KR20140026427A - 비선형 부하에 대한 전기 발생기의 감도를 변경하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

전기 발생기와 부하 간의 상호작용을 변경하기 위한 방법 및 발생기가 기술된다. 상기 방법은, 전력 증폭기를 사용하여 부하에 출력 파워를 인가하고, 파워 콘트롤 설정에 응답하여 출력 파워의 레벨을 제어하고, 부하의 임피던스의 변동에 대해 전력 증폭기의 감도의 레벨을 감소시키도록 전력 증폭기의 도통 각을 조정하는 것을 포함한다. 상기 발생기는, 전력 증폭기의 감도가 조정될 수 있도록 전력 증폭기의 도통 각을 제어하는, 전력 증폭기에 결합된 보상 서브시스템을 포함한다.

Description

비선형 부하에 대한 전기 발생기의 감도를 변경하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MODIFYING THE SENSITIVITY OF AN ELECTRICAL GENERATOR TO A NONLINEAR LOAD}

본 발명은 일반적으로 전기 발생기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 이에 한정되지 않지만, 전기 발생기와 비선형 부하 사이의 상호작용을 변경하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

어떤 응용 분야에서, 부하에 대한 최대 출력 전달로 귀결되는 소스 임피던스와 매우 다른 소스 임피던스를 갖는 전기 발생기를 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, 무선 주파수(RF) 발생기의 개념에 있어서, 소스 임피던스는 종종 부하 임피던스의 복소 공액과 매우 다르다. 스미스 차트(Smith chart)(반사 계수 차트, 필립 에이치. 스미스, 1939)의 관점에서, 이와 같은 전기 발생기들의 소스 임피던스는 부하 임피던스(예컨대, 표준 RF 응용분야에 대해 50 Ω)에 대해 정규화되는 차트의 에지를 향한다. 어떤 무선 주파수(RF) 발생기들은 이와 같은 소스 임피던스로 설계되어 발생기가 저항성 소스 임피던스(예컨대, 50 Ω)를 갖는 것보다 저렴하고 부피가 크게 된다.

그러나, 이와 같은 설계의 한 단점은, 발생기가, 부하 임피던스에 일치되는 저항성 소스 임피던스를 갖는 발생기보다는, 부하 임피던스가 그 범위 내에서 발생기가 동작하도록 설계되는 명목 부하 임피던스(예컨대, 50 Ω)에 근접할 때의 부하 임피던스의 변화에 더욱 민감하다는 점이다. 플라즈마와 같은 비선형 부하로 동작될 때 이와 같은 시스템에서의 특정적인 문제는 발생기의 파워 출력이 부하 임피던스를 변경시킬 수 있고, 또한 부하 임피던스의 변화가 발생기 파워 출력을 변화시킬 수 있다는 것이다. 어떤 상황에서, 발생기와 비선형 부하는 출력 파워의 불안정을 야기하는 상태로 상호작용할 수 있다.

따라서, 전기 발생기와 비선형 부하 간의 상호작용을 변경하기 위한 개선된 방법 및 장치에 대한 기술이 필요한 것이 명백하다.

도시된 본 발명의 예시적 실시예는 하기와 같이 요약된다. 이들 및 다른 실시예는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 더욱 상세히 기재되어 있다. 그러나, 이들 발명의 상세한 설명이나 실시예에 기술된 형태로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 당업자들은 특허청구범위에 표현된 발명의 정신 및 관점 내에 들어가는 수많은 개조, 등가물 및 다른 구성이 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.

몇몇 실시예에서, 본 발명은, 파워 콘트롤 신호 및 기준 신호에 응답하여 출력 파워를 부하에 인가하도록 구성된 전력 증폭기를 포함하는 발생기로서 특정되고, 이 실시예에서의 파워 콘트롤 시스템은, 파워 설정 포인트 및 출력 파워에 기초하여 파워 콘트롤 시스템을 조정하는 전력 증폭기에 결합되고, 보상 서브시스템이, 전력 증폭기의 감도가 조정될 수 있도록 전력 증폭기의 도통 각(conduction angle)을 제어하는 전력 증폭기에 결합된다.

본 발명의 몇몇 관점에 따르면, 본 발명은 부하의 임피던스에 있어서의 변화에 대해 발생기의 감도를 감소시키기 위한 방법으로서 특정될 수 있다.

이들 및 다른 실시예들은 후에 상세히 기술된다

본 발명의 각종 목적과 이점 및 더욱 완전한 이해를 위해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1A는 발생기의 안정성의 분석을 용이하게 하도록 비선형 부하와 접속된 발생기의 블록도이다.
도1B는 P가 불안정한 상황에서 발생기 제어 신호(C)의 함수로서 도1A에 나타낸 발생기의 출력 파워 P의 그래프이다.
도1C는 도1B와 동일한 상황에서 시간의 함수로서 도1A에 나타낸 발생기의 출력 파워 P의 그래프이다.
도2A는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 비선형 부하와 접속된 보상 발생기의 블록도이다.
도2B는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 발생기에 대한 보상 서브시스템의 블록도이다.
도3은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 발생기와 비선형 부하 사이의 상호작용을 변경하기 위한 방법의 흐름도이다.
도4는 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 비선형 부하와 접속된 발생기의 블록도이다.
도5A는 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 특정 출력 파워 P ₀에 대한 일련의 부하 임피던스의 각각에 대해, 필요한 발생기 제어 신호 C를 나타내는 간이화된 스미스 차트의 예시도이다.
도5B는 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 도5A에 도시된 것과 동일한 출력 파워 P ₀에 대한 일련의 부하 임피던스의 각각에 대한 보상 신호 K를 나타내는 간이화된 스미스 차트의 예시도이다.
도6은 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 발생기와 비선형 부하 사이의 상호작용을 변경하기 위한 방법의 흐름도이다.
도7은 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따라 비선형 부하와 접속된 발생기의 블록도이다.
도8은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 일차 및 이차 제어 입력들의 모두를 포함하는 전력 증폭기의 회로도이다.
도9는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른, 발생기와 비선형 부하 사이의 상호작용을 변경하기 위한 방법의 흐름도이다.
도10은 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른, 비선형 부하와 접속된 발생기의 블록도이다.
도11은 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른, 예시적 보상 서브시스템을 도시한 블록도이다.
도12는 예시적 전력 증폭기를 도시한 블록도이다.
도13은 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른, 비선형 부하와 접속된 다른 예시적 발생기의 블록도이다.
도14는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른, 다른 예시적 보상 서브시스템을 도시한 블록도이다.
도15는 예시적 불안정 검출기의 실시예를 도시한 블록도이다.
도16은 도15에 도시된 검출 부재의 예시적 실시예를 도시한 블록도이다.
도17A 및 도17B는 도15에 도시된 검출 부재의 다른 예시적 실시예를 도시한 다.
도18은 본 발명의 실시예들과 관련하여 트래버스될 수 있는 예시적 방법 도시한 흐름도이다.
도19A 및 도19B는 각각, 전형적인 발생기와 본 발명에 따라 구현되는 발생기 의 동작 특성들을 도시한 스미스 차트들이다.
도20A 및 도20B는 각각, 전형적인 발생기와 본 발명에 따라 구현되는 발생기 의 동작 특성들을 도시한 부가적 그래프들이다.
도21A 및 도21B는 각각, 전형적인 발생기와 본 발명에 따라 구현되는 발생기 의 안전성 특성들을 도시한 다른 부가적 그래프들이다.
도22A 및 도22B는, 플라즈마 챔버에 부착된 임피던스 매칭 네트워크와 발생기 사이에 설치된 케이블 길이의 함수로서의 플라즈마 시스템의 안정성을 나타내며 도22A는 전형적인 발생기의 경우에 불안정한 영역의 존재를 나타내고 도22B는 본 발명에 따라 구현되는 발생기에 대한 모든 케이블 길이에 대한 안정한 동작을 나타낸다.

본 발명의 각종 실시예들의 이해는 전기 발생기의 출력 파워의 불안정이 발생기와 그와 결합된 비선형 부하의 임피던스 사이의 상호작용의 결과로서 어떻게 야기될 수 있는지의 분석에 의해 도움을 받는다. 도1A는 이와 같은 분석을 용이하게 하기 위해 비선형 부하(105)와 접속된 발생기(100)의 블록도이다. 발생기(100)는 전력 증폭기(110)를 포함하며, 이는 비선형 부하(105)에 출력 파워 P ₀를 전달한다. 또한, 비선형 부하(105)는 전력 증폭기(110)에 임피던스(Z)를 제공하며, 상기 임피던스 Z는 각각 저항 R(120)과 리액턴스 X(125)인 실수 및 허수 성분이다. 즉, Z = R + jX이다.

전력 증폭기(110)는 제어 신호 C(135)를 수신하는 제어 입력(130)을 포함한다. 제어 신호(135)는 전력 증폭기(110)에 의해 생성되는 출력 파워(115)를 제어하기 위해 사용된다. 제어 신호(135)는 메인 파워 콘트롤 루프(도1A에 도시되지 않음)에 의해 발생된다.

비선형 부하(105)의 임피던스 변화에 응답하여 발생기 출력 파워(115)의 변화들이 동시에 야기되고, 이와 유사하게, 비선형 부하(105) 내의 출력 파워(115)가 변화될 때 비선형 부하(105)의 임피던스 변화들이 동시에 야기되는 것으로 가정하면, 도1A에 나타낸 시스템은 다음의 3개의 식으로 모형화될 수 있다:

이들 함수들이 미분 가능하고 단지 1차 도함수만 갖는 테일러 급수 전개를 사용하면, 이들은 다음 식 1을 얻도록 동작점 부근에 선형화될 수 있다:

(식 1)

상기 식에서,

는 벡터

및

의 내적(inner product)이다. 이들 벡터들 중 첫번째는 발생기(100)의 감도를 비선형 부하(105)의 임피던스의 감도로 모형화하고, 두번째 벡터는 비선형 부하(105)의 감도를 발생기 파워(115)의 변화로 모형화한다.

상기 내적이 1보다 적은 한, 발생기(100)의 메인 파워 콘트롤 루프의 게인의 하강이, 제어 신호(135)에 대한 출력 파워(115)의 게인의 증가에 대해 보상할 수 있다. 그러나, 상기 내적이 1보다 클 때, 제어 신호(135)로부터 출력 파워(115)로의 전달 함수의 사인이 반전되고, 발생기의 메인 파워 콘트롤 루프의 변경은 안정성을 회복할 수 없다. 불안정한 상태에서, 발생기(100)는 소망대로 일정한 출력 파워를 생성하지 않는다.

발생기(100)와 비선형 부하(105) 사이의 상호작용으로 인해 야기될 수 있는 불안정을 도1B에 도시했다. 도1B는, P가 불안정한 상황에서 제어 신호 C(135)의 함수로서의 발생기(100)의 출력 파워 P(115)의 그래프(140)이다. 그래프(140)는 1 대 1이 아니다(즉, 이는 함수가 아닌 관계이다). 즉, C의 어떤 값들에 대한 P의 다수의 값들이 존재한다. C ₁(145)의 제어 신호(135)에 따라, P는 초기에는 점 150에 있지만, 후에 P는 점 155로 저하한다. 초기에 제어 신호(135)를 C ₂(160)로 변경함으로써 출력 파워(115)의 저하를 보상하면 점 165에서 P를 생성하지만, P는 후에 점 170까지 상승한다. 점 150으로부터 점 155로 또는 점 165로부터 점 170으로의 천이는 어떤 응용분야에서는 2-3 μs만큼 적게 야기될 수 있다.

시간의 함수로서의 발생기(100)의 결과적인 출력 파워(115)는 도 1C에서 그래프 175와 같이 표시된다.

도2A를 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 비선형 부하(205)에 접속된 발생기(200)의 블록도이다. 발생기(200)는 일종의 "엔진"을 포함한다. "엔진"의 예로는, 이에 한정되지 않지만, 전력 증폭기 및 컨버터를 포함한다. 도2A에 도시된 특정 실시예에서, 발생기(200)는 전력 증폭기(210)를 포함하며, 이는 출력 파워 P (215)를 비선형 부하(205)에 방출한다. 1 실시예에서, 발생기(200)는 높은 리액티브 소스 임피던스를 갖는 무선 주파수(RF) 발생기이고, 비선형 부하(205)는, 매칭 네트워크 및 케이블과 같은 다른 부재 중에서도, 플라즈마를 포함한다. 이와 같은 시스템은 예컨대, 증착 및 에칭 분야에 사용될 수 있다. 비선형 부하(205)는 전력 증폭기(210)에, 실수 및 허수 성분 저항 R(220) 및 리액턴스 X(225)를 각각 갖는 복소 임피던스 Z, (Z = R + jX)를 제공한다.

전력 증폭기(210)는, 제어 신호 C가 공급되는 제어 입력(230)을 포함한다. 예컨대, 1 실시예에서, 주 제어 신호(235)는 전압이다. 일반적으로, 주 제어 신호(235)는, 발생기(200)에 의해 비선형 부하(205)로 방출되는 출력 파워, 출력 전압, 출력 전류, 또는 이들의 조합을 제어하도록 사용된다. 주 제어 신호(235)는 메인 파워 콘트롤 루프(도2A에 도시되지 않음)에 의해 발생된다. 예컨대, 메인 파워 콘트롤 루프의 하나의 전형적인 구현에 있어서, 부하 및 파워 설정 포인트(소망 출력 파워 215)에서 측정되는 피드백 파워가 차동 증폭기의 입력에 공급되고, 그의 출력(에러 신호)이 주 제어 신호(235)이다.

보상 서브시스템(240)은 비선형 부하(205)의 임피던스를 측정하고 측정된 부하 임피던스에 대응하는(의존하는) 보상 신호 K(245)를 발생한다. 전력 증폭기(210)에 공급되는 보상 신호(245)는, 주 제어 신호(235)에 대해 발생기(200)의 출력 파워(215)의 전달 함수가 실질적으로 비선형 부하(205)의 임피던스의 변동에 대해 민감하지 않게 한다. 그 결과 주 제어 신호(235)의 함수로서 출력 파워(215)를 선형화함으로써 시스템을 안정화하도록 한다. 소정의 측정된 부하 임피던스에 대한 보상 신호(245)는 특정 실시예에 따라 가변한다.

도2B는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 보상 서브시스템(240)의 블록도이다. 보상 서브시스템(240)은 측정된 부하 임피던스(255)를 출력하는 임피던스 측정 회로(250) 및 보상 신호(245)를 발생하는 보상 신호 발생 회로(260)를 포함한다.

보상 신호(245)는 다음과 같이 적절한 교정을 통해 미리 결정될 수 있다: 첫째, 발생기(200)는 (예컨대, 튜닝 회로와 같은) 조정가능한 임피던스를 갖는 테스트 부하에 접속된다. 부하는 초기에 발생기(200)가 동작하도록 설계되는 명목 기준 임피던스(예컨대, 50Ω)로 설정된다. 둘째, 소망의 파워 설정 포인트 P ₀가 발생기(200)에 입력되고, 발생기(200)는 출력 파워 P ₀로 설정되도록 허용된다. 셋째, 주 제어 신호(235)는, 기준 임피던스로 출력 파워 P ₀를 발생하는 전류 값으로 동결(고정)된다. 넷째, 부하 임피던스가 가변되고, 상기 부하 임피던스를 갖는 P ₀의 출력 파워(215)를 유지하도록 요구되는 보상 신호(245)가 기록된다. 다음, 소망대로 부하 임피던스의 많은 값들에 대해 상기 제4 스텝이 반복된다. 상기 전체 교정 절차는 원하는 대로 많은 상이한 출력 파워에 대해 반복된다.

예시적 실시예에서, 보상 서브시스템(240)은 "반사 계수 도메인"으로서 당업자에 의해 지칭될 수 있는 고속 디지털 알고리즘을 사용하여 실시된다. 예컨대, 1 실시예에서, 보상 서브시스템(240)은 필드-프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에 있어서의 발생기(200)의 다른 기능들과 함께 실시된다. 다른 실시예에서, 보상 서브시스템(240)은 펌웨어 또는 소프트웨어를 실행하는 프로세서를 사용하여 실시된다. 일반적으로, 보상 서브시스템(240)의 기능은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 실시될 수 있다.

이 예시적 실시예에서, 임피던스 측정 회로(250)는 마이크로초마다 대략 한번 비선형 부하(205)의 임피던스를 측정할 수 있고, 대략 500 kHz 미만의 불안정과 관련된 주파수들의 교정을 위해 제공한다. 이 샘플링 속도는 다른 실시예에서는 더 낮거나 더 높다.

1 실시예에서, 보상 신호 발생 회로(260)는 복수의 출력 파워 레벨(15)의 각각에 대한 룩업 테이블을 포함한다. 소정 출력 파워)215)에 대한 각각의 룩업 테이블은, 측정된 부하 임피던스의 일련의 이산 값들의 각각을 보상 신호(245)의 대응 이산 값으로 매핑한다. 이와 같은 실시예에서, 보상 신호 발생 회로(260)는 아날로그 보상 신호(245)를 발생하기 위한 디지털/아날로그(D/A) 컨버터(도시되지 않음)를 포함한다.

어떤 실시예에서, 소정 출력 레벨에 대한 교정 절차는 몇몇 포인트들(예컨대, 스미스 차트상의 기준 임피던스를 포괄하는 기준 임피던스와 다른 4개의 부하 임피던스 값들)에 대해서만 행해진다. 측정된 부하 임피던스(255)의 다른 값들에 대해, 보상 신호 K는 예컨대, 보간에 의해 수개의 저장된 값들로부터 얻어질 수 있다. 어떤 실시예에서, 측정된 부하 임피던스(255)의 함수로서의 보상 신호(245)의 기울기들(구배들)은 룩업 테이블들에 저장되고, 특정적인 측정된 부하 임피던스(255)에 대한 보상 신호(245)는, 상기 적절한 기울기를 측정된 부하 임피던스(255)와 기준 임피던스 사이의 차와 곱함으로써 보간된다. 또한, 어떤 실시예에서, 나눗셈과 같은 수학적 연산을 행하기 위해 연속적 근사와 같은 구속 수치 알고리즘이 사용되어, 보상 서브시스템(240)의 속도를 향상시킨다.

도3은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 발생기와 비선형 부하 사이의 상호작용을 변경하기 위한 방법의 흐름도이다. 305에서, 전력 증폭기(210)는 제어 입력(230)에서 주 제어 신호(235)를 수신한다. 310에서, 임피던스 측정 회로(250)는 비선형 부하(205)의 임피던스(255)를 측정한다. 315에서, 보상 신호 발생 회로(260)는 전력 증폭기(210)에 공급되는 보상 신호(245)를 발생한다. 보상 신호(245)는, 주 제어 신호(235)에 대한 발생기(200)의 출력 파워(215)의 전달 함수가 실질적으로 비선형 부하(205)의 임피던스의 변동에 둔감하도록 한다. 이에 따라, 주 제어 신호(235)와 결합하여, 보상 신호(245)는 비선형 부하(205)의 임피던스의 변동에도 불구하고 발생기(200)를 소망 레벨(P0)로 안정적인(실질적으로 일정한) 출력 파워(215)로 유지되도록 한다. 320에서, 프로세스가 종료된다.

도4는 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따라 비선형 부하(205)와 접속된 발생기(400)의 블록도이다. 발생기(400)는 제어 입력(410)을 갖는 전력 증폭기(405)를 포함한다. 보상 서브시스템(415)은, 주 제어 신호(425)와 함께, 가산 회로(430)로 공급되는 보상 신호(K)를 발생한다. 가산 회로(430)의 출력은 제어 입력(410)에 공급된다. 도2A-3도와 관련하여 기술된 실시예들과 같이, 주 제어 신호(425)에 대한 발생기(400)의 출력 파워(215)의 전달 함수가 실질적으로 비선형 부하(205)의 임피던스의 변동에 둔감하도록 하는 효과를 가지므로 발생기(400)와 비선형 부하(205)의 임피던스 간의 상호작용으로 인해 야기되는 출력 파워(215)의 불안정을 방지한다.

도5A는 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 특정 출력 파워 P ₀(215)에 대한 일련의 부하 임피던스의 각각에 대해, 제어 입력(410)에서 필요한 전력 증폭기 신호를 나타낸 간이화된 스미스 차트(500)의 예시도이다. 도5A의 가상적 예에서, 50 Ω(기준 임피던스)으로 100W의 소망 출력 파워 레벨(P ₀)을 발생하기 위해 요구되는 주 제어 신호(425)는 20V이다. 상기 기준 신호는 스미스 차트(510)의 중심에서 포인트 505에 대응한다. 포인트들 510, 515, 520 및 525는 기준 임피던스(505)와 상이한 측정된 임피던스(255)에 대응한다. 이들 임피던스들의 각각에 대한 소망 출력 파워(P ₀)를 발생하기 위해 필요한 제어 입력(410)에서의 제어 신호는 간이화된 스미스 차트(500) 상에 도시된다. 부하 임피던스의 함수로서 제어 입력(410)에서 요구되는 제어 신호의 각종 값들은 상기와 같은 교정 절차를 통해 결정될 수 있고 보상 신호 발생 회로(260)가 액세스하는 룩업 테이블에 저장된다.

도5B는 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 도5A에 있어서와 같이 동일한 소망 출력 파워(P ₀)에 대해 도5A에 도시된 일련의 부하 임피던스(505, 510, 515, 520 및 525)의 각각에 대응하는 보상 신호 K(420)를 나타내는 간이화된 스미스 차트의 예시도이다. 이 특정 실시예에서, 보상 신호(420)는, 비선형 부하(205)의 임피던스가 측정된 임피던스일 때 발생기(400)가 P ₀의 특정 출력 파워를 발생시키는 제어 신호와, 발생기(400)가 기준 임피던스로 동일한 출력 파워(P ₀)를 발생시키는 제어 신호 사이의 차이다. 이 차는 간이화된 스미스 차트(530) 상의 포인트들 505, 510, 515, 520 및 525의 각각에 대해 도시된다.

가산 회로(430)에 의해 발생된 합 - 주 제어 신호 425와 보상 신호 420의 합 -은, 부하 임피던스와 무관하게, 동일한 주 제어 신호 값(425)에 대해 전력 증폭기(405)가 소망 출력 파워(P ₀)를 측정된 부하 임피던스(255)로 발생시키도록 제어 입력(410)에서의 제어 신호로 되며, 그에 따라 주 제어 신호(425)가 비선형 부하(205)의 임피던스의 변동에 대해 둔감하도록 한다. 물론, 측정된 부하 임피던스(255)가 기준 임피던스(도5B에서 포인트 505)일 때, 보상 신호(420)는 영(zero)이다.

도6은 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 발생기와 비선형 부하 사이의 상호작용을 변경하기 위한 방법의 흐름도이다. 310에서, 임피던스 측정 회로(250)는 비선형 부하(205)의 임피던스(255)를 측정한다. 605에서, 주 제어 신호(425)와 보상 신호(420)의 합은 전력 증폭기(405)의 제어 입력(410)에 공급되고, 보상 신호(420)는, 비선형 부하(205)의 임피던스가 측정된 임피던스일 때 발생기(400)가 P ₀의 특정 출력 파워(215)를 발생시키도록 하는 제어 신호와, 발생기(400)가 기준 임피던스로 동일한 출력 파워(P ₀)를 발생시키도록 하는 제어 신호 사이의 차로 된다. 그 결과, 발생기(400)와 비선형 부하(205)의 임피던스 간의 상호작용으로 인해 야기되는 출력 파워(215)의 불안정이 방지된다. 프로세스는 610에서 종료된다.

도7은 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따라, 비선형 부하(205)와 접속된 발생기(700)의 블록도이다. 이 실시예에서, 전력 증폭기(705)는 일차 제어 입력(710) 및 이차 제어 입력(715)를 모두 포함한다. 일차 제어 입력(710)은 주 제어 신호 C(730)를 수신한다.

보상 서브시스템(720)은 특히 이차 제어 입력(715)과 접속하기 위해 적합한 보상 신호(725)를 발생한다. 부하 임피던스의 함수로서의 상기 보상 신호(725)는 전력 증폭기(705)의 설계에 따른다. 그러나, 전력 증폭기(705)의 설계에 무관하게, 소정의 소망 출력 파워(P ₀)에 대한 측정된 부하 임피던스(255)의 일련의 값들에 대해 보상 신호(725)를 결정하도록 상기와 같은 교정 절차가 행해질 수 있다.

주 제어 신호(730)와 보상 신호(7250의 조합은, 비선형 부하(205)의 임피던스 변동에도 불구하고 전력 증폭기(705)가 소망의 출력 파워(P ₀)를 발생시키도록 한다. 다시 말해, 보상 신호(725)는, 주 제어 신호(730)에 대한 발생기(700)의 출력 파워(215)의 전달 함수가 실질적으로 비선형 부하(205)의 임피던스 변동에 둔감하도록 하여, 주 제어 신호(730)의 함수로서의 발생기(700)의 출력 파워(215)를 안정화시킨다.

도8은 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 일차 및 이차 제어 입력들(710 및 715)의 모두를 포함하는 전력 증폭기(705)의 회로도이다. 도8에서, 일차 제어 입력(710)(이 예에서는 전압)은 초크(805)와 접속된다. 인덕터(810) 및 커패시터(815)를 포함하는 공진 회로는 비선형 부하(205)와 초크(805)의 대향 노드 사이에 접속된다. 오실레이터(820)는 커패시터(815)와 접속되고, 그의 대향 노드는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)(830)의 게이트와 접속된다. 이 특정 실시예에서, 이차 제어 입력(715)은 초크(835)와 직렬로 접속된 바이어스 전압이고, 그의 대향 노드는 커패시터(815)의 한 노드와 MOSFET(830)의 게이트 사이에 접속된다. 도8은 단순히 이차 제어 입력들(715)의 일례이다. 다른 실시예에서, 이차 제어 입력(715)은 도8에 도시된 바이어스 전압 예와 다르다.

도9는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른, 발생기와 비선형 부하 사이의 상호작용을 변경하기 위한 방법의 흐름도이다. 905에서, 전력 증폭기(705)는, 그의 일차 제어 입력(710)에서 주 제어 신호(730)를 수신한다. 310에서, 임피던스 측정 회로(250)는 비선형 부하(205)의 임피던스(255)를 측정한다. 910에서, 보상 서브시스템(720)은 전력 증폭기(705)의 이차 입력(715)에 보상 신호(725)를 공급하고, 보상 신호(725)는, 주 제어 신호(730)에 대한 발생기(700)의 출력 파워(215)의 전달 함수가 실질적으로 비선형 부하(205)의 임피던스 변동에 둔감하도록 하여, 발생기(700)와 비선형 부하(205)의 임피던스 사이의 상호작용으로 인해 야기되는 출력 파워(215)의 불안정을 방지한다. 프로세스는 915에서 종료된다.

어떤 실시예에서, 보상 신호는 상기한 식 1에 있어서의 내적(inner product)을 효율적으로 제로로 한다. 즉, 보상 신호는 비선형 부하의 임피던스의 변화에 대해 전력 증폭기의 감도를 제로화한다. 다른 실시예에서, 식 1에서의 내적이 제로가 아니도록 보상 신호를 통해 전력 증폭기에 부가적 보상이 적용될 수 있고, 전력 증폭기와 비선형 부하의 임피던스가 특정한 소망 방식으로 상호작용하도록 한다. 어떤 실시예에서, 발생기와 비선형 부하 사이의 소망의 상호작용을 이루기 위한 부가적 보상은 발생기의 사용자에 의해 특정될 수 있다. 이 부가적 보상은 예컨대, 부하 임피던스의 변화에 대한 전력 증폭기의 감도를 간단히 제로화함으로써 제공되는 것 이상의 부가적 안정도를 제공할 수 있다.

도10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따른, 비선형 부하(1005)와 접속된 발생기(1000)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 발생기(1000)는 출력 파워 P(1015)를 비선형 부하(1005)에 방출하는 전력 증폭기(1010)을 포함하며, 발생기(1000)는 보상 서브시스템(1040) 및 파워 콘트롤 시스템(1020)을 포함하며 이들은 전력 증폭기(1010)에 결합된다.

일반적으로, 이 실시예의 발생기(100)는 (예컨대, 플라즈마를 점화 및 유지하기 위해) 하나 이상의 소망 주파수로 또한 하나 이상의 소망 파워 레벨로 비선형 부하(1005)에 파워를 인가하도록 동작한다. 예컨대, 발생기(1000)는 수 W로부터 수 kW까지 파워를 인가할 수 있으며, 인가된 파워의 주파수는 수 Hz부터 수 MHz까지 가변될 수 있다. 다른 실시예에서, 발생기(100)는 일반적으로 13.56 MHz로 파워를 인가하나, 이는 반드시 요구되는 것은 아니며, 발생기(100)는 60 MHz를 초과할 수 있는 주파수로 파워를 인가할 수도 있다. 또한, 후술되는 바와 같이, 인가된 파워의 주파수는 효율 및/또는 안정성 목적을 위해 조정될 수도 있다.

전력 증폭기(1010)는 싱글 엔디드, 더블 엔디드, 및 푸쉬풀 구성을 포함하는 다양한 구성으로 실현될 수 있고, 또한 증폭기 형태의 범위에 걸쳐 동작할 수 있다. 예컨대, 어떤 구체예에서, 전력 증폭기(1010)은 클래스 A, 클래스 B, 클래스 D 및 클래스 E를 포함하는 클래스들의 범위에 걸쳐 동작할 수 있다. 많은 구체예에서, 전력 증폭기(1010)는 스위칭 모드 기술들(에컨대, 도8에 도시된 토폴로지)를 사용하여 구현되며, 이는 향상된 효율, 컴팩트한 사이즈, 및 낮은 가격을 포함하는 수많은 이점들을 제공하지만, 하나의 단점은 - 통상적인 제어 구성이 이용될 때 - - 플라즈마 불안정의 형성을 촉진함과 동시에 플라즈마 불안정의 강도를 증대시킬 수 있는 발생기-플라즈마의 위험이 증대될 수 있다는 것이다.

도10에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 발생기(1000)는 파워 레벨 설정 포인트(예컨대, 오퍼레이터 설정 포인트) 및 출력 파워(1015)를 나타내는 피드백에 기초하여 전력 증폭기(1010)에 파워 콘트롤 신호(1035)를 제공하도록 구성되는 파워 콘트롤 시스템(1020)을 포함한다. 예컨대, 파워 콘트롤 시스템(1020)은 당업자에 잘 알려진 콘트롤 루프 부재들을 포함할 수 있으며, 본 명세서의 관점에서, 당업자는 본 발명의 실시예들에 따라 동작하기 위한 통상적인 파워 콘트롤 루프들의 적용을 용이하게 행할 수 있다.

또한, 이 실시예에 있어서는 임피던스 측정 또는 다른 실시간 피드백을 이용하지 않고 증폭기(1010)에 제어가능한 보상 신호(1045)를 제공함으로써 출력 파워(1015)의 불안정을 처리(예컨대, 감소 또는 제거)하도록 일반적으로 동작하는 보상 서브시스템(1040)이 도시되어 있다. 예컨대, 많은 구체예에서, 오퍼레이터는, 하나 이상의 특정 프로세스와 관련하여 처리 시스템을 안정화하는 소망 보상 신호(1045)를 생성하기 위한 보상 서브시스템(1040)을 이용할 수도 있다.

도10은, 적어도 두 개의 제어 입력(예컨대, 제어 신호 1035 및 보상 신호 1045)를 이용하는 본 명세서에 기술된 많은 실시예들 중 하나의 예로서, 상기 적어도 두 개의 제어 입력들의 적어도 하나(예컨대, 보상 신호 1045)는 발생기의 감도를 부하의 임피던스로 변경하기 위해 사용되고 상기 적어도 두 개의 제어 입력들의 적어도 하나(예컨대, 제어 신호 1035)는, 파워의 동일한 레벨이 상기 적어도 두 개의 제어 입력들의 다른 조합 레벨로 부하에 방출될 수 있도록 발생기의 출력 파워를 제어하기 위해 사용되며, 부하의 임피던스에 대한 허용가능한 감도 및 소망 파워 레벨을 발생하는 제어 입력들의 조합이 이용될 수도 있다.

도시된 바와 같이, 이 실시예에서의 보상 서브시스템(1040)은 피드백 신호에 기초하여 보상 신호(1045)를 발생하지 않는다. 구체적으로 설명하면, 상기 한 하나 이상의 다른 실시예들과 달리, 본 실시예는 비선형 부하(1005)의 임피던스의 지시를 수신하지 않는다. 더욱이, 이 실시예에서의 보상 서브시스템(1040)은, 본 명세서에 기재된 다른 실시예들과 달리, 파워 불안정을 나타내는 어떤 신호도 수신하지 않는다. 비록 보상 신호(1045)는 설명의 편의를 위해 단일 제어 신호로 도시되었으나, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 보상 신호(1045)는 단일 라인에 걸쳐 다중화되거나 또는 별도의 라인에 걸쳐 보내지는 다중 신호들을 포함할 수도 있다.

예컨대 도11을 참조하면, 도10을 참조하여 기술된 보상 서브시스템(1040)을 실현하기 위해 사용될 수 있는 예시적 보상 서브시스템(1140)이 도시되어 있다. 도11에 도시된 바와 같이, 이 구체예에서의 보상 서브시스템(1140)은 보상 신호 발생 회로(1160)에 결합된 오퍼레이터 인터페이스(1150)를 포함한다. 이 실시예에서, 오퍼레이터 인터페이스(1150)는 보상 신호 발생 회로(1160)의 동작을 사용자가 제어할 수 있도록 기능한다. 더 구체적으로 설명하면,이 실시예의 보상 신호 발생 회로(1160)는 사용자가 하나 이상의 보상 신호들(1145)의 변화에 영향을 미칠 수 있도록 한다.

예컨대, 오퍼레이터 인터페이스(1150)는 오퍼레이터 설정 바이어스 파라미터들(예컨대, 전압 진폭 레벨들, 파형 속성들, 및/또는 펄스 폭 변조 레벨들)을 인에이블하도록 이용될 수 있고, 또한 보상 신호 발생 회로(1160)의 기능적 양태들을 인에이블 또는 디스에이블하도록 이용될 수 있다. 당업자는, 오퍼레이터 인터페이스(1150)가, 다른 소프트웨어, 하드웨어 및/또는 펌웨어에 부가하여, 디스플레이(예컨대, 터치 스크린 디스플레이), 포인팅 장치(예컨대, 마우스), 키보드 또는 다른 수동 장치에 의해 실현될 수 있음을 이해할 것이다.

도8 및 9와 관련하여 기술된 바와 같이, 보상 신호는 전력 증폭기(1010)의 스위칭 소자(예컨대, MOSFET 830)에 바이어스 전압을 인가하도록 사용될 수 있고, 또한 제어가능한 바이어스 전압의 결과로서, 전력 증폭기의 도통 각(또는 "온 타임"이 제어될 수 있다. 도1에 도시된 실시예의 많은 변형예에서, 오퍼레이터 인터페이스(1150)는 원하는 도통 각을 야기하도록 전력 증폭기(1010)의 하나 이상의 스위칭 소자에 인가되는 바이어스 전압의 레벨을 사용자가 제어할 수 있도록 한다. 그러나, 바이어스 전압(예컨대, 바이어스 전압 715)에 부가하거나 또는 그 대신에, 전력 증폭기(1010)에 이용되는 기준 신호(본 명세서에 구동 신호라고도 지칭)가 도통 각에 영향을 미치도록 조정될 수도 있다.

예컨대, 도12를 참조하면, 상기한 전력 증폭기들을 실현하기 위해 사용될 수 있는 전력 증폭기의 일반적 기능적 부재들을 도시한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 전력 증폭기는 파워 부재(1230), 기준 신호 발생기(1220) 및 바이어스 공급부(1275)에 결합된 스위칭 부재(1207)를 포함한다. 스위칭 부재(1207)는 다양한 토폴로지로 배치되고 구성될 수 있는 하나 이상이 스위칭 소자들(예컨대, FET들)(예컨대, MOSFET 830)을 포함할 수 있다. 또한 파워 부재(1230)는 제어 신호(1235)(예컨대, 파워 콘트롤 시스템으로부터의 제어 신호 1035)에 응답하여 가변될 수 있는 레일 전압(1210)을 인가하기에 적합한 DC 파워 서플라이를 포함할 수 있다. 예컨대, 어떤 구체예에서, 레일 전압(1210)은 0 내지 20 VDC 사이에서 가변될 수 있으나, 다른 구체예에서 전압은 200 VDC를 초과할 수도 있다.

기준 신호 발생기(1220)는 일반적으로, 레일 전압(1210)이 어떻게 스위칭 부재(1207)의 출력에 인가되어 영향을 미치는 스위칭 부재(1207)에 기준 신호를 인가하도록 동작한다. 예컨대, 기준 신호 발생기(1220)는, 좁은 주파수 범위 내에서 또는 넓은 주파수 범위에 걸쳐 동작할 수 있는 제어가능한 하나 이상의 오실레이터(예컨대, 오실레이터 820)를 포함할 수 있다.

어떤 변형예에서, 보상 신호(1245)는, 스위칭 부재(1207)에 인가되는 기준 신호의 진폭이 조정되도록 기준 신호 발생기를 제어할 수 있으며; 이에 따라, 전력 증폭기(1205)의 원하는 도통 각을 가능케한다. 다른 변형예에서, 기준 신호(1220)의 파형은 소망 도통 각을 이루도록 제어될 수 있다.

더욱이, 도통 각에 대한 조정에 부가하여 - 또는 그와 독립적으로 - 기준 시신호의 주파수가 조정되어 출력 파워의 불안정을 제거 및/또는 방지할 수 있다. 2010년 4월 25일자 출원되고 명칭이 "플라즈마 공정에 있어서의 불안정 검출 및 방지(DETECTING AND PREVENTING INSTABILITIES IN PLASMA PROCESSES)"이고 본 명세서에 참고로 언급된 미국 특허 출원 제12/184,535호는, 불안정을 검출하기 위한 기술 및 불안정이 야기되는 것을 감소 및/또는 방지하기 위해 주파수를 조정하기 위한 기술을 기술하고 있다.

바이어스 공급부(1275)는 일반적으로, 전력 증폭기(1205)의 도통 각이 제어될 수 있도록 하나 이상의 스위칭 부재(예컨대, FET들)의 게이트에 인가되는 전압 레벨이 제어될 수 있도록 동작한다. 바이어스 공급부(1275)는, -7 내지 +4 VDC의 전압 범위에 걸쳐 동작할 수 있는 제어가능한 DC 파워 서플라이에 의해 실현될 수 있으나, 다른 전압 범위들이 임의로 고려된다.

어떤 동작 모드에 있어서, 바이어스 공급부(1275)의 출력은, 오퍼레이터에 의해 (예컨대, 오퍼레이터 인터페이스 1150를 사용하여) 설정되는 비 가변 DC 전압이다. 예컨대, 오퍼레이터는, 전력 증폭기이 하나 이상의 특정 프로세스 환경에서 안정되도록 하는 특정 바이어스 전압을 알고 있을 수 있으며, 바이어스 공급부는 자동적으로 조정될 필요가 없다.

더욱이, 도통 각에 대한 조정에 부가하여 - 또는 그와 독립적으로 - 전력 증폭기의 소망 성능 특성을 야기하기 위해 (파워 부재 1230에 의해 제어되는) 바이어스 공급 및 레일 전압이 제어될 수 있다. 2009년 12월 31일자 출원되고 명칭이 "전력 증폭기의 이중 모드 제어(DUAL-MODE CONTROL OF POWER GENERATOR)"이고 본 명세서에 참고로 언급된 미국 특허 출원 제12/650,652호는, 다양한 동작적 이점을 위해 레일 및 바이어스 전압을 제어하기 위한 기술을 기재하고 있다.

다른 모드의 동작에 있어서, 바이어스 공급부(1275)는 스위칭 부재(1207)에 가변 전압을 인가하도록 제어될 수 있다. 예컨대, 방형파의 듀티 사이클은 소망 도통 각을 야기시키도록 펄스 폭 변조(PWM)에 의해 조정될 수 있고, 및/또한 바이어스 공급부(1275)에 의해 인가되는 전압의 진폭은 조정될 수 있다. PWM 및/또는 전압 진폭은 오퍼레이터에 의해 제어되거나 또는 본 명세서에 기술된 바와 같이 피드백 메카니즘에 응답하여 자동으로 조정될 수도 있다.

도12에 도시된 바와 같이, 기준 신호 발생기(1220) 및 바이어스 공급부(1275)의 하나 또는 모두는 하나 이상의 대응하는 보상 신호들(1245)에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, 몇몇 실시예에서, 전력 증폭기(1205)의 도통 각을 조정하기 위해 바이어스 공급부(1275) 만 제어되지만, 다른 실시예에서, 전력 증폭기(1205)의 도통 각을 조정하기 위해 기준 신호 발생기(1220) 만 제어된다. 그러나, 또 다른 실시예에서, 전력 증폭기(1205)의 도통 각을 조정하기 위해 기준 신호 발생기(1220) 및 바이어스 공급부(1275) 모두 제어된다.

당업자는, 본 명세서의 관점에서, 많은 동작 모드에 있어서, (예컨대, 파워 콘트롤 시스템 1020 내의) 파워 콘트롤 루프는 (예컨대, 전력 증폭기 1205의 출력에서의 파워 센서로부터의 피드백에 응답하여) 제어 신호(1235)를 자동으로 조정하여 파워 부재(1230)가 레일 전압(1210)을 조정하도록 하고 그에 따라 출력 파워의 파워 레벨을 조정하도록 한다. 예컨대, 전력 증폭기(1205)의 도통 각에 대한 조정이 출력 파워에 영향을 미칠 경우(예컨대, 출력 파워의 저하), 많은 실시예에서의 파워 콘트롤 루프는 제어 신호(1235)를 변경하여 파워 출력 레벨을 설정 포인트로 유지하도록 출력 파워를 증대시킨다. 따라서, 소망 출력 파워의 레벨(예컨대, 플라즈마를 유지(sustain)하기 위한 출력 파워의 레벨)을 유지하면서 전력 증폭기(1205)의 도통 각, 및 그에 따른 안정도가 조정될 수 있다.

도13을 참조하면, 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른, 비선형 부하(1305)와 접속된 발생기(1300)를 포함하는 플라즈마 처리 시스템을 도시한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 이 실시예의 발생기(1300)는 비선형 부하(1305)에 출력 파워 P (1315)를 출력하는 전력 증폭기(1310)을 포함하고, 또한, 전력 증폭기(1310)에 결합된 보상 서브시스템(1340) 및 전력 증폭기(1310)의 출력에 결합된 센서(1312)를 포함한다.

도시된 바와 같이, 이 실시예의 보상 서브시스템(1340)은 센서(1312)로부터의 하나 이상의 신호들에 응답하여 전력 증폭기(1310)의 도통 각을 제어하도록 보상 신호(1345)를 제공한다. 많은 실시예에서 도13에 도시된 센서(1312)는 (예컨대, 증폭기 1310과 함께 동일한 하우징 내의) 발생기(1300)의 일부이나, 이는 반드시 필요한 것은 아니다. 일반적으로, 센서(1312)는 파워(1315)의 하나 이상의 특성들을 나타내는 하나 이상의 신호들을 제공하도록 구성되고, 보상 서브시스템(1340)은 증폭기(1310)의 도통 각을 제어하기 위해 이용된다. 예컨대, 많은 실시예에서, 센서(1312)는 파워(1315)를 나타내는 순방향(FWD) 및 반사(RFL) RF 신호들을 검출하고, 센서(1312)는 방향성 커플러 및 VI 센서를 포함하는 다양한 부재들로 실현될 수 있다.

도14를 참조하면, 도13을 참조하여 기술된 보상 서브시스템(1340)을 실현하기 위해 이용될 수 있는 보상 서브시스템(1440)의 예시적 실시예가 도시되어 있다. 일반적으로, 전력 증폭기(예컨대, 전력 증폭기 1310)의 출력 파워에 불안정이 존재하는 지를 식별하고 그 불안정을 감소 및/또는 방지하기 위해 전력 증폭기의 도통 각을 조정하도록 기능한다. 전력 증폭기의 도통 각을 제어하는 것에 덧붙여, 보상 서브시스템(1440)은, 어떤 동작 모드에서, 보상 서브시스템(1440)이 (예컨대, 전력 증폭기과 플라즈마의 임피던스 궤적을 정렬함으로써) 불안정을 감소/방지하기 위해 전력 증폭기의 기준 신호의 주파수를 제어하도록 구성될 수도 있다.

도시된 바와 같이, 보상 신호 발생 회로(1460)는, 전력 증폭기(1310)의 도통 각을 제어하기 위해 불안정 검출기(1470)로부터의 불안정 신호(1409)에 응답하여 보상 신호(1445)를 발생하도록 구성된다. 많은 변형예에서, 보상 신호 발생 회로(1460)는, 불안정 신호(1409)를 주기적으로 체크하고 그에 따라 전력 증폭기(1310)의 도통 각을 조정한다.

또한, 이 실시예에는 선택적 오퍼레이터 인터페이스(1450)가 도시되어 있으며, 이는 도1을 참조하여 기술된 오퍼레이터 인터페이스(1150)와 동일한 방식으로 동작할 수 있으나, 그에 덧붙여, 이 실시예의 오퍼레이터 인터페이스(1450)는 또한, 보상 신호 발생 회로(1460)가 검출된 불안정에 응답하는 레벨을 설정하는 하나 이상의 불안정 임계 레벨을 설정하도록 이용될 수 있다. 예컨대, 증폭기의 도통 각을 조정함으로써 어드레스될 필요가 없는 출력 파워의 수용가능한 레벨로 어딴 ㅂ발진이 존재할 수도 있는 것이 고려된다.

도14에 있어서의 보상 서브시스템(1440)의 도시는 기능적 부재의 논리적 도시로서 하드웨어 도면을 의도하지는 않으며; 이에 따라 도시된 기능 부재들은 몇몇의 분산되고 서로 다른 부재들, 또는 일체로 된 부재의 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어로 실현될 수 있다.

도15를 참조하면, 도14를 참조하여 기술된 불안정 검출기(1470)를 실현하기 위해 이용될 수 있는 불안정 검출기(1570)의 예시적 실시예가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 측정 부재(1504), 복소 Γ 부재(1506), 및 검출 부재(1508)는, 불안정이 존재하는지를 검출하기 위해 이용될 수 있는 예시적 부재들을 나타낸다. 도15에 도시된 부재들은 안정성 검출에 대한 예시적 접근책을 나타내고 도17을 참조하여 기술된 본 명세서에 기술된 다른 기술들은 불안정들을 검출하기 위해 이용될 수 있음을 유의해야 한다. 또한, 이들 부재들의 도시는 단순히 논리적인 것으로 ㅎ하하드웨어 도면을 의미하지는 않으며; 이에 따라 도시된 부재들은 결합 또는 더 분리될 수 있고, 또한 일반적으로, 그 부재들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합으로 실현될 수 있다.

이 실시예의 측정 부재(1504)는 일반적으로 센서(예컨대, 센서 1312)의 출력을 받고 순방향 및 반사 파워 모두에 대한 동상(inphase) 및 직각 위상(quadrature) 측정을 제공하도록 구성된다. 이들 측정은 1 μs와 같은 주기적 간격으로 갱신된다. 센서로부터의 데이터를 처리하기 위한 예시적 센서들 및 기술들은, 2008년 5월 7일자 출원되고 명칭이 "파워를 모니터하기 위한 시스템, 방법 및장치(System, Method, and Apparatus for Monitoring Power)"이고 본 명세서에 참고로 언급된 미국 특허 출원 제12/116,375호에 기재되어 있다.

각각의 측정 간격에 대해, 복소 Γ 부재(1506)는, 복소수들의 나눗셈(I는 벡터의 실수부이고 Q는 벡터의 허수부)인 V_RFL/V_FWD로서 부하 반사 계수(Γ)를 계산한다. 또한 Γ는 FWD의 위상을 -1배한 위상을 갖는 RFL을 회전시킨 다음,

로 나눔으로써 계산될 수 있다. FPGA 구현에 효과적인 하나의 예시적 기술이 생성되고 다음과 같이 구현된다:

1. FPGA 곱셈기를 사용하여 FWDQ2 +FWDI2를 계산하며, 상위 비트들의 이용을 최대화하기 위해 필요한 시프트를 갖는다.

2. FPGA 룩업 테이블을 사용하여 K = 1/(FWDQ2 +FWDI2)를 계산하며, 상 위 비트들의 이용을 최대화하기 위해 필요한 시프트를 갖는다.

3. 정확도를 최대화하기 위해 필요한 시프트를 사용하여,

로서 Re(Γ)를 계산하고,

로서 Im(Γ)를 계산한다.

이는 V_RFL의 복소 곱과 V_FWD의 공액의 K배로부터 유도된다. 두 개의 복소 벡터들을 곱할 때, 결과적 위상은 가산적이다. 공액과 곱할 때, 결과적 위상은 감산적이다.

도16을 참조하면, 도15에 도시된 검출 부재(1508)의 예시적 부재들을 도시한 블록도이다. 일반적으로, 검출 부재(1508)는, 발진이 파워에 존재하는지의 지시(및 그에 따른 플라즈마의 불안정의 형태의 지시(불안정 신호 1509로 도시)를 제공한다. 도15에 도시된 실시예의 어떤 변형예에서, 검출 부재(1508)는 - 불안정이 존재하는 지의 여부를 지시하는 - 이진 신호로서 불안정 신호(1509)를 제공한다.

그러나, 도15에 도시된 실시예의 다른 변형예에서, 검출 부재(1508)는 임의의 발진을 주파수 및 크기를 나타내는 출력을 제공한다. 상기한 바와 같이, 불안정을 감소시키기 위해 전력 증폭기의 기준 주파수가 이용될 수 있고, 미국 특허 출원 제12/184,535호에 개시된 비와 같이 플라즈마 및 전력 증폭기의 임피던스 궤적을 정렬시키기 위해 출력 파워에 존재하는 특정 형태의 발진들에 관한 지식이 이용될 수 있다.

도16에 도시된 바아 같이, DC 성분을 제거하기 위해, 하이패스 필터가 Re(Γ) 및 Im(Γ) 모두에 인가되며, 이때 출력은 Γ의 발진 형태(및 불안정의 형태)에 대응한다. 일례로서, 하이패스 필터는 다음과 같이 구현될 수 있다:

한 구체예에 있어서, FPGA 자원을 구하기 위해, 필터링된 Re(Γ) 및 Im(Γ) 값들은 둘 사이의 최대 절대치들을 선택함으로써 결합된다. 다른 구체예에서, 각 파라미터에 대한 별도의 주파수/크기 검출을 갖는 설계가 사용될 수도 있다. 일반적으로, 최대 함수 다음의 결과는 전파(full-wave) 정류된 사인파로 될 것이다. 3개의 계산들이 신호에 적용된다:

1.

의 가산.

은, 주파수에 다소 선형적인 응답을 갖 는 하이패스 필터이다.

2. x(n)의 가중. 이 연산은 신호에 있어서의 전체 에너지의 지시를 제공하고, 주파수 지시를 정규화하기 위해 사용된다. 샘플들의 수로 나눌때, 이는 또한 크기(진폭) 출력을 위해 사용된다.

3. 1의 가산. 이 누산기로부터의 결과는 샘플들의 수이다.

도시된 바와 같이, 이 특정 실시예에 있어서의 검출 부재의 출력들은 불안정과 관련된 발진의 주파수 및 크기 모두의 지시를 제공한다.

도17A 및 도17B는, 각각, 도14를 참조하여 기술된 불안정 검출기(1470)를 실현하기 위해 이용될 수 있는 헤테로다인 형태 및 다이오드 형태 검출기를 도시한다. 도시된 검출기들 모두 당업자에 잘 알려진 것들이고, 본 명세서의 관점에서, 이들 형태의 검출기들은 발진들의 특정 주파수를 검출하기 위해 변경되고 적합하게 될 수 있으며 보상 신호 검출 회로(1460)에 의해 사용가능한 출력들을 제공한다.

도18을 참조하면, 상기한 실시예들과 관련하여 직면될 수 있는 부하 임피던스의 변동에 대해 전력 증폭기의 감도를 감소시키기 위한 예시적 방법을 도시한 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 이 방법에 있어서 파워가 부하에 인가될 때(블록 1802), 출력 파워의 안전성이 평가된다(블록 1804). 전술한 바와 같이, 안정성은 도16-17을 참조하여 기술된 해결책을 포함한 다양한 기술들에 의해 평가될 수 있다.

도시된 바와 같이, 파워가 안정한 경우(블록 1806) 파워는 계속 부하에 D니가되고(블록 1802) (예컨대 주기적으로) 안정성이 다시 평가된다(블록 1804). 그러나, 파워가 불안정한 경우(블록 1806) 증폭기의 도통 각이 조정되고(블록 1808) 출력 파워의 안정성이 다시 평가되며(블록 1804), 출력 파워가 여전히 불안정한 경우(블록 1806) 출력 파워의 도통 각이 다시 조정된다(블록 1808). 이에 따라 도18에 도시된 방법에 일치하여, 불안정이 검출되면, 출력 파워가 안정할 때까지 스텝 방식으로 출력 파워의 도통 각이 조정될 수 있다. 어떤 변형예에서, 전력 증폭기에 있어서의 스위칭 부재(들)(예컨대 MOSFET)의 온 타임을 감소시키기 위해 도통 각이 하향 조정되나, 출원인들은, 전력 증폭기의 도통 각을 증가시키는 조정 역시 출력 파워가 안정하게 되는데 효과적일 수 있다는 것을 발견했다.

도19A 및 도19B를 참조하면, 제1 및 제2 도통 각으로 동작될 때 임피던스 변화에 대한 발생기의 출력 파워의 오픈 루프 응답을 검출하기 위한 스미스 차트들이 각각 도시되어 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 도19A는, 클래스 D 또는 클래스 E 타입의 증폭기와 같은 전형적인 고효율(예컨대 고 도통 각) 증폭기에 따른 임피던스 변화에 응답하여 발생기의 출력 파워의 오픈 루프 응답을 나타낸다. 또한, 도19B는, 전형적인 고효율 증폭기의 도통 각의 감소를 갖는 발생기의 출력 파워의 오픈 루프 응답을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 도19A에서 50Ω에 걸친 등고선의 기울기는 대략 1.6이다. 이는 대략 0.35인 도19B에 있어서의 유사 라인의 기울기와 대조적이다. 이에 따라, 이 실시예에서의 발생기의 감도는, 전력 증폭기의 도통 각이 감소될 때(예컨대, 180도로부터 150도로) 대략 4배만큼 감소된다.

도20A 및 도20B를 참조하면, 각각, 도20A 및 도20B의 선 20A - 20A 및 선 20B - 20B를 취한 단면도들이 도시되어 있다. 도20A에 도시된 바와 같이, 발생기가 전형적인 클래스 D 또는 클래스 E 타입의 증폭기로서 동작할 때, 부하 임피던스의 임의의 변화는, 도20B에 도시된 감소된 증폭기 도통 각으로 동작하는 발생기와 비교하여 발생기의 출력 파워에 있어서 상당한 변화를 야기한다.

도21A 및 도21B는 게인의 크기(즉, 상기 식 1을 참조하여 기술된 dP/dZ의 복소 표현) 및 180도 및 150도의 도통 각으로 동작하는 예시적 발생기의 각도를 각각 도시한다. 도21A 및 도21B에 도시된 바와 같이, 도통 각이 조정될 때 실질적으로 감소하는 게인에 부가하여, 도통 각이 180도로부터 150도로 감소될 때 각도 역시 변한다.

도22A 및 도22B는, 도통 각 조정 기능이 없는 예시적 발생기 및 본 명세서에 기재된 도통 각 조정 기능을 포함하기에 적합한 발생기에 대한 전력 증폭기으로부터 부하로의 파워를 인가하는 케이블의 길이 대 플라즈마 불안정을 나타내는 그래프들이 각각 도시된다. 도시된 바와 같이, 도22A에 있어서, 예시적 발생기는, 약 6 내지 16 피트의 케이블 길이의 비교적 큰 범위의 케이블 길이에 걸쳐 불안정하다. 이에 대해(도22B에 도시된 바와 같이), 동일한 발생기는, 도통 각이 상기와 같이 조정될 때 0으로부터 25 피트의 케이블 길이의 범위에 걸쳐 안정하다.

전술한 바와 같이, 전력 증폭기의 도통 각은 다양한 방법으로 조정될 수 있다. 예컨대, 전력 증폭기의 FET의 게이트에 인가되는 DC 바이어스는 진폭 또는 펄스 폭 변조(PWM)의 관저에서 조정될 수 있고, 및/또는 FET에 인가되는 기준 주파수의 크기가 조정될 수 있다.

어떤 동작 모드에 있어서, (증폭기의 도통 각의 조정에 응답하여) 출력 파워가 안정화된 후, 일정 기간 후, 도통 각은, 출력 파워가 안정한 상태를 유지하는 경우 원래 도통 각의 방향으로 다시 천천히 조정될 수 있다. 예컨대, 출력 파워가 더욱 효율적인 파워의 도통 각으로 동작하도록 바이어스되는 경우, 도통 각은 더욱 안정한 출력 파워(그러나 덜 효율적인)로 되도록 조정되며, 증폭기의 도통 각은 더욱 효율적인 동작 상태로 다시 조정될 수 있다.

어떤 변형예에서, 전력 증폭기은 초기에 특정 증폭기 클래스(예컨대, 클래스 A, 클래스 B, 클래스 D 또는 클래스 E의 하나) 내에서 동작하도록 바이어스된 다음, 부하 임피던스의 변동에 덜 민감하고 보다 안정적인 증폭기로 되도록 하나 이상의 다른 증폭기 클래스에 걸쳐 조정될 수 있다. 이에 따라, 어떤 동작 모드에 있어서, 전력 증폭기은 효율, 소산, 및 안정성 고려사항들에 기초하여 조정가능한 가변 클래스 증폭기로서 동작된다.

또한, 증폭기의 도통 각의 조정이, 출력 파워가 보다 안정하게 되도록 전력 증폭기의 주파수에 대한 조정과 관련하여 이용될 수 있다는 점도 고려된다. 예컨대, 주파수의 조정은 초기에 출력 파워가 안정하게 되도록 시도될 수 있으며, 주파수 조정이 효과적이지 않은 경우, 도통 각에 대한 조정이 행해질 수 있다. 또는, 도통 각에 대한 조정은 초기에 행해질 수 있으며, 도통 각에 대한 조정이 출력 파워가 안정하게 되도록 충분치 않은 경우, 주파수 조정이 행해질 수 있다.

결론적으로, 본 발명은 다른 것들 중에도, 전기 발생기와 비선형 부하 사이의 상호작용을 변경하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 당업자들은 본 발명에 있어서 여러가지 변형 예 및 대체 예가 이루어질 수 있음을 용이하게 인식할 것이며, 상기 예를 실질적으로 달성하기 위한 사용 및 그의 구성은 본 명세서에서 기술된 실시예들에 의해 성취된다. 따라서, 본 발명은 기술된 예시적 형태들에 한정되지 않으며, 많은 변형예, 개조 및 대안적 구성은 특허청구범위에 기재된 발명의 관점 및 정신 내에 들어가는 것이다.

Claims (25)

1. 파워 콘트롤 신호 및 기준 신호에 응답하여 출력 파워를 부하에 인가하도록 구성된 전력 증폭기;
   파워 설정 포인트 및 출력 파워에 기초하여 파워 콘트롤 시스템을 조정하는 전력 증폭기에 결합된 파워 콘트롤 시스템; 및
   전력 증폭기에 결합되고, 부하의 임피던스 변경에 대해, 전력 증폭기의 감도가 조정될 수 있도록 전력 증폭기의 도통 각을 제어하는 보상 서브시스템을 포함하는, 발생기.
2. 제1항에 있어서, 상기 보상 서브시스템은, 발생기의 오퍼레이터가 전력 증폭기의 감도를 제어할 수 있도록 오퍼레이터 인터페이스를 포함하는, 발생기.
3. 제1항에 있어서, 상기 보상 서브시스템은, 출력 파워의 불안정의 지시를 제공하도록 구성된 불안정 검출기를 포함하고, 상기 보상 서브시스템은 불안정의 지시에 기초하여 전력 증폭기의 도통 각을 제어하도록 구성되는, 발생기.
4. 제3항에 있어서, 상기 보상 서브시스템은, 출력 파워의 불안정이 허용가능 레벨로 감소될 때까지 스텝 형 방식으로 전력 증폭기의 도통 각을 조정하도록 구성되는, 발생기.
5. 제1항에 있어서, 상기 보상 서브시스템은, 부하의 임피던스에 기초하여 전력 증폭기의 도통 각을 제어하도록 구성되는, 발생기.
6. 제1항에 있어서, 상기 전력 증폭기는, 통상적으로 전력 증폭기들의 특정 클래스 내에 동작하도록 바이어스되고 상기 보상 서브시스템은, 전력 증폭기의 감도를 조정하기 위해 전력 증폭기들의 적어도 하나의 다른 클래스 내에 동작하도록 전력 증폭기의 도통 각을 제어하는, 발생기.
7. 제1항에 있어서, 상기 전력 증폭기의 도통 각은, 전력 증폭기의 스위칭 부재의 게이트에 인가되는 신호를 조정함으로써 제어되는, 발생기.
8. 제7항에 있어서, 상기 게이트에 인가되는 신호는 게이트에 인가되는 DC 바이어스를 제어함으로써 조정되는, 발생기.
9. 제8항에 있어서, 상기 DC 바이어스는 이 DC 바이어스를 펄스 폭 변조함으로써 제어되는, 발생기.
10. 제8항에 있어서, 상기 DC 바이어스의 크기가 제어되는, 발생기.
11. 제7항에 있어서, 상기 게이트에 인가되는 신호는, 게이트에 인가되는 기준 신호의 크기를 제어함으로써 조정되는, 발생기.
12. 전력 증폭기를 사용하여 부하에 출력 파워를 인가하고;
    파워 콘트롤 설정에 응답하여 출력 파워의 레벨을 제어하고;
    부하의 임피던스의 변동에 대해 전력 증폭기의 감도의 레벨을 감소시키도록 전력 증폭기의 도통 각을 조정하는 것을 포함하는, 부하의 임피던스의 변화에 대해 발생기의 감도를 감소시키기 위한 방법.
13. 제12항에 있어서,
    출력 파워의 불안정을 검출하고;
    상기 불안정에 응답하여 전력 증폭기의 도통 각을 조정하는 것을 포함하는, 부하의 임피던스의 변화에 대해 발생기의 감도를 감소시키기 위한 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 조정은, 불안정이 임계치 미만으로 될 때까지 일련의 개별 조정에 의해 도통 각을 조정하는 것을 포함하는, 부하의 임피던스의 변화에 대해 발생기의 감도를 감소시키기 위한 방법.
15. 제12항에 있어서,
    부하의 임피던스를 측정하고;
    측정된 임피던스에 응답하여 전력 증폭기의 도통 각을 조정하는 것을 포함하는, 부하의 임피던스의 변화에 대해 발생기의 감도를 감소시키기 위한 방법.
16. 제12항에 있어서, 상기 조정은, 전력 증폭기의 전계 효과 크랜지스터의 게이트에 대한 신호를 조정하는 것을 포함하는, 부하의 임피던스의 변화에 대해 발생기의 감도를 감소시키기 위한 방법.
17. 제16항에 있어서, 신호의 파라미터를 조정하는 것을 포함하고, 상기 파라미터는 신호의 크기, 펄스 폭, 및 주파수로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 부하의 임피던스의 변화에 대해 발생기의 감도를 감소시키기 위한 방법.
18. 전력 증폭기를 사용하여 부하에 출력 전압을 인가하기 위한 수단;
    파워 콘트롤 설정에 응답하여 출력 파워의 레벨을 제어하기 위한 수단; 및
    부하의 임피던스 변화에 대해 전력 증폭기의 감도의 레벨을 감소시키기 위해 전력 증폭기의 도통 각을 조정하기 위한 수단을 포함하는, 발생기.
19. 제18항에 있어서,
    출력 파워의 불안정을 검출하기 위한 수단; 및
    상기 불안정에 응답하여 전력 증폭기의 도통 각을 조정하기 위한 수단을 포함하는, 발생기.
20. 제19항에 있어서, 상기 조정하기 위한 수단은, 불안정이 임계치 미만으로 될때까지 일련의 개별 조정에 의해 도통 각을 조정하기 위한 수단을 포함하는, 발생기.
21. 제18항에 있어서,
    부하의 임피던스를 측정하기 위한 수단; 및
    측정된 임피던스에 응답하여 전력 증폭기의 도통 각을 조정하기 위한 수단을 포함하는, 발생기.
22. 제18항에 있어서, 상기 도통 각을 조정하기 위한 수단은, 전력 증폭기의 전계 효과 트랜지스터의 게이트에 대한 신호를 조정하기 위한 수단을 포함하는, 발생기.
23. 제22항에 있어서, 신호의 파라미터를 조정하기 위한 수단을 포함하고, 상기 파라미터는, 신호의 크기, 펄스 폭 및 주파수로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 발생기.
24. 적어도 두 개의 제어 입력들을 포함하고, 상기 적어도 두 개의 제어 입력들의 적어도 하나는 부하의 임피던스에 대한 발생기의 감도를 변경하도록 사용되고 상기 적어도 두 개의 제어 입력들의 적어도 하나는 발생기의 출력 파워를 제어하기 위해 사용되며, 그에 따라 파워의 동일 레벨이 상기 적어도 두 개의 제어 입력들의 레벨의 다른 조합으로 부하에 방출되고, 또한, 부하의 임피던스에 대한 허용가능한 감도와 파워의 소망 레벨을 발생하는 제어 입력들의 조합이 이용될 수 있는, 발생기.
25. 제24항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 제어 입력들의 제1제어 입력은 레일 전압을 제어하고 상기 적어도 두 개의 제어 입력들의 제2 제어 입력은 발생기의 증폭기의 도통 각을 제어하는, 발생기.

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