KR101867071B1 - Ｃｏ2 가스방전 레이저를 구동하기 위해 결합된 ｒｆ 파워 서플라이들을 밸런싱하는 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
가스방전 레이저의 방전 전극(22, 24, 26)에 RF 파워를 공급하기 위한 무선주파수(RF) 파워 서플라이 장치(40)는 각각 RF 출력을 가지는 복수의 증폭기 모듈(A1-A6)을 포함한다. 파워 결합 배열(20)은 증폭기 모듈의 RF 출력을 방전 전극(24, 26)에 연결된 하나의 결합된 RF 출력으로 결합하기 위해 제공된다. DC 파워 서플라이(30)는 임의의 트랜지스터 증폭기 모듈(A1-A6)에 의해 인출되는 전류가 하나의 전류 센서(CS1-CS6)에 의해 감시될 수 있도록, 개별적으로, 각각의 트랜지스터 증폭기 모듈(A1-A6)에 연결 또는 연결해제 가능하다.
Description
본 발명은 일반적으로 이산화탄소(CO2) 가스 방전 레이저에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 복수의 RF 트랜지스터 파워 서플라이의 결합된 출력에 의해 구동되는 CO2 가스 방전 레이저에 관한 것이다.
CO2 가스 방전 레이저에서, 레이저 하우징 내의 레이징 혼합 가스는 한 쌍의 평행하고 이격된 전극 사이에서 발생되는 혼합 가스 내에서의 무선주파수(RF) 방전에 의해 활성화된다(energized). 고출력 CO2 레이저, 예컨대, 100와트(W) 이상의 출력 파워를 가지는 CO2 슬래브 레이저(slab-laser)에서, 혼합 가스는 전형적으로 CO2, 질소(N2) 및 헬륨(He)을 포함하고, 대략 50 내지 150Torr의 압력이다. 이러한 레이저를 구동하기 위한(가스 방전을 활성화하기 위한) RF 전압(RF 파워)은 하나의 RF 오실레이터에 연결되어 있고 옵션으로서 그 출력이 미리 증폭된 복수의 RF 증폭기의 결합된 출력에 의해 제공된다. 전형적으로, 각각의 증폭기는 2개의 RF 트랜지스터 증폭기 모듈을 푸시풀(push-pull) 배열로 포함한다.
CO2 슬래브 레이저에서 가스방전을 여기시키기(excite) 위해 필요한 전형적인 RF 전압은 대략 80 내지 100MHz 구동 주파수에서 대략 225볼트이다. 일정한 전압(V)에 대하여 방전 내의 전류는 그 방전으로 전달되는 파워와 함께 선형 증가하도록 인가된다. 방전의 임피던스는 방전으로의 RF 파워가 증가할수록 감소된다. CO2 슬래브 레이저는 방전으로의 RF 파워를 레이저 출력 파워로 변환하는데 대략 10%의 효율을 가진다. 예를 들어, 250W 출력을 가진 CO2 레이저는 대략 11암페어(A)의 전류로 대략 2500W의 RF 파워가 방전으로 전달될 필요가 있다. 이 방전의 임피던스는 대략 20옴이다.
예를 들어, 트랜지스터 파워 모듈을 사용하여 2500W의 RF 파워를 제공하기 위해서는, 네덜란드 아인트호벤의 필립스 코포레이션으로부터 사용가능한 MOSFET BLF278 모듈이 최소 6개 필요할 수 있다. 이러한 모듈의 출력은 레이저 가스 방전을 생성하는 전극으로 제공되는 단일 출력을 형성하기 위해 결합될 필요가 있다.
복수의 트랜지스터 파워 증폭기 모듈의 출력을 결합함에 있어서 해결해야할 문제점은 각각의 별도의 증폭기의 출력의 전류 밸런싱(balancing) 및 위상 조절이다. 이는 후방 반사를 최소화하여 부하(방전 전극)으로의 최대 출력 파워를 얻기 위해 필요하다. 이러한 후방 반사는 트랜지스터 모듈 내에서 분산되는 열로서 나타난다.
도 1은 CO2 확산 냉각식 레이저를 구동시키는데 사용되는 RF 결합 타입의 파워 서플라이 내의 RF 파워 증폭기를 전류 및 위상 밸런싱을 위한 종래기술의 배열(10)을 개략적으로 도시한다. 여기서, RF 오실레이터(12)의 출력은 구동 증폭기(14)의 입력에 제공된다. 구동 증폭기의 출력은 1-3 신호 스플리터(신호 분할기)(16)의 입력에 제공된다. 스플리터의 3개의 출력 각각은 대응하는 파워 증폭기 스테이지(18)에 제공된다. 이러한 증폭기 스테이지들은 명목적으로 동일하지만, 그 컴포넌트 및 증폭기 스테이지 내에 제조 공차로 인한 미세한 차이가 존재할 수 있다는 점을 반영하기 위해 스테이지(18A, 18B, 18C)로 각각 지정한다. 이러한 차이는 상기 서술한 전류 및 위상 밸런싱에 대한 필요성을 야기한다.
증폭기 스테이지(18A)에서, 스플리터(16)로부터의 대응하는 신호는 신호 스플리터(신호 분할기)(D1)에 의해 두 부분으로 더 나누어진다. 한 부분은 트랜지스터 증폭기 모듈(A1)로 전송되고, 다른 부분은 트랜지스터 증폭기 모듈(A2)로 전송된다. 여기서, 증폭기 모듈(A1 및 A2)은 푸시풀 구성으로 배치된다. 증폭기 출력은 임피던스 매칭 네트워크(Z1)에 의해 결합된다. 증폭 스테이지(18B)에서, 스플리터(16)로부터의 대응하는 신호는 신호 스플리터(D2)에 의해 두 부분으로 더 나누어진다. 이 부분들은 트랜지스터 증폭기 모듈(A3 및 A4)에 의해 증폭되고, 증폭된 출력은 임피던스 매칭 네트워크(Z2)에 의해 결합된다. 증폭 스테이지(18C)에서, 스플리터(16)로부터의 대응 신호는 신호 스플리터(D3)에 의해 두 부분으로 더 나누어진다. 이 부분들은 트랜지스터 증폭기 모듈(A5 및 A6)에 의해 증폭되고, 증폭된 출력은 임피던스 매칭 네트워크(Z3)에 의해 결합된다.
임피던스 매칭 네트워크(Zl, Z2, 및 Z3)의 출력은 RF 출력 파워 결합기(20)에 의해 결합된다. 결합된 출력은 서로 평행하고 이격되어 있는 전극(24)과 접지 전극(26)을 포함한 전극 쌍(22)(방전 전극) 중 라이브(live) 전극(24)에 인가된다. 전극은 레이징 혼합 가스를 포함한 (도시되지 않은) 레이저 하우징 내에 놓여진다. 임피던스 매칭 네트워크(IMN)(28)는 결합기(20)의 출력 임피던스를 방전 전압의 임피던스와 매칭시킨다.
트랜지스터 증폭기 모듈(A1-6)은 DC 파워 서플라이(30)로부터 DC 전압에 의해 전력을 공급받는다. DC 파워 서플라이는 각각 6개의 대응하는 전류 센서(CSl-6) 중 하나를 통해 각각의 트랜지스터 증폭기 모듈(A1-6)로 전력을 전달한다. 바람직한 전류 센서는 홀 효과 센서(Hall-effect sensor)이다. 홀 효과 전류 센서는 그것을 통과하여 흐르는 전류에 비례하는 출력 전압을 산출한다. 이러한 센서는 인쇄회로기판 기술과 호환가능한 서브 암페어(sub-amperes)에서 수백 암페어까지 넓은 범위의 전류를 패키지 내에서 처리할 수 있다.
전류 및 위상 밸런싱은 트랜지스터 증폭기 모듈(A1-6)의 각각의 입력에 연결된 가변 임피던스 회로(B1-6)를 선택적으로 조절함으로써 달성된다. 여기서, 이러한 회로는 각각 가변 분기(병렬) 커패시턴스의 형태이다. 회로(B1-6)의 임피던스를 조절하는 것은 트랜지스터 증폭기 모듈(A1-6)로의 입력 파워 및 입력의 위상을 조절하고, 이는 DC 파워 서플라이(30)로부터 트랜지스터 증폭기 모듈에 의해 인출되는 DC 전류의 양을 변경한다. 다시, 이는 트랜지스터 증폭기 모듈의 출력 파워 및 출력의 위상을 변경하고, 그에 따라 임피던스 매칭 네트워크(Z1-3)의 RF 출력의 진폭 및 위상을 변경한다.
가변 임피던스 회로(B1-6)의 임피던스는 파워 결합기(20)로의 각각의 입력의 진폭 및 위상이 같거나 거의 같을 때까지 조절된다. 이러한 진폭 및 위상은 당업계에 주지된 바와 같이, 오실로스코프 및 임시적인 연결의 도움으로 모니터될 수 있다. 이러한 조절은 증폭기 스테이지(18A-C)의 컴포넌트들의, 제조 공차 내에서의, 변동을 보상하기 위해 필요하다. 증폭기 스테이지로부터의 출력의 동일한 전류 및 위상을 가지게 하는 것은 전극 쌍(22)에 의해 만들어지는 가스 방전으로 최대 RF 파워 전달을 달성하는데 중요하다.
파워 결합기(20)와 결합된 입력의 전류 및 위상 밸런싱을 이해하기 위해 장치(10)의 충분한 설명이 제공되었음을 이해해야 한다. RF 파워 결합기 및 그에 대한 임피던스 매칭 네트워크의 상세한 설명은 미국특허번호 제7,755,452호 및 미국특허번호 제7,970,037호에 제공되어 있다.
앞서 서술된 전류 및 위상 밸런싱 방법이 최종적인 CO2 레이저 내의 방전 전극으로의 바람직한 파워 전달 최적화를 달성하는데 완벽하게 적합하지만, 본 방법은 제조 관점에서, 특히, 밸런싱 오퍼레이션에 필요한 시간과 대응하는 비용에 관하여 몇몇 단점을 가진다. 각각의 가변 임피던스 회로를 균형점으로 수렴시키기 위해 필요한 일련의 재조정과 함께, 밸런싱 오퍼레이션을 반복 프로세스로 만드는 증폭기간 혼선(cross-talk)이 존재하기 때문에, 밸런싱 오퍼레이션에 필요한 시간은 비교적 길다. 이러한 반복 프로세스에 숙달하기 위해 오퍼레이터에게 상당한 기술과 경험이 요구된다. 다른 단점은 트랜지스터 증폭기 모듈 및 DC 파워 서플라이 사이의 각각의 연결에 전류 센서를 설치에 필요한 시간 및 비용이다. 결합된 증폭기 출력에 대한 전류 및 위상 밸런싱을 위한 더 단순하고 덜 시간소비적인 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 하나의 형태에서, 가스방전 레이저의 방전 전극에 무선주파수(RF) 파워를 공급하는 RF 파워 서플라이 장치는 각각 RF 출력을 가진 제1의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈을 포함한다. 파워 결합 배열은 트랜지스터 증폭기 모듈의 RF 출력을 방전 전극에 연결된 하나의 결합된 RF 출력으로 결합하기 위해 제공된다. DC 파워 서플라이는 제1의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 각각에 DC 전압을 공급하기 위해 제공된다. DC 파워 서플라이는 대응하는 제1의 복수의 전기 스위치를 통해, 개별적으로, 트랜지스터 증폭기 모듈 각각에 연결 또는 그로부터 연결해제 가능하다. 제1 전류 센서는 제1 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 중 임의의 트랜지스터 증폭기 모듈에 의해 인출되는 전류를, 그 임의의 트랜지스터 증폭기 모듈이 DC 파워 서플라이에 연결된 때, 모니터하기 위해 제1의 복수의 전기 스위치와 DC 파워 서플라이 사이의 전기 통로 내에 설치된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 각각 RF 출력을 가진 제2의 복수의 트랜지스터 모듈이 존재하고, 제2의 복수의 트랜지스터 모듈의 RF 출력은 파워 결합 배열에 의해 하나의 결합된 RF 출력으로 결합된다. 제2의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 각각은 대응하는 제2의 복수의 전기 스위치에 의해 DC 파워 서플라이에 연결 또는 그로부터 연결해제 가능하다. 제2 전류 센서는 제2의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 중 임의의 트랜지스터 증폭기 모듈에 의해 인출되는 전류를, 그 임의의 트랜지스터 증폭기 모듈이 DC 파워 서플라이에 연결된 때, 모니터하기 위해 제2의 복수의 전기 스위치와 DC 파워 서플라이 사이의 전기 통로 내에 설치된다.
본 발명의 회로 배열은 한번에 한 쌍의 트랜지스터 증폭기 모듈만 파워 서플라이에 연결되고, 2개의 전류 센서에 의해 모니터되는, 파워 결합 배열에서 전류 및 위상 밸런싱을 가능하게 한다. 이는 트랜지스터 증폭기 모듈 쌍의 개수와 무관하게, 요구되는 센서의 총 개수를 2까지 감소시킴으로써 비용을 절감함과 동시에, 종래기술의 장치에서의 복수의 센서 쌍 간의 앞서 서술한 혼선 문제를 피한다.
본 명세서의 일부분을 구성하며 본 명세서에 포함된 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예들을 개략적으로 도시하고, 상기 주어진 일반적인 설명 및 아래에 주어진 바람직한 실시예의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 3개의 증폭기 스테이지의 RF 출력이 결합되어 있는 종래기술의 회로를 개략적으로 도시하는데, 각각의 증폭기 스테이지는 푸시풀 구성으로 2개의 트랜지스터 증폭기를 포함하고, 이 트랜지스터 증폭기는 6개의 대응하는 전류 센서를 통해 단일 파워 서플라이로부터 전달되는 DC 전류에 의해 전력을 공급받으며, 결합 전에 증폭기 스테이지의 출력의 진폭 및 위상을 밸런싱하기 위해 트랜지스터 증폭기로의 입력을 조절하기 위해 6개의 선택 가변 임피던스 회로가 제공된다.
도 2는 3개의 증폭기 스테이지의 RF 출력이 결합되어 있는 본 발명에 따른 회로의 하나의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시하는데, 이는 도 1의 회로와 유사하지만, 진폭 및 위상 밸런싱 오퍼레이션 동안 각각의 증폭기 스테이지에 선택적으로 연결가능하도록 배열된 오직 2개의 전류 센서만 존재한다.
도 3은 3개의 증폭기 스테이지의 RF 출력이 결합되어 있는 본 발명에 따른 회로의 다른 바람직한 실시예를 개략적으로 도시하는데, 이는 도 2의 회로와 유사하지만, 각각의 증폭기 스테이지는 오직 하나의 트랜지스터 모듈만 포함하고, 오직 3개의 선택 가변 임피던스 회로가 존재하고, 진폭 및 위상 밸런싱 오퍼레이션 동안 각각의 증폭기 스테이지에 개별적으로 연결가능하도록 배치되어 있고, DC 파워 서플라이에 연결된 오직 하나의 전류 센서만 존재한다.
도 4는 4개(2쌍)의 증폭기 스테이지의 RF 출력이 결합되어 있는 본 발명에 따른 회로의 또 다른 바람직한 실시예를 개략적으로 도시하는데, 이는 도 3의 회로와 유사하지만, DC 파워 서플라이에 연결된 2개(한쌍)의 전류 센서가 존재하고, 각각의 쌍은 진폭 및 위상 밸런싱 오퍼레이션 동안 증폭기 스테이지 쌍에 개별적으로 연결가능하다.
도 1은 3개의 증폭기 스테이지의 RF 출력이 결합되어 있는 종래기술의 회로를 개략적으로 도시하는데, 각각의 증폭기 스테이지는 푸시풀 구성으로 2개의 트랜지스터 증폭기를 포함하고, 이 트랜지스터 증폭기는 6개의 대응하는 전류 센서를 통해 단일 파워 서플라이로부터 전달되는 DC 전류에 의해 전력을 공급받으며, 결합 전에 증폭기 스테이지의 출력의 진폭 및 위상을 밸런싱하기 위해 트랜지스터 증폭기로의 입력을 조절하기 위해 6개의 선택 가변 임피던스 회로가 제공된다.
도 2는 3개의 증폭기 스테이지의 RF 출력이 결합되어 있는 본 발명에 따른 회로의 하나의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시하는데, 이는 도 1의 회로와 유사하지만, 진폭 및 위상 밸런싱 오퍼레이션 동안 각각의 증폭기 스테이지에 선택적으로 연결가능하도록 배열된 오직 2개의 전류 센서만 존재한다.
도 3은 3개의 증폭기 스테이지의 RF 출력이 결합되어 있는 본 발명에 따른 회로의 다른 바람직한 실시예를 개략적으로 도시하는데, 이는 도 2의 회로와 유사하지만, 각각의 증폭기 스테이지는 오직 하나의 트랜지스터 모듈만 포함하고, 오직 3개의 선택 가변 임피던스 회로가 존재하고, 진폭 및 위상 밸런싱 오퍼레이션 동안 각각의 증폭기 스테이지에 개별적으로 연결가능하도록 배치되어 있고, DC 파워 서플라이에 연결된 오직 하나의 전류 센서만 존재한다.
도 4는 4개(2쌍)의 증폭기 스테이지의 RF 출력이 결합되어 있는 본 발명에 따른 회로의 또 다른 바람직한 실시예를 개략적으로 도시하는데, 이는 도 3의 회로와 유사하지만, DC 파워 서플라이에 연결된 2개(한쌍)의 전류 센서가 존재하고, 각각의 쌍은 진폭 및 위상 밸런싱 오퍼레이션 동안 증폭기 스테이지 쌍에 개별적으로 연결가능하다.
이어서, 유사한 특징부가 유사한 참조번호로 지정되어 있는 도면을 참조하면, 도 2는 3개의 증폭기 스테이지의 RF 출력이 결합되어 있는 본 발명에 따른 회로의 바람직한 실시예(40)를 개략적으로 도시한다. 회로(40)는 다음 내용을 제외하면 도 1의 회로(10)와 유사하다. 회로(40)에서는, DC 파워 서플라이(20)로의 2개의 커넥션(42 및 44) 내에 오직 2개의 전류 센서(CS1 및 CS2)만 존재한다. 적합한 전류 센서는 캘리포니아 아이르빈의 알레그로 마이크로시스템즈 인코퍼레이티드에 의해 제조되는 모델번호 AE5758와 같은 홀 효과 전류 센서이다. 커넥션(42 및 44)은 모든 증폭기 스테이지(18A-C)에 스위치(S1, S2, S3, S4, S5, 및 S6)를 통해 연결가능하다. 하나의 커넥션은 증폭기 스테이지 내의 트랜지스터 증폭기 모듈 중 하나에 (적절한 스위치를 통해) 연결되고, 다른 커넥션은 증폭 스테이지 내의 다른 트랜지스터 증폭기 모듈에 (적절한 스위치를 통해) 연결된다.
사용자에 의한 실제 작동에 있어서, 모든 3개의 증폭 스테이지가 전력공급 받도록 모든 스위치(S1-6)가 닫힌다. 전류 및 위상 밸런싱 오퍼레이션에서, 한번에 하나의 증폭기만 파워 서플라이에 연결될 수 있다. 도 2에서, 스위치(S5 및 6)가 닫혀 있고 증폭기 스테이지(18C)가 파워 서플라이에 연결되어 있는 것으로 도시되어 있고, 증폭기 스테이지(18A 및 18B)는 스위치(S1과 S2, 및 S3과 S4)를 개방함으로써 파워 서플라이로부터 연결해제된다. 각각의 증폭 스테이지가 푸시풀 구성으로 2개의 증폭기 모듈을 포함하므로, 하나의 증폭 스테이지와 관련된 두 스위치가 모두 그 증폭 스테이지를 작동시키기 위해 닫혀져야 한다.
도 1의 회로에서, 여기서는 분기 커패시터(shunt capacitor) 형태인 선택적으로 가변가능한 임피던스 회로(B1-6)는 파워 결합기로의 입력을 밸런싱하기 위해 각각 트랜지스터 증폭기 모듈(A1-6)로의 입력을 조절하기 위해 제공된다. 앞서 언급한 필립스 NXP BLF278(MOSFET) 증폭기 모듈에 대하여, 분기 커패시터는 대략 3 내지 15 피코패럿(pF)의 값을 가지는 것이 바람직하다. NXP BLF278 MOSFET는 100MHz인 정격 최대 400W의 연속 출력 파워이다. 이러한 트랜지스터 모듈은 파워 서플라이(30)로부터 48볼트 DC를 필요로 한다. 모든 증폭기 모듈(A1-6)에 대하여, 이러한 MOSFET를 사용하면, 파워 결합기(20)의 출력은 최대 2400W일 수 있는데, 이는 240W 출력을 가진 레이저를 구동시키기에 충분한 RF 파워이다.
증폭기 스테이지(18A-C)로의 연결은 설명의 명료함을 위해 기계 작동식 스위치(S1-S6)에 의해 연결되고 끊어질 수 있는 것으로 도시되고 설명되었다. 그러나, 실제로는 스위칭 오퍼레이션을 위해 제거가능한 링크 또는 퓨즈(fuse)로 교체하는 것이 더 편리하고 저비용일 수 있음을 이해해야 하며, 여기서 퓨즈(링크)는 연결을 개방하기 위해 제거되고, 연결을 닫기 위해 교체된다. 본 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용된 용어 "스위치"는 제거가능한 링크 또는 퓨즈와 같은 것을 포함하도록 의도되었다. 앞서 예를 든 파워 레벨에 대하여, 이러한 제거가능한 링크는 전형적으로 모두 뉴욕 아스토리아 키스톤 일렉트로닉 코포레이션으로부터 사용가능한, 저비용이고 낮은 높이 프로파일의 LITTELFUSE와 같은 미니-퓨즈, 및 모델 3557-2와 같은 로우 프로파일(low-profile) 퓨즈 소켓을 가진 부품번호 0891일 수 있다.
도 2의 회로 내의 전류 및 밸런싱 오퍼레이션의 하나의 예에서, (증폭기 스테이지(18A-C)에 대한 명목적 컴포넌트 사양(specification)을 기초로)가변 임피던스 회로(B1-6)에 대한 명목값을 정하기 위해, 캘리포니아 산호세의 카덴스 디자인 시스템스 인코퍼레이티드로부터 사용가능한 피스파이스(PSPICE)와 같은, 상업적으로 이용가능한 회로 분석 소프트웨어를 사용하여 회로의 컴퓨터 시뮬레이션이 수행된다. 그 다음, 오직 증폭기 스테이지(18A)만 DC 파워 서플라이(30)에 연결되도록 스위치(S3-6)가 개방되고, S1 및 S2는 닫혀진다. 반복적 또는 시행착오(trial and error)의 방법으로, (전류 센서(CS1 및 CS2)에 의해 측정된) 동일한 전류가 트랜지스터 증폭기 모듈(A1 및 A2)에 의해 인출될 때까지 회로(B1 및 B2)의 임피던스(리액턴스)가 변경된다. (A1) 및 (A2)로부터의 출력 RF 신호의 위상 또한 관측된다. 출력들이 동위상이(in phase) 아니라면, 위상은 소프트웨어 시뮬레이션에 의해 계산된 명목값 부근에서 회로(B1 및 B2)의 리액턴스 값을 재조정함으로써 균등화된다(equalized). 이는 통상적으로 앞서 정해진 전류 밸런스를 교란시킬 것이다. 회로(B1 및 B2)의 리액턴스의 미세 조절은 전류 및 위상의 최적의 밸런스가 달성될 때까지 계속 반복된다.
그 다음, 스위치(S1 및 S2)는 파워 서플라이로부터 증폭기 스테이지(18A)를 연결해제하기 위해 개방되고, 스위치(S3 및 S4)는 (전류 센서를 통해) DC 파워 서플라이에 증폭기 스테이지(18B)를 연결하기 위해 닫혀진다. 그 다음, 회로(B3 및 B4)의 리액턴스는 증폭기 모듈(A3 및 A4)에 의해 인출되는 전류 및 증폭기 스테이지(18A)에 대하여 수행된 증폭기 모듈 출력의 위상을 밸런싱하기 위해 조절된다. 증폭기(18A 및 18B)의 전류가 비교된다. 이 전류는 증폭기 스테이지(18B)에 의해 출력 파워 결합기로 공급되는 RF 파워가 증폭기 스테이지(18A)에 의한 것과 매칭하도록 동일해야 한다. 이 전류가 동일하지 않다면, 회로(B1 및 B2와, B3 및 B4)(파워 서플라이에 한번에 하나의 증폭 스테이지만 연결된다)의 리액턴스의 반복적인 조절은 파워 결합기(20)로의 입력의 진폭 및 위상 및 4개의 증폭기 전류에 대하여 수용가능한 위상 및 전류 밸런스가 구축될 때까지 행해진다.
이러한 수용가능한 밸런스가 달성되고나면, 스위치(S1, S2, S3, 및 S4)는 DC 파워 서플라이로부터 증폭기 스테이지(18A 및 18B)를 연결해제하기 위해 개방되고, 스위치(S5 및 S6)가 DC 파워 서플라이에 증폭기 스테이지(18C)를 연결하기 위해 닫혀진다. 증폭 스테이지에 의해 인출되는 전류에 대하여, 그리고 파워 결합기(20)로의 입력의 외상에 대하여 수용가능한 밸런스가 구축될 때까지, 필요하다면, 회로(B1, B2, B3, 및 B4)에 대한 재조정과 함께, 상술된 반복적인 프로세스가 수행된다.
각각의 증폭기 스테이지(18A-C)가 개별적으로 조절되어 수용가능한 밸런스가 달성되고 나면, 모든 스위치(S1-6)는 모든 3개의 증폭 스테이지를 DC 파워 서플라이에 연결하기 위해 닫혀진다. 증폭기 스테이지(18A-C)로부터의 RF 파워 출력 및 위상은 RF 파워 결합기로의 입력부에서 측정된다. 그 파워 및 위상이 명시된 허용오차 이내에서 동등하다면, 전류 및 위상 밸런싱은 완료된다. 전류 또는 위상 밸런싱 중 하나가 명시된 허용오차를 벗어나면, 밸런싱은 상술한 바와 같이 더 조절될 수 있다. 추가적인 미세 조정은 하나 이상의 임피던스 매칭 회로(Z1-3) 내의 컴포넌트 값을 조절함으로써 달성될 수 있다. 앞서 제공된 설명을 보면 이러한 과정이 힘든 태스크인 것 같지만, 증폭 스테이지간의 혼선이 반복적인 밸런싱 프로시저를 복잡하게 만드는, 도 1의 종래기술의 장치에서의 전류 및 위상 밸런싱 프로세스보다는 유의미하게 덜 시간소모적임을 알게 되었다.
가변 임피던스(가변 리액턴스) 회로(B1-6)가 각각 분기 연결된(병렬 연결된) 선택 가변 커패시터로 도시되어 있으나, 다른 형태의 선택 가변 리액턴스 회로가 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 이는 용량성 또는 유도성 엘리먼트를 포함하는 더 복잡한 회로의 직렬 연결된 선택 가변 커패시터를 포함한다.
도 3은 3개의 증폭기 스테이지(19A, 19B, 및 19C)의 RF 출력이 결합되는, 본 발명에 따른 회로의 다른 바람직한 실시예(50)를 개략적으로 도시한다. 회로(50)는 도 2의 회로(40)와 유사하지만, 회로(50)에서는 각각의 증폭 스테이지가 오직 하나의 트랜지스터 증폭기 모듈을 포함하고, 이들 모듈은 각각 모듈(A1, A2, 및 A3)로 지정되어 있다. 각각 오직 3개의 선택 가변 임피던스 회로(B1, B2, 및 B3)만 존재하고, 전류 및 위상 밸런싱 오퍼레이션 동안 각각의 증폭 스테이지에 각각 스위치(S1, S2, 및 S3)를 통해 개별적으로 연결가능하도록 배열된 오직 하나의 전류 센서(CS1)만 존재한다.
도 3의 회로에서의 전류 및 밸런싱 오퍼레이션의 하나의 예에서, 도 2의 회로의 동작을 참조하여 앞서 서술한 바와 같이, 가변 임피던스 회로(B1-3)에 대한 명목값을 정하기 위해 회로의 컴퓨터 시뮬레이션이 수행된다. 스위치(S1)가 닫혀지고, 스위치(S2 및 S3)는 개방된다. 트랜지스터 증폭기 모듈(A1)에 의해 DC 파워 서플라이로부터 인출되는 전류는 전류 센서(CS1)에 의해 측정된다. 분기 리액턴스(B1)는 바람직한 출력 파워 범위 내에서 증폭기(A1)를 동작하도록 조절되는데, 이는 그 증폭기에 의해 인출되는 DC 전류에 정비례한다.
그 다음, 트랜지스터 증폭기(A1)의 출력에서의 위상이 측정되고 구동 증폭기(14)의 출력과 신호 스플리터(16)로의 입력 사이에 위치하는 테스트 포인트(T)에서의 입력 신호의 위상과 비교된다. 예컨대, 이러한 위상 비교는, 예컨대, 출력 파워 결합기(20)의 앞쪽에 위치하는 테스트 포인트(T1) 및 테스트 포인트(T)에 듀얼 트레이스 오실로스코프의 하나의 리드(lead)를 접속시킴으로써 이루어질 수 있다. 증폭기에 의해 부여되는 위상 시프트는, 존재한다면, 오실로스코프 스크린상에 디스플레이되는 2개의 파형의 변위에 의해 알 수 있다. 포인트(T2 및 T3)는 각각 증폭기(A2 및 A3)와의 유사한 위상 비교를 위해 제공된다.
상기 프로시저는 (개별적으로) 다른 2개의 증폭기에 대하여 반복되는데, 각각의 증폭기(A1, A2, 및 A3)에 의해 인출되는 전류가 같고 테스트 포인트(T)와 테스트 포인트(T1, T2, 및 T3) 사이의 측정에 의해 지시되는 위상 시프트가 같도록 선택 가변 커패시터(B2 및 B3)를 조절한다. 이는 전류 및 위상 밸런싱 프로시저를 완료한다.
도 3의 일반적인 배열은 3개 이상의 증폭기 모듈을 포함하도록 확장될 수 있다. 그러나, 방전으로 바람직한 파워를 제공하기 위해 3개 이상의 증폭 스테이지가 필요한 때, 짝수개의 증폭 스테이지가 바람직하고 도 4에 도시된 바와 같이 배열된다. 여기서, 회로(60)는 각각 트랜지스터 증폭기 모듈(Al, A2, A3, 및 A4)을 포함하는 4개의 증폭 스테이지(19A, 19B, 19C, 및 19D)를 가진다. DC 파워 서플라이(30)는 전류 센서(CS1)를 통해 트랜지스터 증폭기 모듈(A1 및 A3)에 전력을 공급한다. 파워 서플라이는 전류 센서(CS2)를 통해 트랜지스터 모듈(A2 및 A4)에 전력을 공급한다.
이러한 배열은 트랜지스터 증폭기 모듈이 푸시풀 구성으로 배열되지 않았다는 점을 제외하면 도 2의 배열과 유사하다. 바람직한 전류 및 위상 밸런싱 프로시저는 도 2를 참조하여 앞서 서술한 것과 본질적으로 동일하다. 증폭 스테이지(19A 및 19B)가 스위치(S1 및 S2)가 닫혀지고 스위치(S3 및 S4)가 개방된 채 먼저 밸런싱 될 수 있다. 그 다음, 증폭 스테이지(19C 및 19D)는 스위치(S1 및 S2)가 개방되고 스위치(S3 및 S4)가 닫혀진 채로 밸런싱될 수 있다.
본 발명은 예시적인 개수의 증폭기를 포함하는 실시예 및 바람직한 회로 컴포넌트를 참조하여 앞서 서술되었다. 당업자들은 더 많은 개수의 증폭기가 결합될 수도 있고, 또는 상이한 컴포넌트가 사용될 수 있으며, 그것이 첨부된 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않음을 이해할 것이다.
Claims (20)
- 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 무선주파수(RF) 파워 서플라이 장치로서,
각각 RF 출력을 가진 제1의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈;
상기 트랜지스터 증폭기 모듈의 상기 RF 출력을 상기 방전 전극에 연결된 하나의 결합된 RF 출력으로 결합하기 위한 파워 결합 배열;
상기 제1의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 각각에 DC 전압을 제공하고, 대응하는 제1의 복수의 전기 스위치를 통해, 개별적으로, 상기 제1의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 각각에 연결 및 연결해제가능한 DC 파워 서플라이; 및
상기 제1의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 중 어느 하나의 트랜지스터 증폭기 모듈이 상기 DC 파워 서플라이에 연결된 때 상기 어느 하나의 트랜지스터 증폭기 모듈에 의해 인출되는 전류를 모니터하기 위해 상기 DC 파워 서플라이와 상기 제1의 복수의 전기 스위치 사이의 전기 통로에 설치된 제1 전류 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치. - 제 1 항에 있어서, 각각 RF 출력을 가지는 제2의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈을 더 포함하고, 상기 제2의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈의 상기 RF 출력은 상기 파워 결합 배열에 의해 하나의 결합된 RF 출력으로 결합되고, 상기 제2의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 각각은 대응하는 제2의 복수의 전기 스위치에 의해 상기 DC 파워 서플라이에 연결 또는 연결해제가능하고, 상기 제2의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 중 어느 하나의 트랜지스터 증폭기 모듈이 상기 DC 파워 서플라이에 연결된 때 상기 어느 하나의 트랜지스터 증폭기 모듈에 의해 인출되는 전류를 모니터하기 위해 상기 DC 파워 서플라이와 상기 제2의 복수의 전기 스위치 사이의 전기 통로에 설치된 제2 전류 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제1 및 제2의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 각각에는 동일한 개수 N개의 트랜지스터 증폭기 모듈이 존재하는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 제 3 항에 있어서, 푸시풀(push-pull) 구성으로 배열된 상기 제1의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 중 하나와 상기 제2의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 중 하나만 각각 포함하는 N개의 RF 증폭기 스테이지가 존재하는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 파워 결합 배열은 상기 트랜지스터 증폭기 모듈의 상기 RF 출력을 N개의 RF 증폭기 스테이지 출력으로 결합하기 위해 상기 N개의 RF 증폭기 스테이지 각각에 하나씩 N개의 임피던스 매칭 네트워크, 및 상기 N개의 RF 증폭기 스테이지의 출력을 상기 방전 전극에 연결된 상기 하나의 결합된 RF 출력으로 결합하는 단일 RF 파워 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제1 및 제2의 복수의 트랜지스터 증폭기 모듈 중 하나씩만 각각 포함하는 2N개의 RF 증폭기 스테이지가 존재하는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 제 6 항에 있어서, 상기 파워 결합 배열은 상기 트랜지스터 증폭기 모듈의 RF 출력을 상기 방전 전극에 연결된 상기 하나의 결합된 RF 출력으로 결합하는 단일 RF 파워 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 제 3 항에 있어서, 증폭될 RF 신호는 신호 분할기에 의해 2N개의 신호 부분으로 나누어지고, 상기 2N개의 신호 부분은 상기 2N개의 트랜지스터 증폭기 모듈 중 대응하는 하나의 트랜지스터 증폭기 모듈에 2N개의 입력 연결 중 대응하는 하나 입력 연결에 의해 연결되고, 2N개의 선택 가변 리액턴스 회로가 존재하고, 상기 2N개의 선택 가변 리액턴스 회로 중 하나는 상기 대응하는 트랜지스터 증폭기 모듈에 연결된 상기 대응하는 신호 부분의 진폭 및 위상을 조절하기 위해 상기 2N개의 입력 연결 중 대응하는 입력 연결에 연결된 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 제 8 항에 있어서, 상기 2N개의 선택 가변 리액턴스 회로 각각은 병렬 연결된 선택 가변 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 결합된 RF 출력은 임피던스 매칭 네트워크를 통해 상기 방전 전극에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 무선주파수(RF) 파워 서플라이 장치로서,
RF 증폭기 스테이지 출력을 제공하는, 푸시풀 배열의 제1 및 제2 트랜지스터 증폭기 모듈을 각각 포함하는 제1의 복수의 N개의 RF 증폭기 스테이지;
상기 RF 증폭기 스테이지 출력을 상기 방전 전극에 연결된 하나의 결합된 RF 출력으로 결합하기 위한 파워 결합 배열; 및
각각의 상기 RF 증폭기 스테이지 내의 상기 제1 및 제2 트랜지스터 증폭기 모듈 각각에 DC 전압을 공급하기 위한 제1 및 제2 전기 통로를 가진 DC 파워 서플라이를 포함하고,
각각의 상기 RF 증폭기 스테이지 내의 상기 제1 트랜지스터 증폭기 모듈은 대응하는 제1의 복수의 전기 스위치를 통해 상기 DC 파워 서플라이로부터의 상기 제1 전기 통로에 각각 연결 또는 그로부터 연결해제 가능하고,
각각의 상기 RF 증폭기 스테이지 내의 상기 제2 트랜지스터 증폭기 모듈은 대응하는 제2의 복수의 전기 스위치를 통해 상기 DC 파워 서플라이로부터의 상기 제2 전기 통로에 각각 연결 또는 그로부터 연결해제 가능하고,
상기 트랜지스터 증폭기 모듈 중 어느 하나의 트랜지스터 증폭기 모듈이 상기 DC 파워 서플라이로의 대응하는 전기 통로에 연결되어 있을 때 상기 어느 하나의 트랜지스터 증폭기 모듈에 의해 인출되는 전류를 모니터하기 위해 상기 DC 파워 서플라이로부터의 상기 제1 및 제2 전기 통로 내에 개별적으로 설치된 제1 및 제2 전류 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치. - 제 11 항에 있어서, 증폭될 RF 신호는 제1 신호 분할기에 의해 N개의 1차 RF 신호 부분으로 나누어지고, 상기 N개의 1차 RF 신호 부분 각각은 상기 N개의 RF 증폭기 스테이지 중 대응하는 RF 증폭기 스테이지에 의해 수신되는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 제 12 항에 있어서, 상기 RF 증폭기 스테이지 각각은 제2 신호 분할기를 포함하고, 상기 제2 신호 분할기는 상기 제1 신호 분할기로부터의 상기 1차 RF 신호 부분을 각각 상기 제1 및 제2 트랜지스터 증폭기 모듈에 연결된 제1 및 제2의 2차 RF 신호 부분으로 나누도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 제 13 항에 있어서, 대응하는 트랜지스터 증폭기 모듈에 연결된 대응하는 2차 신호 부분의 진폭 및 위상을 조절하기 위해 상기 제1 및 제2 트랜지스터 증폭기 모듈 각각과 상기 제2 신호 분할기 사이의 연결부에 연결된 제1 및 제2의 선택 가변 리액턴스 회로가 존재하는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 제 14 항에 있어서, 상기 선택 가변 리액턴스 회로 각각은 병렬연결된 선택 가변 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 제 11 항에 있어서, 상기 결합된 RF 출력은 임피던스 매칭 네트워크를 통해 상기 방전 전극에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위한 RF 파워 서플라이 장치.
- 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위해 사용되는 RF 파워 서플라이를 구성하는 방법으로서,
상기 파워 서플라이는 RF 신호 발생기를 포함하고, 상기 RF 신호 발생기의 출력은 적어도 3개의 병렬연결된 증폭기 모듈로 공급되고, 상기 증폭기 모듈의 출력은 결합된 후 상기 방전 전극으로 공급되며, 상기 증폭기 모듈은 DC 파워 서플라이에 의해 전력 공급받고,
상기 방법은:
(a) 최대 2개의 증폭기 모듈만 상기 DC 파워 서플라이에 연결되도록 상기 DC 파워 서플라이로부터 하나 이상의 증폭기 모듈을 연결해제하는 단계;
(b) 상기 DC 파워 서플라이에 연결 유지된 상기 증폭기 모듈의 출력의 전류 및 위상이 사전결정된 한계값 내에 있도록 상기 증폭기 모듈의 출력을 조절하는 단계; 및
(c) 모든 증폭기 모듈로부터의 출력의 전류 및 위상이 사전결정된 한계값 내에 있을 때까지 상기 DC 파워 서플라이에 매번 상이한 증폭기 모듈 또는 증폭기 모듈 쌍을 연결하여, 단계 (a) 및 (b)를 1회 이상 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위해 사용되는 RF 파워 서플라이를 구성하는 방법. - 제 17 항에 있어서, 상기 RF 파워 서플라이는 상기 증폭기 모듈 각각에 연결된 가변 임피던스 유닛을 포함하고, 상기 증폭기 모듈의 출력을 조절하는 단계는 상기 연결된 가변 임피던스 유닛의 임피던스를 조절함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위해 사용되는 RF 파워 서플라이를 구성하는 방법.
- 제 17 항에 있어서, 상기 단계 (b) 동안 상기 DC 파워 서플라이에 2개의 증폭기 모듈이 연결되고, 상기 증폭기 모듈을 조절하는 단계 동안, 상기 위상은 상기 2개의 연결된 증폭기 모듈의 출력의 위상을 비교함으로써 측정되는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위해 사용되는 RF 파워 서플라이를 구성하는 방법.
- 제 17 항에 있어서, 상기 단계 (b) 동안 상기 DC 파워 서플라이에 오직 하나의 증폭기 모듈만 연결되고, 상기 증폭기 모듈을 조절하는 단계 동안, 상기 위상은 상기 연결된 증폭기 모듈의 출력의 위상과 상기 신호 발생기의 출력의 위상을 비교함으로써 측정되는 것을 특징으로 하는 가스방전 레이저의 방전 전극에 RF 파워를 공급하기 위해 사용되는 RF 파워 서플라이를 구성하는 방법.
Applications Claiming Priority (3)
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| US13/216,091 | 2011-08-23 | ||
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Publications (2)
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