DE69815506T2

DE69815506T2 - Hochleistungs rf-plasmaprozesssystem

Info

Publication number: DE69815506T2
Application number: DE69815506T
Authority: DE
Inventors: Gennady G. Gurov; Anatoli V. Ledenev; M. Porter
Original assignee: Advanced Energy Industries Inc
Current assignee: Advanced Energy Industries Inc
Priority date: 1997-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2018-02-25
Also published as: JP2001512619A; KR20000075660A; JP4286911B2; EP0962048B1; US6384540B1; DE69815506D1; EP0962048A1; WO1998037627A1

Description

I. Technisches Gebiet

Diese Anmeldung ist eine regionalisierte Anmeldung der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/US98/03564, eingereicht am 24. Februar 1998, die eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung Nr. 08/805.608, eingereicht am 24. Februar 1997, nun aufgegeben, ist.
Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Hochfrequenzgeneratoren, die eine Leistung, wie z. B. ein Gleichspannungspotential, akzeptieren, und diese Leistung in ein Hochleistungs-Hochfrequenzausgangssignal umsetzen. Insbesondere bezieht sie sich auf derartige Generatoren, die Leistung produzieren, die als besonders hoch angesehen wird, wenn sie mit derjenigen verglichen wird, die typischerweise von einem speziellen Bauelementetyp oder einer speziellen Konstruktion erzeugt wird. Die Erfindung kann außerdem verbesserte Systeme und Prozesse (einschließlich Plasmaverarbeitungssysteme und dergleichen) umfassen, die eine Vielzahl von Zusatzmerkmalen enthalten können, wie z. B. diese Generatoren für höhere Leistung, systemspezifische Elemente oder eindeutige Prozesse.

Definitionen:

Etwa gleich: In diesem Zusammenhang sind Spannungen, Ströme, Impedanzen oder andere Größen etwa gleich, wenn die Unterschiede zwischen ihnen im Zusammenhang der speziellen Anwendung oder der speziellen enthaltenen Konstruktion oder Baugruppe nicht signifikant sind, und als solche keine Wirkung verursachen, die in diesem Zusammenhang so verschieden ist, um das gewünschte Endergebnis für den beabsichtigten Zweck ineffektiv oder ungeeignet zu machen.
Das Vorspannen: Das Liefern eines Signals an eine Schaltung, um einen Arbeitspunkt für die Niederfrequenzimpedanz herzustellen. Dieses Signal könnte eine Vielzahl von Eigenschaften umfassen, einschließlich wenigstens einer Gleichspannung oder eines Gleichstroms oder einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms bei irgendeiner Frequenz.
Die Vorspannung: Der einem Vorspannungssignal gegebene Name, falls es eine Spannung bildet.
Die Busleistung: Die einer Leistungsverstärkerschaltung bereitgestellte Leistung, die durch diese Schaltung in Hochfrequenzleistung umzusetzen ist.
Die Busspannung: Die durch die Busleistungsschaltung bereitgestellte Spannung.
Die Kombinationseinrichtung: Ein Element, das das Kombinieren ausführt.
Das Kombinieren: Die Signale von mehreren Vorrichtungen, wie z. B. Leistungsverstärkern, werden gemeinsam verwendet, um ein oder mehrere Hochleistungssignale zu erzeugen. Das Kombinieren kann durch die Transformatorwirkung, indem die Ströme in einem oder mehreren gemeinsamen Knoten einfach summiert werden, oder durch irgendeinen anderen geeigneten Mechanismus ausgeführt werden. Es würde eine derartige Verwendung wie Addieren, Kombinieren, Summieren oder Zusammenzählen enthalten (aber nicht darauf eingeschränkt sein).
Die Kombinationsschaltungsanordnung: Irgendein Element oder irgendeine Sammlung von Elementen, das bzw. die das Kombinieren bewirkt, wie z. B. von den Leistungsverstärkern oder von einer anderen Kombinationsschaltungsanordnung.
Der gemeinsame elektrische Punkt: Ein elektrischer Ort, wie z. B. ein Knoten, oder eine Sammlung von Orten in einer elektrischen Schaltung, der die Ströme oder die Leistung von anderen Orten oder Knoten empfängt. Der gemeinsame elektrische Punkt kann durch die Wirkung von einer oder mehreren Kombinationseinrichtungen oder anderen Schaltungselementen wirken, um das Kombinieren auszuführen.
Das Aufteilen eines Potentials: Durch einen Mechanismus wird bewirkt, daß ein Potential zwischen mehreren Elementen geteilt wird. Dieses Teilen kann gleichmäßig, so daß über jedem Element im wesentlichen das gleiche Potential angelegt ist, oder es kann ungleichmäßig erfolgen; im Zusammenhang einer Leistungsversorgung enthält das Konzept, daß die Schaltung so beschaffen ist, daß über jeder Last weniger als das gesamte Leistungsversorgungspotential angelegt ist.
Das Element für die elektromagnetische Kopplung: Ein Element des Plasmasystems, was verwendet wird, um die Hochfrequenzleistung in ein Plasma zu koppeln.
Das Herstellen einer Niederfrequenzimpedanz: Das Erzeugen einer Niederfrequenzimpedanz für eine Schaltung oder eine Sammlung von Komponenten durch irgendeinen verfügbaren Mechanismus, einschließlich der Auswahl von Komponenten, das Veränderung der Komponentenwerte oder das Vorspannen aktiver Elemente, aber nicht eingeschränkt darauf.
Die Hochfrequenz: Eine elektrische Änderungsrate, die hoch genug ist, daß die Induktanz und die Kapazitaz der gewöhnlichen Verbindungselemente signifikant wird. Sie kann wenigstens irgendeine Frequenz zwischen den breiten Grenzen von 300 kHz bis 500 MHz umfassen, wobei sie sich sogar auf die ISM-Frequenzen konzentrieren kann, die durch die FCC für die Verwendung durch Ausrüstungen zugeordnet sind, die für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Gebiete konstruiert sind, oder sie kann sich noch spezifischer auf die Frequenzen von 6,78 MHz, 13,56 MHz, 27,12 MHz oder 40,68 MHz konzentrieren.
Das Hochfrequenz-Treibersignal: Ein Signal, das sich mit einer Hochfrequenz ändert, und das an das Steuerelement eines Transistors oder Schalterelements angelegt wird, um zu bewirken, daß sich die Leitfähigkeit des Transistors ändert, oder um den Übergang des Schalterelements aus einem "EIN"-Zustand in einen "AUS"-Zustand zu bewirken.
Die Hochleistung: Ein Niveau der Leistung, die zu groß ist, um sie vernünftig von einer einphasigen Niederspannungs-Leistungsleitung zu erhalten; in einem Kontext würde irgendeine Leistung über etwa 100 Watt als "hoch" betrachtet, wobei sie sich sogar auf den Bereich von einigen Kilowatt oder noch spezifischer auf 1 bis 10 kW konzentrieren kann.
Das Anlegen eines Potentials: In diesem Kontext ist eine Schaltung so beschaffen, daß ein Potential über dem Objekt erscheint. Das heißt, das Objekt wird dem angelegten Potential ausgesetzt. Dies könnte der Vielzahl von Arten ausgeführt werden, einschließlich wenigstens durch die direkte Verbindung mit den Potential oder durch ein indirektes Verfahren, wie z. B. das Leiten eines Stroms durch das Objekt, um das Potential zu erzeugen.
Die gleichphasigen Bauelemente: Zwei Signale werden als gleichphasig bezeichnet, falls der Unterschied in den Zeitpunkten ihrer Anfangs- und Endwechsel klein im Vergleich zu ihrer Periode des Wechsels ist. Zwei Signale, die nicht gleichphasig sind, können mathematisch in Anteile, die gleichphasig sind, und Anteile, deren Wechsel um ein Viertel einer Periode verschoben sind, zerlegt werden; die ersteren werden als die "gleichphasigen Komponenten" bezeichnet.
Die Niederfrequenzimpedanz: Das Verhältnis der Spannung über einem Objekt zum Strom durch es, gemessen bei einer Frequenz unter der Hochfrequenzdefinition.
Die Phase: a) Der verstrichene Anteil eines vollständigen Zyklus eines wechselnden Signals, wie er von einem spezifizierten Bezugspunkt gemessen wird; oft als ein Winkel ausgedrückt, oder b) eine aus mehreren Leistungsleitungen in einem mehrphasigen Versorgungssystem.
Die Reihenschaltung: Eine Verbindung zwischen mehreren Elementen, die so hergestellt ist, daß im wesentlichen das meiste des Stroms von jedem durch jedes der anderen gehen muß.
Die Einphasenleistung: Ein System der Leistungsverteilung, das zwei Leiter verwendet, wie z. B. einen Versorgungsleiter und einen Rückleiter, zwischen denen eine Wechselspannung vorhanden ist. Einphasen-Leistungssysteme werden oft in Haushalts- und Büroumgebungen verwendet, in denen niedrigere Leistungen erforderlich sind, wobei sie den Mehrphasen-Leistungssystemen gegenübergestellt werden können, die wenigstens drei Leiter besitzen, und die oft in Hochleistungs-Industrieumgebungen verwendet werden.
Die Umschaltbarkeit: Eine Schaltung, in der sich das Hauptleistungselement vorwiegend entweder einem "EIN"-Zustand, indem die Spannung über dem Element klein im Vergleich zur Spannung des "AUS"-Zustands ist; oder in einem "AUS"-Zustand, in dem der durch das Element gehende Strom klein im Vergleich zum Strom im "EIN"-Zustand ist, befindet; und in dem ein Zustand zu von gleichzeitig bedeutendem Strom und bedeutender Spannung ein Übergang ist.
Die Stufenkombinationseinrichtung: Ein Element, das die stufenweise Kombination ausführt.
Die stufenweise Kombination: Die Ausgänge einer ersten Gruppierung der Vorrichtungen, wie z. B. der Leistungsverstärker in einer ersten Gruppe (die als Ebene eins bezeichnet werden können) werden gemeinsam verwendet, gefolgt durch das Kombinieren der Ausgänge der ersten Gruppe in eine zweite Gruppe (die Ebene zwei), fortgesetzt (falls notwendig und gewünscht), bis ein oder mehrere letzte Ausgänge gebildet sind. Die Gruppierungen können in Dreiern, Vierern oder irgendeiner anderen Gruppierung erfolgen, sie werden aber häufig paarweise kombiniert. Es können z. B. acht Verstärkerausgänge auf der Ebene eins paarweise in vier Knoten kombiniert werden, die vier Knoten werden auf der Ebene zwei paarweise in zwei Knoten kombiniert und diese letzten zwei werden auf einer dritten Ebene paarweise in einen einzelnen Ausgang kombiniert. In diesem Beispiel könnten die Ausgänge der Ebene zwei als Dual unabhängige Ausgänge separat gelassen werden, ohne das Konzept der stufenweisen Kombination zu verletzen.

II. Der Hintergrund

Ursprünglich wurden Hochleistungs-Hochfrequenzgeneratoren mit Ausnahme für irgendeine frühe Verwendung in Diathermie-Maschinen hauptsächlich als Energiequellen für Hochfrequenzsender verwendet. Heutzutage werden Hochfrequenzgeneratoren, die bei Frequenzen von etwa 100 kHz bis etwa 500 MHz arbeiten, sowohl für die Plasmaverarbeitung als auch als die Energiequelle für Laser, die Hochfrequenzbeleuchtung und die kapazitive Hochfrequenzerwärmung oder Abdichtungsausrüstung und für die Bereitstellung eines Beschleunigungspotentials in Elektronen- und Ionenbeschleunigern weit verwendet.
Nahezu alle Hochfrequenzgeneratoren für diese Zwecke verwenden ein Element, das die Gleichstromleistung (DC-Leistung) oder die konstante Spannung in Hochfrequenzleistung umsetzt. Dieses Element wird bei niedrigeren Frequenzen als ein "Inverter" oder "Umsetzer" bezeichnet, bei höheren Frequenzen wird es aus historischen Gründen aber oft als ein Leistungsverstärker oder PA bezeichnet. Es wird angemerkt, daß der Begriff "Verstärker", wie er hier verwendet wird, Schaltungen enthält, wie z. B. umschaltbare "Verstärker", aber nicht darauf eingeschränkt ist, die nicht wortwörtlich im Sinn des Erzeugens einer Kopie mit höherer Leistung eines Eingangssignals "verstärken". Einige derartige Schaltungen können einfach Leistungsleitungen, über die das Gleichspannungspotential angelegt wird, das die Gleichstrom-Eingangsleistung befördert; Eingangsanschlüsse, über die das Eingangs- oder Treibersignal angelegt wird; und Ausgangsanschlüsse, über denen die Ausgangsleistung erscheint, besitzen. Die Leistungsleitungen könnten außerdem Nicht-Gleichstromleistung in ihrem strengsten Sinn übertragen, solange die Leistung von derartige Leitungen durch den Verstärker umgesetzt wird.
In den meisten dieser Verwendungen ist für die durch den Generator erzeugte Menge der Hochfrequenzleistung eine Steuerung erforderlich. Um diese Steuerung bereitzustellen, wird ein Meßelement verwendet, um das Ausgangssignal des Generators zu messen, das Ausgangssignal dieses Elements wird mit einem gewünschten Wert verglichen, wobei einem Steuerelement, das die Ausgangsleistung steuert, gemeldet wird, die Ausgangsleistung zu vergrößern oder zu verkleinern, um den gewünschten Wert zu erreichen.
Die Konstrukteure für die Hochfrequenzerzeugungsausrüstung haben bei der Konstruktion des Steuerelements, das verwendet wird, um die Leistung zu steuern, zwei Zugänge unternommen; normalerweise wird in irgendeinen gegebenen Stück der Ausrüstung nur einer verwendet. Der erste Zugang steuert das Eingangs- oder "Treiber"-Signal in den Leistungsverstärker (PA) im Generator. In diesem Fall wird die Gleichstromleistung für den PA (die manchmal als die "Bus"-Leistung bezeichnet wird) konstant gehalten. Im zweiten Zugang wird das Treibersignal für den PA konstant gehalten, während die Spannung der Busleistung (die "Busspannung") verändert wird, wie es erforderlich ist, um die gewünschte Ausgangsleistung zu erzeugen. Derartige Zugänge für Hochfrequenzkonstruktionen können als von den Zugängen verschieden betrachtet werden, die oft in Niederfrequenzkonstruktionen verfügbar sind, weil die Niederfrequenzkonstruktionen oft den Vorteil besitzen, daß sie normalerweise nicht die Leitungsinduktanz und dergleichen der normalen Verbindungselemente besitzen müssen. In der Tat hat dieser Aspekt dazu geführt, daß die Konstrukteure einen Unterschied erkannt haben, nämlich, daß die Techniken der Niederfrequenzkonstruktion oft im Hochfrequenzbereich nicht arbeiten. Als nur ein Beispiel kann sogar betrachtet werden, daß Konzepte, wie z. B. das Schweben eines Verstärkers oder dergleichen, im Hochfrequenzbereich oft vermieden werden können, weil parasitären Elemente die tatsächlich erreichte Wirkung signifikant ändern können.
Im Hochfrequenzbereich ist im allgemeinen der erstere Zugang (das Variieren des Treibersignals) weniger teuer zu implementieren, weil das Bereitstellen einer Gleichstrom-Leistungsversorgung mit variabler Spannung für den PA- Bus teurer ist, als für ein veränderliches Treibersignal zu sorgen. Die meisten für die Hochfrequenz geeigneten Transistoren können jedoch sehr hohen Spannungen nicht standhalten, wobei dies die maximale Busspannung begrenzt. In den Generatoren, die bei niedrigeren Leistungspegeln - einige Zehn Watt - und in den Vereinigten Staaten oder Japan zu verwenden sind, ist es möglich, die Leistung des 120- oder 100-Volt-Stromversorgungsnetzes direkt gleichzurichten, um die Busspannung bereitzustellen, aber für höhere Leistungspegel oder für die Verwendung in Europa muß die Konstruktion für höhere Spannungen des Stromversorgungsnetzes erfolgen. Die direkte Gleichrichtung der Spannungen des Stromversorgungsnetzes der US-Industrie oder in Europa erzeugt nominelle Busgleichspannungen von 300 bzw. 570 Volt, wobei unter häufigen Bedingungen diese Werte um 10-15% überschritten werden können. Es sollte außerdem angemerkt werden, daß die Hochfrequenzsignale über den Transistoren die tatsächliche Versorgungsgleichspannung um einen Betrag überschreiten, der von der Schaltungskonfiguration abhängt; in vielen häufigen Schaltungen kann die Spitzen-HF-Spannung über dem Transistor mehr als dreimal das Gleichspannungs-Versorgungspotential betragen. Schließlich treten in einigen Anwendungen Übergangsvorgänge auf, die weiter zu der über dem Transistor auftretenden Gesamtspannung beitragen. Alle diese Wirkungen tragen dazu bei, Spitzenspannungspegel zu erzeugen, die zu groß sein können, damit typische Hochfrequenztransistoren standhalten.
Außer zu diesen mit den Transistoren im Zusammenhang stehenden Problemen wird in den häufig verwendeten "Gegentakt"-Schaltungen ein Transformator verwendet, der typischerweise Ferritkerne enthält, wobei die Verluste in diesen Kernen bei hohen Gleichspannungs-Versorgungspotentialen nicht bewältigbar werden können.
Im Ergebnis werden normalerweise Transformatoren in der Leistungsleitung angeordnet, um die Spannung vor der Gleichrichtung zu verringern, dies erlaubt niedrigere sichere Spitzenspannungen an den Transformatoren. Diese Transformatoren sind in Hochleistungsschaltungen, die hier als diejenigen über etwa 100 Watt definiert sind, schwer und sperrig. Es ist hauptsächlich die Größe und das Gewicht des Transformators, die den zweiten Zugang verursachen, die Verwendung eines umschaltbaren Gleichstrom-Leistungsumsetzers. Ein umschaltbarer Gleichstrom-Leistungsumsetzer kann hergestellt werden, der vom direkt gleichgerichteten Leistungs-Stromversorgungsnetz arbeiten kann, und der eine geeignete verringerte Spannung erzeugen kann, wobei ein derartiger Leistungsumsetzer klein und leicht im Gewicht hergestellt werden kann. Derartige Leistungsumsetzer sind, zurückzuführen auf ihre Komplexität, normalerweise teuer, wobei dies einen Nachteil bildet. Weil jedoch ein umschaltbarer Gleichstrom-Leistungsumsetzer immanent die Schaltungsanordnung enthält, um sein Ausgangssignal zu verändern, wird der zweite Zugang zur Leistungssteuerung bei wenigen oder keinen zusätzlichen Kosten möglich, sobald der Konstrukteur die Auswahl getroffen hat, ein derartiges teures Element aufzunehmen. Dieser zweite Zugang zur Leistungssteuerung löst ein weiteres Problem, das im zuerst beschriebenen Verfahren der festen Spannung gefunden wird, das darin besteht, daß bei einer festen Leistungsversorgung die Verlustleistung in den Transistorvorrichtungen in einigen fehlangepaßten Lasten übermäßig werden kann. Aus diesem Grund kann die Steuerschaltungsanordnung häufig zu Konstruktionen mit fester Spannung hinzugefügt werden, um die Leerlaufspannung oder den Kurzschlußstrom zu beschränken, um die Transistorvorrichtungen vor Beschädigung zu schützen. Im zweiten Zugang zur Leistungssteuerung ist die Verlustleistung in den Transistorvorrichtungen in fehlangepaßten Lasten verringert, weil die Leistungsversorgungsspannung verringert werden kann, um die Transistorvorrichtungen zu schützen. Die Wirkung dessen ist eine Fähigkeit in dem Teil eines Generators, der mit einer veränderlichen Leistungsquelle konstruiert ist, um mehr Leerlaufspannung oder Kurzschlußstrom zu liefern, als bei einer Leistungsquelle mit fester Spannung, unter der Voraussetzung der gleichen Anzahl von Transistoren mit den gleichen Verlustleistungs-Nennwerten in jedem, möglich sein würde. Diese zusätzliche Fähigkeit kann bei Plasmaspeisungsanwendungen und dergleichen wichtig sein, weil die Zündung des Plasmas oft eine signifikante Leerlaufspannung vom Hochfrequenzgenerator erfordern kann.
Bisher ist der Konstrukteur einer derartigen Hochleistungs-Hochfrequenzerzeugungsausrüstung in vielen Fällen mit dem folgenden Dilemma konfrontiert worden: das große und schwere Ergebnis der Aufnahme eines Leitungstransformators zu akzeptieren oder einen umschaltbaren Leistungsumsetzer mit seinen hohen Kosten aufzunehmen. Dieses Dilemma kann ungeachtet der Notwendigkeit, das Ausgangssignal der Ausrüstung zu steuern, vorhanden sein.
Die vorliegende Erfindung kann als dieses Dilemma umgehend betrachtet werden. Sie demonstriert eine Art, eine Schaltungskonfiguration zu erzeugen, die verursacht, daß die Hochspannung des direkt gleichgerichteten Leistungs- Stromversorgungsnetzes zwischen zwei oder mehr Leistungsverstärkern geteilt wird. Dies kann die vollständige Beseitigung des sperrigen und schweren Leistungstransformators und der Alternative des teuren spannungsreduzierenden umschaltbaren Leistungsumsetzers erlauben. Dies kann als ein im Grunde einfaches Konzept betrachtet werden, wobei es mit Niederfrequenz-Leistungsversorgungen verwendet werden kann. Es ist aber überraschend, daß dieses Konzept mit einfachen Schaltungskonfigurationen bei Hochfrequenz angewendet werden kann. Es ist ein Maß der Nichtoffensichtlichkeit der vorliegenden Erfindung, daß die vorliegende Erfindung angesichts des obigen Dilemmas unentdeckt gelegen hat, ungeachtet der Jahre der Entwicklung des Hochfrequenzleistungsgenerators. In der Tat könnten durch die folgenden Lehren der vorliegenden Erfindung die Kosten vieler gegenwärtig verfügbarer kommerzieller Produkte signifikant verringert werden.
Um diesen Punkt deutlicher zu machen, ist es üblich gewesen, daß ein Hochleistungs-Hochfrequenzgenerator aus einer Anzahl von Leistungsverstärkern besteht, die jeder einen Bruchteil der Gesamtausgangsleistung erzeugen. Dies ist gemacht worden, weil bis vor kurzem Halbleitertransistoren, die Leistungen weit über etwa 300 Watt erzeugen können, praktisch nicht verfügbar gewesen sind, wobei diese, die vorhanden sind, spezielle Schaltungen erfordern können, um von ihnen Gebrauch zu machen. Folglich haben derartige Generationen, die über einige hundert Watt erzeugen, mehrere Leistungsverstärker verwendet, deren Ausgangssignale addiert oder kombiniert werden, um die erforderliche Gesamtleistung zu erzeugen. In allen kommerziellen Generatoren, die heutzutage produziert werden, werden diese Verstärker normalerweise durch eine einzelne Niederspannungs-Gleichstromversorgung angetrieben, die durch einen Transformator oder einen umschaltbaren Gleichstrom-Leistungsumsetzer erzeugt wird. In einigen dieser Einheiten würde ein einfaches Wiederverbinden der Leistungsleitungen der Verstärker gemäß der hierin offenbarten Erfindung die vollständige Beseitigung des Transformators erlaubt haben, dies wiederum würde die Größe und das Gewicht der Einheit und, wichtig, die Herstellungskosten signifikant verringert haben. Daß dies für diese Konstruktionen nicht ausgeführt worden ist, von denen viele in ihrer augenblicklichen Form während einer Dekade auf den Markt gewesen sind, ist ein Hinweis, daß die Fachleute bisher gescheitert sind, die Möglichkeiten für die Lösung dieses Problems zu erkennen, wobei es ein weiterer Hinweis für die Nichtoffensichtlichkeit der vorliegenden Erfindung ist.
Das Dokument WO 93/21685 offenbart eine umschaltbare Leistungsversorgung für die Plasmaverarbeitung.

III. Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine kosteneffiziente, zuverlässige, einfache Konstruktion für einen Plasmaleistungsgenerator zu schaffen. Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche definiert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Konstruktion zu schaffen, die Herstellungsvorteile und kommerzielle Vorteile gewährt. In Übereinstimmung mit dieser Aufgabe ist es ein Ziel, eine Konstruktion zu schaffen, die die Notwendigkeit für die Leistungsumsetzungskomponenten in der Gleichstrom-Leistungsversorgung für den Hochfrequenz-Leistungsverstärker oder -Inverter beseitigt.
Es ist außerdem eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Konstruktion für einen Hochfrequenz-Leistungsgenerator zu schaffen, die einfach und kosteneffektiv ist. In Übereinstimmung mit dieser Aufgabe ist es ein Ziel, die Komplexität und die Anzahl der Komponenten in der Leistungserzeugungs-Schaltungsanordnung zu verringern und eine Konstruktion zu schaffen, die die preiswerten Hochfrequenztransistoren verwenden kann, während ein Hochleistungs-Hochfrequenzausgangssignal bereitgestellt wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Konstruktion für einen Hochleistungs-Hochfrequenzgenerator zu schaffen, die kleiner und leichter im Gewicht als die Generatoren des Standes der Technik sein kann. Natürlich kann dies den Umfang der Anwendung derartiger Generatoren vergrößern.
Es ist eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Konstruktion für einen Hochleistungs-Hochfrequenzgenerator zu schaffen, der zuverlässiger als die Generatoren des Standes der Technik ist. Die vorliegende Erfindung löst dieser Aufgabe durch die Verringerung der Anzahl und der Komplexität der Leistungskomponenten und außerdem durch die Verringerung der Spannungsbelastung, der die Schlüssel-Halbleiterelemente ausgesetzt sind. Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Konstruktion für einen Hochleistungs-Hochfrequenzgenerator zu schaffen, der eine stabile noch schnellere Steuerung über ihre Ausgangsleistung erreichen kann, als unter Verwendung der Techniken des Standes der Technik möglich gewesen ist.
Die vorliegende Erfindung besitzt außerdem die Aufgabe der Schaffung einer stabileren Leistung in den Lastimpedanzen, die nicht der Mittelpunkt der Konstruktion für den Verstärker sind, mit weniger Verlustleistung oder Energieverlust als die Konstruktionen des Standes der Technik. Außerdem werden Techniken für die Bereitstellung von mehr Leistung in diesen suboptimalen Lastimpedanzen offenbart. Wie bisher erwähnt ist, kann dies wichtig sein, um die Zündung in Plasmaspeisungsanwendungen zu erreichen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Konstruktion für einen Hochleistungs-Hochfrequenzgenerator mit veränderlicher Frequenz zu schaffen, der eine hohe Leistung in eine einzelne einstellbare abgestimmte Schaltung liefern kann, dies erlaubt eine leichtere und genauere Abstimmung als in den Konstruktionen des Standes der Technik, die mehrere abgestimmte Schaltungen verwenden.
Demzufolge schafft die vorliegende Erfindung neuartige Konstruktionen, die die direkt gleichgerichtete Leistung des Stromversorgungsnetzes bei der Speisung von Leistungsverstärkern mit relativ niedriger Leistung verwenden, wobei sie folglich sowohl die sperrigen und schweren Leitungstransformatoren als auch den alternativen teuren umschaltbaren Leistungsumsetzer beseitigen können. In einer Ausführungsform kann dies ausgeführt werden, indem die Schaltungen so beschaffen sind, daß die gleichgerichtete Spannung des Stromversorgungsnetzes (die "Bus"-Leistung) unter einer Anzahl von PA- Einheiten aufgeteilt wird. Die vorliegende Erfindung offenbart außerdem ein Verfahren des Bereitstellens von Ansteuerung für die PA-Einheiten, das nicht nur einfach ist, sondern mehr Ausgangsleistung für jede PA-Einheit als die Ansteuertechniken des Standes der Technik bereitstellt. Die vorliegende Erfindung offenbart außerdem Verfahren des Bereitstellens von Leistungsverbindungen zu den PA-Einheiten mit der Eigenschaft des Stabilisierens der PA gegen unerwünschte Schwingungen. Die vorliegende Erfindung offenbart außerdem einfache Verfahren des Kombinierens, des Summierens oder des Addierens der Ausgangssignale aus mehreren Verstärkern, wobei sie offenbart, wie derartige mehrere Verstärker angeordnet werden können, um eine einzelne abgestimmte Ausgangsschaltung anzusteuern, so daß die Abstimmung der kombinierten Anordnung einfach und leicht ausgeführt wird. Schließlich wird ein Verfahren vorgelegt, um eine höhere Leerlaufspannung und einen höheren Kurzschlußstrom aus einem Hochfrequenzgenerator zu erlauben, der von einer Leistungsquelle mit fester Spannung betrieben wird.

IV. Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1a und 1b sind Blockschaltpläne von Hochfrequenz-Hochleistungsgeneratoren in der normalen Konfiguration des Standes der Technik. Fig. 1a zeigt eine Transformator/Gleichrichter-Eingangschaltung, während Fig. 1b einen umschaltbaren Umsetzereingang zeigt.
Fig. 2 ist ein ausführlicher Stromlaufplan einer Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung, der zwei PA-Einheiten zeigt, und der Schaltungseinzelheiten, die zur Teilung der Versorgungsspannung, zum Ansteuern der PA- Einheiten und zum Stabilisieren der Leistungsverbindungen führen.
Fig. 3 zeigt eine Form der Leistungsverbindung zu den umschaltbaren PA- Einheiten im Stand der Technik.
Fig. 4 zeigt die Signalformen, die verwendet werden können, um die Leistungsverstärker anzusteuern. Fig. 4a zeigt die Ansteuerungs-Signalformen für den Stand der Technik; Fig. 4b zeigt einige Ansteuerungs-Signalformen, wie sie für die vorliegende Erfindung offenbart sind.
Fig. 5 ist ein Stromlaufplan einer typischen PA-Einheit, wie sie in die aktuelle Erfindung aufgenommen werden kann.
Fig. 6 zeigt acht PA-Einheiten in einer seriellen/parallelen Versorgungsspannungsanordnung, in der an zwei Gruppen der PA-Einheiten jeweils eine Hälfte der Leistungsversorgungsspannung angelegt ist.
Fig. 7 zeigt eine alternative Art des Verbindens der acht PA-Einheiten in einer seriellen/parallelen Versorgungsspannungsanordnung, in der an jede PA-Einheit ein Viertel der Leistungsversorgungsspannung angelegt ist und in der die Ausgänge unter Verwendung der stufenweisen Kombination kombiniert sind.
Fig. 8 zeigt ein allgemeineres Verfahren der stufenweisen Kombination der PA-Ausgänge.
Fig. 8b zeigt eine Ausführungsform einer Kombinationseinrichtungs-Einheit für ein Paar von PA-Ausgängen.
Fig. 9 zeigt ein alternatives Stabilisierungsverfahren unter Verwendung einer Sternkonfiguration aus Widerständen.
Fig. 10 stellt eine Schaltung unter Verwendung mehrerer PA-Einheiten dar, die in eine einzelne abstimmbare Resonanzschaltung kombiniert sind.
Fig. 11 ist eine graphische Darstellung der verfügbaren Vorwärtsleistung von einem Hochfrequenzgenerator in einer fehlangepaßten Last als eine Funktion der Verlustleistung der Gesamtvorrichtung in den Transistorvorrichtungen des Generators.

V. Die besten Arten, um die Erfindung auszuführen

Wie oben erwähnt ist, legt die vorliegende Erfindung verbesserte Schaltungen und Schaltungskonfigurationen für die Erzeugung von Hochfrequenz-Hochleistungssignalen vor. Dies kann am leichtesten durch den Vergleich mit dem Stand der Technik verstanden werden. Im Stand der Technik wird die Spannung der ankommenden Leistungsversorgung des Stromversorgungsnetzes verringert, damit sie mit der niedrigeren Spannungsfähigkeit der Leistungsverstärkungs-Vorrichtungen kompatibel ist. Wie gesagt worden ist, kann dies in mehreren Arten ausgeführt werden, von denen zwei in Fig. 1 zeigt sind.
Fig. 1a zeigt eine übliche Grundkonfiguration des Standes der Technik. Die Leistung von der ankommenden Versorgung 1 (wie z. B. der Stromversorgungsnetz-Versorgung) wird durch den Transformator 2 auf eine niedrigere Wechselspannung 3 transformiert. Diese niedrigere Spannung 3 wird durch den AC-DC-Umsetzer 4 in die Busgleichspannung 5 umgesetzt. Diese Busspannung S wird zu mehreren Leistungsverstärkern (PAs) 7 durch Parallelschaltung geliefert. Das heißt, jeder der mehreren PA-Einheiten 7 wird die gleiche Busspannung 5 geliefert. Natürlich kann es in einigen Fällen nur eine einzelne PA-Einheit geben, falls aber höhere Leistungen erforderlich sind, sind gewöhnlich mehrere PA-Einheiten vorgesehen, wobei eine Kombinationseinrichtung 8 verwendet wird, um ihre einzelnen Hochfrequenzausgangssignale zu kombinieren, und die erforderliche höhere Leistung am Ausgang 9 zu bilden, wie in Fig. 1a zeigt ist. Wie die Durchschnittsfachleute der Plasmaverarbeitung verstehen, kann in derartigen Anwendungen dieser Ausgang 9 dann elektromagnetisch durch irgendein Element, wie z. B. eine Spulenkonstruktion oder eine Katoden/Anoden-Konstruktion oder dergleichen, gekoppelt werden, um ein Plasma in irgendeinem Plasmaelement, wie z. B. einer Kammer oder dergleichen, zu erzeugen. Abermals ist jedes dieser Elemente in den Literaturhinweisen gezeigt, ist wohlbekannt und kann signifikant verändert werden, um zur speziellen Anwendung zu passen.
In Fig. 1b wird alternativ die Leistung von der ankommenden Versorgung 1 (wie z. B. der Stromversorgungsnetz-Versorgung) durch den AC-DC-Umsetzer 10 in eine Gleichspannung 11 umgesetzt und anschließend durch den DC- DC-Umsetzer 12 in eine gesteuerte niedrigere Busspannung 5 für die Verwendung durch die mehreren PA-Einheiten 7 umgesetzt. Abermals ist es möglich, wie die Fachleute erkennen werden, daß nur eine einzelne PA-Einheit verwendet werden könnte, wenn aber höhere Leistungen erforderlich sind, ist es üblich, mehrere PA-Einheiten 7 vorzusehen, deren Ausgänge durch eine Kombinationseinrichtung 8 kombiniert werden, um am Ausgang 9 die erforderliche Leistung zu bilden, wie in Fig. 1b gezeigt ist.
In Fig. 1a oder 1b sind die Mittel zum Steuern der Ausgangsleistung nicht gezeigt; wie die Fachleute wissen werden, kann dies in der Konfiguration nach Fig. 1a durch die Steuerung des Ansteuersignals für die PA-Einheiten durch die Steuerung des Hochfrequenztreibers 6 durch Mittel ausgeführt werden, die in der Figur nicht gezeigt sind. In der Konfiguration nach Fig. 1b wird die Steuerung gewöhnlich durch die Einstellung der Busspannung 5 durch die Steuerung des DC-DC-Umsetzers 12 durch Mittel ausgeführt, die in der Figur nicht gezeigt sind, die Steuerung der Ausgangsleistung könnte jedoch wie im ersteren Fall ebenso durch die Steuerung des Hochfrequenztreibers 6 erfolgen.
Ungeachtet des Zugangs ist das grundlegende Konzept im Stand der Technik gewesen, eine Speisespannung für die PA-Einheiten zu erzeugen, die kleiner als die Spannung sein kann, die durch die direkte Gleichrichtung der Leistung des Stromversorgungsnetzes erreichbar ist. Wie die Fachleute erkennen werden, ist dies notwendig gewesen, weil die meisten für die Hochfrequenz geeigneten Transistoren den Spitzenspannungen nicht standhalten können, die auftreten, wenn die Speisespannung durch die direkte Gleichrichtung Leistungsleitung erhalten wird. In den bei den niedrigen Leistungspegeln in den Vereinigten Staaten oder Japan zu verwendenden Generatoren ist es möglich, die Leistung des 110-120-Volt-Stromversorgungsnetzes direkt gleichzurichten, um eine Busspannung von etwa 140-165 Volt bereitzustellen, bei höheren Leistungspegeln oder für die Verwendung in Europa muß jedoch für höhere Spannungen des Stromversorgungsnetzes konstruiert Werden. Die direkte Gleichrichtung der Spannungen des Stromversorgungsnetzes der US-Industrie oder in Europa erzeugt nominelle Busgleichspannungen von 300 bzw. 571 Volt, wobei der Wert unter "Hochspannungsleitungs"-Bedingungen um 10-15% überschritten wird. Außerdem können die Hochfrequenzsignale über den Transistoren die tatsächliche Versorgungsgleichspannung um einen Betrag überschreiten, der von der Schaltungskonfiguration abhängt; in vielen häufigen Schaltungen kann die Spitzen-HF-Spannung über dem Transistor mehr als dreimal das Gleichspannungs-Versorgungspotential betragen. Schließlich treten in einigen Anwendungen Übergangsvorgänge auf, die weiter zu der über dem Transistor auftretenden Gesamtspannung beitragen. Alle diese Faktoren erzeugen Spitzenspannungspegel, die zu groß sein können, damit typische Hochfrequenztransistoren standhalten, falls die nominelle Busgleichspannung höher als etwa 200 Volt ist. Bei der Verwendung der Spannungen des Stromversorgungsnetzes der US-Industrie oder in Europa hat das Konzept des Standes der Technik dann darin bestanden, die Speisebusspannung entweder mit einem Transformator oder einem DC-DC-Umsetzer auf Pegel zu verringern, die von etwa 28 Volt bis etwa 200 Volt reichen.
Die vorliegende Erfindung vermeidet die Anforderung, die Speisebusspannung zu verringern, indem die PA-Einheiten in Reihe geschaltet werden, so daß die nicht verringerte Busspannung unter mehreren PA-Einheiten geteilt wird. Für den minimalen Fall von zwei PA-Einheiten, ist eine Art, in der dies in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung getan wird, in Fig. 2 zu sehen. Die positive Leistungsleitung 14 der PA-Einheit 13 ist mit dem positiven Busanschluß 15 verbunden, während ihre negative Leistungsleitung 16 mit der positiven Leistungsleitung 17 der PA-Einheit 18 verbunden ist. Die negative Leistungsleitung 19 der PA-Einheit 18 ist durch die Widerstand-Kondensator-Parallelschaltung 50 mit dem negativen Busanschluß 20 verbunden. Folglich ist vom Standpunkt der durch die Busleitungen 15 und 20 gebildeten Leistungsversorgung die PA-Einheit 13 in Reihe mit der PA-Einheit 18 geschaltet, wobei die Spannung über jeder der PA-Einheiten 13 und 18 einzeln kleiner als die Speisespannung zwischen den Busleitungen 15 und 20 ist und ihre Summe in der Nähe der Speisespannung zwischen den Busleitungen 15 und 20 liegen muß. Es sollte angemerkt werden, daß, während Fig. 2 das Feldeffekttransistor-Symbol für die Halbleitervorrichtungen verwendet, die Lehren der vorliegenden Erfindung genausogut für andere Typen der Halbleitung oder andere Vorrichtungen einschließlich Bipolartransistoren, als ein Beispiel, gelten.
Weil die PA-Einheiten 13 und 18 über die Leistungsversorgung in Reihe geschaltet sind, muß der Strom der Leistungsversorgung durch jede etwa der gleiche sein. Dieser Strom in Fig. 2 geht der Reihe nach durch die Spule 26, die Spule in der Resonanzschaltung 27, die Spule 28, den Transistor 25, die Spule 29, die Spule in der Resonanzschaltung 30, die Spule 31 und den Transistor 32. Falls gewünscht, kann, um zu sichern, daß die Speisespannung über den zwei PA-Einheiten außerdem etwa die gleiche ist, ein durch die Widerstände 22 und 23 gebildeter Widerstandsteiler 21 über die Busleitungen 15 und 20 geschaltet werden. Dieser Widerstandsteiler kann die Speisespannung gleichmäßig oder ungleichmäßig teilen, aber in symmetrischen Schaltungen mit zwei PA-Einheiten, wie z. B. der Schaltung nach Fig. 2, können die zwei Widerstände 22 und 23 gleich sein, wobei sie eine Spannung am Knoten 24 erzeugen, die etwa auf halbem Wege zwischen der positiven Leistungsleitung 15 und der negativen Leistungsleitung 20 liegt. Die geteilte Spannung am Knoten 24 wird durch ein Isolationselement, das hier als ein Widerstand 33 gezeigt ist, an die Steuerleitung des Transistor 25 und die Sekundärwicklung des Transformators 34 angelegt. Die Auswahl des Isolationselements kann abhängig von den Anforderungen des Verstärkers und der Betriebsart variieren. Eine Steuerspannung 37 wird durch den Widerstand 35 und die Sekundärwicklung des Transformators 36 an die Steuerleitung des Transistors 32 angelegt. Diese Steuerspannung stellt durch die Wirkung des Transistor 32 den Strom im Transistor 32 ein, wobei dieser Strom der Reihe nach durch die Spule 26, die Spule in der Resonanzschaltung 27, die Spule 28, den Transistor 25, die Spule 29, die Spule in der Resonanzschaltung 30 und die Spule 31 fließen wird, wie vorausgehend erwähnt ist. Die den Spannungsteiler 21 hergestellte Spannung, die an die Steuerleitung des Transistors 25 angelegt ist, stellt durch die Transistorwirkung die Spannung an seiner Source-Leitung ein, die die Spannung an der Leitung 16 der PA-Einheit 13 ist.
Folglich wird der konstante Strom, der durch den Reihenpfad fließt, der durch die Spule 26, die Spule in der Resonanzschaltung 27, die Spule 28, den Transistor 25, die Spule 29, die Spule in der Resonanzschaltung 30, die Spule 31 und den Transistor 32 gebildet wird, durch die Größe der Steuerspannung 37, die auf den Transistor 32 wirkt, und unabhängig von der Spannung am Mittelpunkt der zwei PA-Einheiten 13 und 18 gebildet, wobei deshalb die Spannung über der PA-Einheit 18 durch die Wirkung des Spannungsteilers 21 und des Transistor 25 gebildet wird. Typischerweise würden in Fig. 2 die Widerstände 22 und 23 gleich gemacht sein, wobei in diesem Fall die Spannungen über den PA-Einheiten 13 und 18 etwa die gleichen und gleich der Hälfte der Gesamtversorgungsspannung zwischen den Anschlüssen 15 und 20 sein würden. Während eine separate Rückkopplungs-Schaltungsanordnung vorgesehen sein könnte, um die Spannung über jeder Vorrichtung auszugleichen, verwendet die vorliegende Anordnung einzig und allein die PA-Vorrichtungen selbst für die negative Rückkopplung, um die gleiche Aufteilung zu erreichen. Die gleiche Aufteilung erzeugt die niedrigste Spannungsbelastung an den PA-Einheiten, weil, falls die Aufteilung nicht gleich ist, eine der zwei PA-Einheiten mehr als die Hälfte der Gesamtversorgungsspannung über ihr besitzen würde. Die Ergänzung der Parallelschaltung 50 eines Widerstands und eines Kondensators, die mit der unteren PA zwischen den Schaltungsknoten 19 und 20 in Reihe geschaltet ist, schafft eine kleine Spannung, die von der durch die Steuerspannung 37 bereitgestellten Vorspannung subtrahiert wird; dies macht den obenerwähnten Leistungsversorgungsstrom viel weniger von den genauen Eigenschaften des Transistor 32 abhängig und dient dazu, den Leistungsversorgungsstrom von PA-Einheit zu PA-Einheit in Schaltungen mit mehreren Paaren aus PA-Einheiten gleichförmiger zu machen. Falls nur zwei Einheiten miteinander verbunden sind, wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist diese Gleichförmigkeit weniger wichtig, wobei auf die Schaltung 50 verzichtet werden kann.
Die PA-Einheiten 13 und 18 sind jede beschaffen, um das an den Eingangsanschlüssen 38 bereitgestellte Eingangssignal zu verstärken. Die Ausgangssignale dieser PA-Einheiten an den Knoten 39 bzw. 40 können unabhängig verwendet oder addiert werden, wie in Fig. 2 gezeigt ist. In Fig. 2 werden die zwei Ausgangssignale addiert, in dem die zwei Ausgänge parallel durch die Kondensatoren 41, 42, 43 und 44 mit den HF-Ausgangsanschlüssen 45 verbunden werden.
Um zusammenzufassen, was soweit gezeigt worden ist, zeigt die Fig. 2 zwei PA-Einheiten. Ihre Leistungsleitungen sind in Reihe geschaltet, dies verringert die an die einzelnen PA-Einheiten angelegte Gesamtspannung, während ihre Eingänge und Ausgänge parallelgeschaltet sind, dies erlaubt, daß ihre Leistungen am Ausgang addiert werden. Die Schaltung in Fig. 2 ist beschaffen, um die Spannung über jeder der zwei PA-Einheiten zu steuern, so daß sie etwa die gleiche und etwa gleich der Hälfte der Versorgungsspannung ist. Es wird für die Fachleute selbstverständlich sein, daß es andere mögliche Schaltungskonfigurationen und -verbindungen gibt, die diese Spannungsteilung erreichen können. In diesem Zusammenhang sollte es selbstverständlich sein, daß Fig. 2 beabsichtigt ist, um eine bevorzugte Ausführungsform und nicht alle möglichen Arten, um diese grundlegende Aufgabe der Erfindung zu lösen, zu zeigen, wobei in der Tat einige dieser anderen Ausführungsformen später in dieser Anwendung gezeigt werden.
Außer dem Konzept des Aufteilens der Busspannung zwischen mehr als einer PA-Einheit offenbart die vorliegende Anmeldung außerdem eine neuartige Art, die Busleistung mit irgendeiner PA-Einheit zu verbinden. Dies wird durch das Vergleichen von Fig. 2 mit Fig. 3 verstanden; die letztere zeigt eine Art der Leistungsverbindungen des Standes der Technik in umschaltbaren PA- Einheiten gemäß den Lehren des US-Patentes Nr. 5.187.580, "High Power Switch-mode Radio Frequency Amplifier Method and Apparatus", das durch Literaturhinweis hierin aufgenommen ist. In Fig. 3 bewirkt das umschaltbare Treiberelement 51, daß der Transistor 52 entweder EIN (in hohem Grade leitend, während eine sehr geringe Spannung über ihm liegt) oder AUS (nichtleitend, während ein sehr kleiner Strom durch ihn fließt) ist. Die PA- Konstruktionen mit derartigen Treiberschaltungen werden als umschaltbar bezeichnet, weil der Transistor 52 im Gegensatz zu einer veränderlichen Leitfähigkeit wie ein Schalter wirkt. Derartige Konstruktionen sind weitverbreitet, weil sie in hohem Grade effizient sind, da sehr wenig Leistung in irgendeinem Zustand des Transistors 52 verbraucht wird. Dies bedeutet jedoch, daß die Signalform an den Drain-Anschlüssen des Transistors 53 nicht sinusförmig ist. Aus diesem Grund wird das Filter 54 verwendet, um die harmonischen Inhalte der Drain-Signalform des Transistors 52 zu entfernen, um zu verhindern, daß sie den Ausgang 55 erreichen. Um die Leistung in die Schaltung zu speisen, wird die Hochfrequenzdrossel 53 verwendet. Etwa die ganze Hochfrequenzspannung erscheint über der Drossel 53, wobei im wesentlichen der volle Leistungsversorgungsstrom durch sie geht, wobei sie deshalb einen niedrigen Widerstand und eine beträchtliche Induktanz besitzen sollte, typischerweise einige Mikrohenry. Um in physikalisch kleinen Spulen derartige Induktanzen zu erhalten, werden im allgemeinen Ferritkerne verwendet, wobei beträchtliche Verluste in diesen Kernen erlitten werden können, insbesondere falls sie irgendeine beträchtliche HF-Induktion unterstützen müssen, wie es in der Schaltung nach Fig. 3 der Fall ist. Falls z. B. die Signalform an der Drain- Leitung des Transistors 52 eine Amplitude von 200 Volt und eine Frequenz von 13,57 MHz besitzt, und falls die Drossel 53 einen Wert von 2,5 Mikrohenry besitzt, dies sind alles angemessene Werte, beträgt der in der Drossel 53 fließende Hochfrequenzstrom (der für niedrige Verluste fast null sein sollte) etwa ein Ampere. Außerdem müssen ebenfalls einige Ampere Gleichstrom, um Leistung an die Schaltung zu liefern, in derselben Spule fließen, wobei dies zu den Verlusten beiträgt.
In der Schaltung nach Fig. 2 ist der Speisepunkt für das Liefern der Leistung zur Verbindung der Spule 28 und des Kondensators 46 am Schaltungsknoten 39 für die obere PA-Einheit und ähnlich am Schaltungsknoten 40 für die untere PA-Einheit bewegt worden. Da die durch die Spule 28 und den Kondensator 46 für die obere PA und die Spule 31 und den Kondensator 47 für die untere PA gebildeten Filter bewirken, daß die harmonischen Inhalte der Transistor-Signalformen entfernt werden, sind die Spannungen an diesen Knoten 39 und 40 praktisch sinusförmig. Die Parallelresonanzschaltungen 27 und 30, die mit den Versorgungsleitungen in Reihe geschaltet sind und an diesem Knoten angeschlossen sind, stellen eine hohe Impedanz für die Grundfrequenz bereit, dies ist die gleiche Aufgabe der Drossel 53 in Fig. 3, sie tut dies aber mit wesentlich kleineren Induktanzwerten. In einem praktischen Fall können die Spulenwerte für die Schaltungen 27 und 30 wenigstens zehnmal kleiner als die sein, die in Fig. 3 für die Drossel 53 erforderlich sind, dies erlaubt, daß Spulen ohne Ferritkerne (und folglich ohne Kernverluste) zu verwenden sind.
Zusammengefaßt erlaubt der neuartige Schritt des Bewegens der Speisung für die Leistungsversorgung zu Knoten mit sinusförmigen Spannungen, wie z. B. den Knoten 39 und 40 in Fig. 2, und die Verwendung von Parallelresonanzschaltungen in der Speiseleitung die Verwendung viel kleinerer Induktanzwerte als im Stand der Technik, beseitigt die Verwendung von Ferritmaterial und verringert die Verluste in der Schaltung und vergrößert den Wirkungsgrad.
Außerdem ist in Fig. 3 zu sehen, daß über den Ausgang am Knoten 55 eine Parallelresonanzschaltung 56 und ein Widerstand 57 geschaltet sind. Diese Elemente wirken, um Energie bei den Frequenzen zu absorbieren, die von der Grundfrequenz verschieden sind, mit dem Ziel, die Stabilität der PA-Einheit gegenüber unerwünschten Verhalten und Schwingungen zu vergrößern; dieses Konzept ist der Gegenstand der ebenfalls anhängigen PCT-Anmeldung Nr. PCT/US93/03543, Veröffentlichungsnummer WO 93/21685, die durch Literaturhinweis hierin aufgenommen ist. Diese gleiche Funktion ist neuartig, wobei sie in Fig. 2 in zwei verschiedenen Arten einfacher ausgeführt wird. In der oberen PA-Einheit 13 ist die Stabilisierung durch die Ergänzung der Spule 26 in Reihe mit der positiven Versorgungsleitung und der Ergänzung des Reihenwiderstands- und -kondensatornetzwerkes 48 von der Verbindung der Spule 26 und der Resonanzschaltung 27 zur negativen Versorgungsleitung 16 für die PA-Einheit 13 erreicht. Dies arbeitet wie folgt. Die Resonanzschaltung 27 stellt eine hohe Impedanz für die Grundfrequenz dar, leitet aber den Strom bei den Harmonischen der Grundfrequenz und anderen Frequenzen. Dieser Strom baut eine Spannung über der Spule 26 auf, die einen Strom im Netzwerk 48 erzeugt, das die Leistung wie gewünscht absorbiert.
In der unteren PA-Einheit 18 wird diese Stabilisierung durch die Ergänzung der Parallelschaltung der Spule 30 und des Widerstands 49 in Reihe mit der Versorgungsleitung 17 erreicht. Wie es die Resonanzschaltung 27 in der oberen PA-Einheit tut, stellt die Resonanzschaltung 30 eine hohe Impedanz für die Grundfrequenz dar, sie leitet aber den Strom bei den Harmonischen der Grundfrequenz und anderen Frequenzen. Dieser Strom baut eine Spannung über der Spule 29 auf, die einen Strom im Widerstand 49 erzeugt, der die Leistung wie gewünscht absorbiert. Der Leistungsgleichstrom wird durch die Spule 29 transportiert und umgeht den Widerstand 49, wobei er deshalb keine Verluste im Widerstand 49 erzeugt. Jedes dieser zwei Stabilisierungsverfahren kann effektiv verwendet werden, um unerwünschte Schwingungen und andere Instabilitäten zu verhindern. Noch weitere Ausführungsformen, die in Fig. 2 oder Fig. 3 nicht gezeigt sind, des Konzeptes des Absorbierens der Leistung bei von der Grundfrequenz verschiedenen Frequenzen sind möglich, wobei sie später in dieser Anwendung offenbart sind.
In Fig. 4 sind die neuartigen Ansteuermerkmale der Schaltung nach Fig. 2 zu sehen. Im Stand der Technik ist die Amplitude des Signals an der Steuerelektrode der Transistoren der PA-Einheit modifiziert worden, um die Ausgangsleistung zu ändern, wie in Fig. 4a gezeigt ist. Für die Konstruktion eines umschaltbaren Verstärkers wird bewirkt, daß eine Schwellenspannung 58 vorhanden ist, über der der Schalttransistor (z. B. 25 und 32 in Fig. 2 und 52 in Fig. 3) EIN (in hohem Grade leitend, während eine sehr geringe Spannung über ihm liegt) ist, und unter der der Schalttransistor AUS (nichtleitend, während ein sehr kleiner Strom durch ihn fließt) ist. In praktischen Schaltungen gibt es einen kleinen Bereich der Spannungen, der als der Übergangsbereich (oder Schaltbereich) bezeichnet wird, in der Nähe der Schwellenspannung 58, die die Zwischenleitung verursachen. Weil während der Zeitperiode, in der die Zwischenleitung auftritt, irgendeine Spannung über dem Schalttransistor vorhanden ist, fließt zur gleichen Zeit ein Strom durch ihn, wobei während dieser Periode Leistung verloren wird, wobei es normalerweise wünschenswert ist, diese Periode so kurz wie möglich zu machen. In Fig. 4a kann die Periode bei großen Ansteuerpegeln (hohen Ausgangsleistungen) angemessen kurz sein, wenn aber der Ansteuerpegel verringert wird, wird der Bruchteil der Periode, während dessen zusätzliche und unannehmbare Leistung im Schalttransistor verbraucht wird, vergrößert, da die Signalform mehr Zeit im Übergangsbereich verbringt. Es wird angemerkt, daß in Fig. 4a das Hochfrequenz-Treibersignal um die Schwellenspannung 58 zentriert ist; im allgemeinen ist die Mitte des Treibersignals so hergestellt, daß ein kleiner aber konstanter Strom bei Nullansteuerung gezogen wird. Dies ist in den meisten Konstruktionen des Standes der Technik erforderlich, um bei niedrigen Signalpegeln eine angemessene Genauigkeit der Signalform zu erzeugen.
In der vorliegenden Erfindung wird die Ansteuerung in einer neuartigen und ganz verschiedenen Weise erreicht. Die Bedingung der höherem Verluste bei niedrigen Ansteuerpegeln wird verbessert, indem eine Ansteuersignalform mit hoher Amplitude aufrechterhalten wird und ein Gleichstrompegel 59 überlagert wird, der verändert wird, um die Ausgangsleistung zu ändern. Infolge der hohen Ansteueramplitude geht die Signalform relativ schnell durch den Übergangsbereich um die Schwellenspannung, dies verringert die in diesem verlustbehafteten Bereich" verbrachte Zeit. Die niedrigeren resultierenden Verluste bewirken, daß der Verstärker effizienter ist. Dies ist in Fig. 2 implementiert, indem die Steuerspannung 37 variiert wird, die in der Schaltung nach Fig. 2 das Äquivalent zum Gleichstrompegel 59 in Fig. 4 wird. Infolge der inhärenten Rückkopplung der Schaltung nach Fig. 2 wird die Steuerspannung für den Transistor 25 genau kopiert. Durch beide Transistoren 25 und 32 fließt der gleiche Gleichstrom und über beiden Transistoren 25 und 32 liegt die gleiche Spannung, wobei die Spannung zwischen ihren Steuerelektroden und ihren Sources etwa die gleiche ist, die in beiden Fällen gleich der Spannung 37 ist. Das konstante Ansteuersignal mit hoher Amplitude, das in Fig. 4b gezeigt ist, ist in Fig. 2 an die HF-Anschlüsse 38 angelegt, wobei es sich während des Betrieb nicht verändert.
Die in der spezifischen Ausführungsform nach Fig. 2 umrissenen Konzepte können in einigen Arten verallgemeinert werden. Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung einer einzelnen PA-Einheit 60, die einen Hochfrequenz-Treibereingang 61, einen Vorspannungseingang 62, eine positive Leistungsleitung 64, eine negative Leistungsleitung 65 und einen Ausgangsanschluß 63 besitzt. Acht derartige Einheiten sind gemäß den Lehren dieser Erfindung in Fig. 6 miteinander verbunden. In Analogie zu Fig. 2 sind die Leistungsleitungen von Paaren der PA-Einheiten in Reihe geschaltet, wobei diese Paare wiederum parallel über die Leistungsversorgung an den Schaltungsknoten 69 und 70 geschaltet sind. Der gleichen Weise, wie sie bei der Erörterung der Fig. 2 beschrieben worden ist, ist ein Spannungsteiler 66 vorgesehen worden, um eine Vorspannung für die oberen PA-Einheiten in Fig. 6 zu erzeugen; wie vorher kann die Spannungsteilung gleich oder nicht gleich sein, sie wird aber typischerweise gleich gemacht werden, um die maximale Spannungsbelastung an den PA-Einheiten zu verringern. Die durch den Spannungsteiler 66 erzeugte Spannung ist mit den Vorspannungsanschlüssen 62 der oberen PA- Einheiten verbunden, während die Steuerspannung 73 mit den Vorspannungsanschlüssen 62 der unteren PA-Einheiten verbunden ist. Wie in Fig. 2 ist eine Parallelschaltung 68 eines Widerstands und eines Kondensators in Reihe mit den unteren PA-Einheiten geschaltet, um die Wirkungen der ungleichen Schwellenspannungen in einer Weise zu verringern, die den Fachleuten vertraut ist. In Fig. 6 ist die Hochfrequenz-Treiberschaltung nicht gezeigt; die Primärwicklungen der Treibereingänge 61 für die PA-Einheiten 60 würden parallelgeschaltet sein, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Steuerung der Ausgangsleistung in Fig. 6 kann in der in Fig. 4 gezeigten Weise durch das Anlegen einer veränderlichen Steuerspannung an die Anschlüsse 73 erreicht werden. Die Ausgangsanschlüsse 63 der vier oberen und der vier unteren PA-Einheiten sind durch Kondensatoren mit dem Hochfrequenz-Ausgangsanschluß 71 zusammen verbunden. Die Kondensatoren 67 werden verwendet, um die negativen Leistungsanschlüsse 65 der acht PA-Einheiten mit dem gemeinsamen Ausgang oder Masse zu verbinden.
In dieser Weise können acht PA-Einheiten miteinander verbunden werden, um ein Hochleistungsausgangssignal zu bilden, das etwa achtmal die Leistung einer einzelnen Stufe besitzt, während eine Leistungsquelle verwendet wird, die ein Potential besitzt, von dem das Zweifache sicher über jede der einzelnen PA-Einheiten gelegt werden kann.
Es gibt noch andere Arten, in denen mehrere PA-Einheiten gemäß den Lehren dieser Erfindung verbunden werden können. Fig. 7 zeigt acht PA-Einheiten 60, die so verbunden sind, daß nur ein Viertel der Leistungsversorgungsspannung über jeder von ihnen erscheint. Die allgemeine Ähnlichkeit des Zugangs zu Fig. 6 wird für die Fachleute offensichtlich sein. In Fig. 7 ist jede von zwei Mengen aus vier PA-Einheiten in Reihe geschaltet, wobei die zwei Mengen parallelgeschaltet sind. Die Ergänzung der Parallelschaltung 68 eines Widerstandes und eines Kondensators in Reihe mit der untersten PA schafft eine kleine Spannung, die von der durch die Steuerspannung 73 bereitgestellten Vorspannung subtrahiert wird; dies macht den Leistungsversorgungsstrom in jeder der zwei parallelen PA-Mengen weniger von den genauen Eigenschaften der Transistoren abhängig und dient dazu, die PA-Ströme auszugleichen. Die Vorspannungsanschlüsse der Paare von diesen sind mit einem Spannungsteiler 74 verbunden, so daß ihre Niederfrequenzimpedanz gesteuert wird, um ein Viertel der Leistungsversorgungsspannung über jedem von ihnen in einer Weise anzulegen, die bisher in der Erörterung der Fig. 2 beschrieben worden ist. In Fig. 7 ist die Hochfrequenz-Treiberschaltung nicht gezeigt; die Primärwicklungen der Treibereingänge 61 für die PA-Einheiten 60 würden parallelgeschaltet sein, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Steuerung der Ausgangsleistung in Fig. 7 wird in der Weise, die in Fig. 4 gezeigt ist, durch das Anlegen einer variablen Vorspannung an die Anschlüsse 73 erreicht. Die Ausgänge benachbarter PA-Einheiten sind durch die Kopplungskondensatoren 72 parallelgeschaltet gezeigt, wie in Fig. 6 gezeigt ist, wobei aber in diesem Fall die resultierenden vier Ausgänge durch eine Stufenkombinationseinrichtung kombiniert sind. Das obere Paar und die unteren Paare der Ausgänge sind mit den Transformatoren 75 kombiniert, die zwei Ausgänge in der ersten Stufe der Kombination erzeugen, wie als 76 angezeigt ist. Diese zwei Ausgänge werden dann in einer zweiten Stufe mit dem Transformator 77 kombiniert. In dieser Weise wird ein einzelner Ausgang mit der Leistung von allen acht PA-Einheiten erzeugt. Der einzelne gemeinsame Ausgangsanschluß oder Masse ist, wie in Fig. 6, mit den negativen Leistungsanschlüssen der PA-Einheiten 60 durch die Kondensatoren 67 verbunden, dies legt alle PA-Einheiten für Hochfrequenzen effektiv parallel.
Die acht PA-Einheiten könnten außerdem in einer Dreistufenkombinationseinrichtung kombiniert worden sein, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Hier ist eine Vielzahl 78 aus acht PA-Einheiten gezeigt, die zuerst unter Verwendung der Kombinationseinrichtungen 79 in einer ersten Stufe 80 paarweise kombiniert werden, dann werden die resultierenden vier Ausgangssignale unter Verwendung der Kombinationseinrichtungen 79 in einer zweiten Stufe 81 paarweise kombiniert und schließlich werden die resultierenden zwei Ausgangssignale unter Verwendung der Kombinationseinrichtungen 79 in einer dritten und letzten Stufe 82 kombiniert, um das letzte Ausgangssignal 83 zu erzeugen. Natürlich könnte dieser Prozeß an irgendeinem Punkt angehalten werden, um mehrere Ausgangssignale zu erzeugen. Die letzte Stufe 82 könnte z. B. weggelassen werden, falls zwei unabhängige Ausgangssignale gewünscht werden - die gewünschten zwei Ausgangssignale würden im Ergebnis der Kombinationseinrichtung 79 in der zweiten Stufe 81 erhalten werden. Fig. 8b zeigt eine spezielle Ausführungsform der Kombinationseinrichtung 79, die wechselseitig gekoppelte Spulen verwendet.
Die PA-Vorrichtungen besitzen interne parasitäre Elemente, wie z. B. die Ausgangskapazitanz und die Leitungsinduktanz. Wenn sie direkt parallelgeschaltet werden, können diese parasitären Elemente Resonanzen und Instabilität erzeugen. Es wird eine neue Kombinationseinrichtung vorgeschlagen, die das Problem löst. In Fig. 8b wird von Eingang zu Eingang die Induktanz der Kombinationseinrichtung addiert. Vom kombinierten Eingang zum Ausgang hebt sich die Induktanz auf oder ist vernachlässigbar. Ferner kann irgendein Typ von Verlustelement, wie z. B. ein Widerstand 97, enthalten sein oder nicht. Der Widerstand 97 könnte über die Eingänge geschaltet sein, um die Schwingungen zu dämpfen. Alternativ oder außerdem könnte eine verlustbehaftete Spule das gleiche erreichen. Diese Kombinationseinrichtung kann ganz klein sein, wobei sie nur 1/8 Kubikfuß auf dem Kilowatt-Niveau einnimmt. Diese Form der Kombinationseinrichtung kann die Ströme von jedem Verstärker ausgleichen, während sie gleichzeitig unerwünschtes Verhalten dämpft.
Fig. 2 (für die aktuelle Erfindung) und Fig. 3 (für den Stand der Technik) zeigen jede einen Mechanismus, um mit dem Ziel, die Stabilität der PA-Einheit gegenüber unerwünschten Verhalten und Schwingungen zu vergrößern, Energie bei Frequenzen zu absorbieren, die von der Grundfrequenz verschieden sind. In Fig. 2 wird dies durch die Widerstände 48 und 49 und in Fig. 3 durch den Widerstand 57 erreicht. Es ist oben erwähnt worden, daß es andere neuartige Arten gibt, diese Stabilisierung der PA-Anordnung zu erreichen, wobei eine von diesen in Fig. 9 gezeigt ist. In Fig. 9 sind die Ausgänge von einer Vielzahl 78 aus acht PA-Einheiten in einer Stufenkombinationseinrichtung kombiniert, die aus sieben Kombinationseinrichtungen 79 in drei Stufen besteht. Ein Stern-Stabilisatornetzwerk aus Widerständen 84 wird erzeugt, indem ein Widerstand von jedem der Ausgänge der PA-Einheiten in der Vielzahl 78 (nach der Isolation durch die Ausgangskondensatoren 72) mit einem gemeinsamen Knoten 85 verbunden wird. Dies wirkt, um die Anordnung der PA-Einheiten zu stabilisieren, weil, falls irgendeine der PA-Einheiten ein Signal erzeugt, das unerwünscht ist, ihr Ausgangssignal nicht mit dem der, anderen völlig gleich sein wird, wobei in dem Netzwerk der Widerstände 84 ein Strom fließt, der die Energie aus dem System absorbiert und wirkt, es zu stabilisieren.
In den Fällen, in denen eine äußerst hohe Leistung gewünscht ist, können viele PA-Einheiten erforderlich sein. Außerdem wird, wenn höhere Leistungen erreicht werden, der Wirkungsgrad zunehmend wichtig, weil ein kleiner partieller Verlust von einem sehr großen Ausgangssignal selbst beträchtlich und wichtig zu minimieren sein kann. Der Wirkungsgrad einer PA-Einheit kann durch die Fehlabstimmung der frequenzbestimmenden Elemente der PA-Einheiten ungünstig beeinflußt werden. In Fig. 2 bestehen diese sowohl aus der Spule 28 und dem Kondensator 46 für die obere PA-Einheit und der Spule 31 und dem Kondensator 47 für die untere PA-Einheit als auch aus den parallelresonanten Leistungsversorgungs-Speisungen 27 und 30. Falls die Frequenz einer Hochleistungs-PA-Anordnung außerdem veränderlich sein muß, muß jede von diesen für die Einheit neu abgestimmt werden, um bei der neuen Frequenz richtig zu arbeiten. Die gleichzeitige Abstimmung einer derartigen Anzahl von Elementen ist schwierig und teuer.
Deshalb würde es in Systemen mit sehr hoher Leistung oder Systemen, in denen eine veränderlichen Frequenz gewünscht wird, wünschenswert sein, möglichst wenig Elemente zu besitzen, die veränderlich sein müssen. Fig. 10 zeigt einen Mechanismus unter Verwendung der Verfahren der vorliegenden Erfindung, um eine hohe Leistungsausgabe aus mehreren PA-Einheiten zu erzeugen und trotzdem zu erfordern, daß nur eine einzelne abgestimmte Schaltung für einen hohen Wirkungsgrad oder für die Änderungen der Frequenz eingestellt wird. In Fig. 10 sind die PA-Einheiten 86 auf die minimalen Schaltelemente reduziert, wobei sie nicht resonant sein können; d. h., sie besitzen keine frequenzbestimmenden Elemente. Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung sind mehrere derartige PA-Einheiten 86 in zwei Gruppen verbunden, einer oberen Gruppe 87 und einer untere Gruppe 88, die durch die Spulen 89, die als hohe Impedanzen bei irgendeiner Hochfrequenz wirken, mit der Leistungsquelle 94 in Reihe geschaltet sind. Der Widerstandsteiler 90, der normalerweise ein gleicher Teiler sein würde, bewirkt in der obenbeschriebenen Weise, daß die Hälfte des Potentials der Leistungsquelle 94 über jeder der zwei Gruppen 87 und 88 erscheint. Es sollte angemerkt werden, daß in Fig. 10 nur zwei PA-Einheiten 86 sowohl in der oberen als auch in der unteren Gruppe gezeigt sind, es könnte in jeder Gruppe aber irgendeine Anzahl parallelgeschaltet sein, um die gewünschte Ausgangsleistung zu erhalten. Die wechselseitig gekoppelten Spulen 96 (wie in Fig. 8b gezeigt ist) können verwendet werden, um Paare von PA-Einheiten sowohl in der oberen Gruppe 87 als auch der unteren Gruppe 88 zu kombinieren, wobei die Kondensatoren 91 verwendet werden, um die obere Gruppe 87 und die untere Gruppe 88 bei Hochfrequenzen parallelzuschalten. Die resultierende Leistung wird an den Ausgang 93 angelegt, nachdem sie durch eine weitere Kombinationseinrichtung, wie z. B. die wechselseitig gekoppelten Spulen 96, und dann zur Resonanzschaltung 92 gegangen ist. Die Resonanzschaltung 92 ist als einstellbar gezeigt, wobei, da dies das einzige veränderliche Element in der Schaltung ist, Änderungen in der Betriebsfrequenz oder die Abstimmung, um den maximalen Wirkungsgrad zu erhalten, einfach sind, wobei sie keine sorgfältige Koordination von mehreren abgestimmten Schaltungen erfordern.
Eine Folge des Kombinierens der hierin offenbarten Techniken ist, daß eine große Anzahl von Transistorvorrichtungen in Parallel- und Reihenschaltungen kombiniert werden können. Dies macht Halbleiterverstärker mit veränderlicher Frequenz möglich, die zu Leistungsausgaben über 100 kW fähig sind, wie sie z. B. in Kurzwellen-Rundfunksendern verwendet werden.
In Fig. 10 ist die Hochfrequenz-Treiberschaltung nicht gezeigt; die Primärwicklungen der Treibertransformatoren 98 für die PA-Einheiten 86 würden, falls sie gezeigt sind, in der gleichen Weise wie die Primärwicklungen der Transformatoren 34 und 36 in Fig. 2 parallelgeschaltet sein. Die Steuerung der Ausgangsleistung in Fig. 10 wird in der in Fig. 4 gezeigten Weise durch das Anlegen einer veränderlichen Vorspannung an die Anschlüsse 95 erreicht.
Ein vorausgehend erwähntes Problem ist die Schwierigkeit, eine beträchtliche Vorwärtsleistung in fehlangepaßte Lasten, insbesondere in offene und kurzgeschlossene Schaltungen, von Generatoren zu liefern, die Leistungsversorgungen mit fester Spannung verwenden. Dies ist ein Problem, weil die Eigenschaften der Last kombiniert mit der festen hohen Versorgungsspannung verursachen können, daß die Transistorvorrichtungen im linearen Bereich arbeiten, dies führt zu einer hohen Verlustleistung. Um die Transistoren vor Beschädigung zu schützen, die auf diese hohe Verlustleistung zurückzuführen ist, werden normalerweise Schaltungen zu Konstruktionen mit fester Spannung hinzugefügt, um die Leerlaufspannung oder den Kurzschlußstrom zu begrenzen.
Fig. 11 ist eine graphische Darstellung der verfügbaren Vorwärtsleistung aus einem Hochfrequenzgenerator in einer fehlangepaßten Last als eine Funktion der Gesamtverlustleistung der Vorrichtung in den Transistorvorrichtungen des Generators. Wie zu sehen ist, nimmt die verfügbare Vorwärtsleistung schneller als linear mit der Verlustleistung zu. Die Vergrößerung der Kühlungsfähigkeit der Transistorvorrichtungen erlaubt deshalb einen unerwarteten Bonus in der verfügbaren Vorwärtsleistung über diejenige hinaus, die aus einer linearen Beziehung erwartet wird. Das Arbeiten bei 60, 70 oder sogar etwa 80 Prozent der nominellen Ausgangsleistung kann Vorteile schaffen. Es ist entdeckt worden, daß die Vergrößerung der tatsächlichen Fläche der Transistorvorrichtungen oder äquivalent ihrer Anzahl mehr verfügbare Vorwärtsleistung proportional hinzufügt als die Vergrößerung der Fläche. Das heißt, ein Generator, der eine größere Anzahl von Vorrichtungen mit niedrigerer Leistung verwendet, wird eine Verbesserung in der verfügbaren Vorwärtsleistung in einer fehlangepaßten Last im Vergleich zu einem Generator zeigen, der eine kleinere Anzahl von Vorrichtungen mit höherer Leistung verwendet, selbst wenn beide die gleiche Gesamtverlustleistungsfähigkeit besitzen. Es wird die Hypothese aufgestellt, daß dieser zweite Effekt auf die vergrößerte Ausgangskapazitanz des ersteren Generators im Vergleich zum letzteren zurückzuführen ist, und daß diese vergrößerte Ausgangskapazitanz wirkt, um die Variationen in der Lastimpedanz zu verringern, wie sie zu den Transistorvorrichtungen selbst reflektiert werden. Folglich kann es möglich sein, die in fehlangepaßten Lasten verfügbare Vorwärtsleistungsausgabe durch die künstliche Ergänzung von Kapazitanz über dem Ausgang der Transistorvorrichtungen zu vergrößern, vorausgesetzt, dies kann ohne die Einfügung einer nennenswerten Induktanz zwischen der Vorrichtung und der Kapazitanz ausgeführt werden. Diese Zunahme in der verfügbaren Vorwärtsleistung ist wichtig, um es möglich zu machen, mehr Leerlaufspannung oder Kurzschlußstrom zu liefern, als es ansonsten mit einer Leistungsquelle mit fester Spannung möglich sein würde, vorausgesetzt, daß sich die gleiche Anzahl von Transistoren mit den gleichen Nennwerten der Verlustleistung in jeder befindet. Diese zusätzliche Fähigkeit kann in Plasmaspeisungsanwendungen wichtig sein, weil die Zündung des Plasmas oft eine signifikante Leerlaufspannung vom Hochfrequenzgenerator erfordert.
Die vorangehende Erörterung und die folgenden Ansprüche beschreiben die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. Insbesondere sollte es in bezug auf die Ansprüche selbstverständlich sein, daß Änderungen vorgenommen werden können, ohne von ihrem Wesen abzuweichen. In dieser Hinsicht ist beabsichtigt, daß derartige Änderungen immer noch in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen würden. Es ist einfach nicht praktisch, alle möglichen Revisionen zu beschreiben und zu beanspruchen, die durch die vorliegenden Erfindung erreicht werden können. Zu dem Ausmaß, in dem derartige Revisionen das Wesen der Erfindung verwenden, würde jede natürlich in die Breite des durch dieses Patent erreichten Schutzes fallen. Dies trifft besonders für die vorliegenden Erfindung zu, weil die Grundkonzepte und -einsichten fundamental sind und in einer Vielzahl von Arten und in einer Vielzahl von Gebieten angewendet werden können.
Außerdem werden sowohl alle in der Anmeldung für dieses Patent erwähnten Literaturhinweise als auch alle Literaturhinweise, die in irgendeiner Informationsoffenbarung aufgelistet sind, die ursprünglich mit der Anwendung eingereicht worden ist, hierdurch in ihrer Gesamtheit in dem Umfang durch Literaturhinweise eingefügt, so daß sie als wesentlich betrachtet werden können, um die Ermöglichung der Erfindung(en) zu unterstützen. Zu dem Ausmaß, zu dem die Darstellungen als inkonsistent mit der Patentierung dieser Erfindung(en) betrachtet werden können, werden derartige Darstellungen ausdrücklich nicht als durch den (die) Anmelder gemacht betrachtet.
Schließlich kann außerdem jedes der verschiedenen Elemente der Erfindung und Ansprüche außerdem in einer Vielzahl von Arten erreicht werden. Diese Offenbarung sollte so verstanden werden, daß sie jede derartige Variation umfaßt, sei sie eine Variation einer Ausführungsform irgendeiner Vorrichtungsausführungsform, einer Verfahrens- oder Prozeßausführungsform oder sogar nur eine Variation irgendeines Elementes von diesen. Insbesondere sollte es selbstverständlich sein, daß, da sich die Offenbarung auf die Elemente der Erfindung bezieht, die Worte für jedes Element durch äquivalente Vorrichtungsbegriffe oder Verfahrensbegriffe ausgedrückt werden können - selbst falls nur die Funktion oder das Ergebnis die bzw. das gleiche ist. Derartige äquivalente, breitere oder sogar generischere Begriffe sollten so betrachtet werden, daß sie in der Beschreibung von jedem Element oder jeder Handlung enthalten sind. Derartige Begriffe können ersetzt werden, wo es gewünscht ist, die implizite breite Überdeckung explizit zu machen, zu der diese Erfindung berechtigt ist. Als nur ein Beispiel sollte es selbstverständlich sein, daß jede Handlung als ein Mittel, um diese Handlung zu unternehmen, oder als ein Element, das die Handlung verursacht, ausgedrückt werden kann. Ähnliche sollte es selbstverständlich sein, daß jedes offenbarte physikalische Element eine Offenbarung der Handlung enthält, die dieses physikalische Element ermöglicht. Hinsichtlich dieses letzten Aspekts sollte es nur als ein Beispiel selbstverständlich sein, daß die Offenbarung eines "Verstärkers" die Offenbarung der Ausführung der "Verstärkung" umfaßt - ob sie explizit erörtert ist oder nicht - wobei umgekehrt, wenn es nur die Offenbarung der Ausführung der "Verstärkung" gibt, es selbstverständlich sein sollte, daß eine derartige Offenbarung die Offenbarung eines "Verstärkers" umfaßt. Es ist selbstverständlich, daß derartige Änderungen und alternativen Begriffe explizit in der Beschreibung enthalten sind.

Claims

1. Verfahren zur Plasmaverarbeitung, das die folgenden Schritte umfaßt:

a) Liefern eines Gleichsspannungseingangssignals, das ein Potential besitzt;

b) Aufteilen des Potentials auf mehrere Verstärker, wovon jeder einen Hochfrequenzausgang besitzt, wobei wenigstens einer der Verstärker einen umschaltbaren Verstärker umfaßt;

c) Liefern eines Hochfrequenz-Treibersignals an jeden der Verstärker;

d) Kombinieren der Hochfrequenzausgangssignale der Verstärker, um wenigstens ein Hochleistungs-Hochfrequenzausgangssignal zu erzeugen;

e) Erzeugen eines Plasmas durch die Wirkung des Hochleistungs- Hochfrequenzausgangssignals; und

f) Verarbeiten unter Verwendung des Plasmas.

2. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Aufteilens des Potentials die Schritte umfaßt, bei denen die mehreren Verstärker in einer Reihenschaltung verbunden werden und das Potential über die Reihenschaltung angelegt wird.

3. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 2, das ferner den Schritt umfaßt, bei dem für wenigstens einen der mehreren Verstärker eine Niederfrequenzimpedanz gebildet wird, so daß das Potential als Ergebnis der Niederfrequenzimpedanz wenigstens teilweise unterteilt wird.

4. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Potential auf die Verstärker ungefähr gleich aufgeteilt wird.

5. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Aufteilens des Potentials ferner den Schritt umfaßt, bei dem wenigstens eine Vorspannung erzeugt wird und die Vorspannung für wenigstens einen der Verstärker bereitgestellt wird.

6. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 5, bei dem das Potential auf die Verstärker ungefähr gleich aufgeteilt wird.

7. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 1 oder 5, bei dem die Verstärkerausgänge Ströme umfassen und bei dem der Kombinationsschritt den Schritt umfaßt, bei dem die Ströme von wenigstens zwei der Verstärker addiert werden.

8. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 7, bei dem der Additionsschritt den Schritt umfaßt, bei dem die hochfrequenten Ströme an einem gemeinsamen elektrischen Punkt summiert werden.

9. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 1 oder S. bei dem der Kombinationsschritt den Schritt umfaßt, bei dem stufenweise kombiniert wird.

10. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 9, bei dem der Schritt der stufenweisen Kombination die folgenden Schritte umfaßt:

a) Unterteilen der Verstärker in Paare, wobei das Hochfrequenzausgangssignal jedes der Verstärker eine im wesentlichen phasengleiche Komponente besitzt;

b) Kombinieren der im wesentlichen phasengleichen Komponenten der Hochfrequenzausgangssignale von jedem der Verstärker der Paare, um eine erste Menge summierter Ausgangssignale zu bilden, wovon jeder im wesentlichen phasengleiche Ausgangskomponenten besitzt;

c) Unterteilen der ersten Menge summierter Ausgangssignale in wenigstens ein Paar;

d) Kombinieren der im wesentlichen phasengleichen Ausgangskomponenten der ersten Menge summierter Ausgangssignale, um wenigstens ein zweites summiertes Ausgangssignal zu bilden.

11. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 10, das ferner die Schritte umfaßt, bei denen die Schritte 10c) und 10d) wiederholt werden, wobei das zweite summierte Ausgangssignal als eine erste Menge summierter Ausgangssignale betrachtet wird, und bei dem die Schritte 10c) und 10d) wiederholt werden, um den Hochleistungs-Hochfrequenzausgang zu erzielen.

12. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 11, bei dem der Wiederholungsschritt fortgesetzt wird, bis ein letztes Paar gemeinsamer elektrische Punkte in einem letzen gemeinsamen elektrischen Punkt verbunden ist.

13. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 10, bei dem der Kombinationsschritt das Leiten der Hochfrequenzausgangssignale durch wenigstens ein Paar miteinander gekoppelter Induktoren umfaßt.

14. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 1, das ferner die folgenden Schritte umfaßt:

a) Überlagern eines veränderlichen Gleichspannungspegels mit dem Hochfrequenz-Treibersignal, um ein kombiniertes Signal zu bilden;

b) Liefern des kombinierten Signals an die Verstärker; und

c) Verändern des Gleichspannungspegels.

15. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 14, bei dem das Hochfrequenz-Treibersignal eine konstante Amplitude besitzt.

16. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Verstärker eine Schwellenspannung besitzen und bei dem das Hochfrequenz-Treibersignal im Vergleich zu der Schwellenspannung der Verstärker groß ist.

17. Verfahren zur Plasmaverarbeitung nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Lieferns eines Hochfrequenz-Treibersignals an jeden der Verstärker die folgenden Schritte umfaßt:

Liefern eines Eingangssignals mit einer Grundfrequenz an einen Hochfrequenzverstärker;

b) Liefern einer Leistungsversorgungsspannung an den Hochfrequenzverstärker über eine Leistungsversorgungsleitung;

c) Vorsehen einer Resonanzisolation der Leistungsversorgungsleitung bei der Grundfrequenz;

d) Anordnen eines Elements in Reihe mit der Leistungsversorgungsleitung, um eine hohe Impedanz bei hohen Frequenzen zu schaffen; und

e) positives Absorbieren von Energie von dem Element bei einer von der Grundfrequenz verschiedenen Frequenz.

18. Plasmaverarbeitungssystem, das umfaßt:

a) eine Leistungsquelle mit einem Gleichspannungspotential;

b) wenigstens einen Treiber, der ein Hochfrequenz-Treibersignal liefert;

c) mehrere Leistungsverstärker, die auf das Hochfrequenz-Treibersignal ansprechen und miteinander verbunden sind, wobei über jeden der Verstärker ein Potential angelegt wird, das niedriger als dieses Potential ist, wobei wenigstens einer der Verstärker einen umschaltbaren Verstärker umfaßt;

d) eine Kombinationsschaltungsanordnung, die auf wenigstens zwei der Verstärker anspricht und wenigstens einen Ausgang besitzt;

e) wenigstens ein Element für eine elektromagnetische Kopplung, das mit dem Ausgang verbunden ist; und

f) wenigstens ein Plasmaelement, das mit dem Element für eine elektromagnetische Kopplung verbunden ist.

19. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 18, bei dem die mehreren Leistungsverstärker in einer Reihenschaltung verbunden sind und das Gleichspannungspotential über die Reihenschaltung angelegt wird.

20. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 19, bei dem die Verstärker eine Niederfrequenzimpedanz haben, die eine Aufteilung des Potentials auf die Verstärker bewirkt.

21. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 19 oder 20, bei dem das Potential auf die Verstärker ungefähr gleich aufgeteilt ist.

22. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 19, das ferner eine Vorspannungsversorgung umfaßt, die eine Aufteilung des Gleichspannungspotentials auf die Leistungsverstärker steuert.

23. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 22, bei dem das Potential auf die Verstärker ungefähr gleich aufgeteilt wird.

24. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 18 oder 19, bei dem wenigstens einer der Verstärker einen umschaltbaren Verstärker umfaßt.

25. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 18 oder 22, bei dem jeder der Verstärker ein Ausgangssignal ausgibt, das einen Strom umfaßt, und bei dem die Kombinationsschaltungsanordnung ein elektrisches Netzwerk umfaßt, das so beschaffen ist, daß es die Ströme von wenigstens zwei der Verstärker addiert.

26. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 25, bei dem jeder der Verstärker einen Ausgang besitzt und bei dem die Kombinationsschaltungsanordnung wenigstens ein elektrisches Reihenelement umfaßt, das zwischen jeden der Ausgänge der Verstärker und einen gemeinsamen elektrischen Punkt geschaltet ist.

27. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 26, bei dem das elektrische Element eine Spule, einen Kondensator oder einen Widerstand umfaßt.

28. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 18, bei dem die Kombinationsschaltungsanordnung wenigstens eine Stufenkombinationseinrichtung umfaßt.

29. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 28, bei dem die mehreren Verstärker wenigstens vier Verstärker umfassen, wovon jeder Hochfrequenzausgangssignale ausgibt, wobei die Ausgangssignale eine Phase besitzen, wobei die Verstärker paarweise angeordnet sind und wobei die Schichtkombinationseinrichtung umfaßt:

a) mehrere Verbindungen erster Ordnung zwischen jedem Paar der Verstärker, die in der Weise wirken, daß sie im wesentlichen phasengleiche Komponenten der Hochfrequenzausgangssignale von den Verstärkern kombinieren, um ein Ausgangssignal mit einer Phase zu erzeugen; und

b) wenigstens eine Verbindung zweiter Ordnung, die auf im wesentlichen phasengleiche Komponenten des Ausgangssignals von wenigstens zwei der Verbindungen erster Ordnung anspricht und sie kombiniert.

30. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 18, das ferner umfaßt:

a) eine Schaltung mit veränderlichem Gleichspannungspegel; und

b) eine Kombinationsschaltungsanordnung, die auf das Hochfrequenz- Treibersignal und auf die Schaltung mit variablem Gleichspannungspegel anspricht und ein kombiniertes Signal bildet.

31. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 30, bei dem das Hochfrequenz-Treibersignal eine konstante Amplitude besitzt.

32. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 30 oder 31, bei dem die Leistungsverstärker eine Schwellenspannung besitzen und bei dem das Hochfrequenz-Treibersignal im Vergleich zu der Schwellenspannung der Leistungsverstärker groß ist.

33. Plasmaverarbeitungssystem nach Anspruch 18, das ferner umfaßt:

a) eine Leistungsversorgung, die an eine Leistungsversorgungsleitung der Leistungsverstärker eine Spannung liefert;

b) eine Resonanzisolationsschaltung, die eine Isolation der Leistungsversorgungsleitung bei der Grundfrequenz schafft;

c) ein Reihenelement, das mit der Leistungsversorgungsleitung in Reihe geschaltet ist und eine hohe Impedanz bei hohen Frequenzen schafft; und

d) wenigstens eine Verlustkomponente, die Energie von dem Element bei einer von der Grundfrequenz verschiedenen Frequenz positiv absorbiert.