist, die auf den Empfang des Detektorschaltungs-Ausgangs­ signals für Leistungsfehlanpassung ein Taktsignal zum intermittierenden Aktivieren und Deaktivieren des Hochfrequenz-Generators (10) oder Schaltungs­ einheiten desselben ausgibt.

4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (46) eine Zeitgebungsschaltung (44) aufweist, die auf den Empfang des Detektorschaltungs-Ausgangssignals für eine Leistungsfehlanpassung die Zeitspanne vor­ gibt, und daß die Zeitgebungsschaltung (44) nach Ablauf der Zeitspanne ein AUS-Signal zum Ausschal­ ten des Hochfrequenz-Generators oder Schaltungs­ teilen desselben ausgibt, falls die Detektorschal­ tung (40) bis zum Ablauf der Zeitspanne das Aus­ gangssignal für Leistungsfehlanpassung ausgibt.

5. Schutzeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Taktsignal abwechselnd aufeinanderfolgende erste Zeitspannen (T_EIN) mit einem EIN-Signalpegel zum Aktivieren des Hoch­ frequenz-Generators und zweite Zeitspannen (T_AUS) mit einem AUS-Signalpegel zum Deaktivieren des Hochfrequenz-Generators (10) aufweist, wobei die ersten Zeitspannen (T_EIN) jeweils wesentlich kür­ zer als die thermische Zeitkonstante eines die Leistungsverstärkung bewirkenden Verstärkungs­ elementes des Hochfrequenz-Generators (10) sind und die zweiten Zeitspannen (T_AUS) jeweils min­ destens doppelt so groß sind wie die ersten Zeit­ spannen (T_EIN).

6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet daß die zweiten Zeitspannen (T_AUS) je weils das Vier- bis Fünffache einer ersten Zeit­ spanne (T_EIN) betragen.

7. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschal­ tung (40) einen mit dem Ausgang des Hochfrequenz- Generators gekoppelten Richtkoppler (26) oder ein Reflektometer aufweist, dessen Ausgang mit einer Auswerteschaltung (36) der Detektorschaltung (40) verbunden ist, die das Leistungsfehlanpassung an­ zeigende Ausgangssignal erzeugt, wenn die von dem Richtkoppler (26) oder dem Reflektometer detek­ tierte reflektierte Leistung (P_ref) einen vorbe­ stimmten Schwellwert übersteigt.

8. Hochfrequenz-Generator, insbesondere für einen plasmaerzeugenden Verbraucher, mit einer Schutz­ einrichtung zum Schutz vor Zerstörung bei Leistungsfehlanpassung der Ausgangsleistung an die Aufnahmeleistung des Verbrauchers, mit

• - mindestens einer Verstärkungsschaltung (20) zum Erzeugen der Hochfrequenz-Ausgangsleistung,
• - einer Detektorschaltung (40) zum Ermitteln einer Leistungsfehlanpassung, wobei die Detek­ torschaltung (40) ein Leistungsfehlanpassung anzeigendes Ausgangssignal erzeugt, und
• - einer mit der Detektorschaltung (40) verbunde­ nen Steuerschaltung (46) zum Steuern der Hoch­ frequenz-Ausgangsleistung bei Leistungsfehlan­ passung,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (46) die mindestens eine Verstärkerschaltung (20) auf den Empfang des Aus­ gangssignals der Detektorschaltung (40) derart steuert, daß ohne Verringerung der zum Betreiben des Verbrauchers (28) erforderlichen Spitzen­ leistung der Mittelwert der Hochfrequenz-Ausgangs­ leistung reduziert wird, bis Leistungsanpassung erfolgt ist.

9. Hochfrequenz-Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Eingang der Verstär­ kungsschaltung (20) ein eine Steuerelektrode (24) aufweisender steuerbarer Schalter (22) verbunden ist und daß die Steuerschaltung (46) eine mit der Steuerelektrode (24) des steuerbaren Schalters (22) verbundene Taktsignal-Erzeugungsschaltung (42) aufweist, die auf den Empfang des Detektor­ schaltungs-Ausgangssignals für Leistungsfehlanpas­ sung ein Taktsignal zum intermittierenden Ein- und Ausschalten des steuerbaren Schalters (22) er­ zeugt.

10. Hochfrequenz-Generator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Taktsignal ein Tastver­ hältnis aufweist, bei dem jedes Einschaltintervall des steuerbaren Schalters (22) wesentlich kürzer als die thermische Zeitkonstante eines die Leistungsverstärkung bewirkenden Verstärkungs­ elementes der Leistungsverstärkungsschaltung (20) ist und jedes Ausschaltintervall mindestens doppelt so groß wie das Einschaltintervall ist.

11. Hochfrequenz-Generator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsverstär­ kungsschaltung (20) einen MOSFET-Transistor als Leistungsverstärkungselement aufweist und daß das Taktsignal derart gewählt ist, daß der steuerbare Schalter (22) für 100 Mikrosekunden bis 1 Milli­ sekunde, vorzugsweise 300 Mikrosekunden einge­ schaltet und für die mindestens doppelte, vorzugs­ weise die vier- bis fünffache Zeitdauer ausge­ schaltet ist.

12. Hochfrequenz-Generator nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer­ schaltung (46) eine Zeitgebungsschaltung (44) auf­ weist, die auf den Empfang des Detektorschaltungs- Ausgangssignals für eine Leistungsfehlanpassung eine Zeitspanne vorgibt und die nach Ablauf dieser Zeitspanne ein AUS-Signal zum Ausschalten zumin­ dest der Leistungsverstärkungsschaltung (20) aus­ gibt, falls die Detektorschaltung (40) für die Dauer der Zeitspanne das Ausgangssignal für Leistungsfehlanpassung ausgibt.

13. Hochfrequenz-Generator nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor­ schaltung (40) einen mit dem Ausgang des Hoch­ frequenz-Generators gekoppelten Richtkoppler (26) oder ein Reflektometer aufweist, dessen Ausgang mit einer Auswerteschaltung (36) der Detektor­ schaltung (40) verbunden ist, die das Leistungs­ fehlanpassung anzeigende Ausgangssignal erzeugt, wenn die von dem Richtkoppler (26) oder dem Reflektometer detektierte reflektierte Leistung (P_ref) einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.

14. Verfahren zum Betreiben eines einen insbesondere plasmaerzeugenden Verbraucher speisenden Hoch­ frequenz-Generators zum Schutz desselben und/oder von dessen Leistungsverstärkungsschaltung, insbe­ sondere deren Leistungsverstärkungselement, vor Zerstörung infolge von Fehlanpassung der Ausgangs­ leistung des Hochfrequenz-Generators an den zu speisenden Verbraucher, bei dem

• - anhand der vom Hochfrequenz-Generator (10) ab­ gegebenen Leistung und der zum Hochfrequenz- Generator (10) reflektierten Leistung festge­ stellt wird, ob Leistungsfehlanpassung vor­ liegt, und
• - im Falle einer Leistungsfehlanpassung die Nenn- Ausgangsleistung des Hochfrequenz-Generators gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet,
• - daß im Vergleich zur Nenn-Ausgangsleistung die mittlere Ausgangsleistung reduziert wird, ohne daß die Spitzenleistung verringert wird, und
• - daß der Hochfrequenz-Generator (10) erst dann bei seiner Nenn-Ausgangsleistung betrieben wird, wenn Leistungsanpassung vorliegt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hochfrequenz-Generator (10) bei Leistungsfehlanpassung im Puls- oder Taktbetrieb gefahren wird, so daß abwechselnd für erste Zeit­ intervalle die Nenn-Ausgangsleistung und für zweite Zeitintervalle keine Ausgangsleistung er­ zeugt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten Zeitintervalle derart gewählt sind, daß sie jeweils deutlich kürzer als die thermische Zeitkonstante des Leistungsverstär­ kungselementes sind.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten Zeitintervalle der­ art gewählt sind, daß sie jeweils eine Dauer bis zur Größe der thermischen Zeitkonstante des Leistungsverstärkungselementes aufweisen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenz-Genera­ tor (10) nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne im Anschluß an eine festgestellte Leistungsfehlan­ passung ausgeschaltet wird, sofern innerhalb dieser Zeitspanne Leistungsanpassung nicht erfolgt ist.

19. Verwendung einer Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für einen einen plasmaerzeugen­ den Verbraucher (28) betreibenden Hochfrequenz- Generator (10).

20. Verwendung eines Hochfrequenz-Generators nach einem der Ansprüche 8 bis 13 zum Betreiben eines plasmaerzeugenden Verbrauchers (28).