供电电路制造技术

一种供电电路包括从第一电源接收直流(DC)电压的功率放大器。施加于该功率放大器的控制信号促使功率放大器将DC电压转换为交流(AC)输出信号。AC输出信号施加于包括第一绕组、第二绕组和第三绕组的变压器。第一绕组接收AC输出信号，且第二绕组接收根据AC输出信号改变的输出电流，以将电流施加于负载。整流器包括多个二极管，该多个二极管被配置为对第三绕组两端的电压进行整流并对负载处的电压进行箝位。来自第三绕组的返回功率可被返回至第一电源。

【技术实现步骤摘要】
供电电路本申请是申请日为2015年6月29日、申请号为201580039550.7(国际申请号为PCT/US2015/038338)且名称为“包含用于组合功率放大器输出和隔离负载电压箝位电路的变压器的供电电路”的专利技术的分案申请。
本公开总体涉及用于供应交流电的电源，更具体地，涉及用于保护电源的功率放大器的电路。
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(阀)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电源和高频功率放大器。典型的功率值和频率值可以是，频率值在400KHz～100.0MHz的范围之内而功率值达到20KW，但不限于此。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，通常为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。如果出现匹配失当状况(例如负载阻抗增大)和/或其他状况使得从功率放大器引出的并且供给至负载的电流超过特定阈值，则可能随时间发生对功率放大器的损坏。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的放大器有一个优点，但是也有几个缺点。其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。它们通常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。在这种配置下，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，即使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)，但是在这些配置下需要在发射极-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
供电电路包括功率放大器，功率放大器被配置为接收(i)来自第一电源的直流(DC)电压，以及(ii)控制信号。基于控制信号，电源将DC电压转换为交流(AC)输出信号。变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组。第一绕组接收AC输出信号。第二绕组基于AC输出信号接收输出电流，并经由输出端子将电流供应至负载。整流和箝位电路包括多个二极管。二极管被本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种供电电路，包括：/n功率放大器，被配置为：接收(i)来自第一电源的直流(DC)电压，和(ii)控制信号，并且基于所述控制信号，将所述DC电压转换为交流(AC)输出信号；/n变压器，包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，其中所述第一绕组被配置为接收所述AC输出信号，其中所述第二绕组被配置为接收基于所述AC输出信号的输出电流，并且其中所述第二绕组经由输出端子将AC输出供应至由AC信号驱动的负载；以及/n整流和箝位电路，包括多个二极管，其中所述二极管被配置为(i)对所述第三绕组两端的电压进行整流，(ii)响应于AC电流路径中的、所述功率放大器与所述负载之间的阻抗失配条件而对所述输出端子处的电压进行箝位，以及(iii)将来自所述第三绕组的功率返回至所述第一电源或第二电源。/n

【技术特征摘要】
20140630 US 62/019,119;20150626 US 14/751,5861.一种供电电路，包括：
功率放大器，被配置为：接收(i)来自第一电源的直流(DC)电压，和(ii)控制信号，并且基于所述控制信号，将所述DC电压转换为交流(AC)输出信号；
变压器，包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，其中所述第一绕组被配置为接收所述AC输出信号，其中所述第二绕组被配置为接收基于所述AC输出信号的输出电流，并且其中所述第二绕组经由输出端子将AC输出供应至由AC信号驱动的负载；以及
整流和箝位电路，包括多个二极管，其中所述二极管被配置为(i)对所述第三绕组两端的电压进行整流，(ii)响应于AC电流路径中的、所述功率放大器与所述负载之间的阻抗失配条件而对所述输出端子处的电压进行箝位，以及(iii)将来自所述第三绕组的功率返回至所述第一电源或第二电源。


2.如权利要求1所述的供电电路，其中所述第一绕组是初级绕组，所述第二绕组是次级绕组，并且所述第三绕组是三级绕组。


3.如权利要求1所述的供电电路，其中所述多个二极管进一步包括以二极管桥整流器结构布置的四个二极管。


4.如权利要求3所述的供电电路，其中所述四个二极管以隔离的四二极管整流器结构布置。


5.如权利要求1所述的供电电路，其中所述多个二极管进一步包括以全波桥整流器结构布置的一对二极管。


6.如权利要求5所述的供电电路，其中所述多个二极管进一步包括以隔离的双二极管整流器结构布置的一对二极管。


7.一种供电电路，包括：
功率放大器，被配置为：接收(i)来自第一电源的直流(DC)电压，和(ii)来自控制模块的控制信号，以及基于所述控制信号，将所述DC电压转换为交流(AC)输出信号；
变压器，包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，其中所述第一绕组被配置为接收所述AC输出信号，其中所述第二绕组被配置为接收基于所述AC输出信号的输出电流，并且其中所述第二绕组经由输出端子将电流供应至负载；
整流和箝位电路，包括多个二极管，其中所述二极管被配置为(i)对所述第三绕组两端的电压进行整流，(ii)对所述输出端子处的电压进行箝位，以限制提供给所述负载的输出功率，以及(iii)将来自所述第三绕组的功率返回至所述第一电源或第二电源；以及
第二功率放大器，被配置为：
接收(i)来自第一电源的直流(DC)电压，和(ii)第二控制信号，并且
基于所述第二控制信号，将该DC电压转换为第二交流(AC)输出信号，
其中所述变压器进一步包括第四绕组，其中所述第四绕组被配置为接收所述第二AC输出信号。


8.如权利要求7所述的供电电路，其中所述控制信号和所述第二控制信号使相应的功率放大器与所述第二功率放大器同相或反相工作。


9.如权利要求7所述的供电电路，其中所述功率放大器包括以全桥结构布置的多个开关。


10.如权利要求7所述的供电电路，其中所述功率放大器和所述第二功率放大器是不同的单元。


11.一种供电电路，包括：
功率放大器，被配置为接收来自第一电源的直流(DC)电压并将所述DC电压转换为交流(AC)输出信号；
变压器，包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，其中所述第一绕组被配置为接收所述AC输出信号，其中所述第二绕组被配置为接收基于所述AC输出信号的输出电流，并且其中所述第二绕组经由输出端子将AC输出供应至等离子体腔；以及
整流和箝位电路，包括多个二极管，其中所述二极管被配置为响应于AC电流路径中的、所述功率放大器与所述负载之间的阻抗失配条件而对所述输出端子处的电压进行箝位，以及对所述第三绕组两端的电压进行整流或将来自所述第三绕组的功率返回至所述第一电源或第二电源。


12.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯·卢，
申请(专利权)人：MKS仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US