具有感性箝位电路的E类放大器制造技术

本发明专利技术提供了一种电源，包括用于从DC输入源（11）接收DC输入信号的逆变器。该逆变器由单端逆变器实现。各个逆变器均由信号源（13A，13B）驱动并输出AC信号。各个逆变器的输出进入第一阶谐波滤波器。该电源包括输出电路，该输出电路包括配置在点上的整流器（D1），该整流器在逆变器试图驱动该点超过预定电压时导电，以使电压和电流中的至少一个返回到DC输入源。第一谐波滤波器（L1A，C1；L1B，C1）的输出进入第二谐波滤波器（L2，C2）最后从该电源输出。

【技术实现步骤摘要】
具有感性箝位电路的E类放大器本申请是于2004年8月25日提交的申请号为200480034926.7（PCT/US2004/027544）的标题为“具有感性箝位电路的E类放大器”的专利申请的分案申请。
本专利技术通常涉及用于供应交流电的电源，更特别地，涉及用于电源的开关部分的保护电路，其中该电源的开关部分由E类放大器实现。
技术介绍
射频（RF）能量通过感应加热、电介质加热和等离子体激发（excite），在各种工业领域中用于材料处理。等离子体激发可采用感性（inductive）、容性（capacitive）的方式，或采用精确的电磁（EM）波、微波、耦合。提供这种RF能量的发生器可采用多种电路布局，这些电路布局涵盖了从提供几十瓦的单个A类晶体管放大器到提供几千瓦的自振荡管发生器的范围。半导体制造业使用RF等离子体来沉积和蚀刻微米尺寸和次微米尺寸的膜。针对这种应用的典型电源可包含行变频器/整流器/电容器DC电源和高频（HF）线性功率放大器。典型的功率值和频率值可以是，频率值在400KHz～60.0MHz的范围之内而功率值达到10KW。线性功率放大器使用具有高功率消耗性能的高频/超高频（HF/VHF）RF功率晶体管。这种电源或发生器可在100:1的输出负载范围内将功率控制在1％或2％的精度。通常该发生器被具体地配置为输出到预定负载，例如50欧姆的负载，但其实该发生器可驱动任何负载，即使配置失当也不会出现故障。典型的保护措施是降低功率。例如，降低对线性放大器的驱动电平以相应地降低电流或功率消耗。在50欧姆系统中，从典型的50欧姆上的偏离可被测量为反射功率。降低驱动电平以限制反射功率。图1示出了典型的具有由反相的正弦波驱动的开关器或晶体管S1、S2的变压器耦合推挽RF功率放大器。五元谐波抑制滤波器包含电感器L1、L2以及电容器C1、C2和C4。该谐波抑制滤波器典型地确保得到高纯度或一致的正弦波输出。图中未示出的偏压电路可以是AB类或B类。典型地使用双级结晶体管（BJT）或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。变压器T1的变压比通常选择为使所需功率匹配到给定的DC电源电压，该给定的DC电源电压通常为28V或50V。详细的电路遵循用于通信的宽带HF/VHF功率放大器设计的标准工业惯例。图1的放大器有一个主要的优点，但是也有几个缺点。其主要的优点是在在宽带设计中，通过改变驱动频率或输入频率可轻松地改变输出频率。对于给定的输出频率而言，只需改变输出滤波器。如果放大器的基本线性/纯度足够好，则同时执行这些过程。图1的电路的缺点在于效率较低以及晶体管的功率消耗较大。效率在理论上不会超过70％，但典型地不会超过50％。为解决高功率消耗问题，许多应用使用通常采用了铍氧化物（BEo）低热阻技术的昂贵的、特制的RF晶体管。它们需要巨大的空冷散热器或水冷散热器。有关RF线性放大器的设计已经出版了大量的文献。任何想要设计该发生器的电源制造商，都可放心地使用晶体管制造商的应用电路。如图2所示，图2的电路采用了一种可提高效率并降低功率消耗的不同工作模式。图2电路中的驱动信号固定为方波，这样晶体管就处于开关工作模式而不是线性工作模式。即图1的开关或晶体管S1、S2在位于全关和全开之间的区域上进行工作。图2的开关或晶体管S1、S2通过从全开切换到全关进行工作。变压器T1的输出现在是方波。包含电感器L1、L2和电容器C1、C2的四元滤波器滤除所需基本频率以产生正弦曲线输出。为抑制谐波电流，去除电容器C4以使该滤波器提供感性输入。虽然晶体管电压和变压器电压为方形，但是电流为正弦曲线。效率现在为100％，并且典型地落在80％～90％的范围内。这种电路通常称为谐振转换器或逆变器，而非放大器。图2的电路因一些缺点而受损。由于针对特定的输出频率对滤波器进行充分地选择，所以仅能实现固定的或窄的工作频率范围或频段。此外，无法直接控制输出功率。不像图1，图2的电路无法直接连接到线电压或输出口电压。相反地，需要利用附加的功率转换器对输入到图2的DC进行调整，典型地利用开关模式逆变器实现。进一步，负载失当会导致滤波器和晶体管之间的高环流。环流无法通过限制DC输入电流进行必要地限制。特别是对于E类放大器来说，E类放大器采用提供高效率的开关模式放大器布局。由于该布局，E类放大器的开关元件，典型地为晶体管，在出现最大功率消耗的作用区消耗很短时间或者不消耗时间。在这种架构下，E类放大器的开关元件在工作中更象是开关而非晶体管。亦即，开关元件将其大部分时间消耗在截至区或饱和区。设计者进一步利用已知的称为零电压开关（ZVS）的开关模式技术来提高E类放大器的效率。ZVS防止E类放大器的开关元件在转换期间通过作用区。通过在开关元件的输出端施加感性负载，开关元件的输出端的寄生电容和扩程电容在开关元件试图从截至区转换到饱和区之前被放电至零伏特。电感器和电容器协作以形成串联谐振电路，并在开关元件的输出端提供感性负载。该谐振电路的频率低于放大器的工作频率。此时，该谐振电路的电感器支配该谐振电路，并在晶体管上产生感性负载。为实现ZVS，开关元件必须设计为允许负的漏级-源级电流通过自身，即器件沟道处于截至区。该要求暗示出MOSFET是E类放大器布局的开关元件的优选选择，这是因为MOSFET在连接到源极的衬底上具有固有的本体二极管。也可选择其他的晶体管，例如双级结晶体管（BJT）或集成栅双级晶体管（IGBT），但是在这些架构下需要在发射极-集电极结上配置快速二极管。E类放大器的主要优点是，相对于其他布局而言，用于E类布局中的相同的晶体管可实现更高的RF功率，这主要是因为降低了器件耗散。另一方面，E类放大器也产生了必须从RF输出中滤除的大量二次谐波能量。这种布局典型地要求在RF功率递送到负载之前具有至少一个附加的滤波级。如前所述，包括电感器和电容器的串联谐振电路具有低于放大器工作频率的谐振频率。尽管负载可以是电容器、电感器和电阻的任意组合，但是如果负载仅为具有使得谐振电路和负载的串联组合的谐振频率等于放大器的工作频率的值的电容器，则通过开关元件的电流将接近无限大。这将导致晶体管的损坏。然而，对于典型的E类放大器应用来说，利用对放大器输出反射功率进行箝位的外部控制环，可避免损坏晶体管。只要该控制环感知反射功率超过预定限制，则该控制环上降低DC轨上的电压，直至反射功率匹配预定限制。该控制环必须迅速反应，以避免影响晶体管。通过将RF放大器输入功率降低至零，可避免影响晶体管。但是，在等离子体处理应用中，这样的动作将引起不希望的结果，即等离子体消失。
技术实现思路
在本专利技术的一个方面，具有DC输入的电源电路向负载提供交流电。逆变器产生交流输出，而输出电路直接接收该交流输出并将该交流输出馈给负载。该输出电路包括相对于该输出电路中点上连接的第一整流器和第二整流器，以便在该逆变器试图驱使该点达到超出预定正电压或预定负电压的电压时，该第一整流器或该第二整流器中的一个导电以使电压和/或电流返回到DC电压电源。电压和/或电流被反馈到逆变器。这可通过例如将第一整流器连接在地或DC输入的负输入端与该点之间并且将该第二整流器连接在该电和DC电压的正输入端之间来实现。应理解，当整流器之一导电时，其将该点箝位到DC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于向负载供应交流电的电源电路，包括：直流DC电压电源；E类放大器，其接收DC输入电压并产生交流AC输出信号；位于该放大器的输出端上的第一谐波滤波器，其用于滤除AC信号的预定谐波成分以产生经滤波的AC信号；以及位于该第一谐波滤波器的输出端上的输出电路，其用于接收经滤波的AC信号并将经滤波的AC信号馈给到负载，其中该输出电路仅包括单个整流器，该单个整流器与该负载并联连接并相对于该输出电路中的点连接，以便在该点处的电压超出预定阈值时，该单个整流器导电以使电压和电流中的至少一个返回到DC电压电源并将该点箝位到预定电压，并且该单个整流器保证所述E类放大器中的开关的感性截止。

【技术特征摘要】
2004.01.16 US 10/760，1741.一种用于向负载供应交流电的电源电路，包括：直流DC电压电源；E类放大器，其接收DC电压并产生交流AC输出信号；位于该放大器的输出端上的第一谐波滤波器，其用于滤除AC信号的预定谐波成分以产生经滤波的AC信号；以及位于该第一谐波滤波器的输出端上的输出电路，其用于接收经滤波的AC信号并将经滤波的AC信号馈给到负载，其中该输出电路仅包括单个整流器，该单个整流器与该负载并联连接并相对于该输出电路中的点连接，以便在该点处的电压超出预定阈值时，该单个整流器导电以使电压和电流中的至少一个返回到DC电压电源并将该点箝位到预定电压，并且该单个整流器保证所述E类放大器中的开关的感性截止。2.根据权利要求1所述的电源电路，其中所述第一谐波滤波器包括串联的电感器和电容器，并且所述第一谐波滤波器与所述放大器的开关并联地布置。3.根据权利要求1所述的电源电路，其中所述第一谐波滤波器包括电感器和电容器，并且该电感器布置在所述放大器的开关的输出端和所述单个整流器的相对于所述点被连接的端子之间。4.根据权利要求1所述的电源电路，其中所述单个整流器进一步包括二极管，并且所述第一谐波滤波器包括电感器和电容器，并且该电感器布置在所述放大器的输出端和该二极管的阴极之间。5.根据权利要求1所述的电源电路，进一步包括多个并联地配置的放大器。6.根据权利要求1所述的电源电路，进一步包括与所述负载并联地配置的第二谐波滤波器，该第二谐波滤波器进一步从所述经滤波的AC信号中滤除预定谐波成分。7.一种用于向负载供应交流电的电源电路，包括：DC电压电源；一对以推挽架构配置的E类放大器，用于接收DC电压并用于产生AC输出信号；位于各个放大器的输出端上的第一谐波滤波器，其滤除AC信号的预定谐波成分以产生经滤波的AC信号；以及位于各个第一谐波滤波器的输出端上的输出电路，其用于接收经滤波的AC信号并将经滤波的AC信号馈给到负载，其中该输出电路仅包括单个整流器，该单个整流器与该负载并联连接并相对于该输出电路中的点连接，以便在该点处的电压超出预定阈值时，该单个整流器导电以使电压和电流中的至少一个返回到DC电压电源并将该点箝位到预定电压，并且该单个整流器保证所述E类放大器中的开关的感性截止。8.根据权利要求7所述的电源电路，其中所述各个放大器包括：连接到所述DC电压电源的第一轨的开关；以及连接在所述DC电压电源的第一轨和第二轨之间的谐振电路，其中该开关的工作激励该谐振电路。9.根据权利要求8所述的电源电路，其中所述谐振电路进一步包括：连接在所述开关和所述DC电压电源的第二轨之间的电感器；以及与所述开关并联的电容器。10.根据权利要求8所述的电源电路，进一步包括位于所述第一谐波滤波器的输出端上的第二谐波滤波器，该第二谐波滤波器从所述经滤波的AC信号中滤除谐波成分以产生输出信号。11.根据权利要求10所述的电源电路，其中所述第二谐波滤波器包括与所述负载并联地配置的电感器。12.根据权利要求10所述的电源电路，进一步包括位于所述第二谐波滤波器的输出端上的阻塞电容器，该阻塞电容器用于从所述第二谐波滤波器的输出中去除DC成分。13.根据权利要求7所述的电源电路，其中所述第一谐波滤波器包括串联的电感器和电容器，并且所述第一谐波滤波器与所述放大器的开关并联地配置。14.根据权利要求10所述的电源电路，其中所述第一谐波滤波器包括电感器和电容器，并且该电感器配置在所述开关的输出端和所述单个整流器的相对于所述点被连接的端子之间。15.根据权利要求14所述的电源电路，其中所述第二谐波滤波器包括电感器，并且该电感器与所述负载并联地配置。16.根据权利要求8所述的电源电路，其中所述放大器进一步包括多个与所述负载并联地配置的放大器。17.根据权利要求8所述的电源电路，其中所述各个放大器形成电路半部并且各个电路半部由变压器相互连接。18.根据权利要求17所述的电源电路，其中第二变压器将所述各个电路半部的输出与所述负载相互连接，从而提供平衡的负载。19.一种用于向负载供应交流电的电源电路，包括：DC电压电源；并联地配置的第一对E类放大器，用于接收DC电压并用于产生AC输出信号；位于放大器的输出端上的第一谐波滤波器，其滤除AC信号的预定谐波成分以产生经滤波的AC信号；以及位于各个第一谐波滤波器的输出端上的输出电路，其用于接收经滤波的AC信号并将经滤波的AC信号馈给到负载，其中该输出电路仅包括单个整流器，该单个整流器与该负载并联连接并相对于该输出电路中的点连接，以便在该点处的电压超出预定阈值时，该单个整流器导电以使电压和电流中的至少一个返回到DC电压电源并将该点箝位到预定电压，并且该单个整流器保证所述E类放大器中的开关的感性截止。20.根据权利要求19所述的电源电路，其中所述各个放大器进一步包括：连接到所述DC电压电源的第一轨的开关；以及连接在所述DC电压电源的第一轨和第二轨之间的谐振电路，其中该开关的工作激励该谐振电路。21.根据权利要求20所述的电源电路，其中所述谐振电路进一步包括：连接在所述开关和所述DC电压电源的第二轨之间的电感器；以及与所述开关并联的电容器。22.根据权利要求20所述的电源电路，进一步包括位于所述第一谐波滤波器的输出端上的第二谐波滤波器，该第二谐波滤波器从所述经滤波的AC信号中滤除谐波成分以产生输出信号。23.根据权利要求22所述的电源电路，其中所述第二谐波滤波器包括与所述负载并联地配置的电感器。24.根据权利要求22所述的电源电路，进一步包括位于所述第二谐波滤波器的输出端上的阻塞电容器，该阻塞电容器用于从所述第二谐波滤波器的输出中去除DC成分。25.根据权利要求24所述的电源电路，其中所述第一谐波滤波器包括串联的电感器和电容器，并且所述第一谐波滤波器与所述放大器的开关并联地配置。26.根据权利要求22所述的电源电路，其中所述第一谐波滤波器包括电感器和电容器，并且该电感器配置在所述开关的输出端和所述单个整流器的相对于所述点被连接的端子之间。27.根据权利要求26所述的电源电路，其中所述第二谐波滤波器包括电感器，并且该电感器与所述负载并联地配置。28.根据权利要求19所述的电源电路，进一步包括第二对E类放大器，该第二对E类放大器中的各个放大器与所述第一对E类放大器并联地配置。29.根据权利要求28所述的电源电路，其中各对放大器形成电路半部并且各个电路半部由变压器相互连接。30.根据权利要求29所述的电源电路，进一步包括第二变压器，该第二变压器将所述各个电路半部的输出与所述负载相互连接，从而提供平衡的负载。31.一种等离子体控制系统，包括：由射频RF信号激发的等离子体腔；等离子体控制器，其用于测量等离子体腔的工作状态并产生用以改变等离子体腔内的状态的控制信号；以及RF发生器，用于产生RF信号给等离子体腔，该RF发生器包括：RF控制器，其从等离子体控制器接收控制信号并产生电源控制信号，以及电源，其用于接收电源控制信号并根据电源控制信号产生RF信号，该电源包括：DC电压电源；E类放大器，其接收DC电压并产生AC输出信号；以及位于该放大器的输出端上的第一谐波滤波器，其用于滤除AC信号的预定谐波成分以产生经滤波的AC信号；其中，该电源包括保护电路，该保护电路仅包括单个整流器，该单个整流器与负载并联连接并相对于预定点连接，以便在该点处的电压超出预定阈值时，该单个整流器导电以便将该点处的电压箝位到预定电压，并且该单个整流器保证所述E类放大器中的开关的感性截止。32.根据权利要求31所述的等离子体控制系统，其中所述保护电路将电压和电流中的至少一个返回到所述放大器。33.一种用于向负载供应交流电的电源电路，包括：具有正轨和负轨的直流DC电压电源；具有连接至所述DC电压电源的所述负轨的第一端子的开关，以及连接在所述开关的第二端子与所述DC电压电源的所述正轨之间的电感器，所述开关和所述电感器协作以提供E类工作模式，接收DC电压并产生交流AC输出信号；位于该开关的输出端上的第一谐波滤波器，其用于滤除AC信号的预定谐波成分以产生经滤波的AC信号；以及位于该第一谐波滤波器的输出端上的输出电路，其用于接收经滤波的AC信号并将经滤波的AC信号馈给到负载，其中该输出电路仅包括单个整流器，该单个整流器与该负载并联连接并相对于该输出电路中的点连接，以便在该点处的电压超出预定阈值时，该单个整流器导电以使电压和电流中的至少一个返回到DC电压电源并将该点箝位到预定电压。34.根据权利要求33所述的电源电路，其中所述第一谐波滤波器包括串联的电感器和电容器，并且所述第一谐波滤波器与所述开关并联地布置。35.根据权利要求33所述的电源电路，其中所述第一谐波滤波器包括电感器和电容器，并且该电感器布置在所述开关的输...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·林肯，保罗·班尼特，
申请(专利权)人：MKS仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：