电源系统以及用于产生功率的方法

电源系统以及用于产生功率的方法
【专利摘要】本发明涉及一种电源系统(20)。为了能够处理负载跳变，将对高频信号的幅度控制与对放大器(38，39)的电源电压的电压控制组合，放大器(38，39)将高频信号放大。
【专利说明】
电源系统以及用于产生功率的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种包括功率转换器的电源系统，该功率转换器产生高频功率信号并且可以连接到负载以向等离子体过程或气体激光器过程供应功率，该功率转换器具有至少一个第一放大器路径。
[0002]本发明还涉及一种用于产生可以被供应到负载的高频功率的方法，其中，模拟信号被供应到至少一个放大器路径并且在放大器路径中被放大成高频功率信号。
【背景技术】
[0003]电源系统(具体而言，在>1ΜΗζ并且具体而言小于200MHz并且主要地具体而言小于90MHz的频率下产生功率的系统)被用于激光器激发、等离子体涂覆装置中或者感应应用的示例。
[0004]这种类型的电源系统包括产生功率的放大器，所产生的功率被供应到等离子体涂覆装置、感应应用或激光器激发。原则上，存在用于实施放大器的功率调节的两个概念。在幅度调节中，借助于输入信号的幅度对放大器的输出功率进行调节。在线性运算中，放大器的效率取决于幅度。
[0005]替代地，可以通过调节放大器的电源电压来调节放大器的输出功率。在这种类型的调节中，效率在大的动态范围内保持相对恒定。然而，调节速度是相对慢的，并且因而对输出功率的调节是相对慢的，具体而言比第一次描述的调节概念中慢。
[0006]在电源系统中，可能出现所需功率的突然变化，例如，在等离子体室中出现电弧并且所供应的功率因此必须被突然减小的情况下。第一前述调节概念或第二前述调节概念都不能够满足在大功率范围内结合高效率的快速调节的要求。

【发明内容】

[0007]因此，本发明的目的在于提供电源系统和用于产生可以被供应到等离子体过程或气体激光器过程的功率的方法，通过该方法可以快速地和可靠地调整功率转换器的功率。
[0008]根据本发明，通过具有功率转换器的电源系统来实现该目的，该功率转换器产生高频功率信号并且可以连接到负载以向等离子体过程或气体激光器过程供应功率，该功率转换器包括至少一个第一放大器路径，通过数模转换器(DAC)由数字信号产生的模拟信号被供应到至少一个放大器路径。用于产生被供应到DAC的数字信号的逻辑电路单元连接DAC的上行侧(upstream)，该逻辑电路单元具有:
[0009]信号数据存储器，其中，储存了用于产生模拟信号形式的信号数据值，
[0010]幅度数据存储器，其中，储存用于影响模拟信号的幅度的幅度数据值，
[0011]乘法器，该乘法器用于将信号数据值乘以幅度数据值。
[0012]提供了一种可调整的电压电源，其连接到至少一个放大器并且为其供应电压。
[0013]电压电源具体而言可以是DC电压电源，其可以向放大器供应DC功率或DC电压。
[0014]在根据本发明的电源系统中，因而组合两个调节概念。在等离子体应用、感应应用或激光器激发应用中，典型地遵循预设配置(profile)。因而常常预知所需的动态范围(输出功率)以及期望值跳变的时刻。因而可以同时使用两个调节概念。因而可以通过幅度调节的方式来实施功率的快速变化。随后，可以重新调整电压调节，并且因而可以增加效率。具体而言，在快速增加效率的情况下，应当注意，要采用保留足够的调节范围的方式来预先选择电压和幅度。简言之，是未计划的动态负载过程，由于可以在短时间段内忽略系统的效率，所以仅可能的是使用快速幅度调节。对于幅度调节，可以以简单的方式产生具有关于信号形式以及在DAC中所产生的模拟信号的幅度的信息的数字信号。具体而言，可以由被储存在信号数据存储器中的信号数据值的序列(借助于计数器读出的)来产生数字值的序列，并且该信号数据值的序列被供应到乘法器，并且借助于该乘法器来乘以从幅度数据存储器中读出的幅度数据值。具体而言，这在并行地产生多个模拟信号并且随后被组合器组合以使得可以采用特别简单和快速的方式来互相调整被组合的信号的情况下是有利的。使用因此产生的模拟信号来激励的放大器路径特别适用于多个放大器路径的并行操作。可以以简单的方式在放大器路径的输出处组合因此产生的功率。这导致可以非常快速地和准确地调谐功率转换器的总功率。负载可以是等离子体过程或气体激光器过程。
[0015]可以提供用于调节电压电源的被施加到放大器的电压的调节单元。该调节单元不需要在电压电源中实施。例如，可以在连接到电压电源的数字逻辑电路中实施调节单元。
[0016]可以提供用于设定电压电源中所产生的电压以及由DAC产生的模拟信号两者的设定点的控制单元。在这种情况下，优选地基于电源系统的期望的功率需求来调节设定点。具体而言，通常已知可能需要产生什么类型的高频功率信号。在此基础上，可以为电压电源和模拟信号指定相应的设定点。
[0017]替代地或另外地，可以提供用于设定高频功率信号的设定点的控制单元，并且可以提供下行数字逻辑电路，该下行数字逻辑电路被设计为确定电压电源中所产生的电压以及由DAC产生的模拟信号两者的设定点。优选地，高频功率信号的幅度被指定为高频功率信号的设定点。因此，可以从高频功率信号的幅度的设定点获取所产生的电压的设定点和所产生的模拟信号的设定点。
[0018]此外，可以提供用于指定电压电源的设定点的接口。该接口具体而言可以连接到尚级系统控制器。
[0019]此外，可以提供用于指定电压电源中所产生的电压的设定点相对于高频功率信号的幅度的过冲的接口。高频功率信号的幅度可以是高频功率信号的设定点。然而，还可以使用高频功率信号的所测量的幅度。
[0020]替代地，可以提供计算单元，该计算单元被设计为根据对高频功率信号的设定点的指定以及对过冲的指定来确定电压电源中所产生的电压以及由DAC产生的模拟信号两者的设定点。具体而言，数字逻辑电路可以获知高频功率信号的期望幅度以及高频功率信号的所测量的幅度。可以指定电压电源的设定点的过冲，或者可以计算过冲。具体而言，可以选择或计算过冲，以使得由电压电源产生的电压(并且通过该电压，所述电源为至少一个放大器供电)大于高频功率信号的输出幅度。
[0021]此外，可以提供计算单元，该计算单元被设计为根据对高频功率信号的设定点的指定以及对预设速度值或预设效率值的指定来确定电压电源中所产生的电压以及由DAC产生的模拟信号两者的设定点。因此，如果期望快速的调节(在此情况下效率不重要)，那么可以设定电压电源中所产生的具有较大的过冲的电压的设定点。在另一方面，如果期望高效的调节，那么可以设定具有小过冲的电压的设定点。预设速度值可以设定多快地调节功率。借助于这个值，因而可以确定应当调节电压还是幅度。例如可以基于等离子体过程、激光器激发过程或感应应用所遵循的配置来选择或指定预设速度值。这同样适用于预设效率值。
[0022]在提供至少两个放大器路径的情况下产生了特定优点，通过被供应到每个放大器路径的每个DAC以及连接每个DAC的上行侧的逻辑电路单元，模拟信号由数字信号产生。该测量导致对于高输出功率特别紧密的设计。因此，使得生产较简单，并且降低了成本。这种类型的构造也较可靠。可以特别有效地对这种类型的功率转换器进行校准和调谐。
[0023]可以提供连接到(多个)逻辑电路单元的数字逻辑电路。可以由逻辑电路单元来选择要相乘的数据值。
[0024]数字逻辑电路以及一个或多个逻辑电路单元可以集成在逻辑部件中。这提高了集成度。仅有小数量的组成部分必须被使用，并且这节省了空间且是经济的。
[0025]信号数据值和/或幅度数据值可以储存在查找表(LUT)中，其中，可以针对要设定的信号形状和幅度以特别简单的方式对它们进行选择。
[0026]信号数据存储器和幅度数据存储器可以采用查找表(LUT)的形式。这允许节省存储器空间，因为在实际数据库(具有大量的词条)中仅可以承载短代码并且可以使用来自表的相关联的长标题。对于一些配置，可以在查找表中限定预计算结果或其它信息。因此不需要计算值，并且从而可以极其快速地适应模拟信号进而适应功率。
[0027]数模转换器可以具有参考信号输入。该参考信号输入可以用于影响模拟信号的产生。以此方式，可以特别快速地改变模拟信号。
[0028]驱动电路可以连接参考信号输入的上行侧。借助于这种类型的驱动电路，可以快速地改变参考信号输入的输入信号，以便由此也快速地改变所产生的模拟信号。
[0029]如果数模转换器和相关联的逻辑电路单元集成在直接数字综合(DDS)模块中，则产生特别紧密的设计。
[0030]如果在数模转换器与放大器路径之间提供用于对模拟信号进行滤波的滤波器布置，则可以在放大器路径的输入处输入具有特别少谐波的信号。这使得整个系统更加高效。
[0031]功率发生器可以包括多于两个的放大器路径，数模转换器与所述放大器路径中的每个放大器路径相关联，所述数模转换器向相应的放大器路径供应模拟信号。这种测量导致对于高输出功率特别紧密的设计。可以特别有效地对这种类型的功率发生器进行调谐。
[0032]放大器路径可以连接到组合器以用于组合放大器路径中所产生的功率以形成总功率。在这种情况下，可以使用相对简单的组合器，这些组合器更加便于产生在输入信号的相位、幅度和频率方面已设定的高要求。因此，可以以特别紧密和节约成本的方式来构造功率转换器。
[0033]组合器可以被设计为在没有不同强度和/或相位的输入信号的输出阻抗的情况下组合放大器路径中所产生的功率。这种类型的组合器是特别节能和经济的。此外，可以将这种类型的组合器构造得非常紧密，并且具有少数组成部分。
[0034]相移耦合器单元也可以用作组合器。相移耦合器单元被理解为具有耦合器并且可选地具有用于一个或多个放大器路径中的每个放大器路径的相移网络的单元，其中，在正确操作期间，耦合器单元的输入信号具有相对于彼此非0°也非180°并且具体而言大于0°且小于180°的相位。例如，输入信号可以相移过90°。在本发明的含义内，其输入信号具有相对于彼此0°或180°的相移的耦合器单元不被认为是相移耦合器单元，因为在这种情况下仅仅将输入信号相加而没有进行进一步的相移。
[0035]相移耦合器单元可以是90°混合耦合器。这采用具有最小部件支出的最佳方式来满足要求。
[0036]相移耦合器单元还被理解为被配置为馈送反射功率的单元，反射功率从负载穿过耦合器传导到放大器，回到具有不同相位的放大器。在失配的情况下，相同阻抗的两个放大器连接到90°混合耦合器的输入端子，90°混合耦合器例如以相移90°的方式来划分两个放大器之间的反射功率。
[0037]相移耦合器单元还被理解为在其第一输入端子处具有第一输入阻抗并且在其第二输入端子处具有第二输入阻抗的单元并且被配置为采用在没有反射功率穿过耦合器单元到达输入端子时输入阻抗相等并且在反射功率穿过耦合器单元到达输入端子时输入阻抗不同的方式。如上所述，耦合器单元可以被配置为采用将向其输出端子反射的功率以相移的方式传递到其输入端子并且从而将反射功率传递到放大器路径中的放大器的方式。耦合器单元处的输入阻抗因而可以发生变化，并且具体而言可以不同。这可能导致第一放大器的输出阻抗会取与第二放大器的输出阻抗不同的值。这继而可以采用将一个放大器的功率传导到另一个放大器的方式来影响耦合器单元的特性，从而放大器相互影响。放大器的阻抗可以变为负的。在一些负载状态下，这可能导致第一放大器路径中的第一放大器向第二放大器路径中的第二放大器供应功率。在过去，这些特性可能导致阻碍对相移耦合器单元的使用。要担心的是，放大器将会引入不稳定的状态。
[0038]使用高反射因数的实验已经示出相反的这种情况，具体而言是在放大器中使用LDMOS晶体管的情况。晶体管在两个放大器路径中不同地加热，但是在没有负载的状态下晶体管是与具有耦合器单元的电源系统中一样高的对晶体管的最大加热，耦合器单元的输入信号具有0°的相位差。这可能与以下事实相关:由于晶体管的寄生元件的值较低，采用具有相移耦合器单元的晶体管在最热点处比不具有相移耦合器单元的情况下的晶体管加热少得多的方式使放大器的阻抗精确地发生变化。
[0039]不稳定的更加常见的原因是负载的阻抗的非常快速的变化，例如等离子体过程的。负载变化如此快速地发生，从而使连接在电源系统与负载之间的阻抗调整网络或者电源系统的功率调节都不能足够快速地对负载变化作出反应。快速的负载变化产生反射功率，所述反射功率被反射到放大器中。如上所述，这改变了放大器的阻抗。因此，在快速的负载变化之后，放大器不再如在负载变化之前一样供应相同的功率。然而，在包括相移耦合器单元(具体而言包括90°混合耦合器)的电源系统中，与不具有这种类型的耦合器单元或者具有非相移特性的电源系统中相比，每次负载状态变化的功率变化要小得多。因此，包括相移耦合器单元的电源系统表现得更加稳定。
[0040]使用相移耦合器单元的优点在于在失配的情况下连接到耦合器单元的两个放大器路径经历不同的阻抗。此外，在失配的情况下，功率不会被馈送回放大器路径，但相反地可以消散到吸收性电阻器中。因为放大器路径经历了不同的阻抗，所以在失配的情况下放大器的晶体管变热到不同的程度，与相同相位组合的情况不同，即使在没有调节电源电压的情况下，与使用常规组合器相比，两个晶体管中的较热的一个晶体管少加热约45%。
[0041]—个放大器(具体而言，每个放大器)可以在其输出处具有输出阻抗，所述输出阻抗与耦合器单元的输入阻抗不同。在这种情况下，放大器反射被传导回耦合器单元的大部分功率，该耦合器单元随后将功率传导到吸收性电阻器中。这种类型的电源系统的优点在于降低了负载与放大器之间的驻波的比例。这种类型的电源系统的频繁提及的缺点在于大量功率被转换为吸收性电阻器中的热，并且因此电阻器不得不被制作得很大并且被提供有良好的冷却性。这将使得这种类型的电源系统昂贵。然而，较高的费用由较高的稳定性和可靠性补偿。
[0042]—个放大器(具体而言，每个放大器)被配置为采用在放大器供应其功率处的阻抗发生变化时放大器的输出阻抗发生变化的方式。例如，这可以是反射功率被传导到放大器的情况。具体而言，在连接到耦合器单元的输出的负载阻抗发生变化的情况下，耦合器单元的连接到放大器的输入阻抗可以发生变化。
[0043]使用根据本发明的电源系统，可以在饱和状态下(换言之，在完全导电的状态下)和压缩状态下(换言之，具有随着输入功率的不断增大而下降的放大率)以及在它们的特性的线性范围内的任何点处对晶体管进行操作。因此，对于电源系统，可以向任何期望的负载供应限定的功率，并且即使在不正确的调整而没有超过预定限度的加热情况下也是如此。
[0044]作为附加优点，可以在较高电源电压下在功率回退(back-off)范围内对包括相移耦合器单元和前述晶体管技术的电源系统进行操作。因此，可以以小输出功率更加快速地对其进行调节，因为可以通过输入功率的方式对输出功率进行调节。另外，包括吸收性电阻器的相移耦合器单元可以用于在两个放大器路径的相位相对于彼此发生变化的情况下在两个输出功率之间快速脉冲化(pulsing)或者调制输出功率。在这种情况下，部分功率不会流动到电源系统的输出，而相反地流动到吸收性电阻器。
[0045]对于等离子体过程，有时期望在低于高频功率信号的频率的调制或脉冲化频率下经调制或经脉冲化的高频功率信号。这可以使用电源系统特别良好地实施。具体而言，出于此目的，相移耦合器单元是有利的。为了调制高频功率信号或使高频功率信号脉冲化，可以通过调制频率或脉冲信号的方式来调整放大器路径之间的高频信号的相位。以此方式，可以特别快速地进行脉冲化或调制。
[0046]放大器路径可以包括使用LDMOS技术的晶体管。LDMOS代表“横向扩散的金属氧化物半导体”。这些是迄今为止主要在GHz范围内使用的M0SFET。在使用放大器来产生可以被供应到等离子体过程的功率期间，惊奇地发现使用LDMOS技术的这些晶体管比可比较的常规MOSFET表现得可靠得多。这可以归因于高得多的载流能力。具体而言，在使用多个放大器路径并且处于3.4MHz、13MHz、27MHz、40MHz、80MHz和162MHz频率下的测试中，这些晶体管类型已经被证实有特别高的可靠性。这些晶体管类型优于常规MOSFET的其它优点在于相同的晶体管可以用于所述频率(3.4MHz、13MHz、27MHz、40MHz、80MHz和162MHz)。因此，可以使用非常类似或者甚至相同的拓扑结构来构造放大器和电源系统，所述电源系统可以在IMHz至200MHz的范围内的频率下使用超过几十年。这些是在等离子体过程中常常使用的并且用于气体激光器激发的频率。可以通过简单地改变对DAC的驱动来调整频率;可以通过改变数字存储器中或LUT中的值来调整幅度。
[0047]如果被供应到等离子体过程的功率中有太多功率被反射回来，那么在等离子体过程中以这些频率操作的常规MOSFET常常有问题。因此，所产生的功率常常必须受到限制，以免使反射功率能够超过临界极限。因此，等离子体过程总是不能被可靠地点燃，或者在期望的功率范围内进行操作。此外，复变阻抗调整电路和组合器被提供用于克服这些缺点。现在特别有利的是，在处理高水平的反射功率时(例如，在向等离体子过程供应功率时)使用LDMOS晶体管。结合上述组合器，LDMOS晶体管的优点在于可以由晶体管来接收高得多的反射功率。因此，对于连接在电源系统与负载之间的附加的阻抗调整网络的要求较低，并且可以在这些阻抗调整网络中降低部件和调节的成本。
[0048]具有相关联的逻辑开关元件的单独的数模转换器可以与所提供的每个放大器路径、高级存储器、尤其是查找表相关联，所述数模转换器连接到与数模转换器相关联的逻辑开关元件。可以借助于高级存储器来描述与数模转换器相关联的存储器。结果是整个系统适用于非常高的功率并且可以被生产有紧密设计。在输出功率方面可以非常有效地调整和调谐系统。
[0049]高级存储器可以集成在逻辑电路中。此外，用于至少一个数模转换器的参考信号输入的驱动电路可以集成在逻辑部件中，该逻辑部件可以采用可编程逻辑器件(PLD)(具体而言，现场可编程门阵列(FPGA))的形式。逻辑电路可以由数字信号处理器激励。
[0050]具体而言，DAC也可以集成在所述PLD或FPGA中。此外，用于至少一个DAC的参考信号输入的驱动电路可以集成在PLD或FPGA中。可以由数字处理器(具体而言，由数字信号处理器(DSP))驱动PLD或FPGA。这些测量可以有助于针对高功率产生紧密的设计，并且可以有助于使得功率转换器能够很好地调谐。
[0051]可以提供连接到系统控制器的测量设备，该系统控制器继而至少间接地(具体而言，借助于数字处理器或DSP)驱动逻辑电路。这可以产生对被供应到等离子体过程的功率非常精确和快速的调节。
[0052]可以检测到所产生的总功率和/或从负载反射的功率(具体而言，等离子体室)并且将其供应到高级控制器。以此方式，可以控制或调节功率转换器的输出功率。这甚至可以直接在包括FPGA、DDS并且可能包括DSP的印刷电路板上的FPGA中实行。
[0053]借助于本发明，可以校准个体放大器路径的容限，容限由于组成部分和/或有限的精度而在生产期间出现。这使得可以采用简单的方式来组合功率。这还降低了生产成本，因为不需要单个地协调所有的级。在速度方面的优点归因于:将所述校准数据储存在存储器中的可能性，以及在设定新的功率值时借助于FPGA将所述数据同时发生地(S卩，同时地)施加到所有的放大器路径的可能性。
[0054]此外，多个独立的功率转换器或功率发生系统因而可以在相位和/或幅度方面同步。
[0055]为了确保这个概念起作用，必须存在可以通过改变被供应到放大器路径的信号的幅度来控制的放大器拓扑结构。为了精确，出于这个目的，功率转换器可以在各种操作模式下(具体而言，在各种操作类别下)进行操作。为了小功率(例如，低于200W的功率)，因而可以将转换器保持在线性操作模式下，具体而言在操作类别AB下。然而，为了高功率(具体而言超过800W的功率)，将所述转换器保持在由开关过程确定的操作模式下，具体而言在操作类别E或F下进行操作，更优选地在操作类别“相反类别F”下。所描述的操作的模式适用于幅度调节。可以从所有的操作的模式获准进入电压调节。也可以同时发生地(即，同时地)应用电压调节和幅度调节。
[0056]本发明还涉及一种用于产生可以被供应到负载的高频功率的方法，其中，将通过数模转换器(DAC)由数字信号产生的模拟信号供应到至少一个放大器路径，并且在放大器路径中将所述模拟信号放大成高频功率信号，通过将储存在信号数据存储器中的信号数据值乘以储存在幅度数据存储器中的幅度数据值来产生数字信号，借助于可调整的电压向放大器路径的至少一个放大器供应功率。模拟信号可以是模拟电压。
[0057]这导致关于电源系统的上述优点。
[0058]可以由控制单元来设定电压电源中所产生的电压的设定点以及由DAC产生的模拟信号的设定点。
[0059]替代地，可以通过控制单元将高频功率信号的设定点传达到下行数字逻辑电路，并且可以由逻辑电路来确定电压电源中所产生的电压和由DAC产生的模拟信号两者的设定点。
[0060]此外，如果高频功率信号的设定点发生变化，那么可以在第一方法步骤中设定由DAC产生的模拟信号的设定点，并且可以在第二方法步骤中设定电压电源中所产生的电压的设定点。因此，借助于幅度调节，快速的调节是可能的，尤其是在减小输出功率时。随后可以缓慢地重新调整电压电源，以增大效率。因此，防止了不必要的损耗。
[0061]如果高频功率信号的设定点发生变化，那么可以在第一方法步骤中设定电压电源中所产生的电压的设定点，并且可以在第二方法步骤中设定由DAC产生的模拟信号的设定点。因此，可以进行快速的调节，尤其是在减小输出功率时。然而，在这种情况下，有必要预先了解计划增大的功率。然后可以首先增大用于供应(多个)放大器的电压电源的电压。因此，效率下降。然而，由于重新调整幅度，所以在短时间段之后效率提高。
[0062]可以通过调节用于向至少一个放大器供应功率的电压来调整可调整的电压。
[0063]电压电源可以向至少一个放大器供应经调节的电压，所述经调节的电压具有超过高频功率信号的所检测到的或指定的电压幅度的指定过冲。因此，可以快速地增大功率。
[0064]可以在多个级中指定可预定的过冲。因此，如果期望具有低效率的快速调节，那么可以选择大过冲。相反地，如果期望具有较好效率的较慢的调节，那么较小的过冲就足够了，并且因此可以指定较小的过冲。在这种情况下，相对快速地下降是可能的，但是调节直到较高的输出功率只可以相对缓慢地进行，因为必须增大可调整的电压以便增大功率，并且这固有地较慢。
[0065]优选地，将数字值的序列供应到数模转换器的数字信号输入，数模转换器由这些值产生模拟信号。以此方式，可以特别快速地和精确地产生模拟信号。
[0066]为了影响模拟信号，可以将参考信号供应到数模转换器的参考信号输入。因此，模拟信号不仅受到数字值的序列的影响还受到被供应到参考信号输入的参考信号的影响。因此，存在影响和精确地调整模拟信号的许多可能性。
[0067]可以对模拟信号进行滤波，从而由此产生前述优点。
[0068]可以通过多个数模转换器中的每个数模转换器以及相关联的放大器路径中的放大器来产生一个模拟信号。因此，可以在并联的放大器路径中产生相对小的功率，并且然后可以将相对小的功率组合成总功率。由于所产生功率是相对小的，所以节约成本的部件可以用于个体放大器路径。
[0069]可以通过组合器将放大器路径的输出信号耦合，以形成总功率。因此，产生功率发生器的高输出功率很简单。放大器路径的输出信号具体而言可以被供应到相移耦合器单元，采用相位相关的方式将输出信号从该相移耦合器单元耦合以形成总功率。
[0070]可以通过高级存储器来描述信号数据存储器和幅度数据存储器。借助于高级存储器，因而可以确定和影响与数模转换器相关联的存储器的内容。
[0071]HF功率信号(S卩，每个放大器路径的输出信号)的幅度可以受到模拟信号的预定幅度的影响，该模拟信号被供应到相应的放大器路径。
[0072]模拟信号可以直接被供应到放大器路径，并且模拟信号的幅度变化可以直接导致放大器路径的HF功率信号的幅度变化。因此，尤其减小了在硬件方面的花费。此外，这防止了模拟信号的任何幅度信息的损失，稍后将必须重新产生模拟信号的任何幅度信息。
[0073]本发明还涉及一种用于补偿在各个放大器路径中所产生的HF功率信号的幅度和相位方面的容限的方法，该HF功率信号是由每个DAC产生并且在各种情况下由被供应到每个放大器路径的高级数字存储器控制单元组件在幅度和相位方面进行调节的信号。这导致特别有效的调谐和校准。
[0074]每个放大器路径的HF功率信号的幅度可以受到由DAC产生的模拟信号的幅度影响。
[0075]根据本发明，在产生第一输出功率的情况下第一信号可以被供应到第一放大器路径，在产生第二输出功率的情况下第二信号可以被供应到第一放大器路径，在产生第一输出功率的情况下第三信号可以被供应到第二放大器路径，在产生第二输出功率的情况下第四信号可以被供应到第二放大器路径，第一信号、第二信号、第三信号和第四信号的幅度储存在存储器中。
【附图说明】
[0076]根据对本发明的实施例的以下描述、通过附图的方式(附图示出了对于本发明必要的细节)、以及根据权利要求，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。个体特征均可以在本发明的变型中以隔离的方式或者以任何期望的组合一起实施。
[0077]在附图中示意性地示出了本发明的优选实施方式，并且在下面参考附图更加详细地对优选实施方式进行了描述，在附图中:
[0078]图1是包括有电源系统的等离子体系统的高度示意图；
[0079]图2是电源系统的方框图；
[0080]图3是DDS模块的方框图；
[0081 ]图4是用于示出降低输出功率的过程的方框图；
[0082]图5是对增大输出功率的过程进行解释的方框图。
【具体实施方式】
[0083]图1示出了等离子体系统1，等离子体系统I包括电源系统2。电源系统2继而包括功率转换器3，功率转换器3可以连接到电压电源网络4。在功率转换器3的输出处所产生的功率经由阻抗调节网络5传达到等离子体室6，在等离子体室6中产生了等离子体，所产生的等离子体可以用于在等离子体室6中进行等离子体加工。具体而言，可以对工件进行蚀刻，或者可以将材料层施加到衬底。
[0084]图2是电源系统20的高度示意图。电源系统20具有功率转换器30，功率转换器30产生可以被供应到负载(例如，等离子体过程或激光器激发)的输出功率。多个放大器路径31、32被提供在功率转换器30中。放大器路径31、32大部分相同。因此，在下文中仅描述一个放大器路径31。放大器路径31、32(可能存在比所示出的两个放大器路径更多的放大器路径31、32)包括多个放大器37、38，放大器37、38适用于放大模拟信号。在每个放大器路径31、32的端部，存在具有至少一个LDMOS晶体管的放大器39，放大器39的输出例如经由阻抗调节构件和/或滤波器而直接或间接地连接到组合器40。具体而言，所有的放大器路径31、32的所有输出(具体而言以相同的方式)连接到组合器40。借助于组合器40，将放大器路径31、32的个体功率耦合以形成总功率。
[0085]放大器路径31、32大部分相同的事实不一定意味着它们具有相同的放大率。对于相同的输入信号，在构造电路期间在组成部分和容限上的变化可能导致放大器路径31、32中所产生的高频功率信号的相位和/或幅度上相当大的差异。
[0086]逻辑电路单元42与数模转换器(DAC)41相关联，数模转换器(DAC)41连接放大器路径31、32中的每个放大器路径的上行侧。具体而言，从逻辑电路单元42向DAC 41供应数字值的序列，DAC 41由该序列产生模拟输出信号，所述模拟输出信号可选地在通过可选滤波器55进行滤波之后被供应到放大器路径31、32AAC 41和逻辑电路单元42可以集成在直接数字合成模块(DDS模块)43中，直接数字合成模块(DDS模块)43也被称为直接数字综合器。单独的DDS模块43(并且因此DAC 41和逻辑电路单元42)与放大器路径31、32中的每个放大器路径相关联。通过图3中的示例的方式来描述DDS模块43。
[0087]在这种情况下，逻辑电路单元42包括:
[0088]1、信号数据存储器61，其中，储存用于产生模拟信号的信号数据值；
[0089]2、幅度数据存储器62，其中，储存用于影响模拟信号的幅度的幅度数据值；
[0090]3、乘法器63，其用于将信号数据值乘以幅度数据值；以及
[0091]4、计数器64，其确保从信号数据存储器61读出信号数据值，并且将信号数据值在预定的时钟周期内供应到乘法器。
[0092]信号数据存储器61和幅度数据存储器62两者都可以采用查找表(LUT)的形式。
[0093]DAC41还包括参考信号输入44，驱动电路45可以连接参考信号输入44的上行侧以便产生参考信号。激励电路45可以在以下描述的数字逻辑电路(可编程逻辑器件，PLD)46中实施。数字逻辑电路可以采用现场可编程(逻辑)门阵列(FPGA)的形式。
[0094]借助于在参考信号输入44处输入的参考信号，可以影响输出信号，即由DAC41产生的模拟信号。类似地包括采用查找表(LUT)形式的存储器47的数字逻辑电路46连接DDS模块43的上行侧。幅度数据值可以储存在存储器47中，可以通过存储器47将这些值写入幅度数据存储器62中。另外，还可以储存用于相位校正的数据。储存在存储器47中的值用于补偿放大器路径31、32中的差异或者下行组合器40中的差异。它们可以传达到逻辑电路单元42，具体而言传达到幅度数据存储器62。由控制单元48激励数据逻辑电路46，控制单元48具体而言可以采用数字信号处理器(DSP)的形式，并且经由数据总线50连接到系统控制器49。
[0095]可以在一个逻辑部件58中实施控制单元48、存储器47以及逻辑电路单元42。逻辑部件58可以采用数字逻辑电路PLD的形式，具体而言采用FPGA的形式。如果DAC 41也被集成，那么产生了紧密的逻辑模块57 ο控制单元48、存储器47、DDS模块43、DAC41、滤波器55以及第一放大器37可以全部实施在印刷电路板56上。相同的印刷电路板56可以用于多个不同的电源系统，所述多个不同的电源系统具有不同的功率、不同的频率以及不同的电源负载(激光器、等尚子体等)。
[0096]借助于定向耦合器51将组合器40的输出功率提供到负载，例如等离子体过程。借助于定向耦合器51，可以检测到输出的功率和由负载反射的功率。由连接到定向耦合器51的测量装置52来准备测量信号。
[0097]测量装置52继而连接到系统控制器49。借助于系统控制器49并且基于所检测到的输出功率以及所检测到的反射功率，因而可以确定应当由组合器40来产生哪些输出功率。根据本说明书，系统控制器49可以激励控制单元48，控制单元48可以继而激励数字逻辑电路46。
[0098]电弧检测装置可以实施在测量装置中。为了能够对电弧快速地作出反应，电弧检测装置(即，测量装置)可以直接连接到数模转换器41，具体而言连接到其参考信号输入44或者连接到驱动电路45。
[0099]包含幅度信息、相位信息以及可选地包含频率信息的数字值可以储存在存储器47中，并且从而可以在DAC 41的输出处产生具有预定幅度、频率位置和相位的模拟信号。这允许个体放大器路径31、32的输出信号彼此适应，以使得所述信号可以在组合器40中耦合以便提高输出功率。具体而言，可以在不损失所产生的输出阻抗的情况下使用非常简单的组合器40，并且功率损耗可以保持低的。
[0100]借助于根据本发明的用于产生模拟信号的过程，可以影响组合器40的输出中的功率并且使所述功率非常快速变化。
[0101]电源系统20还包括可调整的电压电源59，可调整的电压电源59继而包括多个电压电源模块53a、54a、53b和54b。电压电源模块53a、54a、53b、54b以及电压电源59连接到放大器路径31、32的放大器38、39。还可能的是具有到放大器37的连接。在实施例中，可以以恒定的电压对放大器37进行操作。具体而言，借助于电压电源59向放大器路径31、32的放大器38、39供应可调整的电压。优选地，电压是向放大器37-39供应的DC电压。在放大器路径31、32的输出处提供了测量装置33、34，借助于测量装置33、34对放大器路径31、32的输出信号进行检测。由此确定的所测量的值被馈送回逻辑电路46，在逻辑电路46中存在调节单元46a。调节单元46a继而连接到电压电源59。因此可以调节或调整向放大器37-39供应的电压。
[0102]控制单元48可以被提供用于设定高频功率信号的设定点。所述设定点可以是放大器路径31、32的输出处的高频功率信号，或者组合器40的输出处的高频功率信号。这个设定点可以传达到逻辑电路46，其中，确定了DAC 41中所确定的模拟信号以及由电压电源59产生的电压两者的设定点。替代地，可以由控制单元48来指定所产生的电压和模拟信号的设定点。根据另一替代方案，可以经由逻辑电路46的接口 35来指定电压电源59中所产生的电压的设定点。
[0?03]在逻辑电路46中，也可以被提供计算单元46b，计算单元46b被设计为根据对高频功率信号的设定点的指定以及对过冲的指定来确定电压电源59中所产生的电压以及由DAC41产生的模拟信号两者的设定点。替代地，计算单元46b可以被设计为根据对高频功率信号的设定点的指定以及对预设速度值或预设效率值的指定来确定电压电源59中所产生的电压以及由DAC 41产生的模拟信号两者的设定点。计算单元46b可以类似地借助于接口35来接收设定点和过冲。接口 35可以连接到用于数据交换的系统控制器49。具体而言，可以借助于系统控制器49来指定是否应当实行快速的幅度调节或者是否应当实行略微较慢的电压调节。将基于随后的图4和图5来对此进行解释。
[0104]图4示出了在必须快速减小输出功率时的过程。在第一操作条件100下，电源系统20以例如50V的电源电压进行操作。放大器路径31、32的输入处的输入信号的幅度是100%。所需输出功率例如是1250W，并且电源系统以80 %的效率运行。箭头1I指示所需输出功率的设定点跳变。具体而言，输出功率必须突然地减小，例如减小至550W的值。以借助于幅度调节通过快速地修改放大器路径31、32中所产生的信号的方式来使功率快速地适应。在操作条件102下，放大器37-39的电源电压因此保持在50V。输入信号的幅度减小到20%。效率下降到55%。接下来，在操作条件103下，重新调整模拟信号的电压和幅度，以便再次增大效率。因此，在操作条件103下，放大器37-39的电源电压降低到30V。输入信号的幅度再次为100%。所需输出功率依然是150W，并且效率已经再次增加到80%。
[0105]图5示出了在必须突然增大输出功率时的过程。在操作条件200下，电源系统20以30V的电源电压进行操作。输入信号的幅度是100%。所需输出功率是550W，并且电源系统20以80%的效率进行操作。由于已知将需要较高的输出功率，在从操作条件200到操作条件201的过渡期间，放大器37-39的电源电压首先增大到50V。输入信号的幅度依然仅为20%。输出功率保持在550W，并且效率下降到55%。此后，如箭头202所指示的，设定点跳变。借助于快速幅度调节，操作条件从操作条件201经过到操作条件203。放大器37-39的电源电压为55Vο输入信号的幅度是100 %，输出功率为1250W，并且系统以80%的效率运行。为了能够执行所述设定点跳变，预先指定了放大器37-39的电源电压的过冲，即电压电源59中所产生的电压被选择为高于设定点，这实际上不会在操作条件201下被要求。然而，由于此原因，可以借助于幅度调节(即，通过调整DAC 41中的模拟信号)来快速地调节幅度，以便由此使得设定点非常快速地跳变到较高的输出功率。
[0106]在根据本发明的电源系统中，将对高频信号的幅度调节与对将高频信号放大的放大器的电源电压的电压调节组合，以便能够处理负载中的突然跳变。
【主权项】
1.一种电源系统(2，20)，包括功率转换器(3,30),所述功率转换器(3，30)产生高频功率信号并且能够连接到负载(6)以向等离子体过程或气体激光器过程供应功率，所述功率转换器(3，30)具有至少一个第一放大器路径(31，32)，所述至少一个第一放大器路径(31，32)具有至少一个放大器(37，38，39)，并且通过数模转换器(DAC) (41)由数字信号产生的模拟信号被供应到所述至少一个放大器路径(31，32)，用于产生被供应到所述数模转换器(DAC)的所述数字信号的逻辑电路单元(42)被连接到所述数模转换器(DAC) (41)的上行侧，并且所述逻辑电路单元(42)包括: 信号数据存储器(61)，在所述信号数据存储器(61)中储存用于产生模拟信号形式的信号数据值， 幅度数据存储器(62)，在所述幅度数据存储器(62)中储存用于影响所述模拟信号的幅度的幅度数据值， 乘法器(63)，所述乘法器(63)用于将所述信号数据值乘以所述幅度数据值， 其特征在于:提供了可调整的电压电源(59)，所述可调整的电压电源(59)连接到所述至少一个放大器(37，38，39)并且向所述至少一个放大器(37，38，39)供应电压。2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于:调节单元(46a)被提供用于调节所述电压电源的被施加到所述放大器(37，38，39)的电压。3.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:所述电压电源(59)被设计为DC电压电源，所述DC电压电源能够向所述放大器(37，38，39)供应DC功率或DC电压。4.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:提供了用于设定所述高频功率信号的设定点的控制单元(48)，并且提供了下行数字逻辑电路(46)，所述下行数字逻辑电路(46)被设计为确定要在所述电压电源(59)中产生的所述电压和要由所述数模转换器(DAC) (41)产生的所述模拟信号两者的设定点。5.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:接口(35)被提供用于指定要在所述电压电源(59)中产生的所述电压的所述设定点相对于所述高频功率信号的幅度的过冲。6.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:提供了计算单元(46b)，所述计算单元(46b)被设计为根据对所述高频功率信号的所述设定点的指定和对过冲的指定来确定要在所述电压电源(59)中产生的所述电压和要由所述数模转换器(DAC)(41)产生的所述模拟信号两者的所述设定点。7.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:提供了计算单元(46b)，所述计算单元(46b)被设计为根据对所述高频功率信号的所述设定点的指定和对预设速度值或预设效率值的指定来确定要在所述电压电源(59)中产生的所述电压和要由所述数模转换器(DAC) (41)产生的所述模拟信号两者的所述设定点。8.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:提供了至少两个放大器路径(31，32)，通过每个数模转换器(040(41)由数字信号产生的模拟信号被供应到每个放大器路径(31，32)，并且逻辑电路单元(42)被连接到每个数模转换器(DAC)(41)的上行侧。9.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:所述逻辑电路单元(42)采用数字逻辑电路的形式。10.根据权利要求9所述的电源系统，其特征在于:所述数字逻辑电路和一个或多个逻辑电路单元集成在一个逻辑部件中。11.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:在所述数模转换器(DAC)(41)与所述放大器路径(31，32)之间提供了用于对所述模拟信号进行滤波的滤波器布置(55) ο12.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:所述功率转换器(3，30)具有多于两个的放大器路径(31，32)，数模转换器(040(41)与所述多于两个的放大器路径(31，32)中的每个放大器路径相关联，所述数模转换器(DAC)(41)向相应的放大器路径(31，32)供应模拟信号。13.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:所述放大器路径(31，32)连接到组合器(40)，所述组合器(40)用于组合所述放大器路径中所产生的功率以形成总功率。14.根据权利要求13所述的电源系统，其特征在于:所述组合器(40)采用相移耦合器单元的形式，尤其是采用90°混合耦合器的形式。15.根据权利要求14所述的电源系统，其特征在于:所述放大器中的一个放大器，尤其是每个放大器(37，38，39)，在所述放大器的输出处具有输出阻抗，所述输出阻抗与所述耦合器单元的输入阻抗不同。16.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:所述放大器路径(31，32)具有使用LDMOS技术的晶体管。17.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:具有相关联的逻辑开关元件的单独的数模转换器(DAC)(41)与所提供的每个放大器路径(31，32)、尤其是查找表的尚级存储器相关联，所提供的每个放大器路径(31,32)、尤其是查找表的尚级存储器连接到与所述数模转换器(DAC)(41)相关联的所述逻辑开关元件。18.根据权利要求17所述的电源系统，其特征在于:所述高级存储器集成在逻辑电路中，尤其是集成在可编程逻辑器件(PLD)中，尤其是集成在现场可编程门阵列(FPGA)中。19.根据权利要求18所述的电源系统，其特征在于:用于至少一个所述数模转换器(DAC) (41)的参考信号输入的驱动电路集成在所述逻辑部件中。20.根据权利要求18或权利要求19中的任一项所述的电源系统，其特征在于:所述数模转换器(DAC)集成在所述可编程逻辑器件(PLD)或所述现场可编程门阵列(FPGA)中。21.根据先前的权利要求中的任一项所述的电源系统，其特征在于:提供了测量设备，所述测量设备连接到系统控制器，所述系统控制器继而至少间接地，尤其是借助于数字处理器或DSP驱动所述逻辑电路。22.—种用于产生能够被供应到负载(6)的高频功率的方法，在所述方法中，将通过数模转换器(DAC)(41)由数字信号产生的模拟信号供应到至少一个放大器路径(31，32)，并且在所述放大器路径(31，32)中将所述模拟信号放大成高频功率信号，通过将储存在信号数据存储器(61)中的信号数据值乘以储存在幅度数据存储器(62)中的幅度数据值来产生所述数字信号，其特征在于:借助于可调整的电压向所述放大器路径(31，32)的至少一个放大器(37-39)供应功率。23.根据权利要求22所述的用于产生高频功率的方法，其特征在于:通过控制单元(48)来设定要在电压电源(59)中产生的电压和要由所述数模转换器(DAC)(41)产生的所述模拟信号两者的设定点。24.根据权利要求22或权利要求23中的任一项所述的用于产生高频功率的方法，其特征在于:如果所述高频功率信号的设定点发生变化，那么在第一方法步骤中设定要由所述数模转换器(DAC)(41)产生的所述模拟信号的设定点，并且在第二方法步骤中设定要在所述电压电源(59)中产生的所述电压的设定点。25.根据先前的权利要求22至24中的任一项所述的用于产生高频功率的方法，其特征在于:如果所述高频功率信号的所述设定点发生变化，那么在第一方法步骤中设定要在所述电压电源(59)中产生的所述电压的设定点，并且在第二方法步骤中设定要由所述数模转换器(DAC) (41)产生的所述模拟信号的设定点。
【文档编号】H01J37/32GK105830195SQ201480069010
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年12月16日
【发明人】A·格雷德, D·克劳瑟, A·拉班茨, C·托默, A·佩娜维达尔
【申请人】通快许廷格两合公司