JP6840093B2 - 電力供給システムの増幅段の出力量を調整するための電力供給システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、増幅段を有する電力供給システムと、電力供給システムの増幅段の出力量を調整するための方法とに関する。

そのような類似の形式の装置および方法は、例えば、米国特許出願公開第２００８／０２８４５１０号明細書（ＵＳ２００８／０２８４５１０Ａ１）、米国特許第８０９５０９０号明細書（ＵＳ８，０９５，０９０Ｂ２）、米国特許出願公開第２００７／０１４５９００号明細書（ＵＳ２００７／０１４５９００Ａ１）、独国特許出願公開第１０２０１３２２６５１１号明細書（ＤＥ１０２０１３２２６５１１Ａ１）、米国特許出願公開第２０１４／００８４７００号明細書（ＵＳ２０１４／００８４７００Ａ１）、米国特許出願公開第２００９／０００４９８１号明細書（ＵＳ２００９／０００４９８１Ａ１）から公知である。

電力供給システム、特に１ＭＨｚ以上の周波数で電力を生成するシステムは、例えばプラズマコーティング装置におけるレーザ励起のために使用されるか、または、誘導用途のためにも使用される。このような電力供給システムは、増幅器を有し、この増幅器によってプラズマコーティング装置、誘導用途、または、レーザ励起のために供給される電力が生成される。基本的に、増幅器の電力制御を実施するために２つの概念が存在する。振幅制御の場合には、増幅器の出力電力が入力信号の振幅によって制御される。あるいは、増幅器の供給電圧を制御することによって増幅器の出力電力を制御してもよい。このような形式の制御の場合には、大きなダイナミックレンジにわたって効率が比較的一定に保たれる。増幅器は、通常、供給電圧に接続された少なくとも１つのトランジスタを有する。供給電圧が制御されることによって、トランジスタの駆動電圧と供給電圧とが組み合わせられ、これによってトランジスタに熱的負荷が加えられる可能性がある。特に、この場合にトランジスタが損傷されるか、または、トランジスタの寿命が著しく短縮される危険性が存在する。

米国特許出願公開第２００８／０２８４５１０号明細書 米国特許第８０９５０９０号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１４５９００号明細書 独国特許出願公開第１０２０１３２２６５１１号明細書 米国特許出願公開第２０１４／００８４７００号明細書 米国特許出願公開第２００９／０００４９８１号明細書

本発明の課題は、トランジスタのこのような熱的負荷を阻止し、これによって故障および寿命の短縮を最小化するための手段を提供することである。

上記の課題は、本発明によれば、増幅段を有する電力供給システムにおいて、前記増幅段は、少なくとも１つのトランジスタ、特にＬＤＭＯＳトランジスタを有し、前記トランジスタの電力端子は、供給電圧に接続されており、前記トランジスタの駆動端子は、駆動電圧によって駆動され、前記トランジスタの前記駆動電圧を調整するための第１の制御部と、前記供給電圧を調整するための第２の制御部とが設けられている、電力供給システムによって解決される。

この場合、前記制御部の一方を、他方の前記制御部に状態信号を供給するように構成することができる。前記他方の制御部を、前記状態信号を評価するように構成することができる。

前記他方の制御部を、前記状態信号に対して応答するように構成することができる。

これにより、増幅段が確実に機能することを保証する良好にコントロールされた動作点または範囲において、増幅段を動作させることが可能になる。特に、増幅段のトランジスタに非常に大きな熱的負荷が加えられるという状況を回避することができる。

前記第２の制御部の入力部には、前記第１の制御部の操作値と、前記第１の制御部が飽和中であるかどうかを示す状態信号とを印加することができる。

前記状態信号は、当該状態信号を生成する前記制御部が制御飽和の状態にあるということを示すという特徴を有することができる。

特に本発明によれば、電力制御が２つのチャネルに、すなわち前記第１の制御部と前記第２の制御部とに分割されている。

前記増幅段の出力量を制御量として検出するための測定装置を設けることができる。前記測定装置により、前記増幅段によって生成された前記出力量を検出することができる。当該出力量を目標量と比較して、制御部、特に前記第１の制御部のための入力量を得ることができる。

この目的のために、前記制御量と目標量とから制御偏差を算出する制御偏差算出部を設けることができ、前記制御偏差算出部は、前記第１の制御部に接続されている。このようにして制御偏差を算出し、第１の制御部に供給することができる。したがって、第１の制御部は、制御ループ内でいわゆるクローズドループ制御を実施することができる。

前記第１の制御部の出力部を、前記第２の制御部の入力部に接続することができる。これによって第２の制御部は、第１の制御部によって調整された量に基づいて、供給電圧に対する操作量、または、供給電圧自体を調整することが可能となる。したがって、供給電圧の調整は、第１の制御部の出力量に依存して実施される。

前記第２の制御部の出力部を、前記第１の制御部の入力部に接続することができる。この場合、第１の制御部は、第２の制御部によって求められた出力量を考慮して自身の出力量を調整することも可能である。

さらに、前記第２の制御部を、前記制御偏差算出部に接続することができる。すなわち特に、制御偏差を両方の制御部に供給することができ、かつ、両方の制御部にそれぞれ他方の制御部の出力信号を供給することができる。これによって、非常に複雑な閉ループ制御が実施される。特に、両方の制御部は、増幅段の出力部において測定された出力量に基づいて閉ループ制御を実施し、互いの動作範囲または調整範囲を制限し合っている。

前記制御部の一方を、閉ループ制御、特にクローズドループ制御を実施するように構成することができ、前記他方の制御部を、開ループ制御、すなわちオープンループ制御を実施するように構成することができる。この場合、特に第１の制御部が、クローズドループ制御を実施することができ、第２の制御部が、オープンループ制御を実施することができる。

制御部の一方を、他方の制御部に状態信号を供給するように構成することができ、他方の制御部を、状態信号を評価するように、特に状態信号に対して応答するように構成することができる。前記状態信号は、当該状態信号を生成する前記制御部が制御飽和（ワインドアップ）の状態にあるということを示すという特徴を有することができる。前記状態信号を評価するように構成されている前記制御部は、特に「他方の前記制御部が制御飽和中にある」状態であることを識別すると、クローズドループ制御からオープンループ制御（開ループ制御モード）に切り替わるように、または、その逆向きに切り替わるように構成することができる。特に前記第１の制御部を、前記第２の制御部に前記状態信号を供給するように構成することができ、前記第２の制御部を、前記状態信号を評価するように構成することができる。前記第２の制御部を、前記第１の制御部が自身が飽和中であることを示した場合に、クローズドループ制御部として動作するように構成することができ、かつ、特に、前記第２の制御部を、前記第１の制御部の入力部にも印加される目標値偏差を入力量として使用するように構成することができる。さらに、前記第２の制御部を、前記第１の制御部が正常に制御している場合、すなわち飽和中でない場合に、所定の特性曲線を逸脱することによってオープンループ制御部（開ループ制御モード）として動作するように構成することができる。

本発明の枠内にはさらに、電力供給システムの増幅段の出力量を調整するための方法において、前記増幅段のトランジスタの駆動電圧を、目標量、および／または、前記増幅段によって生成された出力量を考慮して調整し、前記トランジスタの供給電圧を、前記駆動電圧の調整を考慮して調整する、方法も含まれる。これにより、増幅段または増幅段のトランジスタに２つの操作量が供給され、これら２つの操作量によって、増幅器またはトランジスタを２自由度で動作させることが可能となる。これによって危険な状況、特にトランジスタの過熱をもたらす状況を回避することができる。特に、このようにして、両方の操作量（駆動電圧および供給電圧）の全ての動作範囲を互いに自由に組み合わせることができるわけではないようにすることが可能となる。これにより、低効率での動作時に過度の熱が発生することが原因で、増幅段のトランジスタが破壊されてしまう状況を回避することができる。

さらに、前記駆動電圧を、前記供給電圧の調整を考慮して調整することができる。こうすることによっても、増幅段のトランジスタ、特にＬＤＭＯＳトランジスタが動作する範囲を制限することが可能になる。

前記駆動電圧を、前記目標量および／または前記増幅段によって生成された出力量を考慮して調整することができる。この手段によって、トランジスタの破壊をもたらすような動作点が生じないことを、さらにより確実に保証することが可能となる。

本発明のさらなる特徴および利点は、本発明の実施例の以下の詳細な説明と、本発明にとって本質的な詳細を示した図面と、特許請求の範囲とから明らかになる。種々の特徴は、本発明の変形例において、それぞれ単独でまたは複数の任意の組み合わせで実現することができる。

本発明の好ましい実施例が図面に概略的に図示されており、図面を参照しながら以下でより詳細に説明される。

電力供給システムを有するプラズマシステムの非常に概略的な図である。 増幅段のトランジスタの閉ループ制御を図示するためのブロック図である。 供給電圧に対する増幅器の効率の依存性を説明するための線図である。

図１は、電力供給システム２を含むプラズマシステム１を示す。電力供給システム２自体は、電力変換器３を有し、電力変換器３は、電圧供給系統４に接続することができる。電力変換器３の出力部で生成された電力は、インピーダンス整合ネットワーク５を介してプラズマチャンバ６に供給され、そこでプラズマが生成され、このプラズマを用いてプラズマチャンバ６内でプラズマ処理を実施することができる。特に、被加工物をエッチングすることができるか、または、基板上に材料膜を被着させることができる。

図２は、図１の電力供給システム２の一部を示す。特に、電力供給システム２は、少なくとも１つのトランジスタ１５を有する増幅段１４を含む。トランジスタ１５の電力端子１６は、供給電圧に接続されている。トランジスタ１５の駆動端子１７は、駆動電圧、例えばゲート電圧またはベース電圧に接続されている。増幅段１４は、自身の出力部１８において出力信号、特に高周波電力信号を生成する。出力部１８には測定装置１９が接続されており、この測定装置１９によって出力信号を検出することができる。このようにして測定された信号は、制御偏差算出部２０に供給され、制御偏差算出部２０には、出力部１８の出力量に関する目標量も供給される。制御偏差算出部２０は、目標値２１と、測定装置１９の出力量に相当する制御量とから制御偏差を算出し、この制御偏差は、第１の制御部２２に供給されている。第１の制御部２２は、トランジスタ１５の駆動電圧またはトランジスタ１５の駆動電圧に対する操作量を求める。第１の制御部２２の出力部は、第２の制御部２３の入力部に接続されている。第２の制御部２３は、第１の制御部２２によって求められた量に基づいて供給電圧または供給電圧に対する操作量を求め、増幅段１４に供給する。

任意選択的に、第２の制御部２３の出力部を第１の制御部２２の入力部に接続することもできる。このことは、破線２４によって示唆されている。同様にして、制御偏差を第２の制御部２３に供給することもでき、このことは、破線２５によって示唆されている。制御部２２は、好ましくは閉じた制御ループ内で動作し、したがってクローズドループ制御を実施する。その一方で、第２の制御部２３は、開いた制御ループ内に配置されており、したがって開ループ制御またはオープンループ制御を実施する。しかしながら、第２の制御部２３の入力部には、第１の制御部２２の操作値だけではなく、第１の制御部２２が飽和中であるかどうかを示す状態信号も印加することができる。この状態信号は、第２の制御部２３において開ループ制御（オープンループ制御）と閉ループ制御（クローズドループ制御）とを切り替えるために使用される。第１の制御部２２が自身が飽和中であることを示した場合に、第２の制御部２３が閉ループ制御部（クローズドループ制御部）として使用され、第１の制御部２２の入力部にも印加される目標値偏差を入力量として受信する。第２の制御部２３は、第１の制御部２２が正常に制御している場合には、所定の特性曲線を逸脱することによって開ループ制御モード（オープンループ制御）でのみ動作する。すなわち、第２の制御部２３は、常に開ループ制御モードにあるわけではない。

図３には、複数の異なる供給電圧における、出力電力に依存した増幅段１４の効率を示す。この場合、曲線１００は、５０Ｖの供給電圧によって生成され、曲線１０１は、４８Ｖの供給電圧で生成され、曲線１０２は、４５Ｖの供給電圧で生成され、曲線１０３は、４０Ｖの供給電圧で生成され、曲線１０４は、３５Ｖの供給電圧で生成され、曲線１０５は、３０Ｖの供給電圧で生成され、曲線１０６は、２５Ｖの供給電圧で生成され、曲線１０７は、２０Ｖの供給電圧で生成され、曲線１０８は、１５Ｖの供給電圧で生成され、曲線１０９は、１０Ｖの供給電圧で生成されたものである。曲線１００を参照すると、供給電圧が５０Ｖの場合に、約５０Ｗの出力電力、ひいては非常に低い効率しか達成されないことが特にはっきりと確認できる。このような場合には、増幅段１４のトランジスタ１５において非常に多くの電力が熱に変換され、これによってトランジスタが破壊される可能性がある。そのような状態は回避すべきである。本発明による図２の配置構成により、このような状態を効果的に回避することが可能である。

Claims (20)

1. 増幅段（１４）を有する電力供給システム（２）において、
   前記増幅段（１４）は、少なくとも１つのトランジスタ（１５）を有し、
   前記トランジスタ（１５）の電力端子（１６）は、供給電圧に接続されており、
   前記トランジスタ（１５）の駆動端子（１７）は、駆動電圧によって駆動され、
   前記トランジスタ（１５）の前記駆動電圧を調整するための第１の制御部（２２）と、前記供給電圧を調整するための第２の制御部（２３）とが設けられており、
   前記制御部（２２，２３）の一方は、他方の前記制御部（２３，２２）に状態信号を供給するように構成されており、前記他方の制御部（２３，２２）は、前記状態信号を評価するように構成されており、
   前記状態信号は、当該状態信号を生成する前記制御部（２２，２３）が制御飽和の状態にあるということを示し、
   制御量と目標量とから制御偏差を算出する制御偏差算出部（２０）が設けられており、前記制御偏差算出部（２０）は、前記第１の制御部（２２）に接続されている、という特徴を有する、
   電力供給システム（２）。
2. 前記他方の制御部（２３，２２）は、前記状態信号に対して応答するように構成されている、
   請求項１記載の電力供給システム。
3. 前記第２の制御部（２３）の入力部には、前記第１の制御部（２２）の操作値と、前記第１の制御部（２２）が飽和中であるかどうかを示す状態信号とが印加されている、
   請求項１または２記載の電力供給システム。
4. 電力制御が２つのチャネルに、すなわち、前記第１の制御部（２２）と前記第２の制御部（２３）とに分割されている、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の電力供給システム。
5. 前記増幅段（１４）の出力量を制御量として検出するための測定装置（１９）が設けられている、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の電力供給システム。
6. 前記測定装置（１９）は、前記増幅段（１４）によって生成された前記出力量を検出し、当該出力量を目標量と比較して、制御部（２２，２３）のための入力量が得られるように構成されている、
   請求項５記載の電力供給システム。
7. 前記状態信号を評価するように構成されている前記制御部（２３，２２）は、「他方の前記制御部が制御飽和中にある」状態であることを識別すると、クローズドループ制御からオープンループ制御（開ループ制御モード）に切り替わるように、または、その逆向きに切り替わるように構成されている、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の電力供給システム。
8. 前記第１の制御部（２２）は、前記第２の制御部（２３）に前記状態信号を供給するように構成されており、前記第２の制御部（２３）は、前記状態信号を評価するように構成されている、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の電力供給システム。
9. 前記第２の制御部（２３）は、前記第１の制御部（２２）が自身が飽和中であることを示した場合に、クローズドループ制御部として動作するように構成されている、
   請求項１から８までのいずれか１項記載の電力供給システム。
10. 前記第２の制御部（２３）は、前記第１の制御部（２２）の入力部にも印加される目標値偏差を入力量として使用する、
    請求項９記載の電力供給システム。
11. 前記第２の制御部（２３）は、前記第１の制御部（２２）が正常に制御している場合、すなわち飽和中でない場合に、所定の特性曲線を逸脱することによってオープンループ制御部（開ループ制御モード）として動作するように構成されている、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の電力供給システム。
12. 前記第１の制御部（２２）の出力部は、前記第２の制御部（２３）の入力部に接続されている、
    請求項１から１１までのいずれか１項記載の電力供給システム。
13. 前記第２の制御部（２３）の出力部は、前記第１の制御部（２２）の入力部に接続されている、
    請求項１から１２までのいずれか１項記載の電力供給システム。
14. 前記第２の制御部（２３）は、前記制御偏差算出部（２０）に接続されている、
    請求項１２または１３記載の電力供給システム。
15. 前記制御部（２２，２３）の一方は、閉ループ制御を実施するように構成されており、前記制御部（２２，２３）の一方は、開ループ制御を実施するように構成されている、
    請求項１から１４までのいずれか１項記載の電力供給システム。
16. 電力供給システム（２）の増幅段（１４）の出力量を調整するための方法において、
    前記増幅段（１４）のトランジスタ（１５）の駆動電圧を、目標量および／または前記増幅段（１４）によって生成された出力量を考慮して調整し、
    前記トランジスタ（１５）の供給電圧を、前記駆動電圧の調整を考慮して調整し、
    複数の制御部（２２，２３）の一方が、他方の制御部（２３，２２）に状態信号を供給し、前記他方の制御部（２３，２２）が前記状態信号を評価し、
    前記状態信号は、当該状態信号を生成する前記制御部（２２，２３）が制御飽和の状態にあるということを示し、
    前記電力供給システム（２）には、制御量と目標量とから制御偏差を算出する制御偏差算出部（２０）が設けられており、前記制御偏差算出部（２０）は、前記第１の制御部（２２）に前記制御偏差を供給する、
    方法。
17. 前記他方の制御部（２３，２２）は、前記状態信号に対して応答する、
    請求項１６記載の方法。
18. 第２の制御部（２３）の入力部に、第１の制御部（２２）の操作値と、前記第１の制御部（２２）が飽和中であるかどうかを示す状態信号とを印加する、
    請求項１６または１７記載の方法。
19. 前記駆動電圧を、前記供給電圧の調整を考慮して調整する、
    請求項１６から１８までのいずれか１項記載の方法。
20. 前記駆動電圧を、前記目標量および／または前記増幅段（１４）によって生成された出力量を考慮して調整する、
    請求項１６から１９までのいずれか１項記載の方法。

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