TW201946387A - 具備能源回收之pin二極體驅動器 - Google Patents

Abstract

一種用於一PIN二極體之控制器，藉助於一第一開關耦接至與一電感器串聯之一正向偏壓供應器，且藉助於一第二開關耦接至與該電感器串聯之一反向偏壓供應器。在對該PIN二極體進行反向偏壓時，藉由即刻斷開該反向偏壓供應器而自該PIN二極體回收能源，且有可能自諸如與該PIN二極體耦接之一電抗元件（例如，電容器）之其他組件回收能源。在對該PIN二極體進行正向偏壓時，藉由即刻斷開該正向偏壓供應器而自該PIN二極體回收能源，且有可能自其他組件回收能源。

Description

具備能源回收之PIN二極體驅動器

本發明之具體實例大體上係關於PIN二極體驅動器電路。
相關申請案之交叉引用

本申請案係關於且主張2018年3月5日申請且名為「具備能源回收之PIN二極體驅動器（Pin Diode Driver with Energy Recovery）」之美國專利申請案第62/638,730號之在35 U.S.C. § 119(e)下的優先權，該申請案之全部內容出於所有目的以引用之方式併入本文中。

PIN二極體被用於許多不同應用中。在一個特定實例中，PIN二極體可用於匹配網路中，以使負載之阻抗與高功率射頻產生器可傳遞功率之阻抗匹配。無論具體用途，PIN二極體之高速切換可能涉及各切換循環之高功率消耗，此高功率消耗在使用多個PIN二極體之裝置中加劇。考慮到尤其此等觀察結果，構想出本發明之態樣。

本發明之具體實例大體上係關於用於射頻（radio-frequency；RF）切換電路，且更特定言之用於高速、高重複率、高功率應用之一PIN二極體驅動器電路的系統及方法。在一個實例中，具體實例涉及一種用於驅動一PIN二極體之方法。在包括一電感器裝置之一電路中，可切換地可使用一第一開關連接在一正向偏壓供應器與一PIN二極體之間，及可使用一第二開關連接在一反向偏壓供應器與該PIN二極體之間，該方法涉及：斷開該第一開關以將該正向偏壓供應器與該電感器裝置及該PIN二極體斷開；及在該斷開該第一開關之後，閉合該第二開關以將該反向偏壓供應器連接至該電感器裝置及該PIN二極體，以起始該PIN二極體之反向偏壓。在該PIN二極體之反向偏壓期間且在存在一反向電流之情況下，該方法涉及斷開該第二開關以將能源回收至該正向偏壓供應器。斷開該第二開關以將能源回收至該正向偏壓供應器可發生在足以使該電感器裝置儲存用於該PIN二極體自一正向偏壓狀態至一反向偏壓狀態的之一轉變的充足能源之一時間段之後。該方法可進一步涉及閉合該第二開關以將該反向偏壓供應器重新連接至該電感器裝置，以完成該PIN二極體之該反向偏壓。

在另一實例中，具體實例涉及一種用於驅動一PIN二極體之方法。在包括一電感器裝置之一電路中，可切換地可使用一第一開關連接在一PIN二極體與一正向偏壓供應器之間，及可使用一第二開關連接在該PIN二極體與一反向偏壓供應器之間，該方法包括斷開該第二開關以將該反向偏壓供應器與該PIN二極體斷開。在斷開該第二開關之後，閉合該第一開關以將該正向偏壓供應器連接至該電感器裝置及該PIN二極體。該方法進一步涉及在該PIN二極體之正向偏壓期間，斷開該第一開關以將能源回收提供至該反向偏壓供應器。斷開該第一開關以將能源回收提供至該反向偏壓供應器可發生在足以使該電感器裝置儲存用於該PIN二極體自一反向偏壓狀態至一正向偏壓狀態之一轉變的充足能源之一時間段之後。該方法可進一步涉及當通過該電感器之電流為約零或處於一正向偏壓電流時，閉合該第一開關以將該正向偏壓供應器重新連接至該電感器裝置及該PIN二極體。該等方法可由一控制器實施。

在一個實例中，一種設備包括與一第一半導體開關裝置及一第二半導體開關裝置耦接之一控制器，其中該第一半導體開關裝置將使一正向偏壓供應器連接至與一PIN二極體串聯之一電感器裝置，且該第二半導體裝置將使一反向偏壓供應器連接至與該PIN二極體串聯之該電感器裝置。該控制器包括用以進行以下操作之指令：在該PIN二極體之反向偏壓時，在斷開該第一半導體開關裝置之後，閉合該第二半導體開關裝置以將該反向偏壓供應器連接至該電感器裝置及該PIN二極體，以起始該PIN二極體之反向偏壓。在該PIN二極體之反向偏壓期間且在存在一反向電流之情況下，該控制器斷開該第二半導體開關裝置以將能源回收至該正向偏壓供應器。

在對該PIN二極體進行正向偏壓時，該控制器包括用以進行以下操作之指令：斷開該第二半導體開關裝置以將該反向偏壓供應器與該電感器裝置及該PIN二極體斷開；及在斷開該第二半導體開關裝置之後，閉合該第一半導體開關裝置以將該正向偏壓供應器連接至該電感器裝置及該PIN二極體。在該PIN二極體之正向偏壓期間，該控制器斷開該第一開關以將能源回收提供至該反向偏壓供應器。

下文描述本發明之此等及其他態樣。

PIN二極體為電二極體裝置，其具有包夾於重度摻雜p型半導體區（P）與重度摻雜n型半導體區（N）之間的不摻雜或輕度摻雜本質（I）半導體區；因此稱為「PIN二極體」。一般而言，PIN二極體在低頻輸入信號下遵從習知二極體特性，但在較高頻輸入信號下，在正向偏壓或接通狀態下作為電阻器操作，且在反向偏壓或關斷狀態下作為較小電容器操作。因而，PIN二極體經常用於衰減器、快速開關、射頻（radio frequency；RF）應用中，及用於期望較高隔離度及較低損失之高電壓電子應用中。在一個特定實施中，PIN二極體用於經組態以匹配電漿負載之變化負載阻抗與高功率RF產生器能夠高效傳遞功率之所要阻抗（例如，50 ohm）之阻抗匹配網路中。在此實施中，PIN二極體用於連接或斷開阻抗匹配網路之無功（reactive）組件，典型地為電容器，以藉由將無功元件切換至網路中或網路外，快速更改匹配網路之屬性。

切換電路中之PIN二極體典型地具有隨附之PIN二極體驅動器電路或開關驅動器，其提供受控之正向偏壓電流及反向偏壓電壓。舉例而言，圖1A及圖1B說明兩個習知雙電源PIN二極體驅動器電路100、101。每一電路包括各別PIN型二極體150、151，其例如又可連接至某一類型之RF電路系統。在圖1A中，電源參考PIN二極體之陰極，且低電壓正向偏壓電流供應器105將正電壓提供至上部開關115，並且高電壓反向偏壓電壓供應器110將負電壓提供至下部開關120。相比之下，在圖1B中，電源參考PIN二極體之陽極，且低電壓正向偏壓電流供應器106將負電壓提供至下部開關121，並且高電壓反向偏壓電壓供應器111將正電壓提供至於上部開關116。每一PIN二極體150、151由兩個電源驅動，該兩個電源為電路100之105及110以及電路101之106及111。電源105、110、106及111將正向偏壓電流及反向偏壓電壓提供至各別PIN二極體。舉例而言，在電路100中，低電壓正向偏壓電流供應器105連接至開關115。當開關115閉合（且開關120斷開）時，正向偏壓電流供應器105將正向偏壓電流提供至PIN二極體150。電路100亦包括與開關120連接之高電壓反向偏壓電壓供應器110。當開關120閉合（且開關115斷開）時，反向偏壓電壓供應器110在PIN二極體150之上提供反向偏壓電壓。

類似地，在電路101中，高電壓反向偏壓電壓供應器111連接至開關116以在開關116閉合時在PIN二極體151之上提供反向偏壓電壓，且低電壓正向偏壓電流供應器106在開關121閉合時將正向偏壓電流提供至PIN二極體151。電路100、101中之RF阻擋裝置145、146可包括串聯在由電路100中之開關115及120以及電路101中之開關116及121形成的半橋與PIN二極體150及151之間的電感器，但更一般而言可為以低頻率在半橋與PIN二極體之間傳遞直流（direct-current；DC）但抑制由RF電路系統施加於PIN二極體150、151之RF頻率的任何電路。可能處於位置145、146處的電路類型之實例包括RF扼流圈、並聯諧振LC槽、四分之一波長（以RF頻率）傳輸線等。使開關115、120、116及121分流（shunt）之二極體可為離散二極體，或存在於半導體開關中或表示如GaN HEMT之裝置之類二極體相反行為的本質內接二極體（例如雙極接面電晶體，MOSFET）。

參考電路100作為實例，現描述PIN二極體電路之操作。為了正向偏壓PIN二極體150，開關115閉合且開關120斷開。低電壓電流供應器105將正向偏壓電流提供至PIN二極體150。當PIN二極體經正向偏壓時，來自二極體150之P區材料之電洞及來自N區材料之電子被注入至經包夾I區材料中。因為二極體150中之電荷無法瞬時重組，所以淨電荷儲存在I區中。當移除正向偏壓電流時，I區中之電荷以稱為載子生命期之時間常數重組。在高於藉由二極體之屬性判定之臨限值的RF頻率時，二極體因此充當電阻器，具有有效「接通」電阻值。圖2A中說明等效正向偏壓電路202。對於設計成在10 MHz下操作之高功率PIN二極體，用於電路202之元件之典型值針對電感器可為1 nH且針對電阻器可為0.1 Ω。

為了反向偏壓PIN二極體150，開關115斷開且開關120閉合，以將反向偏壓電壓自高電壓反向偏壓電壓供應器110提供至PIN二極體。在反向偏壓狀態中，PIN二極體150具有藉由小電容分流之較大電阻器的等效電路（圖2B之204）。對於設計成在10 MHz下操作之高功率PIN二極體，用於電路204之元件的典型值針對電感器可為1 nH，針對電容器可為3 μF且針對電阻器可為1 MΩ。藉由改變PIN二極體150及電路100之態樣，可在各種上下文中針對具體應用實現多種正向偏壓電阻及反向偏壓電容。

PIN二極體驅動器電路100、101之習知操作及組態之潛在效能問題為此類PIN二極體驅動器在用於高速、高重複率及/或高功率應用中可消耗大量功率。出於說明的目的，PIN二極體150用於頻率介於3至30 MHz之範圍內的高功率應用中。在此類實例中，PIN二極體150可自正向偏壓電流供應器105正向偏壓1 A，且自反向偏壓電壓供應器110反向偏壓-1500 V。習知PIN二極體驅動器未經組態成自正向偏壓供應器及反向偏壓供應器回收饋送至電路中且儲存在電容器中之能源。在許多PIN二極體連接至許多各別電容器（一個電容器126及電容器128在圖1A及圖1B中作為實例以虛線展示）且用於將許多各別電容器切換至電路中或電路外之固態阻抗匹配網路（solid state impedance match network；SSM）中，相當大的能源可儲存在電路之電容器中。舉例而言，假設具有PIN二極體之電路用於將200 pF電容器切換至電路中或電路外。儲存在此1500 V下之電容器中之能源為約225 μJ。在可包括若干此類PIN二極體驅動器電容性電路（例如，30個或更多）之一典型的SSM中，當所有開關以10 kHz速率改變時，傳統PIN驅動器電路可浪費超過33 W。更糟糕的是，習知PIN二極體開關驅動器可回收等於正向電流乘以載子生命期之電荷，在典型狀況中該電荷在1500 V下可為0.5 A × 12 μs = 6 μC。為了快速（例如，在短於載子生命期之時間段內）自正向偏壓（接通）狀態切換至反向偏壓（關斷）狀態，必須自二極體移除之電荷往往係正向電流與載子生命期之乘積。在上文剛剛提及之實例中，6 μC之電荷待移除以自正向偏壓切換至反向偏壓狀態。結果為可能需要9 mJ之能源以將二極體自接通狀態恢復至關斷狀態。若30個此類開關在SSM網路中以10 kHz速率操作，則二極體自接通狀態恢復至關斷狀態僅消耗1350 W的功率。可在連接至高電壓反向偏壓電源之前等待，以便PIN二極體中之所儲存電荷中的一些重組且因此減少所消耗之功率，但此方法中切換速度存在折衷。

為了大體解決習知PIN二極體驅動器電路及亦當該等習知PIN二極體驅動器電路用於SSM網路中時之此等效能問題，本文中揭示經修改之PIN二極體驅動器正向及反向偏壓序列及（在適用之情況下）具有相對較大電感器之電路，其回收儲存在RF電路之電容器中之能源且最小化將PIN二極體自接通狀態恢復至關斷狀態所消耗之功率。在一個特定實例（對於正向至反向偏壓轉變）中，經修改之序列涉及在斷開正向偏壓之後將開關接通至反向偏壓供應器僅維持短時間段，以在電感器中僅儲存充足能源，從而完成PIN二極體的接通到關斷轉變，允許電流流過將連接至正向偏壓供應器之開關分流之二極體，且接著當電感器電流降至零時最終將開關接通至高電壓電源。此序列並非浪費能源，而是回收儲存在PIN二極體（以及附接至SSM應用中之PIN二極體之任何電容器）中之能源且將其返回至正向偏壓電源。在一些實例中，經修改之PIN二極體驅動器電路可包括串聯在半橋電路（例如，開關115及120）與PIN二極體（例如，150）之間的相對較大電感器（例如，200 pH，相較於用於RF阻擋之2 pH的典型電感器）。當選擇用於RF阻擋之一電感器時，通常電感器值被選擇為使得電感器在RF頻率下低於自諧振或處於自諧振。自阻擋RF之角度來看，選擇值較高的電感器使得電感器之自諧振頻率遠低於RF頻率係適得其反。此電路中之較大電感器340之自諧振頻率通常遠低於RF頻率且僅用以達成電路之切換效能。電感器，無論是否相對較大，當正向偏壓供應器經連接時串聯在正向偏壓供應器與PIN二極體之間，且當反向偏壓供應器經連接時串聯在反向偏壓供應器與PIN二極體之間。

圖3說明PIN二極體驅動器電路，其包括串聯在半橋與PIN二極體之間，以在固態匹配應用中自所儲存電荷回收能源之較大電感器340。圖3的電路說明用於諸如在圖1A之實施中評估對PIN二極體偏壓轉變序列以回收能源之電路效能的電路圖，且在所說明之實例中進一步添加串聯在由開關315及320形成之半橋與PIN二極體350之間的相對較大電感器340（300 μH），以在SSM應用中自所儲存電荷回收能源。圖3之電路亦可用於說明在無論是否具有相對較大電感器（取決於情況）之情況下將技術應用於圖1A及圖1B之電路及類似此類電路之益處。圖4展示圖3之電路之效能波形，其中操作開關以在固態匹配應用中自所儲存電荷回收能源。使用唯一偏壓序列及串聯在半橋電路與PIN二極體之間的較大電感器，允許驅動器電路回收儲存在為了高速、高重複率及/或高功率RF應用的SSM應用之電容器中之一些能源。

效能波形400基於對用以將高反向偏壓電壓提供至PIN二極體之PIN二極體及開關之正向偏壓供應器（例如，電流供應器）的唯一序列說明驅動器電路效能。舉例而言，參看圖3，控制器302（或圖1A中之控制器102或圖1B中之103）或其他電路可控制開關315及開關320以關斷PIN二極體，且利用較大電感器340以自PIN二極體自身以及連接至PIN二極體之電容器360（若在SSM應用中）之經儲存電荷回收能源。

圖5說明控制PIN二極體驅動器電路之開關以自圖3之正向偏壓至反向偏壓轉變回收能源之方法的一個實例。因而，方法500之操作可由開關裝置315及320之控制器302執行以對PIN二極體進行正向偏壓及反向偏壓。出於論述之目的，該方法自正向偏壓供應器連接至PIN二極體之狀態開始。自操作502開始，該控制器斷開第一開關（例如，315）（其可被稱作第一半導體開關裝置，諸如各種可能形式之電晶體裝置），從而將正向偏壓供應器（例如，低電壓電流供應器305）與電感器及PIN二極體350斷開。該方法在操作504處接著即刻接通第二開關320，以即刻在接著斷開高電壓供應器之前將高電壓反向偏壓供應器310連接至電感器340及PIN二極體350，該第二開關可類似地被稱作第二半導體開關裝置。

參看圖3及圖6A至圖6D之波形，可斷開第一開關315（上部開關），從而將低電壓電流供應器305與電感器340及PIN二極體350斷開。在足以允許斷開第一開關315之延遲（604）之後，第二開關320（下部開關）即刻閉合，從而經由電感器340將高電壓供應器310連接至PIN二極體350。延遲604通常足夠長，以使通過電感器340之電流由於開關315及320之接合處之較大負電壓擺動而反向。在一個實例中可為至-1500 V之反向偏壓電壓使得自電容器360及PIN二極體350流過電感器之前述偏壓電流反向（若尚未在延遲604期間反向）。在一些狀況下，若電流在週期604中反向，則連接反向偏壓供應器增加反向電流之量值，此可取決於組件值之選擇及延遲604之長度而發生。歸因於諸如電感器340之電感裝置之特性，當開關320隨後在608處斷開時維持反向電流。因此，當斷開反向偏壓電壓時，反向電流經由二極體325流動至正向偏壓供應器305且能源經回收至低電壓供應器。

更詳細言之，參看圖3，當關斷或斷開開關320（下部開關）（608）時，反向電流（610）流過與開關315（上部開關）並聯之二極體325（上部二極體）（操作508）。如所提及，二極體325（上部二極體）可為開關315之裝置（例如MOSFET）之本質二極體，或可為離散二極體。在反向電流流動時間期間，能源經回收至低電壓電源（例如，305）。在一些情況下，開關315可在此週期期間閉合以改良經修改之PIN二極體驅動器電路之能源回收效率。實際上，反向（能源回收）電流610可流過二極體且流過通過第一半導體開關的並聯路徑以在電源305處回收能源。在操作510中，當電感器電流610停止流動時，重新接通開關320（612）。若320接通（自剛好在延遲604之後起至608）以增加用於操作PIN二極體之電感器電流量值之時間段係充足的，則由電感器提供之PIN二極體上之平均電壓（亦即，具有經平均化之疊加的RF電壓之電壓）將接近當重新接通開關320時高電壓電源之電壓。以此方式，驅動器電路中之開關之操作允許驅動PIN二極體，同時自PIN二極體中（以及附接至SSM應用中之PIN二極體之電容器360中）之所儲存電荷回收能源。

參看圖6C，存在相對長時間段（自2 ps至6 μs），在此期間PIN二極體電壓616保持大約+0.7 V，儘管在602處移除正向偏壓（圖6D）。在此時間段期間，自PIN二極體移除在正向偏壓期間累積之電荷，其可被視為等於正向電流乘以載子生命期，該電荷在此電路中為0.5 A × 12 μC = 6 μC。若藉由使開關320保持接通（在608處不關斷維持持續時間606）來移除此電荷，則將消耗能源6 μC × 1500 V = 9 mJ；替代地，在假設當電流反向時低電壓供應器305鉗位在6 V之情況下，在此時間段期間回收大約6 μC × 6 V = 36 μJ之能源。在PIN二極體之此接通至關斷轉變期間回收之淨能源通常為負的，此係由於高電壓供應器供應大量能源以增加電感器電流。圖6A中展示取自反向偏壓供應器310之功率。應注意，取自反向偏壓供應器310之功率在已連接反向偏壓供應器之短週期605期間斜升，但當斷開開關320（608）從而斷開反向偏壓供應器時降至零。圖6A中之波形之積分為在對PIN二極體進行反向偏壓之程序中取自電源305及310之能量。應注意，取自低電壓正向偏壓供應器305之能源係負的 ，從而指示能源經回收 至正向偏壓供應器。取自高電壓反向偏壓供應器之能源係正的且高於經回收至正向偏壓供應器之能源，但當二極體狀態自關斷狀態改變回至接通狀態時，此差值中之大部分儲存在電容器中且大部分此能源經回收至反向偏壓供應器。

圖7說明用於控制PIN二極體驅動器電路之開關以按提供能源回收之方式將PIN二極體自反向偏壓切換至正向偏壓之方法700。圖8展示所得波形。參看圖3，在初始狀態中，PIN二極體350經反向偏壓，其中開關315斷開且開關320閉合並且已連接高電壓反向偏壓供應器310；自操作702開始，控制器斷開開關320（參見800，圖8D）。在足以允許開關320關斷之延遲（802）之後，閉合816開關315，從而經由電感器340將正向偏壓供應器305連接至PIN二極體（操作704）。將正向偏壓供應器連接至電感器啟動正向電流814，且開始將能源儲存在電感器中且起始對PIN二極體進行正向偏壓。在足以在電感器中儲存完成PIN二極體之關斷至接通轉變之充足能源之時間段之後，該控制器斷開開關315（806）。

當斷開開關315時，藉由電感器340維持正向偏壓電流，儘管處於遞減的位準（參見圖8C，818），且電流流過與開關320並聯之二極體330（操作708）。二極體330可為裝置之本質二極體，或可為離散二極體。在操作708之時間期間，能源經回收至高電壓電源310。在一些情況下，可在此週期期間接通開關320，但有可能並非必要的，此係由於相較於高電壓供應器電壓，二極體壓降通常較小。在操作710中，當電感器340電流降至低於臨限值或停止流動（810）時或當該電流等於所要正向偏壓電流時，閉合開關315（808）。若閉合開關315以增加用於在操作PIN二極體時使用之電感器340電流之時間段係充足的，則當重新接通開關315時（808），PIN二極體電壓355（812）將靠近PIN二極體之正向電壓。以此方式，驅動器電路中之開關之操作允許驅動PIN二極體，同時自PIN二極體（及連接至例如在SSM應用的應用中之PIN二極體之其他電容器）中之所儲存電荷回收能源。

圖8A展示在PIN二極體350之關斷至接通狀態轉變期間取自（例如，-1500 V）反向偏壓供應器310之功率。此波形之積分為取自反向偏壓供應器310之能源。此能源係負的且表示當PIN二極體先前自接通狀態轉變為關斷狀態時所儲存之能源的回收。圖8A亦展示在PIN二極體自關斷狀態轉變至接通狀態期間取自正向偏壓電源之功率。此波形之積分為在此轉變期間取自電源之能源。此能源係正的且在自接通狀態至關斷狀態之隨後轉變中經回收。

圖8說明圖3之電路之接通波形，其中操作開關以在固態匹配應用中自所儲存電荷回收能源。用於模擬中之PIN二極體模型模擬具有2.9 pF之關斷狀態電容及12 μs之載子生命期的二極體。在0.5 A下，6 μC之電荷因此儲存在PIN二極體中。此模型中之0.5 A下之PIN二極體電壓降為0.75 V，因此在接通狀態中，PIN二極體儲存0.75 V × 6 μC = 4.5 μJ。（在接通狀態中，電路中之其他電容器儲存少量能量。）另外，在將較大電感器設定為300 pH且在RF阻擋裝置中具有額外30 pH之情況下，額外的0.5 (300 +30) 10^-6 0.5² ≈ 41 μJ儲存在處於接通狀態之電感器中。在關斷狀態中，電路300中之二極體及電容器儲存0.5 (2.9 + 180 + 56)10^-12 1500² ≈269 μJ。（模擬中之電容器360經設定為180 pF，且RF阻擋裝置345含有接地的56 pF電容器。）因此，當PIN二極體自接通狀態變為關斷狀態時，電路300中之所儲存能源增加大約(269 - (4.5+41)) μJ ≈ 224 μJ。（此等敍述假設RF循環之持續時間上之平均值，或假設RF源365振幅為可忽略的。）

在無RF應用於電路之情況下，模擬展示292 μJ係用於關斷PIN二極體（224 μJ的130%），且在接通期間，回收252 μJ（224 μJ的113%）。因此，在未應用RF之情況下，經供應292 μJ的86%係被回收的。未能回收所有能源係歸因於經模型化組件之非理想性質以及插入於電路中之有意的阻尼電阻器。儘管有缺陷，但本文中所描述之驅動器電路之控制器及操作僅消耗40 μJ。因此，在10 kHz下操作之30個此類開關將僅消耗6 W。（兩種轉變均以5 kHz速率發生。）

在1400 V RF振幅（電路300中之RF源365設定為1400 V振幅）之情況下，獨立於RF相對於開關定時之相位，供應386 μJ（224 μJ的172%）以關斷PIN二極體，且當接通PIN二極體時回收293 μJ（224 μJ的130%）。因此，經供應386 μJ的76%係被回收。在應用RF之情況下，此電路僅消耗93 μJ。因此，在10 kHz下操作之30個此類開關將僅消耗14 W，此相比於利用典型的PIN二極體驅動器電路之典型的SSM應用之1350 W消耗量為較大改良。

先前段落中所描述之模擬結果假設簡單的PIN二極體模型，其中有可能自PIN二極體獲取所有電荷，同時PIN二極體電壓保持在大約0.7 V之標稱電壓。在使用較徹底地模型化二極體中之電荷分配之較複雜的PIN二極體模型之情況下，顯而易見的是，在許多狀況下，此為不可能的。較複雜模型展示電荷可完全自I區之邊緣獲取，而電荷保持在I區之中心中。完全獲取電荷之區設置空間電荷區，從而導致在獲取所有電荷之前增加二極體反向電壓。此行為降低電路之效能，但相較於標準PIN二極體驅動器，此處所描述之經修改之PIN二極體驅動器仍實現明顯更好的結果。舉例而言，在典型的實例中，在關斷正向偏壓電流之後、在接通高電壓反向偏壓供應器之前等待200 ns可能需要7.3 mJ，在關斷正向偏壓電流之後、在接通高電壓反向偏壓供應器之前等待10 μs可能需要4.8 mJ，除了等待10 μs之外添加較大（300 mH）電感器可能需要4.4 mJ，且添加此處所描述之切換序列可能需要1.3 mJ。此結果可與使用預測需要93 μJ之簡單PIN二極體模型預測之先前結果進行比較。因此，更準確模型預測需要簡單模型的幾乎14倍的功率，但相較於習知PIN二極體驅動器仍預測3.7倍或更多功率節省。

圖9為說明可例如用於實施控制器之運算裝置或電腦系統900之實例的方塊圖。該控制器亦可與RF電源或其他形式之電源整合、經整合在阻抗匹配網路中或另外以各種可能形式提供。參看圖9之實例，計算系統900可為用於將任何控制信號提供至用於上文所論述之驅動器電路之切換裝置中之任一者的控制裝置。電腦系統（系統）包括一或多個處理器902至906。處理器902至906可包括快取記憶體（圖中未示）之一或多個內部位準，及匯流排控制器或匯流排介面單元，以直接與處理器匯流排912互動。處理器匯流排912亦稱為主匯流排或前側匯流排，其可用於將處理器902至906與系統介面914耦接。系統介面914可連接至處理器匯流排912以將系統900之其他組件與處理器匯流排912介接。舉例而言，系統介面914可包括用於將主記憶體916與處理器匯流排912介接之記憶體控制器918。主記憶體916典型地包括一或多個記憶卡及控制電路（圖中未示）。系統介面914亦可包括輸入/輸出（input/output；I/O）介面920以將一或多個I/O橋接器或I/O裝置與處理器匯流排912介接。諸如I/O控制器928及I/O裝置930之一或多個I/O控制器及/或I/O裝置可與I/O匯流排926連接，如所說明。該系統介面914可進一步包括與處理器匯流排912及/或I/O匯流排926互動之匯流排控制器922。

I/O裝置930亦可包括輸入裝置（圖中未示），諸如文數字輸入裝置，包括用於將資訊及/或命令選擇傳達至處理器902至906之文數字及其他密鑰。另一類型之使用者輸入裝置包括用於將方向資訊及命令選擇傳達至處理器902至906且用於控制顯示裝置上之游標移動的游標控制器，諸如滑鼠、軌跡球或游標方向鍵。

系統900可包括動態儲存裝置，其稱作主記憶體916，或隨機存取記憶體（random access memory；RAM），或耦接至處理器匯流排912以儲存待由處理器902至906執行之資訊及指令的其他電腦可讀裝置。主記憶體916亦可用於在處理器902至906執行指令期間儲存暫時變數或其他中間資訊。系統900可包括耦接至處理器匯流排912以儲存用於處理器902至906之靜態資訊及指令的唯讀記憶體（read only memory；ROM）及/或其他靜態儲存裝置。圖9中所闡述之系統僅為電腦系統之一個可能實例，該電腦系統可使用本發明之態樣或根據本發明之態樣而組態。

根據一個具體實例，回應於處理器904執行含於主記憶體916中之一或多個指令的一或多個序列，電腦系統900可執行以上技術。此等指令可自諸如儲存裝置之另一機器可讀媒體讀取至主記憶體916中。執行主記憶體916中含有之指令序列可使得處理器902至906執行本文中所描述之程序步驟。在替代具體實例中，可代替或結合軟體指令而使用電路系統。因此，本發明之具體實例可包括硬體及軟體組件兩者。

機器可讀媒體包括用於儲存或傳輸呈可由機器（例如，電腦）讀取之形式之資訊的任何機構（例如，軟體、處理應用程序）。此類媒體可呈但不限於非揮發性媒體及揮發性媒體之形式。非揮發性媒體包括光碟或磁碟。揮發性媒體包括動態記憶體，諸如主記憶體916。機器可讀媒體之常見形式可包括但不限於：磁性儲存媒體；光學儲存媒體（例如，CD-ROM）；磁光儲存媒體；唯讀記憶體（ROM）；隨機存取記憶體（RAM）；可抹除可程式化記憶體（例如，EPROM及EEPROM）；快閃記憶體；或其他類型之適於儲存電子指令之媒體。

本發明之具體實例包括在此說明書中描述之各種步驟。該等步驟可由硬體組件執行或可以機器可執行指令體現，該等機器可執行指令可用以使用該等指令程式化之通用或專用處理器執行該等步驟。替代地，該等步驟可由硬體、軟體及/或韌體之組合執行。

以上描述包括體現本發明之技術的實例系統、方法、技術、指令序列及/或電腦程式產品。然而，應理解，所描述之揭示內容可在無此等具體細節之情況下加以實踐。在本發明中，揭示之方法可實施為可由一裝置讀取的指令或軟體之集合。此外，應理解，所揭示方法中的步驟之具體次序或階層係實例方法之例子。基於設計偏好，應理解，方法中的步驟之具體次序或階層可重新排列，同時保持在揭示之主題內。隨附方法技術方案以樣本次序呈現各種步驟之要素，且未必意謂限於所呈現具體次序或階層。

咸信，本發明及其許多伴隨優勢應藉由前述描述被理解，且應顯而易見的是，可在不脫離所揭示之主題或不犧牲其所有材料優勢的情況下對組件之形式、構造及配置進行各種改變。所描述之形式僅為解釋性的，且以下申請專利範圍之意圖為涵蓋且包括此等改變。

雖然已參考各種具體實例描述本發明，但應理解，此等具體實例為說明性的且本發明之範圍不限於此。許多變化、修改、添加及改良係可能的。更通常地，根據本發明之具體實例已在特定實施之情況下描述。功能性可在本發明之各種具體實例中不同地按區塊分開或組合，或用不同術語描述。此等及其他變化、修改、添加及改良可屬於如以下之申請專利範圍中所定義的本發明之範圍。

100‧‧‧雙電源PIN二極體驅動器電路

101‧‧‧雙電源PIN二極體驅動器電路

102‧‧‧控制器

103‧‧‧控制器

105‧‧‧低電壓正向偏壓電流供應器

106‧‧‧低電壓正向偏壓電流供應器

110‧‧‧高電壓反向偏壓電壓供應器

111‧‧‧高電壓反向偏壓電壓供應器

115‧‧‧上部開關

116‧‧‧上部開關

120‧‧‧下部開關

121‧‧‧下部開關

126‧‧‧電容器

128‧‧‧電容器

145‧‧‧RF阻擋裝置

146‧‧‧RF阻擋裝置

150‧‧‧PIN型二極體

151‧‧‧PIN型二極體

202‧‧‧正向偏壓電路

204‧‧‧電路

300‧‧‧電路

302‧‧‧控制器

305‧‧‧低電壓電流供應器

310‧‧‧高電壓供應器

315‧‧‧開關

320‧‧‧開關

325‧‧‧二極體

330‧‧‧二極體

340‧‧‧電感器

345‧‧‧RF阻擋裝置

350‧‧‧PIN二極體

355‧‧‧PIN二極體電壓

360‧‧‧電容器

365‧‧‧RF源

400‧‧‧效能波形

500‧‧‧方法

502‧‧‧操作

504‧‧‧操作

508‧‧‧操作

510‧‧‧操作

604‧‧‧延遲

605‧‧‧短週期

606‧‧‧持續時間

608‧‧‧延遲

610‧‧‧反向電流/電感器電流

616‧‧‧PIN二極體電壓

700‧‧‧方法

702‧‧‧操作

704‧‧‧操作

708‧‧‧操作

710‧‧‧操作

802‧‧‧延遲

814‧‧‧正向電流

900‧‧‧運算裝置或電腦系統

902‧‧‧處理器

904‧‧‧處理器

906‧‧‧處理器

912‧‧‧處理器匯流排

914‧‧‧系統介面

916‧‧‧主記憶體

918‧‧‧記憶體控制器

920‧‧‧輸入/輸出（I/O）介面

922‧‧‧匯流排控制器

926‧‧‧I/O匯流排

928‧‧‧I/O控制器

930‧‧‧I/O裝置

圖1A至圖1B說明兩個習知雙電源PIN二極體驅動器電路。

圖2A至圖2B說明PIN二極體等效電路。

圖3說明PIN二極體驅動器電路，其包括串聯在半橋與PIN二極體之間以在固態匹配應用中自所儲存電荷回收能源的較大電感器。

圖4說明圖3之電路之效能波形，其中操作開關以在固態匹配應用中自所儲存電荷回收能源。

圖5為用於控制圖3之電路之開關以按在固態匹配應用中自所儲存電荷回收能源的方式關斷PIN二極體之方法。

圖6說明用於圖3之電路之接通波形，其中以在固態匹配應用中自所儲存電荷回收能源之方式操作開關。

圖7為用於控制圖3之電路之開關以按在固態匹配應用中自所儲存電荷回收能源之方式接通PIN二極體的方法。

圖8說明用於圖3之電路之關斷波形，其中以在固態匹配應用中自所儲存電荷回收能源之方式操作開關。

圖9為說明可用於實施本發明之具體實例的計算系統之實例之圖解。

Claims (17)

1. 一種用於驅動一PIN二極體之方法，該方法包括： 在包括一電感器裝置之一電路中，可切換地可使用一第一開關連接在一正向偏壓供應器與一PIN二極體之間，及可使用一第二開關連接在一反向偏壓供應器與該PIN二極體之間； 斷開該第一開關以將該正向偏壓供應器與該電感器裝置及該PIN二極體斷開； 在該斷開該第一開關之後，閉合該第二開關以將該反向偏壓供應器連接至該電感器裝置及該PIN二極體，以起始該PIN二極體之反向偏壓；及 在該PIN二極體之反向偏壓期間及在存在一反向電流之情況下，斷開該第二開關以將能源回收至該正向偏壓供應器。
2. 如請求項1所述之方法，其中斷開該第二開關以將能源回收至該正向偏壓供應器發生在足以使該電感器裝置儲存用於該PIN二極體自一正向偏壓狀態至一反向偏壓狀態之一轉變的充足能源之一時間段之後。
3. 如請求1項所述之方法，其進一步包括閉合該第二開關以將該反向偏壓供應器重新連接至該電感器裝置以完成該PIN二極體之該反向偏壓。
4. 如請求項1所述之方法，其中該經回收之能源係來自該PIN二極體之一所儲存電荷。
5. 如請求項1所述之方法，其中該電路進一步包括與該PIN二極體可操作地耦接而作為一匹配網路之部分的一電容器，該PIN二極體在經正向偏壓時連接該匹配網路中之該電容器，且該PIN二極體在經反向偏壓時將該電容器與該匹配網路斷開，該經回收之能源另外為該電容器之一所儲存電荷。
6. 如請求項1所述之方法，其中該電路包括與該第一開關並聯之一二極體，該反向電流流過該二極體至該正向偏壓供應器。
7. 如請求項6所述之方法，其中該二極體為該第一開關之一內接二極體。
8. 如請求項6所述之方法，其進一步包括閉合該第一開關以為該反向電流提供至該正向偏壓供應器之一額外路徑。
9. 一種用於驅動一PIN二極體之方法，該方法包括： 在包括一電感器裝置之一電路中，可切換地可使用一第一開關連接在一PIN二極體與一正向偏壓供應器之間，及可使用一第二開關連接在該PIN二極體與一反向偏壓供應器之間； 斷開該第二開關以將該反向偏壓供應器與該PIN二極體斷開； 在斷開該第二開關之後，閉合該第一開關以將該正向偏壓供應器連接至該電感器裝置及該PIN二極體；及 在該PIN二極體之正向偏壓期間，斷開該第一開關以將能源回收提供至該反向偏壓供應器。
10. 如請求項9所述之方法，其中斷開該第一開關以將能源回收提供至該反向偏壓供應器發生在足以使該電感器裝置儲存用於該PIN二極體自一反向偏壓狀態至一正向偏壓狀態之一轉變的充足能源之一時間段之後。
11. 如請求項9所述之方法，其進一步包括： 當通過該電感器之電流為約零或處於一正向偏壓電流時，閉合該第一開關以將該正向偏壓供應器重新連接至該電感器裝置及該PIN二極體。
12. 一種設備，其包括： 一控制器，其與一第一半導體開關裝置及一第二半導體開關裝置耦接，該第一半導體開關裝置將一正向偏壓供應器連接至與一PIN二極體串聯之一電感器裝置，該第二半導體裝置將一反向偏壓供應器連接至與該PIN二極體串聯之該電感器裝置，該控制器包括用以進行以下操作之指令： 在對該PIN二極體進行反向偏壓時，在斷開該第一半導體開關裝置之後，閉合該第二半導體開關裝置以將該反向偏壓供應器連接至該電感器裝置及該PIN二極體，以起始該PIN二極體之反向偏壓；及 在該PIN二極體之反向偏壓期間且在存在一反向電流之情況下，斷開該第二半導體開關裝置以將能源回收至該正向偏壓供應器。
13. 如請求項12所述之設備，其中斷開該第二半導體開關裝置以將能源回收至該正向偏壓供應器發生在足以使該電感器裝置儲存用於該PIN二極體自一正向偏壓狀態至一反向偏壓狀態之一轉變的充足能源之一時間段之後。
14. 如請求項12所述之設備，其進一步包括閉合該第二半導體開關裝置以將該反向偏壓供應器重新連接至該電感器裝置，以完成該PIN二極體之該反向偏壓。
15. 如請求項12所述之設備，在對該PIN二極體進行正向偏壓時，該控制器包括用以進行以下操作之指令： 斷開該第二半導體開關裝置以將該反向偏壓供應器與該電感器裝置及該PIN二極體斷開； 在斷開該第二半導體開關裝置之後，閉合該第一半導體開關裝置以將該正向偏壓供應器連接至該電感器裝置及該PIN二極體；及 在該PIN二極體之正向偏壓期間，斷開該第一開關以將能源回收提供至該反向偏壓供應器。
16. 如請求項15所述之設備，其中斷開該第一開關以將能源回收提供至該反向偏壓供應器發生在足以使該電感器裝置儲存用於該PIN二極體自一反向偏壓狀態至一正向偏壓狀態之一轉變的充足能源之一時間段之後。
17. 如請求項15所述之設備，該控制器在該PIN二極體之正向偏壓期間進一步包括用以進行以下操作之指令：當通過該電感器之電流為約零或處於一正向偏壓電流時，閉合該第一半導體開關裝置以將該正向偏壓供應器重新連接至該電感器裝置及該PIN二極體。