WO2014040588A1 - Hf power inverter circuit, hf power inverter system, and method for switching a switching element on and off - Google Patents

Hf power inverter circuit, hf power inverter system, and method for switching a switching element on and off Download PDF

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switching
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Sebastian Fecker
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/38Means for preventing simultaneous conduction of switches
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048Circuits or arrangements for reducing losses
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y02B70/00Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to an RF power inverter circuit having at least one switching element, which has a control terminal to which a drive arrangement is connected, which switches the switching element on and off, and an RF power inverter system and a method for switching on and off of a switching element ,
  • An RF power inverter circuit can be used to generate RF power, in particular power with an output frequency of> 1 MHz. Such RF power inverter circuits can be used, for example, to generate a plasma.
  • An RF power inverter circuit may be formed, for example, as a Class D amplifier with a switching bridge.
  • a switching bridge has at least two switching elements, such. As MOSFETs, IGBTs or bipolar transistors, which are connected in series and are operated in push-pull.
  • a switching bridge with two switching elements also referred to below as switching elements or (semiconductor) switches
  • a switching bridge with four switching elements is usually made of two half-bridges or
  • An alternative RF power inverter circuit may be formed, for example, as a Class E amplifier with a single transistor as a switching element. In this case, several switching elements can be connected in parallel
  • Another construction is a push-pull stage with two complementary switching elements, which are connected together at one point.
  • the switching elements also have a control connection in addition to their power connections.
  • the control connection is referred to as a gate (for example, in the case of an IGBT or FET, in particular a MOSFET), or a base (for example, in the case of a bipolar transistor).
  • Each control connection is usually associated with a driver via which a control signal is supplied to the control terminal.
  • the switching commands for turning on and off a switching element are typically low power logic signals, e.g. as an output of a computer control, available.
  • the switching elements require a power signal as a drive signal.
  • drivers are usually provided which generate a drive signal from the on / off commands.
  • Object of the present invention is to show a different approach to control switching elements so that they are switched on or off at a predetermined switching time.
  • an RF power inverter circuit having at least one switching element having a control terminal to which a drive arrangement is connected which switches the switching element on and off, wherein the drive arrangement has a programmable logic module which at least one first Encompassing a logic element
  • Signal delay path for delaying at least one
  • Signal delay path has various second at least one logic element signal delay path for delaying at least one switch-off signal part.
  • two different signal delay paths are defined, namely one for a switch-on signal part and one for a switch-off signal part.
  • a turn-on signal part may be the rising edge of an input signal
  • a turn-on signal part may be a rising edge of an input signal
  • Drive arrangement can be formed completely digital at least up to a driver.
  • a high-frequency signal for example an input signal or parts of such a signal with a frequency of 13.56 MHz, in pulse width and phase very high resolution, for example in steps of 500 ps, in particular 300 ps and especially preferably 100 ps to delay up to 360 °.
  • component tolerances and signal transit times can be compensated and adjusted.
  • a combining element which combines the delayed turn-on signal part and the delayed turn-off signal part into a switching command signal.
  • Switch command signal are generated, wherein the start-stop times (pulse width) and the phase relationship of a plurality of switching command signals are adjustable to each other.
  • the combination element can be arranged in the programmable logic module.
  • a switching command signal given to a driver chip can be completely generated in the programmable logic chip. This results in a single-chip solution. This is associated with a huge cost advantage.
  • such a solution is very space-saving to arrange on a printed circuit board, compared to existing solutions.
  • the first and second signal delay paths may be programmed. Thus one does not need an existing one
  • Signal delay path to be measured in order to determine a signal propagation time but it is possible deliberately set signal propagation times, by selecting or programming signal delay paths appropriately.
  • the first and / or the second signal delay path may be a
  • the logic elements can be designed as so-called look-up tables (look-up tables, LUT).
  • logic elements of a Field Programmable Gate Array (FPGA) may be cascaded to affect signals in their propagation time and generate switching command signals that are high resolution in start, stop, and phase relationships.
  • specific gate delays of FPGA Field Programmable Gate Array
  • Logic elements of an FPGA can be used to set propagation delays of signals.
  • a particular delay can be generated in particular by programming or linking (also called “routed") a selection from a series connection of a predefinable number of look-up tables, each of which causes a delay cascaded look-up tables different
  • All LUTs within a block can have multiple inputs with different runtimes, but they are clearly defined and individually programmable. All LUTs have at least one programmable runtime that coincides with a runtime of another LUT, in particular one adjacent, almost identical. This allows you to program run times very precisely.
  • the linking can be done with appropriate software tools such that the exact location of the LUT and the connections is selected to ensure the most accurate setting and not inaccuracies through maturities on lines in purchasing.
  • a driver In order to generate a drive signal, which can be supplied to the switching element, a driver may be provided, which is arranged between the programmable logic module and the control terminal of the switching element. The driver generates a signal which is suitable for triggering a switching operation on the switching element.
  • each switching element may be provided a plurality of switching elements, wherein the programmable logic device for the switch-on signal part and the switch-off signal part of each switching element has its own
  • the RF power inverter circuit may comprise at least two switching elements forming a half-bridge. Furthermore, the HF Power inverter circuit having at least four full bridge forming switching elements.
  • Full bridge represents the center of a bridge branch.
  • the center of the bridge branch is formed by the two switching elements
  • Frequency of the output signal determined may contain other components, such as phase shifter and signal conditioner.
  • DC voltage component can be provided if only one half-bridge is provided.
  • a full bridge circuit consists of two bridge branches
  • the time span in which neither of the two or both switching elements of a half-bridge conduct should be as short as possible in order to prevent excessive switching of the body diodes of the switching elements, because otherwise the time for their charge carrier degradation is too long.
  • the switching elements must therefore be exactly synchronized.
  • the problem is when the delay times between the switching commands and the switching times are not the same for each switch. The delay times depend on the geometry of the circuit in which the switches are located, the line length in the circuit
  • Switching command may be different.
  • transit time differences can be compensated or travel times can be set exactly.
  • the RF power inverter circuit may comprise at least two switching elements forming a push-pull stage.
  • the RF power inverter circuit may comprise at least one switching element operating in class E operation.
  • Zero Voltage Switching (ZVS).
  • ZVS Zero Voltage Switching
  • the output network may include a power transmitter.
  • Called output transformer further impedances may be provided which allow zero-volt switching, z.
  • a load in particular plasma load or laser, including possible outer circles or
  • the RF power inverter circuit according to the invention can have a plurality of switching elements connected in parallel, wherein each switching element is connected to its own signal delay path.
  • the switching elements may be directly interconnected at their output terminal.
  • the switching elements may be interconnected at their output terminal via matching networks.
  • the switching elements can be interconnected at their output terminal via combiners (combiners, power couplers).
  • the output power can be increased.
  • the switching elements do not always work the same way and minimal inductive or capacitive differences at high frequencies have a big impact on the
  • Switching behavior in particular the duration and speed, may have, it often comes to high losses in parallel operation of
  • the RF power inverter circuit may comprise a plurality of series-connected switching elements, wherein each switching element is connected to its own signal delay path. In this way, very high voltages can be switched over 1 kV and especially over 2 kV.
  • An inventive RF power inverter circuit may have switching edges of less than 30 ns rise and fall time and in particular of less than 10 ns with significantly lower switching losses and
  • An RF power inverter circuit according to the invention can generate powers greater than 500 W, in particular powers greater than 1 kW, with significantly lower switching losses and combining losses.
  • the drive arrangement has a multiplier for duplicating a high-frequency input signal.
  • This Input signal can be supplied after the duplication of multiple delay paths, in each case one
  • Switch-on signal part for example, the rising edge of the
  • Input signal or a turn-off signal portion (eg, the falling edge of the input signal) are individually delayed. At least every two delayed in a delay path signal parts can be reassembled to a signal after passing through the delay paths, which then via a driver as
  • Drive signal can be supplied to a switching element.
  • an RF power inverter system having a plurality of RF power inverter circuits.
  • the loss in power combiners (line couplers, combiners) can be significantly reduced, since the phase position of the output signals of the individual RF power inverter circuits can be coordinated with each other.
  • the programmable logic components of the RF power inverter circuits can be implemented in a module, in particular in a programmable module. This reduces the need for different components and delay elements.
  • Such an HF power inverter system can deliver power greater than 5 kW, in particular power greater than 10 kW, with significantly lower power
  • the scope of the invention also includes a method for switching on and off a switching element to a defined one
  • Switch-on time and switch-off time in which in one Programmable logic device is defined in each case a delay path for a switch-on signal part and a switch-off signal part, the
  • Turn-on signal part and the turn-off signal part are delayed by the respectively defined delay path and the switching element is switched on based on the delayed turn-on signal part and turned off on the basis of the delayed output signal part.
  • Delay path for rising and falling edges of a signal can be used to adjust the phase relationship between signals and the pulse width can.
  • the delay paths can be defined by selecting and interconnecting logic elements and interconnect lines of the programmable logic device. This can be done manually or computer assisted.
  • the delayed turn-on signal part and the delayed turn-off signal part may be combined into a switching command signal, which may then be amplified by a driver to a drive signal.
  • a driving signal for a second switching element may be generated, and the phase relationship of the driving signals may be set for the first and second switching elements.
  • the bridge circuit can be operated with the lowest power losses.
  • an RF signal can be multiplied as an input signal and the rising edge of a duplicated signal and the falling edge of another amplified signal can be in different
  • Switch-on times and switch-off times of the switching elements are set individually.
  • Fig. 1 a full bridge of an RF power inverter circuit
  • Fig. 2 is a circuit diagram for driving two full bridges
  • FIG. 3 shows a drive arrangement of an HF power inverter circuit
  • Fig. 4 an alternative representation of a drive arrangement of a
  • Fig. 5 is a diagram to illustrate the realization
  • Fig. 6 a push-pull power inverter circuit
  • Fig. 7 a power inverter system.
  • FIG. 1 shows a full bridge FBI of an HF power inverter circuit having a first half-bridge 11, which has two series-connected switching elements 12, 13, which are designed as semiconductor switches.
  • the switching elements 12, 13 are assigned drivers 14, 15, respectively.
  • a second half bridge 16 also has two series-connected switching elements 17, 18, with associated drivers 19, 20.
  • the drivers 14, 15, 19, 20 are in each case connected to the control terminals of the switching elements 12, 13, 17, 18 and deliver
  • the load 21 is shown schematically as an impedance, which may include the impedance of a plasma and / or an impedance matching circuit.
  • Switch command signals may be supplied to the inputs of the drivers 14, 15, 19, 20. The generation of the switching command signals will be explained in the following figures.
  • FIG. 2 shows a typical circuit diagram for driving two full bridges FBI, FB2.
  • the waveform Tl shows the drive signal of the switching element 12.
  • the waveform T2 shows the drive signal of the switching element 13. It can be seen that the
  • switching elements 12, 13 are switched on and off alternately. There are never both switching elements 12, 13 at the same time
  • the waveform T3 shows the drive signal of the switching element 17, while the waveform T4, the drive signal of the switching element 18 shows.
  • the switching elements 13, 17 and 12, 18 are thus controlled so that they turn on and off at the same times.
  • the aim of the present invention is to set the exact position of the rising and falling edges of the waveforms Tl to T4 so that the switching elements 12, 18 and 13, 17 are switched on and off exactly at the same time.
  • the signal curves T5 to T8 correspond to the drive signals of two further half bridges, which together form a full bridge FB2.
  • FIG. 3 shows a drive arrangement 30 with the aid of which
  • Switch command signals can be generated. This is a
  • high-frequency input signal 31 which has rising edges 32 and falling edges 33, in particular a signal at, for example, a frequency of 13.56 MHz, a multiplier 34 supplied.
  • the multiplier 34 multiplies the input signal 31 into a plurality of signals 35, 36.
  • the signal 35 is fed via a first delay path 37 and the signal 36 via a second delay path 38.
  • a rising edge 32 can correspond to a switch-on signal part of the signal 31 and the falling edge 33 can correspond to a switch-off signal part of the signal 31.
  • the delayed turn-on signal parts and turn-off signal parts are present at the output of the delay path 37 and the delay path 38, respectively.
  • the schematic illustration shows that the rising edge 32 was delayed differently than the falling edge 33. As a result, a distance t between the delayed rising edge 39 and the delayed falling edge 40 can be set.
  • Turn-on signal parts and turn-off signal parts are combined in pairs into pulses in the combination element 41, so that a switching command signal 42 is produced, which can be supplied to a driver. In this way, switch-on and switch-off of a switching
  • Figure 4 shows substantially the same facts as Figure 3, except that the delay paths are shown in more detail.
  • the input signal 31 is divided by the multiplier 34 and supplied to two different delay paths 37, 38.
  • Both delay paths 37, 38 have a plurality of so-called look-up tables LUT, wherein the signals 35, 36 do not run across all the LUTs of the respective delay path 37, 38.
  • Delay paths 37, 38 are programmable.
  • individual look-up tables LUT can be selected via which the signals 35, 36 should run.
  • only the look-up table 50 is selected in the delay path 37, for example, which leads to a delay of approximately 500 ps.
  • the look-up table 51 is selected, with the result that the signal 36 also passes over the look-up tables 52, 53, so that a total of one
  • the delayed signal parts turn to the switching command signal
  • the entire arrangement 30 can be realized in a single programmable logic module, in particular an FPGA. It is understood that even more switching command signals 42 for a plurality of switching elements can be generated by an FPGA. In particular, it is possible to centrally generate all switching command signals for an HF power inverter circuit. The number of switching command signals to be generated is limited only by the resources in the FPGA. This results in a huge cost advantage, since it is a single-chip solution. The solution is also interference-proof, as it is completely digital. Compared to existing solutions, the
  • FIG. 5 shows a section of an FPGA 60. It is shown schematically here that a plurality of look-up tables 61 have been selected for realizing a delay path and it has also been determined which look-up tables 61 are interconnected by connections 62. Through the targeted selection of look-up tables 61 and their connection to one another, a delay path can be defined and the delay of a signal part brought about by the delay path can be set.
  • FIG. 6 shows an RF power inverter circuit 100 designed as a push-pull inverter circuit with two drive arrangements 30 according to the invention as another of many possible inverter circuits.
  • the semiconductor switches Qi, Q 2 are alternately turned on and off, via the choke RFC is almost one over the duration of a wave
  • Q 2 At the power output of the semiconductor switches Qi, Q 2 is a power transformer 101 with two primary and one secondary winding 102, 103, 104.
  • the primary windings 102, 103 are each at one end to a power output of the semiconductor switches Qi, Q 2 interconnected.
  • Semiconductor switch Qi, Q 2 is connected to a common reference potential 105, preferably ground.
  • the two primary windings 102, 103 are interconnected at their other terminal 106.
  • the throttle RFC is also connected here.
  • the secondary winding 104 is in turn connected at its one terminal to a reference potential, preferably ground.
  • At the other port is the RF power. It is connected to the load R 0 via an output network 107, in this case in the form of a parallel resonant circuit, which also acts as a filter
  • the semiconductor switches Qi, Q 2 are each driven at a gate 108, 109.
  • the control takes place with signals, as in the
  • the RF power inverter system 1000 shown in FIG. 7 comprises a system controller 110 to which 3 RF power inverter circuits 120, 130, 140 are connected in the exemplary embodiment.
  • the RF power inverter circuits 120, 130, 140 each include a
  • the outputs 210, 220, 230 of the power inverter circuits 120, 130, 140 are on a power combiner 240, too
  • Output powers of the power inverter circuits 120, 130, 140 are optionally phase-dependent coupled.
  • the power inverter circuits 120, 130, 140 each have measuring means 260, 270, 280, with which at least the power reflected by the load, which arrives at the power inverter circuits 120, 130, 140, can be detected.
  • the measuring means 260, 270, 280 are designed as directional couplers, so that both a reflected and an output power of the respective power inverter circuit 120, 130, 140 can be detected.
  • the measured power signals related to the reflected power detected by the measuring means 260, 270, 280 are applied to a value determining unit 290, 300, 310 in the control modules 150, 160, 170.
  • Value determination units 290, 300, 310 are determined values, which are then given to the system controller 110, in particular to a determination device 320.
  • the determination device 320 determines the phasing of the output signals of the power inverter circuits 120, 130, 140 to be set.
  • the phasing to be set is given by the determination device 320 to the value determination units 290, 300, 310.
  • the system controller 110 is thus bidirectionally signaling technology with the
  • the system controller 110 further includes a frequency generation unit 330, by which a high frequency excitation frequency signal is given.
  • the frequency generation unit 330 is connected to phase adjusting devices 340, 350, 360 of the power inverter circuits 120, 130, 140.
  • the phase adjustment devices 340, 350, 360 can be designed as phase shifters, in particular programmable logic devices, in particular as FPGAs.
  • the phasing devices 340, 350, 360 shift that from the frequency generation unit 330 predetermined high frequency signal according to the
  • Value determination units 290, 300, 310 predetermined phases or
  • This phase-locked RF signal is supplied to the RF power modules 180, 190, 200 where the respective RF power output signals are generated.
  • the phase adjusting devices 340, 350, 360 can also be accommodated in a common building block, that is to say for example in an FPGA module 370.
  • the value determination units 290, 300, 310 can also be accommodated in this module 370.
  • Phase adjusters 340, 350, 360 are located in drive arrangements as shown in FIG.

Abstract

The invention relates to an HF power inverter circuit (100) comprising at least one switching element (12, 13, 17, 18) that has a control connection to which a control arrangement (30) is connected, said control arrangement switching the switching element (12, 13, 17, 18) on and off. The control arrangement has a programmable logic unit that has a first signal delay path (37, 38), which comprises at least one logic element, for delaying at least one switch-on signal part and a second signal delay path (37, 38), which is different from the first signal delay path (37, 38) and which comprises at least one logic element, for delaying at least one switch-off signal part.

Description

BESCHREIBUNG  DESCRIPTION
HF-Leistungsinverterschaltung, HF-Leistungsinvertersystem und Verfahren zum Ein- und Ausschalten eines schaltenden Elements RF power inverter circuit, RF power inverter system and method of turning on and off a switching element
Die Erfindung betrifft eine HF-Leistungsinverterschaltung mit mindestens einem schaltenden Element, das einen Steueranschluss aufweist, an den eine Ansteueranordnung angeschlossen ist, die das schaltende Element ein- und ausschaltet, sowie ein HF-Leistungsinvertersystem und ein Verfahren zum Ein- und Ausschalten eines schaltenden Elements. The invention relates to an RF power inverter circuit having at least one switching element, which has a control terminal to which a drive arrangement is connected, which switches the switching element on and off, and an RF power inverter system and a method for switching on and off of a switching element ,
Eine HF-Leistungsinverterschaltung kann zum Erzeugen von HF- Leistungen, insbesondere von Leistungen mit einer Ausgangsfrequenz von > 1 MHz, verwendet werden. Derartige HF-Leistungsinverterschaltungen können beispielsweise eingesetzt werden, um ein Plasma zu erzeugen. Eine HF-Leistungsinverterschaltung kann beispielsweise als Klasse-D Verstärker mit einer Schaltbrücke ausgebildet sein. Eine Schaltbrücke weist zumindest zwei schaltende Elemente, wie z. B. MOSFETs, IGBTs oder Bipolartransistoren, auf, die in Serie geschaltet sind und die im Gegentakt betrieben werden. Eine Schaltbrücke mit zwei schaltenden Elementen (im Folgenden auch als Schaltelemente oder (Halbleiter-)Schalter bezeichnet) wird auch Halbbrücke oder Brückenzweig genannt. Eine Schaltbrücke mit vier Schaltelementen ist in der Regel aus zwei Halbbrücken bzw. An RF power inverter circuit can be used to generate RF power, in particular power with an output frequency of> 1 MHz. Such RF power inverter circuits can be used, for example, to generate a plasma. An RF power inverter circuit may be formed, for example, as a Class D amplifier with a switching bridge. A switching bridge has at least two switching elements, such. As MOSFETs, IGBTs or bipolar transistors, which are connected in series and are operated in push-pull. A switching bridge with two switching elements (also referred to below as switching elements or (semiconductor) switches) is also called half bridge or bridge branch. A switching bridge with four switching elements is usually made of two half-bridges or
Brückenzweigen aufgebaut. Bridge branches built.
Es sind viele Betriebsarten und Bauweisen von HF- Leistungsinverterschaltungen bekannt. Eine alternative HF- Leistungsinverterschaltung kann beispielsweise als Klasse-E Verstärker mit einem einzelnen Transistor als schaltendem Element ausgebildet sein. Dabei können mehrere schaltende Elemente parallel geschaltet sein Eine andere Bauweise ist eine Push-pull Stufe mit zwei komplementär schaltenden Elementen, die an einem Punkt zusammengeschaltet sind . Many modes and constructions of RF power inverter circuits are known. An alternative RF power inverter circuit may be formed, for example, as a Class E amplifier with a single transistor as a switching element. In this case, several switching elements can be connected in parallel Another construction is a push-pull stage with two complementary switching elements, which are connected together at one point.
Die Schaltelemente weisen neben ihren Leistungsanschlüssen auch einen Steueranschluss auf. Der Steueranschluss wird je nach Ausgestaltung des Schaltelements als Gate (z. B. bei IGBT oder FET, insbesondere MOSFET), oder Basis (z. B. bei Bipolartransistor) bezeichnet. Jedem Steueranschluss ist in der Regel ein Treiber zugeordnet, über den dem Steueranschluss ein Ansteuersignal zugeführt wird . The switching elements also have a control connection in addition to their power connections. Depending on the configuration of the switching element, the control connection is referred to as a gate (for example, in the case of an IGBT or FET, in particular a MOSFET), or a base (for example, in the case of a bipolar transistor). Each control connection is usually associated with a driver via which a control signal is supplied to the control terminal.
Die Schaltbefehle zum Ein- und Ausschalten eines schaltenden Elements stehen in der Regel als leistungsschwache Logiksignale, z.B. als Ausgang einer Computersteuerung, zur Verfügung. Zum Schalten benötigen die schaltenden Elemente jedoch ein Leistungssignal als Ansteuersignal. The switching commands for turning on and off a switching element are typically low power logic signals, e.g. as an output of a computer control, available. For switching, however, the switching elements require a power signal as a drive signal.
Daher sind in der Regel Treiber vorgesehen, die aus den Ein- /Ausschaltbefehlen ein Ansteuersignal generieren. Therefore, drivers are usually provided which generate a drive signal from the on / off commands.
Die Laufzeiten von den die Logiksignale erzeugenden Baugruppen, (z.B. Computersteuerungen) über Treiber und gegebenenfalls auch noch The transit times of the logic signal generating assemblies, (e.g., computer controllers) via drivers and possibly also
Signalübertrager bis hin zu den schaltenden Elementen sind bei Signal transformers up to the switching elements are included
hochfrequenten Ansteuerungen oberhalb 1 MHz oftmals schon sehr verschieden. Wenn mehrere schaltende Elemente angesteuert werden, führt eine ungenaue Einschalt- und/oder Ausschaltflanke zu Verlusten und Spannungsspitzen. Es können beispielsweise zwei schaltende Elemente durch ungenaue Schaltzeitpunkte ungewollt für einen kurzen Zeitbereich gleichzeitig eingeschaltet sein und so einen Kurzschlussstrom erzeugen, der Verlustwärme erzeugt und Bauteile zerstören kann. high-frequency drives above 1 MHz often already very different. When multiple switching elements are driven, an inaccurate turn-on and / or turn-off edge will result in losses and voltage spikes. For example, two switching elements may be unintentionally switched on at the same time for a short period of time due to inaccurate switching times and thus generate a short-circuit current that generates lost heat and can destroy components.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine andere Herangehensweise aufzuzeigen, um schaltende Elemente so ansteuern zu können, dass sie zu einem vorgegebenen Schaltzeitpunkt ein- bzw. ausgeschaltet werden. Object of the present invention is to show a different approach to control switching elements so that they are switched on or off at a predetermined switching time.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine HF- Leistungsinverterschaltung mit mindestens einem schaltenden Element, das einen Steueranschluss aufweist, an den eine Ansteueranordnung angeschlossen ist, die das schaltende Element ein- und ausschaltet, wobei die Ansteueranordnung einen programmierbaren Logikbaustein aufweist, der einen ersten zumindest ein Logikelement umfassenden This object is achieved according to the invention by an RF power inverter circuit having at least one switching element having a control terminal to which a drive arrangement is connected which switches the switching element on and off, wherein the drive arrangement has a programmable logic module which at least one first Encompassing a logic element
Signalverzögerungspfad zur Verzögerung zumindest eines Signal delay path for delaying at least one
Einschaltsignalteils und einen zweiten von dem ersten Turn-on signal part and a second of the first
Signalverzögerungspfad verschiedene zweiten zumindest ein Logikelement umfassenden Signalverzögerungspfad zur Verzögerung zumindest eines Ausschaltsignalteils aufweist. Erfindungsgemäß werden daher zwei unterschiedliche Signalverzögerungspfade definiert, nämlich einer für einen Einschaltsignalteil und einer für einen Ausschaltsignalteil. Bei einem Einschaltsignalteil kann es sich beispielsweise um die steigende Flanke eines Eingangssignals handeln, während es sich bei einem Signal delay path has various second at least one logic element signal delay path for delaying at least one switch-off signal part. According to the invention, therefore, two different signal delay paths are defined, namely one for a switch-on signal part and one for a switch-off signal part. For example, a turn-on signal part may be the rising edge of an input signal, while a turn-on signal part may be a rising edge of an input signal
Ausschaltsignalteil um die fallende Flanke eines Eingangssignals handeln kann. Die steigende und fallende Flanke eines Eingangssignals können somit unterschiedlich verzögert werden, um so genau einen Einschaltbzw, einen Ausschaltzeitpunkt zu erreichen. Eine solche HF- Leistungsinverterschaltung ist besonders störsicher, da die Off signal part to the falling edge of an input signal can act. The rising and falling edges of an input signal can thus be delayed differently so as to exactly reach a switch-on or switch-off time. Such an HF Leistungsinverterschaltung is particularly immune to interference, since the
Ansteueranordnung zumindest bis zu einem Treiber vollständig digital ausgebildet werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, ein hochfrequentes Signal, beispielsweise ein Eingangssignal bzw. Teile eines solchen Signals mit einer Frequenz von 13,56 MHz, in Pulsbreite und Phase sehr hoch auflösend, beispielsweise in Schritten von 500 ps, insbesondere 300 ps und besonders bevorzugt 100 ps, um bis zu 360° zu verzögern. Auf diese Art und Weise können Bauteiltoleranzen sowie Signallaufzeiten ausgeglichen und angepasst werden. Drive arrangement can be formed completely digital at least up to a driver. With the arrangement according to the invention it is possible, a high-frequency signal, for example an input signal or parts of such a signal with a frequency of 13.56 MHz, in pulse width and phase very high resolution, for example in steps of 500 ps, in particular 300 ps and especially preferably 100 ps to delay up to 360 °. In this way, component tolerances and signal transit times can be compensated and adjusted.
Es kann ein Kombinationsglied vorgesehen sein, das den verzögerten Einschaltsignalteil und den verzögerten Ausschaltsignalteil zu einem Schaltbefehlsignal kombiniert. Somit kann aus den jeweils separat verzögerten Einschaltsignalteilen und Ausschaltsignalteilen ein There may be provided a combining element which combines the delayed turn-on signal part and the delayed turn-off signal part into a switching command signal. Thus, from the respective separately delayed turn-on signal parts and turn-off signal parts
Schaltbefehlsignal generiert werden, wobei die Start-Stoppzeitpunkte (Pulsbreite) und die Phasenbeziehung mehrerer Schaltbefehlsignale zueinander einstellbar sind. Switch command signal are generated, wherein the start-stop times (pulse width) and the phase relationship of a plurality of switching command signals are adjustable to each other.
Das Kombinationsglied kann in dem programmierbaren Logikbaustein angeordnet sein. Somit kann ein Schaltbefehlsignal, welches auf einen Treiberbaustein gegeben wird, vollständig in dem programmierbaren Logikbaustein erzeugt werden. Es ergibt sich somit eine Single-Chip- Lösung . Hiermit ist ein enormer Kostenvorteil verbunden. Außerdem ist eine solche Lösung sehr platzsparend auf einer Leiterkarte anzuordnen, im Vergleich zu bestehenden Lösungen. The combination element can be arranged in the programmable logic module. Thus, a switching command signal given to a driver chip can be completely generated in the programmable logic chip. This results in a single-chip solution. This is associated with a huge cost advantage. In addition, such a solution is very space-saving to arrange on a printed circuit board, compared to existing solutions.
Der erste und der zweite Signalverzögerungspfad können programmiert sein. Somit ist man nicht darauf angewiesen, einen bestehenden The first and second signal delay paths may be programmed. Thus one does not need an existing one
Signalverzögerungspfad zu vermessen, um eine Signallaufzeit zu ermitteln, sondern es können bewusst Signallaufzeiten eingestellt werden, indem Signalverzögerungspfade geeignet gewählt bzw. programmiert werden. Signal delay path to be measured in order to determine a signal propagation time, but it is possible deliberately set signal propagation times, by selecting or programming signal delay paths appropriately.
Der erste und/oder der zweite Signalverzögerungspfad kann eine The first and / or the second signal delay path may be a
Kaskadierung von mehreren Logikelementen aufweisen. Durch die Cascading of several logic elements have. By the
Kaskadierung unterschiedlicher Logikelemente können unterschiedliche Verzögerungszeiten eingestellt werden. Cascading of different logic elements different delay times can be set.
Die Logikelemente können als sogenannte Nachschau-Tabellen (Look-Up- Tables, LUT) ausgebildet sein. Insbesondere können Logikelemente eines Field Programmable Gate Arrays (FPGA) kaskadiert werden, um Signale in ihrer Laufzeit zu beeinflussen und Schaltbefehlsignale zu generieren, die hoch auflösend in Start-, Stoppzeitpunkt und Phasenbeziehung zueinander sind. Insbesondere können spezifische Gatterlaufzeiten von The logic elements can be designed as so-called look-up tables (look-up tables, LUT). In particular, logic elements of a Field Programmable Gate Array (FPGA) may be cascaded to affect signals in their propagation time and generate switching command signals that are high resolution in start, stop, and phase relationships. In particular, specific gate delays of
Logikelementen eines FPGAs zur Einstellung von Laufzeitverzögerungen von Signalen verwendet werden. Eine bestimmte Verzögerung kann insbesondere dadurch generiert werden, dass eine Auswahl von einer Serienschaltung einer vorgebbaren Anzahl von Look-Up-Tables, die jeweils eine Verzögerung bewirken, programmiert oder verknüpft (man sagt auch :„geroutet") wird. Hierbei können unterschiedliche Anzahlen von hintereinandergeschalteten Look-Up-Tables unterschiedliche Logic elements of an FPGA can be used to set propagation delays of signals. A particular delay can be generated in particular by programming or linking (also called "routed") a selection from a series connection of a predefinable number of look-up tables, each of which causes a delay cascaded look-up tables different
Verzögerungen bewirken. Je nach Zusammenstellung von Cause delays. Depending on the composition of
unterschiedlichen Anzahlen von Look-Up-Tables können somit different numbers of look-up tables can thus
unterschiedliche Signallaufzeiten eingestellt werden. different signal propagation times are set.
Alle LUTs innerhalb eines Bausteins können mehrere Eingänge mit unterschiedlichen Laufzeiten aufweisen, die aber klar definiert und einzeln programmierbar sind . Alle LUTs weisen zumindest eine programmierbare Laufzeit auf, die mit einer Laufzeit einer anderen LUT, insbesondere einer benachbarten, nahezu identisch sind . Damit lassen sich Laufzeiten sehr genau programmieren. All LUTs within a block can have multiple inputs with different runtimes, but they are clearly defined and individually programmable. All LUTs have at least one programmable runtime that coincides with a runtime of another LUT, in particular one adjacent, almost identical. This allows you to program run times very precisely.
Durch die Kaskadierung/das Weglassen mehrerer LUTs in einer Kette wird eine unterschiedliche Verzögerung erreicht. Dabei kann das Verknüpfen mit entsprechenden Software-Werkzeugen dergestalt erfolgen, dass die genaue Lage der LUT und der Verbindungen ausgewählt wird, um eine möglichst exakte Einstellung zu gewährleisten und nicht Ungenauigkeiten durch Laufzeiten auf Leitungen in Kauf nehmen zu müssen . By cascading / omitting multiple LUTs in a chain, a different delay is achieved. In this case, the linking can be done with appropriate software tools such that the exact location of the LUT and the connections is selected to ensure the most accurate setting and not inaccuracies through maturities on lines in purchasing.
Um ein Ansteuersignal zu erzeugen, welches dem schaltenden Element zugeführt werden kann, kann ein Treiber vorgesehen sein, der zwischen dem programmierbaren Logikbaustein und dem Steueranschluss des schaltenden Elements angeordnet ist. Durch den Treiber wird ein Signal generiert, welches geeignet ist, einen Schaltvorgang bei dem schaltenden Element auszulösen. In order to generate a drive signal, which can be supplied to the switching element, a driver may be provided, which is arranged between the programmable logic module and the control terminal of the switching element. The driver generates a signal which is suitable for triggering a switching operation on the switching element.
Es können mehrere schaltende Elemente vorgesehen sein, wobei der programmierbare Logikbaustein für den Einschaltsignalteil und den Ausschaltsignalteil jedes schaltenden Elements einen eigenen There may be provided a plurality of switching elements, wherein the programmable logic device for the switch-on signal part and the switch-off signal part of each switching element has its own
Signalverzögerungspfad aufweist. Somit können die Ein- und Signal delay path has. Thus, the inputs and
Ausschaltzeitpunkte für jedes schaltende Element individuell festgelegt werden. Dadurch können die Zeiten, in denen beide schaltende Elemente einer Halbbrücke ausgeschaltet sind, minimiert werden. Auch können Phasenbeziehungen zwischen Ansteuersignalen von zwei schaltenden Elementen exakt eingestellt werden. Off times for each switching element are set individually. As a result, the times in which both switching elements of a half-bridge are switched off can be minimized. Also, phase relationships between drive signals of two switching elements can be set exactly.
Die HF-Leistungsinverterschaltung kann zumindest zwei eine Halbbrücke bildende schaltende Elemente aufweisen. Weiterhin kann die HF- Leistungsinverterschaltung zumindest vier eine Vollbrücke bildende schaltende Elemente aufweisen. The RF power inverter circuit may comprise at least two switching elements forming a half-bridge. Furthermore, the HF Power inverter circuit having at least four full bridge forming switching elements.
Auf diese Weise kann ein weiterer Vorteil erzielt werden . Der In this way, another advantage can be achieved. Of the
Verbindungspunkt der schaltenden Elemente bei einer Halb- oder Connection point of the switching elements in a half or
Vollbrücke stellt den Mittelpunkt eines Brückenzweigs dar. Der Mittelpunkt des Brückenzweigs wird durch die zwei schaltenden Elemente Full bridge represents the center of a bridge branch. The center of the bridge branch is formed by the two switching elements
abwechselnd an einen positiven oder negativen Pol einer alternately to a positive or negative pole one
Gleichstromquelle, die eine bestimmte Betriebsspannung hat, geschaltet. Die abwechselnde Ansteuerung der beiden Schaltelemente sowie der Schaltelemente eines eventuell vorhandenen zweiten Brückenzweigs erfolgt durch eine Ansteueranordnung, die einen Oszillator, der die DC power source, which has a certain operating voltage switched. The alternating control of the two switching elements and the switching elements of a possibly existing second bridge branch is effected by a drive arrangement comprising an oscillator, the
Frequenz des Ausgangssignals bestimmt, und weitere Bauelemente, wie Phasenschieber und Signalformer, enthalten kann. Ein zusätzlicher Kondensator zur Befreiung des Ausgangssignals von einem Frequency of the output signal determined, and may contain other components, such as phase shifter and signal conditioner. An additional capacitor for the release of the output signal of one
Gleichspannungsanteil kann vorgesehen sein, wenn nur eine Halbbrücke vorgesehen ist. DC voltage component can be provided if only one half-bridge is provided.
Eine Vollbrückenschaltung besteht aus zwei Brückenzweigen A full bridge circuit consists of two bridge branches
(Halbbrücken), deren Mittelbunkte mit der gewünschten Frequenz jeweils gegensinnig an den positiven und negativen Pol der Gleichstromquelle geschaltet werden. Die Wechselstromlast wird zwischen diesen beiden Mittelpunkten angeordnet. Ein zusätzlicher Kondensator zur Befreiung des Ausgangssignals von einem Gleichspannungsanteil ist nicht notwendig. Beim Betrieb von Schaltbrücken, die mit einer Spannungsquelle versorgt sind, ist darauf zu achten, dass nie beide schaltenden Elemente einer Halbbrücke gleichzeitig eingeschaltet sind, da es ansonsten zu einem Kurzschluss mit möglicher Zerstörung der schaltenden Elemente oder anderer Komponente kommen kann. Beim Betrieb von Schaltbrücken, die mit einer Stromquelle versorgt sind, ist darauf zu achten, dass nie beide schaltenden Elemente einer Halbbrücke gleichzeitig ausgeschaltet sind, da es ansonsten zu Überspannungen mit möglicher Zerstörung der (Half bridges), the midpoints are switched in each case in opposite directions to the positive and negative poles of the DC power source with the desired frequency. The AC load is placed between these two centers. An additional capacitor to free the output signal from a DC component is not necessary. When operating jumpers which are supplied with a voltage source, care must be taken that never both switching elements of a half-bridge are switched on at the same time, as otherwise a short-circuit with possible destruction of the switching elements or other components may occur. When operating jumpers that are supplied with a power source, make sure that never both switching elements of a half-bridge are switched off at the same time, otherwise there will be overvoltages with possible destruction of the
schaltenden Elemente oder anderer Komponente kommen kann. switching elements or other component can come.
Andererseits soll die Zeitspanne, in der keiner der beiden bzw. beide schaltenden Elemente einer Halbbrücke leiten, möglichst kurz sein, um ein zu starkes Durchschalten der Bodydioden der schaltenden Elemente zu verhindern, denn sonst ist die Zeit für deren Ladungsträgerabbau danach zu lang . Die schaltenden Elemente müssen daher exakt synchronisiert werden. Problematisch ist, wenn die Verzögerungszeiten zwischen den Schaltbefehlen und den Schaltzeitpunkten nicht bei jedem Schalter gleich sind. Die Verzögerungszeiten hängen von der Geometrie der Schaltung, in der die Schalter angeordnet sind, der Leitungslänge in der On the other hand, the time span in which neither of the two or both switching elements of a half-bridge conduct, should be as short as possible in order to prevent excessive switching of the body diodes of the switching elements, because otherwise the time for their charge carrier degradation is too long. The switching elements must therefore be exactly synchronized. The problem is when the delay times between the switching commands and the switching times are not the same for each switch. The delay times depend on the geometry of the circuit in which the switches are located, the line length in the circuit
Ansteueranordnung, den Steueranschlüssen und gegebenenfalls weiterer Bauelemente, den Exemplarstreuungen der Schalter und der Treiber aber auch den Exemplarstreuungen anderer Bauteile, beispielsweise eines Signalübertragers, ab. Es kommt daher zu Laufzeitunterschieden der Signale zur Ansteuerung der schaltenden Elemente, was dazu führt, dass die Schaltzeitpunkte der einzelnen Schalter als Reaktion auf einen Drive arrangement, the control terminals and possibly other components, the copies scattering of the switches and the driver but also the copy scattering of other components, such as a signal transformer from. It therefore comes at runtime differences of the signals to control the switching elements, which means that the switching times of the individual switches in response to a
Schaltbefehl unterschiedlich sein können. Erfindungsgemäß können Laufzeitunterschiede kompensiert bzw. Laufzeiten exakt eingestellt werden. Switching command may be different. In accordance with the invention, transit time differences can be compensated or travel times can be set exactly.
Die HF-Leistungsinverterschaltung kann zumindest zwei eine Push-Pull Stufe bildende schaltende Elemente aufweisen. The RF power inverter circuit may comprise at least two switching elements forming a push-pull stage.
Die HF-Leistungsinverterschaltung kann zumindest ein im Klasse E Betrieb arbeitendes schaltendes Elemente aufweisen. The RF power inverter circuit may comprise at least one switching element operating in class E operation.
Bei all diesen Betriebsarten und Bauweisen einer HF- Leistungsinverterschaltung können weitere Vorteile erzielt werden. Um Schaltverluste zu vermeiden, sollte es zum Zeitpunkt des Einschaltens der einzelnen Schaltelemente keine nennenswerte Spannungsdifferenzen zwischen den beiden Leistungselektroden (im allgemeinen Drain und Source des jeweiligen MOSFETs) geben. Dieses Schaltverhalten wird als Null-Volt-Schalten (Zero Voltage Switching, ZVS) bezeichnet. Man erreicht dies unter anderem durch geeignete Auslegung des Ausgangsnetzwerks. Bei geeigneter Dimensionierung der Bauelemente unter Berücksichtigung ihrer parasitären Eigenschaften sowie bei richtiger Wahl der Schalt- /Wartezeit des Schaltelements ist das Potential an diesem augenblicklich nicht mit der Gleichstromquelle verbundenen Anschluss genauso hoch wie das Potential an demjenigen Anschluss der Gleichstromquelle, der nun mit diesem Anschluss des Schaltelemente zugeschaltet werden soll . In all these modes and constructions of an RF power inverter circuit, further advantages can be achieved. Around To avoid switching losses, there should be no significant voltage differences between the two power electrodes (generally the drain and source of the respective MOSFETs) at the time of switching on the individual switching elements. This switching behavior is referred to as Zero Voltage Switching (ZVS). One achieves this among other things by suitable design of the output network. With a suitable dimensioning of the components, taking into account their parasitic properties as well as correct selection of the switching / waiting time of the switching element, the potential at this instant not connected to the DC power source connection is just as high as the potential at that terminal of the DC power source, which now with this terminal of the Switching elements to be switched on.
Das Ausgangsnetzwerk kann einen Leistungsübertrager aufweisen. The output network may include a power transmitter.
Alternativ oder zusätzlich zum Leistungsübertrager (auch Alternatively or in addition to the power transformer (also
Ausgangsübertrager genannt) können weitere Impedanzen vorgesehen sein, die Null-Volt-Schalten ermöglichen, z. B. eine Last, insbesondere Plasmalast oder Laser, einschließlich möglicher Außenkreise oder Called output transformer) further impedances may be provided which allow zero-volt switching, z. As a load, in particular plasma load or laser, including possible outer circles or
Impedanzanpassungsschaltungen. Impedance matching circuits.
Die erfindungsgemäße HF-Leistungsinverterschaltung kann mehrere parallel zusammengeschaltete schaltende Elemente aufweisen, wobei jedes schaltende Element an einen eigenen Signalverzögerungspfad angeschlossen ist. The RF power inverter circuit according to the invention can have a plurality of switching elements connected in parallel, wherein each switching element is connected to its own signal delay path.
Die schaltenden Elemente können an ihrem Ausgangsanschluss direkt zusammengeschaltet sein. The switching elements may be directly interconnected at their output terminal.
Die schaltenden Elemente können an ihrem Ausgangsanschluss über Anpassnetzwerke zusammengeschaltet sein. Die schaltenden Elemente können an ihrem Ausgangsanschluss über Kombinierer (Combiner, Leistungskoppler) zusammengeschaltet sein. The switching elements may be interconnected at their output terminal via matching networks. The switching elements can be interconnected at their output terminal via combiners (combiners, power couplers).
Durch Parallelbetrieb von mehreren schaltenden Elementen kann die Ausgangsleistung erhöht werden. Da die schaltenden Elemente aber nicht immer ganz gleich arbeiten und minimale induktive oder kapazitive Unterschiede bei hohen Frequenzen einen großen Einfluss auf das By parallel operation of several switching elements, the output power can be increased. However, because the switching elements do not always work the same way and minimal inductive or capacitive differences at high frequencies have a big impact on the
Schaltverhalten, insbesondere die Laufzeit und Geschwindigkeit, haben können, kommt es oft zu hohen Verlusten beim Parallelbetrieb von Switching behavior, in particular the duration and speed, may have, it often comes to high losses in parallel operation of
Transistoren. Das kann mit dieser Vorrichtung vermieden werden. Transistors. This can be avoided with this device.
Die HF-Leistungsinverterschaltung kann mehrere seriell zusammengeschaltete schaltende Elemente aufweisen, wobei jedes schaltende Element an einen eigenen Signalverzögerungspfad angeschlossen ist. Auf diese Weise können sehr hohe Spannungen über 1 kV insbesondere auch über 2 kV geschaltet werden. The RF power inverter circuit may comprise a plurality of series-connected switching elements, wherein each switching element is connected to its own signal delay path. In this way, very high voltages can be switched over 1 kV and especially over 2 kV.
Eine erfindungsgemäße HF-Leistungsinverterschaltung kann Schaltflanken von weniger als 30 ns Anstieg- und Abfallzeit und insbesondere von weniger als 10 ns mit deutlich geringeren Schaltverlusten und An inventive RF power inverter circuit may have switching edges of less than 30 ns rise and fall time and in particular of less than 10 ns with significantly lower switching losses and
Kombinierverlusten erzeugen. Create combination losses.
Eine erfindungsgemäße HF-Leistungsinverterschaltung kann Leistungen größer 500 W, insbesondere Leistungen größer 1 kW, mit deutlich geringeren Schaltverlusten und Kombinierverlusten erzeugen. An RF power inverter circuit according to the invention can generate powers greater than 500 W, in particular powers greater than 1 kW, with significantly lower switching losses and combining losses.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Ansteueranordnung einen Vervielfältiger zum Vervielfältigen eines hochfrequenten Eingangssignals aufweist. Somit ist lediglich ein einziges Eingangssignal notwendig. Dieses Eingangssignal kann nach der Vervielfältigung mehreren Verzögerungspfaden zugeführt werden, in denen jeweils ein Particular advantages arise when the drive arrangement has a multiplier for duplicating a high-frequency input signal. Thus, only a single input signal is necessary. This Input signal can be supplied after the duplication of multiple delay paths, in each case one
Einschaltsignalteil (beispielsweise die steigende Flanke des Switch-on signal part (for example, the rising edge of the
Eingangssignals) oder ein Ausschaltsignalteil (beispielsweise die fallende Flanke des Eingangssignals) individuell verzögert werden. Zumindest jeweils zwei in einem Verzögerungspfad verzögerte Signalteile können nach Durchlaufen der Verzögerungspfade wieder zu einem Signal zusammengesetzt werden, welches dann über einen Treiber als Input signal) or a turn-off signal portion (eg, the falling edge of the input signal) are individually delayed. At least every two delayed in a delay path signal parts can be reassembled to a signal after passing through the delay paths, which then via a driver as
Ansteuersignal einem schaltenden Element zugeführt werden kann. Drive signal can be supplied to a switching element.
In den Rahmen der Erfindung fällt ein HF-Leistungsinvertersystem mit mehreren HF-Leistungsinverterschaltungen. Dadurch kann der Verlust in Leistungskombinierern (Leitungskopplern, Combiner) erheblich reduziert werden, da die Phasenlage der Ausgangssignale der einzelnen HF- Leistungsinverterschaltungen untereinander abgestimmt werden kann. Insbesondere können dabei die programmierbaren Logikbauteile der HF- Leistungsinverterschaltungen in einem Baustein, insbesondere in einem programmierbaren Baustein, realisiert sein. Dadurch reduziert sich der Bedarf an unterschiedlichen Bauteilen und Verzögerungsgliedern. Within the scope of the invention is an RF power inverter system having a plurality of RF power inverter circuits. As a result, the loss in power combiners (line couplers, combiners) can be significantly reduced, since the phase position of the output signals of the individual RF power inverter circuits can be coordinated with each other. In particular, the programmable logic components of the RF power inverter circuits can be implemented in a module, in particular in a programmable module. This reduces the need for different components and delay elements.
Zusätzlich ist ein deutlich verbessertes Abstimmen der Phasen In addition, a significantly improved tuning of the phases
untereinander möglich, das die Verlustleistung in Kopplern noch einmal deutlich reduziert und die Zuverlässigkeit erhöht. possible with each other, which significantly reduces the power loss in couplers and increases reliability.
Eine solches HF-Leistungsinvertersystem kann Leistungen größer 5 kW, insbesondere Leistungen größer 10 kW, mit deutlich geringeren Such an HF power inverter system can deliver power greater than 5 kW, in particular power greater than 10 kW, with significantly lower power
Schaltverlusten und Kombinierverlusten erzeugen. Generate switching losses and combination losses.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Verfahren zum Ein- und Ausschalten eines schaltenden Elements zu einem definierten The scope of the invention also includes a method for switching on and off a switching element to a defined one
Einschaltzeitpunkt und Ausschaltzeitpunkt, bei dem in einem programmierbaren Logikbaustein jeweils ein Verzögerungspfad für einen Einschaltsignalteil und einen Ausschaltsignalteil definiert wird, der Switch-on time and switch-off time, in which in one Programmable logic device is defined in each case a delay path for a switch-on signal part and a switch-off signal part, the
Einschaltsignalteil und der Ausschaltsignalteil durch den jeweils dafür definierten Verzögerungspfad verzögert werden und das schaltende Element auf Basis des verzögerten Einschaltsignalteils eingeschaltet und auf Basis des verzögerten Ausgangssignalteils ausgeschaltet wird. Mit einem solchen Verfahren ist es möglich, die Verlustleistung im schaltenden Element durch optimale Anpassung der Ein- und Ausschaltzeitpunkte zu minimieren. Weiterhin besteht die bestmögliche Leistungskombination bei geringsten Verlusten zweier Vollbrücken durch eine digital und störsicher einstellbare Ansteuerung. Insbesondere kann eine eigene Turn-on signal part and the turn-off signal part are delayed by the respectively defined delay path and the switching element is switched on based on the delayed turn-on signal part and turned off on the basis of the delayed output signal part. With such a method, it is possible to minimize the power loss in the switching element by optimally adjusting the on and off times. Furthermore, the best possible power combination with the lowest losses of two full bridges is provided by a digitally and interference-free adjustable control. In particular, your own
Verzögerungsstrecke für steigende und fallende Flanken eines Signals verwendet werden, um die Phasenbeziehung zwischen Signalen sowie die Pulsbreite einstellen zu können. Delay path for rising and falling edges of a signal can be used to adjust the phase relationship between signals and the pulse width can.
Die Verzögerungspfade können definiert werden, indem Logikelemente und Verbindungsleitungen des programmierbaren Logikbausteins ausgewählt und miteinander verbunden werden. Dies kann manuell erfolgen oder computerunterstützt. The delay paths can be defined by selecting and interconnecting logic elements and interconnect lines of the programmable logic device. This can be done manually or computer assisted.
Der verzögerte Einschaltsignalteil und der verzögerte Ausschaltsignalteil können zu einem Schaltbefehlsignal kombiniert werden, welches dann durch einen Treiber zu einem Ansteuersignal verstärkt werden kann. The delayed turn-on signal part and the delayed turn-off signal part may be combined into a switching command signal, which may then be amplified by a driver to a drive signal.
Es kann ein Ansteuersignal für ein zweites schaltendes Element erzeugt werden und die Phasenbeziehung der Ansteuersignale kann für das erste und zweite schaltende Element eingestellt werden. Wenn das erste und zweite schaltende Element in einer Brückenschaltung angeordnet sind, kann die Brückenschaltung mit geringsten Leistungsverlusten betrieben werden. Weiterhin kann ein HF-Signal als Eingangssignal vervielfältigt werden und die steigende Flanke eines vervielfältigten Signals und die fallende Flanke eines anderen vervielfältigten Signals kann in unterschiedlichen A driving signal for a second switching element may be generated, and the phase relationship of the driving signals may be set for the first and second switching elements. When the first and second switching elements are arranged in a bridge circuit, the bridge circuit can be operated with the lowest power losses. Furthermore, an RF signal can be multiplied as an input signal and the rising edge of a duplicated signal and the falling edge of another amplified signal can be in different
Verzögerungspfaden verzögert werden. Somit können die Delay paths are delayed. Thus, the
Einschaltzeitpunkte und Ausschaltzeitpunkte der schaltenden Elemente individuell eingestellt werden.  Switch-on times and switch-off times of the switching elements are set individually.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein. Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment of the invention, with reference to the figures of the drawing, which show details essential to the invention and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen : Preferred embodiments of the invention are shown schematically in the drawing and are explained below with reference to the figures of the drawing. Show it :
Fig . 1 eine Vollbrücke einer HF-Leistungsinverterschaltung; Fig. 1 a full bridge of an RF power inverter circuit;
Fig . 2 ein Schaltschema zur Ansteuerung zweier Vollbrücken; Fig. 2 is a circuit diagram for driving two full bridges;
Fig . 3 eine Ansteueranordnung einer HF-Leistungsinverterschaltung; Fig. FIG. 3 shows a drive arrangement of an HF power inverter circuit; FIG.
Fig . 4 eine alternative Darstellung einer Ansteueranordnung einer Fig. 4 an alternative representation of a drive arrangement of a
HF-Leistungsinverterschaltung;  RF power inverter circuit;
Fig . 5 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Realisierung Fig. 5 is a diagram to illustrate the realization
Verzögerungspfads; Fig . 6 eine Push-Pull Leistungsinverterschaltung; Delay path; Fig. 6 a push-pull power inverter circuit;
Fig . 7 ein Leistungsinvertersystem. Fig. 7 a power inverter system.
Die Figur 1 zeigt eine Vollbrücke FBI einer HF-Leistungsinverterschaltung mit einer ersten Halbbrücke 11, die zwei in Serie geschaltete schaltende Elemente 12, 13 aufweist, die als Halbleiterschalter ausgebildet sind . Den schaltenden Elementen 12, 13 sind jeweils Treiber 14, 15 zugeordnet. Eine zweite Halbbrücke 16 weist ebenfalls zwei in Serie geschaltete schaltende Elemente 17, 18 auf, mit zugeordneten Treibern 19, 20. Die Treiber 14, 15, 19, 20 sind dabei jeweils an die Steueranschlüsse der schaltenden Elemente 12, 13, 17, 18 angeschlossen und liefern ein FIG. 1 shows a full bridge FBI of an HF power inverter circuit having a first half-bridge 11, which has two series-connected switching elements 12, 13, which are designed as semiconductor switches. The switching elements 12, 13 are assigned drivers 14, 15, respectively. A second half bridge 16 also has two series-connected switching elements 17, 18, with associated drivers 19, 20. The drivers 14, 15, 19, 20 are in each case connected to the control terminals of the switching elements 12, 13, 17, 18 and deliver
Ansteuersignal zur Ansteuerung, d.h. zum Ein- und Ausschalten, der schaltenden Elemente 12, 13, 17, 18. Drive signal for driving, i. for switching on and off, the switching elements 12, 13, 17, 18.
Zwischen den Mittelpunkten M l und M2 der ersten und zweiten Between the centers M l and M2 of the first and second
Halbbrücke 11, 16 ist eine Last 21 angeschlossen. Die Last 21 ist schematisch als Impedanz dargestellt, wobei sie die Impedanz eines Plasmas und/oder einer Impedanzanpassungsschaltung umfassen kann. Schaltbefehlsignale können den Eingängen der Treiber 14, 15, 19, 20 zugeführt werden. Die Generierung der Schaltbefehlsignale wird in den folgenden Figuren noch erläutert. Half bridge 11, 16, a load 21 is connected. The load 21 is shown schematically as an impedance, which may include the impedance of a plasma and / or an impedance matching circuit. Switch command signals may be supplied to the inputs of the drivers 14, 15, 19, 20. The generation of the switching command signals will be explained in the following figures.
Die Figur 2 zeigt ein typisches Schaltschema zur Ansteuerung zweier Vollbrücken FBI, FB2. Der Signalverlauf Tl zeigt das Ansteuersignal des schaltenden Elements 12. Der Signalverlauf T2 zeigt das Ansteuersignal des schaltenden Elements 13. Hieraus ist zu erkennen, dass die FIG. 2 shows a typical circuit diagram for driving two full bridges FBI, FB2. The waveform Tl shows the drive signal of the switching element 12. The waveform T2 shows the drive signal of the switching element 13. It can be seen that the
schaltenden Elemente 12, 13 alternierend ein- und ausgeschalten werden. Es sind niemals beide schaltenden Elemente 12, 13 gleichzeitig switching elements 12, 13 are switched on and off alternately. There are never both switching elements 12, 13 at the same time
eingeschaltet. switched on.
Der Signalverlauf T3 zeigt das Ansteuersignal des schaltenden Elements 17, während der Signalverlauf T4 das Ansteuersignal des schaltenden Elements 18 zeigt. Die schaltenden Elemente 13, 17 und 12, 18 werden demnach so angesteuert, dass sie zu den gleichen Zeitpunkten ein- und ausschalten. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die genaue Position der steigenden und fallenden Flanken der Signalverläufe Tl bis T4 so einzustellen, dass die schaltenden Elemente 12, 18 und 13, 17 jeweils genau gleichzeitig ein- bzw. ausgeschaltet werden. The waveform T3 shows the drive signal of the switching element 17, while the waveform T4, the drive signal of the switching element 18 shows. The switching elements 13, 17 and 12, 18 are thus controlled so that they turn on and off at the same times. The aim of the present invention is to set the exact position of the rising and falling edges of the waveforms Tl to T4 so that the switching elements 12, 18 and 13, 17 are switched on and off exactly at the same time.
Die Signalverläufe T5 bis T8 entsprechen den Ansteuersignalen von zwei weiteren Halbbrücken, die gemeinsam eine Vollbrücke FB2 bilden. The signal curves T5 to T8 correspond to the drive signals of two further half bridges, which together form a full bridge FB2.
Die Figur 3 zeigt eine Ansteueranordnung 30, mit deren Hilfe FIG. 3 shows a drive arrangement 30 with the aid of which
Schaltbefehlsignale generiert werden können. Hierbei wird ein Switch command signals can be generated. This is a
hochfrequentes Eingangssignal 31, welches steigende Flanken 32 und fallende Flanken 33 aufweist, insbesondere ein Signal bei beispielsweise einer Frequenz von 13,56 MHz, einem Vervielfältiger 34 zugeführt. Der Vervielfältiger 34 vervielfältigt das Eingangssignal 31 in mehrere Signale 35, 36. Das Signal 35 wird über einen ersten Verzögerungspfad 37 und das Signal 36 über einen zweiten Verzögerungspfad 38 geführt. high-frequency input signal 31, which has rising edges 32 and falling edges 33, in particular a signal at, for example, a frequency of 13.56 MHz, a multiplier 34 supplied. The multiplier 34 multiplies the input signal 31 into a plurality of signals 35, 36. The signal 35 is fed via a first delay path 37 and the signal 36 via a second delay path 38.
Beispielsweise wurden im Verzögerungspfad 37 lediglich die steigenden Flanken des Signals 35, entsprechend der steigenden Flanken 32 des Signals 31 verzögert, während im zweiten Verzögerungspfad 38 beispielsweise die fallenden Flanken des Signals 36, entsprechend der fallenden Flanken 33 des Signals 31 verzögert werden. Dabei kann eine steigende Flanke 32 einem Einschaltsignalteil des Signals 31 und die fallende Flanke 33 einem Ausschaltsignalteil des Signals 31 entsprechen. Die verzögerten Einschaltsignalteile und Ausschaltsignalteile liegen am Ausgang des Verzögerungspfads 37 bzw. des Verzögerungspfads 38 an. Der schematischen Darstellung ist zu entnehmen, dass die steigende Flanke 32 anders verzögert wurde als die fallende Flanke 33. Dadurch lässt sich ein Abstand t zwischen verzögerter steigender Flanke 39 und verzögerter fallender Flanke 40 einstellen. Die verzögerten For example, in the delay path 37, only the rising edges of the signal 35 corresponding to the rising edges 32 of the signal 31 have been delayed, while in the second delay path 38, for example, the falling edges of the signal 36 corresponding to the falling edges 33 of the signal 31 are delayed. In this case, a rising edge 32 can correspond to a switch-on signal part of the signal 31 and the falling edge 33 can correspond to a switch-off signal part of the signal 31. The delayed turn-on signal parts and turn-off signal parts are present at the output of the delay path 37 and the delay path 38, respectively. The schematic illustration shows that the rising edge 32 was delayed differently than the falling edge 33. As a result, a distance t between the delayed rising edge 39 and the delayed falling edge 40 can be set. The delayed
Einschaltsignalteile und Ausschaltsignalteile werden paarweise zu Pulsen im Kombinationsglied 41 kombiniert, so dass ein Schaltbefehlsignal 42 entsteht, welches einem Treiber zugeführt werden kann. Auf diese Art und Weise können Einschalt- und Ausschaltzeitpunkt eines schaltenden Turn-on signal parts and turn-off signal parts are combined in pairs into pulses in the combination element 41, so that a switching command signal 42 is produced, which can be supplied to a driver. In this way, switch-on and switch-off of a switching
Elements individuell festgelegt werden. Elements are individually determined.
Die Figur 4 zeigt im Wesentlichen den gleichen Sachverhalt wie die Figur 3 mit der Ausnahme, dass die Verzögerungspfade detaillierter dargestellt sind. Demnach wird das Eingangssignal 31 durch den Vervielfältiger 34 aufgeteilt und zwei unterschiedlichen Verzögerungspfaden 37, 38 zugeführt. Beide Verzögerungspfade 37, 38 weisen eine Mehrzahl von sogenannten Look-Up-Tables LUT auf, wobei die Signale 35, 36 nicht über alle LUTs des jeweiligen Verzögerungspfads 37, 38 laufen. Die Figure 4 shows substantially the same facts as Figure 3, except that the delay paths are shown in more detail. Thus, the input signal 31 is divided by the multiplier 34 and supplied to two different delay paths 37, 38. Both delay paths 37, 38 have a plurality of so-called look-up tables LUT, wherein the signals 35, 36 do not run across all the LUTs of the respective delay path 37, 38. The
Verzögerungspfade 37, 38 sind programmierbar. Insbesondere sind einzelne Look-Up-Tables LUT auswählbar, über die die Signale 35, 36 laufen sollen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise im Verzögerungspfad 37 lediglich die Look-Up-Table 50 ausgewählt, was zu einer Verzögerung von etwa 500ps führt. Im Verzögerungspfad 38 ist die Look-Up-Table 51 ausgewählt, was dazu führt, dass das Signal 36 auch über die Look-Up-Tables 52, 53 läuft, so dass sich insgesamt eine Delay paths 37, 38 are programmable. In particular, individual look-up tables LUT can be selected via which the signals 35, 36 should run. In the exemplary embodiment shown, only the look-up table 50 is selected in the delay path 37, for example, which leads to a delay of approximately 500 ps. In the delay path 38, the look-up table 51 is selected, with the result that the signal 36 also passes over the look-up tables 52, 53, so that a total of one
Verzögerung von etwa 3x500ps = 1.500ps ergibt. Im KombinationsgliedDelay of about 3x500ps = 1,500ps results. In combination element
41 werden die verzögerten Signalteile wiederum zum Schaltbefehlsignal41, the delayed signal parts turn to the switching command signal
42 kombiniert. Die gesamte Anordnung 30 kann in einem einzigen programmierbaren Logikbaustein, insbesondere einem FPGA realisiert sein. Es versteht sich, dass durch ein FPGA noch mehr Schaltbefehlsignale 42 für eine Vielzahl von schaltenden Elementen generiert werden können. Insbesondere ist es möglich, zentral sämtliche Schaltbefehlsignale für eine HF- Leistungsinverterschaltung zu erzeugen. Die Anzahl der zu erzeugenden Schaltbefehlsignale ist lediglich durch die Ressourcen im FPGA beschränkt. Hierdurch entsteht ein enormer Kostenvorteil, da es sich um eine Single- Chip-Lösung handelt. Die Lösung ist außerdem störsicher, da sie komplett digital ist. Im Vergleich zu bestehenden Lösungen lässt sich die 42 combined. The entire arrangement 30 can be realized in a single programmable logic module, in particular an FPGA. It is understood that even more switching command signals 42 for a plurality of switching elements can be generated by an FPGA. In particular, it is possible to centrally generate all switching command signals for an HF power inverter circuit. The number of switching command signals to be generated is limited only by the resources in the FPGA. This results in a huge cost advantage, since it is a single-chip solution. The solution is also interference-proof, as it is completely digital. Compared to existing solutions, the
Ansteueranordnung platzsparend auf einer Leiterkarte anordnen. Die zentrale, digitale Ansteuerung des FPGA vereinfacht die Kommunikation. Arrange drive arrangement to save space on a printed circuit board. The central, digital control of the FPGA simplifies communication.
Die Figur 5 zeigt einen Ausschnitt eines FPGAs 60. Es ist hier schematisch dargestellt, dass zur Realisierung eines Verzögerungspfads mehrere Look- Up-Tables 61 ausgewählt wurden und außerdem festgelegt wurde, welche Look-Up-Tables 61 durch Verbindungen 62 miteinander verbunden sind. Durch die gezielte Auswahl von Look-Up-Tables 61 und deren Verbindung untereinander lässt sich ein Verzögerungspfad definieren und die durch den Verzögerungspfad bewirkte Verzögerung eines Signalteils einstellen. FIG. 5 shows a section of an FPGA 60. It is shown schematically here that a plurality of look-up tables 61 have been selected for realizing a delay path and it has also been determined which look-up tables 61 are interconnected by connections 62. Through the targeted selection of look-up tables 61 and their connection to one another, a delay path can be defined and the delay of a signal part brought about by the delay path can be set.
Figur 6 zeigt eine als Push-Pull-Inverterschaltung ausgebildete HF- Leistungsinverterschaltung 100 mit zwei Ansteueranordnungen 30 gemäß der Erfindung als eine weitere von vielen möglichen Inverterschaltungen. Die Halbleiterschalter Qi, Q2 werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet, über die Drossel RFC wird ein über die Dauer einer Welle nahezu FIG. 6 shows an RF power inverter circuit 100 designed as a push-pull inverter circuit with two drive arrangements 30 according to the invention as another of many possible inverter circuits. The semiconductor switches Qi, Q 2 are alternately turned on and off, via the choke RFC is almost one over the duration of a wave
konstanter Strom geliefert. Am Leistungsausgang der Halbleiterschalter Qi, Q2 befindet sich ein Leistungsübertrager 101 mit zwei Primär- und einer Sekundärwindung 102, 103, 104. Die Primärwindungen 102, 103 sind je an einem Ende an einem Leistungsausgang der Halbleiterschalter Qi, Q2 zusammengeschaltet. Der andere Leistungsanschluss der constant current delivered. At the power output of the semiconductor switches Qi, Q 2 is a power transformer 101 with two primary and one secondary winding 102, 103, 104. The primary windings 102, 103 are each at one end to a power output of the semiconductor switches Qi, Q 2 interconnected. The other power connection of the
Halbleiterschalter Qi, Q2 ist auf ein gemeinsames Bezugspotential 105, bevorzugt Masse (Ground) geschaltet. Die zwei Primärwindungen 102, 103 sind an ihrem anderen Anschluss 106 zusammengeschaltet. Hier ist auch die Drossel RFC angeschlossen. Die Sekundärwicklung 104 ist ihrerseits an ihrem einen Anschluss auf ein Bezugspotential, bevorzugt Masse (Ground) geschaltet. Am anderen Anschluss liegt die HF-Leistung an. Sie wird über ein Ausgangsnetzwerk 107, in diesem Fall in Form eines Parallelresonanzkreises, der auch als Filter wirkt, an die Last R0 Semiconductor switch Qi, Q 2 is connected to a common reference potential 105, preferably ground. The two primary windings 102, 103 are interconnected at their other terminal 106. The throttle RFC is also connected here. The secondary winding 104 is in turn connected at its one terminal to a reference potential, preferably ground. At the other port is the RF power. It is connected to the load R 0 via an output network 107, in this case in the form of a parallel resonant circuit, which also acts as a filter
angeschlossen. connected.
Die Halbleiterschalter Qi, Q2 werden jeweils an einem Gate 108, 109 angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt mit Signalen, die wie in der The semiconductor switches Qi, Q 2 are each driven at a gate 108, 109. The control takes place with signals, as in the
Erläuterung der Figur 2 - Figur 5 beschrieben wurde, erzeugt werden. Zwischen Ansteueranordnung 30 und den Gates 108, 109 können noch Signalkonditionierbausteine 111, 112 angeordnet sein, die Treiber und/ oder Übertrager aufweisen können. Explanation of Figure 2 - Figure 5 has been described, are generated. Between drive arrangement 30 and the gates 108, 109 signal conditioning modules 111, 112 may still be arranged, which may have drivers and / or transmitters.
Das in der Figur 7 dargestellte HF-Leistungsinvertersystem 1000 umfasst eine Systemsteuerung 110, an die im Ausführungsbeispiel 3 HF- Leistungsinverterschaltungen 120, 130, 140 angeschlossen sind. Die HF- Leistungsinverterschaltungen 120, 130, 140 umfassen jeweils ein The RF power inverter system 1000 shown in FIG. 7 comprises a system controller 110 to which 3 RF power inverter circuits 120, 130, 140 are connected in the exemplary embodiment. The RF power inverter circuits 120, 130, 140 each include a
Steuerungsmodul 150, 160, 170 und ein Leistungserzeugungsmodul 180, 190, 200. Die Ausgänge 210, 220, 230 der Leistungsinverterschaltungen 120, 130, 140 sind auf einen Leistungskombinierer 240, auch Control modules 150, 160, 170 and a power generation module 180, 190, 200. The outputs 210, 220, 230 of the power inverter circuits 120, 130, 140 are on a power combiner 240, too
Leistungskoppler oder Combiner genannt, geführt, wo die Power coupler or combiner called, led, where the
Ausgangsleistungen der Leistungsinverterschaltungen 120, 130, 140 gegebenenfalls phasenabhängig gekoppelt werden. Die gekoppelte Output powers of the power inverter circuits 120, 130, 140 are optionally phase-dependent coupled. The coupled
Gesamtleistung wird am Ausgang 250 ausgegeben und einer Last, die hier nicht dargestellt ist, zugeführt. Die Leistungsinverterschaltungen 120, 130, 140 weisen jeweils Messmittel 260, 270, 280 auf, mit denen zumindest die von der Last reflektierte Leistung, die an den Leistungsinverterschaltungen 120, 130, 140 ankommt, erfasst werden kann. Vorzugsweise sind die Messmittel 260, 270, 280 als Richtkoppler ausgebildet, so dass sowohl eine reflektierte als auch eine Ausgangsleistung der jeweiligen Leistungsinverterschaltung 120, 130, 140 erfasst werden kann . Die mit der reflektierten Leistung in Beziehung stehenden Messsignale, die von den Messmitteln 260, 270, 280 erfasst werden, werden an eine Wertermittlungseinheit 290, 300, 310 in den Steuermodulen 150, 160, 170 gegeben . In den Total power is output at output 250 and applied to a load, not shown here. The power inverter circuits 120, 130, 140 each have measuring means 260, 270, 280, with which at least the power reflected by the load, which arrives at the power inverter circuits 120, 130, 140, can be detected. Preferably, the measuring means 260, 270, 280 are designed as directional couplers, so that both a reflected and an output power of the respective power inverter circuit 120, 130, 140 can be detected. The measured power signals related to the reflected power detected by the measuring means 260, 270, 280 are applied to a value determining unit 290, 300, 310 in the control modules 150, 160, 170. In the
Wertermittlungseinheiten 290, 300, 310 werden Werte ermittelt, die dann an die Systemsteuerung 110, insbesondere an eine Ermittlungseinrichtung 320, gegeben werden.  Value determination units 290, 300, 310 are determined values, which are then given to the system controller 110, in particular to a determination device 320.
Die Ermittlungseinrichtung 320 ermittelt die einzustellende Phasenlage der Ausgangssignale der Leistungsinverterschaltungen 120, 130, 140. Die einzustellende Phasenlage wird von der Ermittlungseinrichtung 320 an die Wertermittlungseinheiten 290, 300, 310 gegeben. Die Systemsteuerung 110 ist somit bidirektional signaltechnisch mit den The determination device 320 determines the phasing of the output signals of the power inverter circuits 120, 130, 140 to be set. The phasing to be set is given by the determination device 320 to the value determination units 290, 300, 310. The system controller 110 is thus bidirectionally signaling technology with the
Leistungsinverterschaltungen 120, 130, 140 verbunden. Power inverter circuits 120, 130, 140 connected.
Die Systemsteuerung 110 weist weiterhin eine Frequenzerzeugungseinheit 330 auf, durch die ein Hochfrequenzanregungsfrequenzsignal vorgegeben wird. Die Frequenzerzeugungseinheit 330 ist mit Phaseneinstellvorrichtungen 340, 350, 360 der Leistungsinverterschaltungen 120, 130, 140 verbunden. Die Phaseneinstellvorrichtungen 340, 350, 360 können als Phasenschieber, insbesondere programmierbare Logikbausteine, insbesondere als FPGAs, ausgebildet sein. Die Phaseneinstellvorrichtungen 340, 350, 360 verschieben das von der Frequenzerzeugungseinheit 330 vorgegebene Hochfrequenzsignal entsprechend der den The system controller 110 further includes a frequency generation unit 330, by which a high frequency excitation frequency signal is given. The frequency generation unit 330 is connected to phase adjusting devices 340, 350, 360 of the power inverter circuits 120, 130, 140. The phase adjustment devices 340, 350, 360 can be designed as phase shifters, in particular programmable logic devices, in particular as FPGAs. The phasing devices 340, 350, 360 shift that from the frequency generation unit 330 predetermined high frequency signal according to the
Wertermittlungseinheiten 290, 300, 310 vorgegebenen Phasen bzw. Value determination units 290, 300, 310 predetermined phases or
Phasenlagen. Am Ausgang der Module 150, 160, 170 liegt somit ein phasenkontrolliertes Hochfrequenzsignal an. Dieses phasenkontrollierte Hochfrequenzsignal wird den HF-Leistungsmodulen 180, 190, 200 zugeführt, wo die jeweiligen HF-Leistungsausgangssignale generiert werden. Die Phaseneinstellvorrichtungen 340, 350, 360 können auch in einem gemeinsamen Baudstein, also zum Beispiel in einem FPGA Baustein 370 untergebracht sein. Auch die Wertermittungseinheiten 290, 300, 310 können in diesem Baustein 370 untergebracht sein. In den die Phase positions. At the output of the modules 150, 160, 170 is thus a phase-controlled high frequency signal. This phase-locked RF signal is supplied to the RF power modules 180, 190, 200 where the respective RF power output signals are generated. The phase adjusting devices 340, 350, 360 can also be accommodated in a common building block, that is to say for example in an FPGA module 370. The value determination units 290, 300, 310 can also be accommodated in this module 370. In the the
Phaseneinstellvorrichtungen 340, 350, 360 sind Ansteueranordnungen wie in Figur 3 gezeigt untergebracht.  Phase adjusters 340, 350, 360 are located in drive arrangements as shown in FIG.

Claims

Patentansprüche claims
1. HF-Leistungsinverterschaltung (100, 120, 130, 140) mit mindestens einem schaltenden Element (12, 13, 17, 18, Qi, Q2), das einen Steueranschluss aufweist, an den eine Ansteueranordnung (30) angeschlossen ist, die das schaltende Element (12, 13, 17, 18, Qi, Q2) ein- und ausschaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteueranordnung (30) einen programmierbaren Logikbaustein aufweist, der einen ersten zumindest ein Logikelement umfassenden Signalverzögerungspfad (37, 38) zur Verzögerung zumindest eines Einschaltsignalteils und einen zweiten von dem ersten Signalverzögerungspfad (37, 38) verschiedenen zweiten zumindest ein Logikelement umfassenden Signalverzögerungspfad (37, 38) zur Verzögerung zumindest eines Ausschaltsignalteils aufweist. An RF power inverter circuit (100, 120, 130, 140) having at least one switching element (12, 13, 17, 18, Qi, Q 2 ) having a control terminal to which a drive arrangement (30) is connected, the the switching element (12, 13, 17, 18, Qi, Q 2 ) turns on and off, characterized in that the drive arrangement (30) comprises a programmable logic device having a first signal delay path (37, 38) comprising at least one logic element Delay of at least one Einschaltsignalteils and a second of the first signal delay path (37, 38) different second comprising at least one logic element signal delay path (37, 38) for delaying at least one turn-off signal part.
2. HF-Leistungsinverterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kombinationsglied (41) vorgesehen ist, das den verzögerten Einschaltsignalteil und den verzögerten Ausschaltsignalteil zu einem Schaltbefehlsignal (42) kombiniert. 2. RF power inverter circuit according to claim 1, characterized in that a combination element (41) is provided, which combines the delayed turn-on signal part and the delayed turn-off signal part to a switching command signal (42).
3. HF-Leistungsinverterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombinationsglied (41) in dem programmierbaren Logikbaustein angeordnet ist. 3. HF power inverter circuit according to claim 2, characterized in that the combination element (41) is arranged in the programmable logic module.
4. HF-Leistungsinverterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Signalverzögerungspfad (37, 38) programmiert sind . 4. RF power inverter circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second signal delay path (37, 38) are programmed.
5. HF-Leistungsinverterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Signalverzögerungspfad (37, 38) eine Kaskadierung von mehreren Logikelementen aufweist. 5. RF power inverter circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the first and / or the second signal delay path (37, 38) comprises a cascading of a plurality of logic elements.
6. HF-Leistungsinverterschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikelemente als Nachschau-Tabellen ausgebildet (52, 53, 61) sind. 6. RF power inverter circuit according to claim 5, characterized in that the logic elements as a look-up tables formed (52, 53, 61).
7. HF-Leistungsinverterschaltung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikelemente eines Field Programmable Gate Arrays (60) kaskadiert werden, um Signale in ihrer Laufzeit zu beeinflussen und Schaltbefehlsignale (42) zu generieren, die hoch auflösend in Start-, Stoppzeitpunkt und Phasenbeziehung zueinander sind. 7. RF power inverter circuit according to one of claims 5 or 6, characterized in that the logic elements of a field programmable gate array (60) are cascaded to influence signals in their term and generate switching command signals (42), the high resolution in Start - Stop time point and phase relationship to each other.
8. HF-Leistungsinverterschaltung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Nachschau-Tabellen (52, 53, 61) innerhalb eines Bausteins mehrere Eingänge mit unterschied¬ lichen Laufzeiten aufweisen, die einzeln programmierbar sind. 8. RF power inverter circuit according to one of claims 6 or 7, characterized in that all look-up tables (52, 53, 61) within a block have multiple inputs with different ¬ term maturities that are individually programmable.
9. HF-Leistungsinverterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Leistungs¬ inverterschaltung zumindest zwei eine Halbbrücke (11, 16) bildende schaltende Elemente (12, 13, 17, 18, Qi, Q2), insbesondere vier eine Vollbrücke (FBI) bildende schaltende Elemente (12, 13, 17, 18, Qi, Q2) aufweist. 9. HF power inverter circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the RF power ¬ inverter circuit at least two half-bridge (11, 16) forming switching elements (12, 13, 17, 18, Qi, Q 2 ), in particular four a full bridge (FBI) forming switching elements (12, 13, 17, 18, Qi, Q 2 ).
10. HF-Leistungsinverterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Leistungs- inverterschaltung zumindest zwei eine Push-Pull Stufe bildende schaltende Elemente (Ql, Q2) aufweist. 10. HF power inverter circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the HF power inverter circuit comprises at least two push-pull stage forming switching elements (Ql, Q2).
11. HF-Leistungsinverterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Leistungsinverterschaltung zumindest ein im Klasse-E-Betrieb arbeitendes schaltendes Element (Ql, Q2) aufweist. 11. HF power inverter circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the RF power inverter circuit has at least one operating in class E-mode switching element (Ql, Q2).
12. HF-Leistungsinverterschaltung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Leistungsinverterschaltung ein Ausgangsnetzwerk (107) aufweist und das Ausgangsnetzwerk insbesondere einen Leistungsübertrager (101) aufweist. 12. HF power inverter circuit according to one of claims 10 or 11, characterized in that the RF power inverter circuit has an output network (107) and the output network in particular a power transformer (101).
13. HF-Leistungsinverterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Leistungsinverterschaltung mehrere parallel zusammengeschaltete schaltende Elemente (Ql, Q2) aufweist, wobei jedes schaltende Element (Ql, Q2) an einen eigenen Signalverzögerungspfad angeschlossen ist. 13. RF power inverter circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the RF power inverter circuit comprises a plurality of parallel switching elements (Ql, Q2), wherein each switching element (Ql, Q2) is connected to its own signal delay path.
14. HF-Leistungsinverterschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltende Elemente an ihrem Ausgang direkt zusammengeschaltet sind. 14. RF power inverter circuit according to claim 13, characterized in that the switching elements are interconnected directly at their output.
15. HF-Leistungsinverterschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltenden Elemente an ihrem Ausgang (Ql, Q2) über Anpassnetzwerke zusammengeschaltet sind . 15. HF power inverter circuit according to claim 13, characterized in that the switching elements are interconnected at their output (Ql, Q2) via matching networks.
16. HF-Leistungsinverterschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltenden Elemente (Ql, Q2) an ihrem Ausgang über Kombinierer zusammengeschaltet sind . 16. HF power inverter circuit according to claim 13, characterized in that the switching elements (Ql, Q2) are interconnected at their output via combiners.
17. HF-Leistungsinverterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Leistungsinverterschaltung mehrere seriell zusammengeschaltete schaltende Elemente aufweist, wobei jedes schaltende Element an einen eigenen Signalverzögerungspfad angeschlossen ist. 17. HF power inverter circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the RF power inverter circuit comprises a plurality of series-connected switching elements, wherein each switching element is connected to its own signal delay path.
18. HF-Leistungsinverterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere schaltende Elemente (12, 13, 17, 18, Qi, Q2) vorgesehen sind, wobei der programmierbare Logikbaustein für den Einschaltsignalteil und den Ausschaltsignalteil jedes schaltenden Elementes (12, 13, 17, 18, Qi, Q2) einen eigenen Signalverzögerungspfad (37, 38) aufweist. 18. HF power inverter circuit according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of switching elements (12, 13, 17, 18, Qi, Q 2 ) are provided, wherein the programmable logic module for the switch-on signal part and the switch-off signal part of each switching element (12 , 13, 17, 18, Qi, Q 2 ) has its own signal delay path (37, 38).
19. HF-Leistungsinverterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteueranordnung (30) einen Vervielfältiger (34) zum Vervielfältigen eines hochfrequenten Eingangssignals (31) aufweist. 19. HF power inverter circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the drive arrangement (30) has a multiplier (34) for duplicating a high-frequency input signal (31).
20. HF-Leistungsinvertersystem (1000) mit mehreren HF- Leistungsinverterschaltungen (100, 120, 130, 140) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die programmierbaren Logikbausteine der HF- Leistungsinverterschaltungen (100, 120, 130, 140) in einem Baustein, insbesondere in einem programmierbaren Baustein, realisiert sind . 20. HF Leistungsinvertersystem (1000) with a plurality of RF power inverter circuits (100, 120, 130, 140) according to any one of the preceding claims, characterized in that the programmable logic devices of the RF power inverter circuits (100, 120, 130, 140) in a Block, in particular in a programmable block, are realized.
21. Verfahren zum Ein- und Ausschalten eines schaltenden Elements (12, 13, 17, 18, Qi, Q2) zu einem definierten Einschaltzeitpunkt und Ausschaltzeitpunkt, bei dem in einem programmierbaren Logikbaustein jeweils ein Verzögerungspfad (37, 38) für einen Einschaltsignalteil und einen Ausschaltsignalteil definiert wird, der Einschaltsignalteil und der Ausschaltsignalteil durch den jeweils dafür definierten Verzögerungspfad (37, 38) verzögert werden und das schaltende Element (12, 13, 17, 18, Qi, Q2) auf Basis des verszögerten Einschaltsignalteils eingeschaltet und auf Basis des verzögerten Ausgangssignalteils ausgeschaltet wird. 21. A method for switching on and off a switching element (12, 13, 17, 18, Qi, Q 2 ) at a defined switch-on and switch-off, in which in a programmable Logic module in each case a delay path (37, 38) is defined for a Einschaltsignalteil and a Ausschaltsignalteil, the Einschaltsignalteil and the switch-off signal part by the respectively defined delay path (37, 38) are delayed and the switching element (12, 13, 17, 18, Qi , Q 2 ) is turned on based on the delayed turn-on signal part and turned off based on the delayed output signal part.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungspfade (37, 38) definiert werden, indem Logikelemente (61) und Verbindungsleitungen (62) des programmierbaren Logikbausteins ausgewählt und miteinander verbunden werden. 22. The method according to claim 21, characterized in that the delay paths (37, 38) are defined by selecting logic elements (61) and connecting lines (62) of the programmable logic module and interconnecting them.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der verzögerte Einschaltsignalteil und der verzögerte Ausschaltsignalteil zu einem Schaltbefehlsignal (42) kombiniert werden. 23. The method according to any one of the preceding claims 21 or 22, characterized in that the delayed turn-on signal part and the delayed turn-off signal part to a switching command signal (42) are combined.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansteuersignal für ein zweites schaltendes Element (12, 13, 17, 18, Qi, Q2) erzeugt wird und die Phasenbeziehung der Ansteuersignale für das erste und zweite schaltende Element (12, 13, 17, 18, Qi, Q2) eingestellt wird. 24. The method according to any one of the preceding claims 21 to 23, characterized in that a drive signal for a second switching element (12, 13, 17, 18, Qi, Q 2 ) is generated and the phase relationship of the drive signals for the first and second switching Element (12, 13, 17, 18, Qi, Q 2 ) is set.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein HF-Signal als Eingangssignal vervielfältigt wird und die steigende Flanke eines vervielfältigten Signals und die fallende Flanke eines anderen vervielfältigten Signals in unterschiedlichen Verzögerungspfaden verzögert wird. 25. The method according to any one of the preceding claims 21 to 24, characterized in that an RF signal is multiplied as an input signal and the rising edge of a duplicated signal and the falling edge of another amplified signal is delayed in different delay paths.
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