具有多個放大器路徑的電源系統(tǒng)以及用于激發(fā)等離子體的方法
【專利摘要】一種電源系統(tǒng)(2、20)，該電源系統(tǒng)(2、20)包括功率轉(zhuǎn)換器(3、30)，該功率轉(zhuǎn)換器(3、30)產(chǎn)生高頻功率信號并且可以連接到負(fù)載(6)以便向等離子體處理或氣體激光器處理供應(yīng)功率，其中，功率轉(zhuǎn)換器(3、30)具有包括一個第一放大器路徑(42)和一個第二放大器路徑(43)的至少一個放大器級(40)，在各個情況下第一放大器路徑(42)和第二放大器路徑(43)具有放大器(42a、43a)，其中，第一放大器路徑(42)在其輸出端處發(fā)射第一放大器路徑輸出信號并且第二放大器路徑(43)在其輸出端處發(fā)射第二放大器路徑輸出信號，該第二放大器路徑輸出信號具有相對于第一放大器路徑輸出信號的相位偏移，該相位偏移不等于且具體而言大于0°并且不等于且具體而言小于180°，其中，放大器路徑(42、43)連接到相移耦合器單元(47)，其將來自放大器路徑(42、43)的輸出信號耦合至高頻功率信號，電源系統(tǒng)(2、20)的特征在于：至少一個放大器(42a、43a)包括場效應(yīng)晶體管(60、T1、T2)，其在晶體管部件(61)中被實(shí)現(xiàn)，其半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成大體上成層，具體而言被實(shí)現(xiàn)為包括溝道(71)的平面半導(dǎo)體部件，其中，溝道(71)中流動的電流壓倒性地沿橫向方向進(jìn)行，即大體上平行于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的層。
【專利說明】
具有多個放大器路徑的電源系統(tǒng)從及用于激發(fā)等離子體的 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及包括功率轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)，該功率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生高頻功率信號并且可 W連接到負(fù)載W向等離子體處理或氣體激光器處理供應(yīng)功率，功率轉(zhuǎn)換器具有包括第一放 大器路徑和第二放大器路徑的至少一個放大器級，其中第一放大器路徑和第二放大器路徑 均具有放大器，所述路徑連接到禪合器單元，所述禪合器單元禪合放大器路徑的輸出信號 W形成高頻功率信號。
[0002] 本發(fā)明還設(shè)及使用高頻功率來激發(fā)等離子體的方法，其中，模擬信號被供應(yīng)到兩 個放大器路徑中的每一個放大器路徑，并且通過至少一個放大器在放大器路徑中被放大成 高頻信號，該高頻信號被供應(yīng)到禪合器單元，該禪合器單元禪合高頻功率信號。
【背景技術(shù)】
[0003] 電源系統(tǒng)(具體而言，在〉IMHz并且具體而言小于200MHz并且具體而言主要地W小 于90M化的頻率產(chǎn)生功率的系統(tǒng)）例如用于激光器激發(fā)或者用在等離子體涂覆裝置中。往 往，在運(yùn)種類型的電源系統(tǒng)中，使用多個放大器W便由此產(chǎn)生電源系統(tǒng)的總功率。
[0004] 在運(yùn)種類型的電源系統(tǒng)中，可能發(fā)生所需功率的突然變化，例如，在等離子體室中 出現(xiàn)電弧并且不得不相應(yīng)地突然減小所供應(yīng)的功率的情況下。另一方面，點(diǎn)燃等離子體所 需的功率可能與操作等離子體處理的功率不同。當(dāng)?shù)入x子體狀態(tài)發(fā)生變化時，負(fù)載的阻抗 從而也發(fā)生變化。運(yùn)可能導(dǎo)致負(fù)載上的突然變化。往往無法足夠快速地調(diào)節(jié)阻抗，從而功率 被負(fù)載反射。如果可能的話，此反射功率應(yīng)當(dāng)保持遠(yuǎn)離放大器或放大器路徑，W便防止對電 源系統(tǒng)的破壞或損害。已知的是，使用環(huán)形器來吸收反射功率。然而，在所述頻率范圍內(nèi)，運(yùn) 些環(huán)形器是非常龐大的并且不再是實(shí)際可用的。
[0005] 如果突然的負(fù)載變化連同目標(biāo)功率的突然變化一起發(fā)生，那么不得不對輸出功率 加 W控制。運(yùn)例如可W通過改變放大器的輸入功率來完成。然而，在該過程中，放大器的效 率也會發(fā)生變化。在小輸出功率下，放大器將在回退范圍內(nèi)進(jìn)行操作。運(yùn)是放大器在輸出端 處僅提供最大可能的輸出功率的部分的范圍。在此回退范圍內(nèi)，降低了放大器的效率。取決 于要被操作的負(fù)載，在放大器中使用的晶體管因此不得不耗散更多的損耗功率。晶體管因 而變得熱得多。如果失配，運(yùn)種表現(xiàn)會發(fā)生變化。取決于負(fù)載角度（load angle)或反射角 度，晶體管在回退范圍內(nèi)或在飽和范圍內(nèi)變得更熱。因而如果失配，只可能通過輸入功率在 一定程度上控制輸出功率。為了防止晶體管過熱，往往推薦的是限制最大輸出功率。然而， 使最大輸出功率降低并不會解決運(yùn)個問題，因?yàn)槿绻l(fā)生大量失配和不利的負(fù)載角度，甚 至?xí)诘凸β氏鲁霈F(xiàn)臨界溫度，而不僅僅是在相對高的功率下。
[0006] 迄今為止，唯一的選擇是通過W下方式來調(diào)整晶體管的電源電壓，并且通過運(yùn)樣 做來減小電源電壓:可W在放大器的降低的飽和功率下經(jīng)歷整個特性范圍。如果電壓供給 太緩慢，那么即使在低輸出功率下電壓源也必須依然被設(shè)定為相對高的電壓。在運(yùn)種情況 下，突然的負(fù)載變化可能導(dǎo)致放大器中的晶體管過熱。
[0007] 因而，本發(fā)明的目的在于提供一種電源系統(tǒng)，借助于該電源系統(tǒng)可W向任何負(fù)載 供應(yīng)限定的功率，并且具體而言，甚至如果發(fā)生失配的話任何負(fù)載也能夠進(jìn)行操作，而晶體 管不會被過電流、過電壓或過度損耗的功率所損害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明，通過包括功率轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)個目的，該功率轉(zhuǎn)換器產(chǎn) 生高頻功率信號，并且可W連接到負(fù)載W向等離子體處理或氣體激光器處理供應(yīng)功率，該 功率轉(zhuǎn)換器具有包括第一放大器路徑和第二放大器路徑的至少一個放大器級，該第一放大 器路徑和第二放大器路徑均具有放大器，第一放大器路徑在其輸出端處輸出第一放大器路 徑輸出信號，并且第二放大器路徑在其輸出端處輸出第二放大器路徑輸出信號，第二放大 器路徑輸出信號相對于第一放大器路徑輸出信號具有不等于0°具體而言大于0°并且不等 于180°具體而言小于180°的相移，放大器路徑連接到相移禪合器單元，相移禪合器單元將 放大器路徑的輸出信號禪合W形成高頻功率信號，至少一個放大器具有場效應(yīng)晶體管，該 場效應(yīng)晶體管被實(shí)施為其半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)大部分為分層構(gòu)造的半導(dǎo)體器件，具體而言被實(shí)施為 具有被布置在半導(dǎo)體器件中的溝道的平面半導(dǎo)體器件，電流在溝道中主要沿橫向方向流 動，換言之電流大體上與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的層平行地流動。具體而言，半導(dǎo)體器件可W具有控制 端子W及被布置在半導(dǎo)體器件中的控制端子下方的溝道，電流在位于控制端子下方的溝道 中主要沿橫向方向流動，換言之電流大體上與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的層平行地流動。
[0009] 平面結(jié)構(gòu)或分層構(gòu)造的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)被理解為在一個方向上具有比在與其正交的 兩個方向上小得多的延伸的結(jié)構(gòu)。例如，其可W是具有比寬度和深度尺寸小得多的高度的 長方體。因此，平面半導(dǎo)體器件在側(cè)視圖中具有比頂視圖或底視圖中小得多的尺寸。
[0010] 在此背景下，橫向方向被理解為大體上與平面延伸的任一面平行的方向，換言之 在W上示例中，平行于半導(dǎo)體器件的上部表面或下部表面、或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的層。
[0011] 半導(dǎo)體器件可W具有第一電源端子和第二電源端子W及控制端子，所有上述端子 都被布置在半導(dǎo)體器件的第一面上。
[0012] 半導(dǎo)體器件在半導(dǎo)體器件的面向端子的面上在電源端子(具體而言，漏極端子)與 控制端子(柵極端子)之間可W具有弱負(fù)滲雜的漂移區(qū)域。具體而言，所述區(qū)域可W比控制 端子(柵極端子)下方的溝道的寬度大。因此，電源端子之間的電容W及控制端子與上述電 源端子(漏極)之間的電容可W保持為低。
[0013] 借助于根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)，可W在晶體管中實(shí)現(xiàn)比常規(guī)晶體管大得多的功率 密度。由于其橫向結(jié)構(gòu)，所使用的晶體管不具有寄生元件。具體而言，晶體管在控制端子(柵 極)與第一電源端子和第二電源端子(源極、漏極)之間具有較低電容，并且在處于關(guān)斷狀態(tài) 的兩個電源端子之間具有較低寄生電容。因而，該半導(dǎo)體器件可W被制作得比常規(guī)晶體管 的半導(dǎo)體器件大。更多的半導(dǎo)體器件可W W緊密壓縮的方式并聯(lián)連接。
[0014] 借助于根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)，可W在放大器中實(shí)施大得多的功率。在放大器路 徑中不再需要使用多個放大器。相反，均包括放大器的兩個放大器路徑可W是足夠的。具體 而言，可W在單個放大器中實(shí)施超過1000 W的功率。甚至在失配的情況下也可W完成運(yùn)一 點(diǎn)，而不會出現(xiàn)部件過熱。根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)比常規(guī)電源系統(tǒng)操作得穩(wěn)定得多。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，相移禪合器單元被理解為針對一個或多個放大器路徑中的每一個放 大器路徑都具有禪合器并且任選地具有相移網(wǎng)絡(luò)的單元，其中，在適當(dāng)操作期間，禪合器單 元的輸入信號具有相對于彼此的相位，所述相位不是0°也不是180%具體而言大于0°并小 于180°。例如，輸入信號可W相移90°。并不認(rèn)為W下禪合器單元是本發(fā)明的含義內(nèi)的相移 禪合器單元:在該禪合器單元中該禪合器單元的輸入信號具有相對于彼此0°或180°的相 移，因?yàn)樵谶\(yùn)種情況下，輸入信號僅僅被相加而沒有其它相移。
[0016] 相移禪合器單元可W是90°混合禪合器。運(yùn)W最佳方式滿足了具有最小部件花費(fèi) 的要求。
[0017] 相移禪合器單元還被理解為被配置為饋送反射功率的單元，該反射功率從負(fù)載穿 過禪合器被傳導(dǎo)到放大器，回到具有不同相位的放大器。如果失配，90°混合禪合器例如W 相移90°的方式在兩個放大器之間劃分反射功率，相同阻抗的兩個放大器連接到90°混合禪 合器的輸入端子。
[0018] 相移禪合器單元還被理解為在其第一輸入端子處具有第一輸入阻抗并且在其第 二輸入端子處具有第二輸入阻抗的單元，并且W W下方式被配置:在沒有反射功率穿過禪 合器單元到達(dá)輸入端子時輸入阻抗相等，并且在反射功率穿過禪合器單元而到達(dá)輸入端子 時輸入阻抗不同。
[0019] 如上所述，可W W W下方式來配置禪合器單元:禪合器單元將向其輸出端子所反 射的功率W相移方式中繼到其輸入端子，并且從而將該功率中繼到放大器路徑中的放大 器。因此，禪合器單元處的輸入阻抗可W發(fā)生變化，具體而言可W不同。運(yùn)可能導(dǎo)致第一放 大器的輸出阻抗取與第二放大器的輸出阻抗不同的值。運(yùn)繼而可能W W下方式來影響禪合 器單元的特性:禪合器單元將放大器的功率傳導(dǎo)到其它放大器，從而放大器彼此影響。放大 器的阻抗可能變?yōu)樨?fù)的。在一些負(fù)載狀態(tài)下，運(yùn)可能導(dǎo)致第一放大器路徑中的第一放大器 向第二放大器路徑中的第二放大器供應(yīng)功率。在過去，運(yùn)些特性可能導(dǎo)致不鼓勵使用相移 禪合器單元。所擔(dān)屯、的是，放大器將會被引入不穩(wěn)定狀態(tài)和/或晶體管將會過熱。
[0020] 使用高反射因數(shù)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)顯示如果使用上述晶體管結(jié)構(gòu)則情況相反。晶體管在 兩個放大器路徑中不同地發(fā)熱，但在無負(fù)載狀態(tài)下則是晶體管的最大發(fā)熱與具有禪合器單 元的電源系統(tǒng)中一樣高，該禪合器單元的輸入信號具有0°的相位差。運(yùn)可能與W下事實(shí)有 關(guān)：由于晶體管的寄生元件的值較低，放大器的阻抗精確地按照運(yùn)樣的方式變化，即與沒有 相移禪合器單元的晶體管相比，具有相移禪合器單元的晶體管在最熱點(diǎn)處發(fā)熱要少得多。
[0021] 不穩(wěn)定性的更加常見的原因是負(fù)載的阻抗的非?？焖俚淖兓?，例如等離子體處理 的阻抗。負(fù)載變化如此快速地發(fā)生，W至于連接在電源系統(tǒng)與負(fù)載之間的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或 者電源系統(tǒng)的功率調(diào)整都不能夠?qū)ω?fù)載變化足夠快速地作出反應(yīng)?？焖俚呢?fù)載變化產(chǎn)生了 被反射到放大器中的反射功率。如上所述，運(yùn)改變了放大器的阻抗。因此，在快速的負(fù)載變 化之后，放大器不再供應(yīng)與負(fù)載發(fā)生變化之前相同的功率。然而，在包括相移禪合器單元 (具體而言，包括90°混合禪合器)的電源系統(tǒng)中，與不具有運(yùn)種類型的禪合器或具有非相移 特性的電源系統(tǒng)相比，每次負(fù)載狀態(tài)變化的功率變化要小得多。因此，包括相移禪合器單元 的電源系統(tǒng)表現(xiàn)得更加穩(wěn)定。然而，已發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用相移禪合器單元的穩(wěn)定仍然是不夠的。 僅在使用上述晶體管時，實(shí)現(xiàn)了等離子體處理所需的特別高的穩(wěn)定性，而同時防止處于失 配狀態(tài)下的晶體管的過載。
[0022] 使用相移禪合器單元的優(yōu)點(diǎn)是，連接到禪合器單元的兩個放大器路徑在失配的情 況下經(jīng)歷不同的阻抗。此外，在失配的情況下，功率不會被饋送回放大器路徑，但相反可W 耗散到吸收電阻器中。因?yàn)榉糯笃髀窂浇?jīng)歷不同的阻抗，所W與相同相位組合的情況不同， 放大器的晶體管在失配的情況下溫度不同，即使在沒有調(diào)整電源電壓的情況下，與使用常 規(guī)組合器相比，兩個晶體管中的較熱的晶體管發(fā)熱少約45%。
[0023] -個放大器(具體而言，每個放大器)在其輸出端處具有輸出阻抗，該輸出阻抗與 禪合器單元的輸入阻抗不同。在運(yùn)種情況下，放大器將被傳導(dǎo)到該放大器的大部分功率反 射回禪合器單元，該禪合器單元繼而將功率傳導(dǎo)到吸收電阻器中。運(yùn)種類型的電源系統(tǒng)的 優(yōu)點(diǎn)在于，減小了負(fù)載與放大器之間的駐波的比率。運(yùn)種類型的電源系統(tǒng)所頻繁提及的缺 點(diǎn)在于，大量功率在吸收電阻器中被轉(zhuǎn)換為熱并且因此電阻器不得不被制作得很大并被提 供有良好的冷卻。運(yùn)將使得運(yùn)種類型的電源系統(tǒng)昂貴。然而，高得多的穩(wěn)定性和可靠性補(bǔ)償 了較高的費(fèi)用。
[0024] -個放大器(具體而言，每個放大器)可W被配置為當(dāng)被供應(yīng)放大器的功率的阻抗 發(fā)生變化時，放大器的輸出阻抗發(fā)生變化。運(yùn)例如可W是反射功率被傳導(dǎo)到放大器的情況。 具體而言，如果連接到禪合器單元的輸出的負(fù)載阻抗發(fā)生變化，則連接到放大器的禪合器 單元的輸入阻抗可能發(fā)生變化。
[0025] 使用根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)，可W在飽和狀態(tài)下（換言之，在完全導(dǎo)電的狀態(tài)下） 和壓縮狀態(tài)下(換言之，具有隨著輸入功率的增大而下降的放大率)兩者W及在晶體管的特 性曲線的線性范圍內(nèi)的任何點(diǎn)處，對晶體管進(jìn)行操作。具體而言，放大器的晶體管可W在具 有大于二的壓縮度的壓縮狀態(tài)下進(jìn)行操作。因此，對于電源系統(tǒng)可W向任何期望負(fù)載供應(yīng) 限定功率，并且因此即使在失配的情況下也不會發(fā)熱超過預(yù)定限度。
[0026] 作為附加優(yōu)點(diǎn)，可W W較高電源電壓在回退范圍內(nèi)操作包括相移禪合器單元的電 源系統(tǒng)和前述晶體管技術(shù)。由于可W通過輸入功率來調(diào)整輸出功率，因此可W W小輸出功 率更加快速地對電源系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。另外，如果兩個放大器路徑的相位相對于彼此發(fā)生變 化，則包括吸收電阻器的相移禪合器單元可W用于在兩個輸出功率之間進(jìn)行快速脈沖化 (pulsing)或者用于調(diào)制輸出功率。在運(yùn)種情況下，部分功率不會流到電源系統(tǒng)的輸出端， 而相反地流到吸收電阻器。
[0027] 對于等離子體處理，有時期望W低于高頻功率信號的頻率的調(diào)制或脈沖頻率經(jīng)調(diào) 制或經(jīng)脈沖化的高頻功率信號。運(yùn)可W使用電源系統(tǒng)來特別良好地實(shí)施。具體而言，出于此 目的，相移禪合器單元是有利的。為了調(diào)制高頻功率信號或使高頻功率信號脈沖化，可W通 過調(diào)制頻率或脈沖信號來調(diào)節(jié)放大器路徑之間的高頻信號的相位。W此方式，特別快速地 脈沖化或調(diào)制是可能的。
[0028] 使用場效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)在于，場效應(yīng)晶體管線性地操作并且在高頻下較穩(wěn)定地 操作。由于在半導(dǎo)體器件的相同面上實(shí)施所有的控制端子，所W可W W簡單的方式來連接 所述器件。具體而言，可W選擇哪一個端子直接轉(zhuǎn)移到(passed to)平面半導(dǎo)體器件的相對 面上。如果連接到地的端子在晶體管如所預(yù)期的那樣被操作時被轉(zhuǎn)移到相對面，那么可W 提供端子的直接接地。通過與其中漏極端子通常被布置在面對地平面的面上的公知高頻功 率MOSFET結(jié)構(gòu)(例如，VDMOS結(jié)構(gòu))相比，運(yùn)個變型具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0029] -非常良好的熱耗散的可能性，因?yàn)椴恍枰诘仄矫媾c電源端子之間布置電絕緣 體；
[0030] -電源端子之間的低電容禪合，其在晶體管的適當(dāng)操作期間通過放大器實(shí)現(xiàn)了相 對于地的快速交變電勢；
[0031] -地與電源端子之間較低的電感負(fù)載，該電源端子在放大器如所預(yù)期的那樣被操 作時連接到地。
[0032] 因此，可W W較高頻率在負(fù)載上操作較高功率，而不會使晶體管過熱，該負(fù)載的阻 抗非?？焖僮兓?。
[0033] 此外，可W給運(yùn)種類型的半導(dǎo)體器件提供陶瓷或塑料封裝。此外，運(yùn)種類型的晶體 管在高電流下具有負(fù)溫度系數(shù)，并且因此當(dāng)晶體管的溫度上升時，W減少其中產(chǎn)生的熱的 方式來自動地對其進(jìn)行調(diào)整。運(yùn)增加了晶體管的可靠性。
[0034] 放大器路徑在構(gòu)造上可W相同。運(yùn)使得可W W特別簡單的方式來制造電源系統(tǒng)。
[0035] 在半導(dǎo)體器件的與第一面相對的面上，可W提供電源端子，該電源端子穿過半導(dǎo) 體器件而導(dǎo)電連接到第一電源端子。具體而言，源極端子因此可W位于半導(dǎo)體器件的背面 上，產(chǎn)生較簡單的接觸。具體而言，可W避免用于接觸源極端子的接合導(dǎo)線，并且因此可W 實(shí)施具有較低電感的端子。
[0036] 可W通過P+滲雜區(qū)域的方式來實(shí)施第一電源端子到半導(dǎo)體器件內(nèi)位于相對面上 的電源端子的電連接，該P(yáng)+滲雜區(qū)域從半導(dǎo)體器件的一面延伸到半導(dǎo)體器件的另一面。通 過運(yùn)種高滲雜區(qū)域的方式，可W在此區(qū)域中提高半導(dǎo)體器件的導(dǎo)電性。對于P滲雜，引入(例 如，注入）了外來原子，并且用作電子受主。為了改變常規(guī)娃半導(dǎo)體部件中的導(dǎo)電性，第=主 族的元素(例如，棚、艦、侶或嫁）用于P區(qū)。娃是半導(dǎo)體部件最常使用的基底材料。娃晶體由 四價娃原子構(gòu)成。每個娃原子的四個價電子(外部電子)形成了到相鄰原子的四個原子鍵， 并且從而形成晶體結(jié)構(gòu)。運(yùn)使得所有的四個電子都成為成鍵電子。在P滲雜期間，四價元素 (公知為受主)被引入到娃晶格中并且從而代替四價娃原子。四價元素具有可用于原子鍵的 =個外部電子。在娃晶體中，不存在用于第四原子鍵的外部電子。運(yùn)些電子間隙被稱為空穴 或電子空穴。在施加電壓時，此空穴表現(xiàn)得像自由移動的正電荷載流子，并且可W傳導(dǎo)電 流。被外場驅(qū)動的電子跳出原子鍵、填充空穴并且留下新的空穴。在娃晶體中，P+滲雜(高滲 雜區(qū)域)指的是至少一個受主原子與IO 4娃原子的比率。
[0037] 半導(dǎo)體器件可W具有連接到導(dǎo)電盤的下部表面，下部表面的第一層是P+或P滲雜 的。作為運(yùn)種測量的結(jié)果，在半導(dǎo)體器件的下部表面與導(dǎo)電盤之間的過渡處實(shí)施較低電阻。 [00測放大器可W包括LDMOS晶體管。LDMOS代表"橫向擴(kuò)散的金屬氧化物半導(dǎo)體"。運(yùn)些 是迄今為止主要用在G化范圍內(nèi)的M0SFET。在用于放大器中W產(chǎn)生可W被供應(yīng)到等離子體 處理的功率期間，已發(fā)現(xiàn)采用LDMOS技術(shù)的運(yùn)些晶體管與可比較的常規(guī)MOSFET相比表現(xiàn)得 可靠得多。運(yùn)可W歸因于高得多的載流容量。具體而言，在IM化到200M化（具體而言， 3.4MHz、13MHz、27MHz、30MHz到90MHz W及162MHz)的頻率下使用多個放大器路徑的測試中， 運(yùn)些晶體管類型被證實(shí)有特別高的可靠性。運(yùn)些晶體管類型優(yōu)于常規(guī)MOSFET的其它優(yōu)點(diǎn)在 于，相同晶體管可W用于所述頻率QMHz到200MHz)。因此，可W使用非常相似或甚至相同的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來構(gòu)建放大器和電源系統(tǒng)，其可W在IMHz到200MHz的范圍內(nèi)的頻率下使用超過幾 十年。運(yùn)些是在等離子體處理中常常使用的并且常常用于氣體激光器激發(fā)的頻率。如果被 供應(yīng)到等離子體處理的功率中的太多功率被反射回來，那么在等離子體處理中在運(yùn)些頻率 下操作的常規(guī)MOSFET常常有問題。因此，所產(chǎn)生的功率常常必須受到限制，W便允許反射功 率超過臨界極限。因此，等離子體處理不能總是被可靠地點(diǎn)燃或在期望的功率范圍內(nèi)進(jìn)行 操作。此外，提供了復(fù)變阻抗調(diào)節(jié)電路和組合器來克服運(yùn)些缺點(diǎn)?，F(xiàn)在當(dāng)處理高水平的反射 功率時，如例如在將功率供應(yīng)到等離子體處理時，使用LDMOS晶體管是有利的。與前述相移 禪合器單元有關(guān)，LDMOS晶體管的優(yōu)點(diǎn)在于晶體管可W接收高得多的反射功率。因此，對在 電源系統(tǒng)與負(fù)載之間連接的附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的需求較低，并且在運(yùn)些阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中可 W降低部件和調(diào)整的成本。
[0039] 在放大器與禪合器單元之間，放大器路徑可W具有輸出網(wǎng)絡(luò)，該輸出網(wǎng)絡(luò)具有至 少一個平面電感器，該至少一個平面電感器經(jīng)由電介質(zhì)熱禪合和電容性地禪合到地平面 (冷卻劑流過地平面）。通過輸出網(wǎng)絡(luò)的方式，放大器路徑的輸出阻抗可W最佳地被調(diào)節(jié)至 禪合器單元的輸入阻抗。因此，可W防止功率損耗?？蒞通過將平面電感器布置在地平面 (冷卻劑流過地平面)上來防止過熱。
[0040] 禪合器單元可W具有第一平面電感器和第二平面電感器，該第一平面電感器和第 二平面電感器經(jīng)由電介質(zhì)熱禪合和電容性地禪合到地平面(冷卻劑流過地平面），并且同時 彼此電容性地且電感性地禪合。關(guān)于運(yùn)一點(diǎn)，電感器可W具有超過兩個繞組并且被形成為 不含有鐵素體元素。因此，可W W簡單的方式使電感保持為低。
[0041] 平面電感器可W具有窄于15mm的導(dǎo)體路徑寬度。W此方式，可W節(jié)省空間，并且可 W使得導(dǎo)體路徑與地之間的電容禪合保持為低。在混合禪合器的情況下，多個導(dǎo)體路徑可 W并聯(lián)布置在平面中。運(yùn)增大了導(dǎo)體路徑之間的電感禪合，而不需要鐵素體。如果不需要在 冷卻體與用于導(dǎo)體路徑的支撐材料之間布置鐵素體，那么可W減少電感器中的損耗。
[0042] 如果禪合器單元的電感器和輸出網(wǎng)絡(luò)的電感器被至少部分地布置在電路板的層 上，則實(shí)現(xiàn)緊湊的構(gòu)造。
[0043] 禪合器單元的電感器可W至少部分地被布置在平面中，晶體管的平面半導(dǎo)體器件 被布置在相同平面中或與其平行的平面中。具體而言，可W采用W下方式來對半導(dǎo)體器件 進(jìn)行定向：其中橫向電流流動穿過半導(dǎo)體器件的溝道被定向于相同平面中或者與其平行的 平面中。因此，可W減少從放大器的輸出到輸入的禪合。
[0044] 輸出網(wǎng)絡(luò)的電感器可W至少部分地被布置在平面中，晶體管的平面半導(dǎo)體器件被 布置在相同平面中或與其平行的平面中。具體而言，可W采用W下方式來對半導(dǎo)體器件進(jìn) 行定向：其中橫向電流流動穿過半導(dǎo)體器件的溝道被定向在相同平面中或在與其平行的平 面中。作為前述測量的結(jié)果，可W減少從一個放大器路徑到另一個放大器路徑的禪合。運(yùn)是 重要的，因?yàn)閮蓚€放大器路徑并非處于相同的相位。因此，可W省略放大器路徑之間的屏 蔽。因而，兩個放大器路徑可W被布置在相同電路板上。運(yùn)降低了生產(chǎn)成本。
[0045] 如果要產(chǎn)生甚至更高的功率，可W提供多個放大器級，在每種情況下，放大器級的 兩個放大器路徑連接到相移禪合器單元(具體而言，為90°混合禪合器），具體而言直接地進(jìn) 行連接而不具有連接于其間的其它禪合器件。
[0046] 至少一個放大器路徑可W具有推挽放大器。因此，可W通過放大器自身的晶體管 將要被放大的信號的每個半波放大。因此，每個放大器的溫度遍布兩個晶體管，并且運(yùn)導(dǎo)致 例如與在每個放大器僅具有一個晶體管或者每個放大器具有多個晶體管(與端子中的所有 端子并聯(lián)連接)的E類放大器中相比，輸出信號具有較少的諧波。推挽放大器可W被調(diào)諧得 更好，因?yàn)榭蒞更加容易地將由此所產(chǎn)生的諧波過濾。另外，其適用于寬的頻率范圍。
[0047] 可W提供可調(diào)節(jié)電壓源，該電壓源連接到至少一個放大器并且向其供應(yīng)電壓。具 體而言，電壓源可W是DC電壓源，該DC電壓源可W向放大器供應(yīng)DC電力或DC電壓。由于電壓 調(diào)整的原因，具體而言，可W對輸出功率的設(shè)定點(diǎn)中的緩慢變化作出反應(yīng)。因此，可W提升 電源系統(tǒng)的效率或?qū)㈦娫聪到y(tǒng)的效率保持為高。
[0048] 可W提供用于對被施加到電壓源的放大器的電壓進(jìn)行調(diào)整的調(diào)整單元。該調(diào)整單 元不需要W電壓源被實(shí)施。例如，調(diào)整單元可WW連接到電壓源的數(shù)字邏輯電路被實(shí)施。
[0049] 用于檢測或確定反射因數(shù)的測量裝置可W連接到調(diào)整單元。
[0050] 通過數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)由數(shù)字信號產(chǎn)生的模擬信號可W被供應(yīng)到至少一個 放大器路徑。因此，可W另外進(jìn)行幅值調(diào)整。對于幅值調(diào)整，可W W簡單的方式產(chǎn)生數(shù)字信 號，其具有關(guān)于信號形式的信息W及要在DAC中產(chǎn)生的模擬信號的幅值。具體而言，可W通 過被存儲在信號數(shù)據(jù)存儲器中的信號數(shù)據(jù)值序列(通過計(jì)數(shù)器的方式讀出的）來產(chǎn)生數(shù)字 值序列，并且運(yùn)個信號數(shù)據(jù)值序列被供應(yīng)到乘法器，并且借助于運(yùn)個乘法器乘W從幅值數(shù) 據(jù)存儲器讀出的幅值數(shù)據(jù)值。具體而言，運(yùn)在并行產(chǎn)生多個模擬信號并且隨后通過禪合器 被組合W使得可W采用特別簡單和快速的方式來互相調(diào)節(jié)要被禪合的信號的情況下是有 利的。使用由此產(chǎn)生的模擬信號激勵的放大器路徑特別適用于對多個放大器路徑的并行操 作。因此，可W在放大器路徑的輸出端處W簡單的方式禪合由此產(chǎn)生的功率，導(dǎo)致非?？焖?并且總功率可調(diào)諧的功率轉(zhuǎn)換器。負(fù)載可W是等離子體處理或氣體激光器處理。
[0051] 因此，還可W將兩個調(diào)整概念進(jìn)行組合，具體地在一方面是幅值調(diào)整，在另一方面 是電壓調(diào)整。在等離子體應(yīng)用或激光器激發(fā)應(yīng)用中，典型地遵循預(yù)設(shè)概述。因此，（例如，輸 出功率的)所需動態(tài)范圍W及設(shè)定點(diǎn)跳動的時刻常常是預(yù)先已知的。因此，可W同時使用兩 個調(diào)整概念。因此，可W通過幅值調(diào)整的方式來實(shí)施功率上的快速變化。隨后，可W再調(diào)節(jié) 電壓調(diào)整并且因此可W提升效率。具體而言，在輸出功率快速增大時，應(yīng)當(dāng)注意，要采用保 留足夠調(diào)整范圍的方式來提前選擇電壓和幅值。簡言之，未計(jì)劃的動態(tài)負(fù)載過程，可W想到 僅使用快速幅值調(diào)整，因?yàn)榭蒞在短時間段內(nèi)忽略系統(tǒng)的效率。
[0052] 放大器可W被配置為在其特性的線性范圍內(nèi)和在飽和狀態(tài)(壓縮狀態(tài)）下兩者轉(zhuǎn) 換功率。W此方式，可W覆蓋比W前更寬的功率范圍。
[0053] 場效應(yīng)晶體管可W具有控制輸入，驅(qū)動電壓經(jīng)由電容性耗散電路單元連接到該控 制輸入，電容性耗散電路單元具有包括并聯(lián)連接的電阻器的電容性元件。因此，可W減弱不 期望的振蕩。具體而言，電容性耗散電路單元可W在電源線中串聯(lián)地環(huán)路連接到柵極。
[0054] 用于產(chǎn)生被供應(yīng)到DAC的數(shù)字信號的邏輯電路單元可W是連接的DAC的上游，邏輯 電路單元具有信號數(shù)據(jù)存儲器，在該信號數(shù)據(jù)存儲器中存儲用于產(chǎn)生模擬信號形式的數(shù)據(jù) 信號值。具體而言，邏輯電路單元可W另外地具有幅值數(shù)據(jù)存儲器，其中，存儲了影響模擬 信號的幅值的幅值數(shù)據(jù)值，W及用于將信號數(shù)據(jù)值乘W幅值數(shù)據(jù)值的乘法器。
[0055] 本發(fā)明的范圍還包括使用高頻功率來激發(fā)等離子體的方法，其中，模擬信號被供 應(yīng)到兩個放大器路徑中的每一個放大器路徑，并且在放大器路徑中通過至少一個放大器被 放大成高頻信號，所述高頻信號被供應(yīng)到相移禪合器單元，所述相移禪合器單元W依賴于 相位的方式來禪合高頻功率信號，借助于場效應(yīng)晶體管在至少一個放大器中進(jìn)行放大，所 述場效應(yīng)晶體管被實(shí)施為其半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)大部分為分層構(gòu)造的半導(dǎo)體器件，具體而言被實(shí)施 為具有被布置在半導(dǎo)體器件中的溝道的平面半導(dǎo)體器件，電流在所述溝道中主要沿橫向方 向流動，換言之電流大體上與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的層平行地流動。
[0056] 出于此目的，半導(dǎo)體器件可W具有第一電源端子和第二電源端子W及控制端子， 前述端子中的所有端子都被布置在半導(dǎo)體器件的第一面上。
[0057] 因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可W穩(wěn)定得多地產(chǎn)生高頻功率。此外，可W在單個放大器 中實(shí)施較高的功率。不需要并聯(lián)連接多個放大器路徑，換言之不需要并聯(lián)連接多于兩個放 大器路徑?？蒞在單個放大器器中實(shí)施超過1000 W的功率。在失配的情況下不存在部件過熱 的風(fēng)險。
[0058] 如果放大器被供應(yīng)可調(diào)節(jié)電壓，那么可W實(shí)行電壓調(diào)整。
[0059] 具體而言，可W通過調(diào)整用于向放大器供應(yīng)功率的電壓來調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)電壓。
[0060] 可W檢測到在負(fù)載處所反射的功率的反射因數(shù)，并且可W基于所檢測到的反射因 數(shù)(具體而言，反射因數(shù)的大小)來調(diào)整電壓。因此，可W基于反射因數(shù)的大小來減小發(fā)生器 的功率。對(混合)禪合器的使用使得給定的最小功率所需的電壓源的電壓實(shí)際上與負(fù)載角 度或反射角度無關(guān)。因此，對于特定大小的反射因數(shù)，可W將電壓源設(shè)定為實(shí)際上恒定的電 壓。
[0061] 在各種情況下，放大器的晶體管在回退范圍內(nèi)變得較熱的負(fù)載點(diǎn)和最熱點(diǎn)處于全 功率的負(fù)載點(diǎn)偏移了 180°。具有最高溫度的負(fù)載點(diǎn)是最熱點(diǎn)處于飽和狀態(tài)或壓縮狀態(tài)的 點(diǎn)。原理上，最高點(diǎn)處于回退范圍內(nèi)的負(fù)載點(diǎn)不會變得一樣熱。運(yùn)意味著可W獨(dú)立于整個轉(zhuǎn) 移曲線(transfer curve)的負(fù)載角度來控制具有經(jīng)調(diào)整的電壓的放大器。
[0062] 因此，可W在放大器的特性曲線的線性范圍內(nèi)W及在飽和狀態(tài)或壓縮狀態(tài)下操作 放大器，其中壓縮度大于二。運(yùn)引起放大器的使用的較寬范圍。
[0063] 在第一方法步驟中，可W確定反射因數(shù)的大小，并且在第二方法步驟中可W根據(jù) 反射因數(shù)的大小來設(shè)定放大器的電源電壓。具體而言，可W根據(jù)所反射的功率和反射因數(shù) 的大小來設(shè)定放大器的電源電壓。
[0064] 在用于激發(fā)等離子體的常規(guī)方法中，必須根據(jù)負(fù)載角度和反射因數(shù)來調(diào)節(jié)電源電 壓，W便保護(hù)晶體管免于過熱。因此，在失配的情況下，允許輸出功率流動的速度限于可W 改變電源電壓的電壓的速度。
[0065] 本發(fā)明的范圍還包括高頻等離子體設(shè)備，該高頻等離子體設(shè)備包括等離子體室， 在該等離子體室中布置了至少一個電極，根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)連接到電極。
【附圖說明】
[0066] 根據(jù)對本發(fā)明的實(shí)施例的W下描述、通過附圖（附圖示出了對于本發(fā)明必要的細(xì) 節(jié)）、并且根據(jù)權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。個體特征均可W在本 發(fā)明的變型中的任何期望的組合中單獨(dú)地或者一起被實(shí)施。
[0067] 在附圖中示意性地示出并且在下文中參考附圖詳細(xì)地描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施 例，在附圖中：
[0068] 圖1是包括電源系統(tǒng)的等離子體系統(tǒng)的高度示意性的圖；
[0069] 圖2是電源系統(tǒng)的方框圖；
[0070] 圖3是DDS模塊的方框圖；
[0071]圖4是LDMOS晶體管的不意圖；
[0072] 圖5a示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的恒定輸出功率和不同負(fù)載角度的放大器的電源電壓；
[0073] 圖5b示出了在使用混合禪合器時恒定輸出功率和不同負(fù)載角度的放大器的電源 電壓；
[0074] 圖6示出了在p-n過渡處的作為負(fù)載角度的函數(shù)的兩個晶體管的溫度；
[0075] 圖7是示出多個放大器級的禪合的示意圖；
[0076] 圖8示出了晶體管的溫度作為負(fù)載點(diǎn)（load point)的函數(shù)的兩個測量結(jié)果；
[0077] 圖9示出了電源系統(tǒng)的輸出功率作為負(fù)載點(diǎn)的函數(shù)的兩個測量結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0078] 圖1示出了等離子體系統(tǒng)1，等離子體系統(tǒng)1包括電源系統(tǒng)2。電源系統(tǒng)2繼而包括功 率轉(zhuǎn)換器3,功率轉(zhuǎn)換器3可W連接到電壓源網(wǎng)絡(luò)4。功率轉(zhuǎn)換器的輸出端處產(chǎn)生的功率經(jīng)由 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)5傳遞到負(fù)載6,負(fù)載6例如可W是等離子體室，在等離子體室中產(chǎn)生了等離子 體，所產(chǎn)生的等離子體可W用于在等離子體室中進(jìn)行等離子體加工。具體而言，可W對工件 進(jìn)行蝕刻或者可W將材料層施加到基底。負(fù)載6也可W是氣體激光器激發(fā)。
[0079] 圖2是電源系統(tǒng)20的高度示意性的圖。電源系統(tǒng)20具有功率轉(zhuǎn)換器30,功率轉(zhuǎn)換器 30產(chǎn)生輸出功率，該輸出功率可W被供應(yīng)到負(fù)載6,例如等離子體處理或激光器激發(fā)?？蒞 將阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)5布置在負(fù)載6與功率轉(zhuǎn)換器30之間。
[0080] 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DA031產(chǎn)生模擬輸出信號。W圖3為基礎(chǔ)解釋了模擬信號的產(chǎn) 生。邏輯電路單元32向數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器31賦值。具體而言，可W將來自邏輯電路單元32的 數(shù)字值的序列供應(yīng)到DAC 31，DAC 31從該數(shù)字值的序列產(chǎn)生模擬輸出信號?？蒞將DAC 31 和邏輯電路單元32集成到直接合成模塊(DDS模塊)33中，該直接合成模塊33也被稱為直接 數(shù)字合成器。在運(yùn)種情況下，邏輯電路單元32包括：
[0081] 1.信號數(shù)據(jù)存儲器34,在其中存儲信號數(shù)據(jù)值，該信號數(shù)據(jù)值用于產(chǎn)生模擬信號 形式，
[0082] 2.幅值數(shù)據(jù)存儲器35,在其中存儲用于影響模擬信號的幅值的幅值數(shù)據(jù)值，
[0083] 3.乘法器36,乘法器36用于將信號數(shù)據(jù)值乘W幅值數(shù)據(jù)值，W及
[0084] 4.計(jì)數(shù)器37,計(jì)數(shù)器37確保在預(yù)定時鐘周期內(nèi)從信號數(shù)據(jù)存儲器34讀出該信號數(shù) 據(jù)值并且將該信號數(shù)據(jù)值供應(yīng)到乘法器36。
[0085] 信號數(shù)據(jù)存儲器34和幅值數(shù)據(jù)存儲器35兩者都可W采用查找表(LUT)的形式。
[0086] 如從圖2中可見的，所產(chǎn)生的模擬信號被供應(yīng)到第一放大器級40,并且其中，具體 而言被供應(yīng)到分路器41。分路器41可W被配置為混合禪合器，該混合禪合器可W將模擬信 號分成兩個相移信號（具體而言為90°相移的信號），由分路器41發(fā)射的一個信號被供應(yīng)到 每個放大器路徑42、43。放大器路徑42、43均具有至少一個放大器42a、43a，運(yùn)些放大器可W 被形成為推挽放大器并且從而均具有兩個晶體管，具體而言為兩個LDMOS晶體管。W電壓源 44的方式提供放大器路徑42、43的電壓源和因此放大器42a、43aW及包含在其中的晶體管 的電壓源。在放大器路徑42、43中的每一個放大器路徑的輸出端處，提供了輸出網(wǎng)絡(luò)45、46， 所述網(wǎng)絡(luò)使放大器42a、43a的輸出阻抗適于相移禪合器單元47的輸入阻抗并且同時過濾不 期望的諧波。在相移禪合器單元47中，放大器路徑42、43的輸出信號W依賴于相位的方式禪 合從而形成輸出信號，該輸出信號最終經(jīng)由可選的阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)5傳遞到負(fù)載6。優(yōu)選地，相 移禪合器單元47是90°混合禪合器。
[0087] 可W通過適當(dāng)?shù)臏y量裝置47來檢測禪合器單元47的輸出端處的輸出功率。虛線49 指示測量裝置48連接到電壓調(diào)整系統(tǒng)50,電壓調(diào)整系統(tǒng)50繼而激勵電壓源44。具體而言，測 量裝置48還可W檢測被供應(yīng)到負(fù)載6的功率W及被負(fù)載6反射的功率。根據(jù)運(yùn)些值，可W確 定反射因數(shù)或反射因數(shù)的大小，并且繼而可W用于調(diào)整電壓。
[0088] 圖4示出了 LDMOS晶體管60,可W在放大器路徑42、43中的至少一個放大器路徑的 放大器42a、43a中使用LDMOS晶體管60dLDM0S晶體管60被形成為半導(dǎo)體器件61。在其一面 上，半導(dǎo)體器件61包括兩個電源端子62(源極）、63(漏極）W及控制端子64(柵極）。半導(dǎo)體器 件61的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)大部分是分層構(gòu)造。運(yùn)些層被強(qiáng)正滲雜（例如，源極層68)、或弱正滲雜 (例如，弱正滲雜層70)、或弱負(fù)滲雜(例如，弱負(fù)滲雜漂移區(qū)域72)。運(yùn)些層限定了半導(dǎo)體器 件61的平面結(jié)構(gòu)。在與端子62、63、64的相對的面上，所述模塊還具有電源端子65(源極），電 源端子65導(dǎo)電連接到半導(dǎo)體器件61內(nèi)的電源端子62。經(jīng)由P+滲雜區(qū)66提供導(dǎo)電連接。在其 下部表面67的區(qū)域中，晶體管60具有同樣的P+滲雜層70作為底層。LDMOS晶體管60的下部表 面67可W連接到冷卻設(shè)備，W使得在大片區(qū)域內(nèi)熱可W耗散至化DMOS晶體管60之外。控制端 子64(柵極)經(jīng)由溝道71來控制弱P滲雜層70中的從漏極73到源極62的電流的流動。在溝道 71中，電流優(yōu)選地沿橫向方向流動，換言之大體上與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的層平行，如由箭頭75指示 的。在漏極73與溝道71之間，存在弱滲雜rT區(qū)域，弱滲雜rT區(qū)域被稱為漂移區(qū)域72。運(yùn)使得源 極65與漏極73之間的電容W及柵極64與漏極73之間的電容保持為低。在漂移區(qū)域72中，具 體而言，電流也沿橫向方向流動，換言之大體上與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的層平行。在此背景下，n+代 表高n滲雜，P+代表高P滲雜擊代表弱P滲雜，并且rT代表弱n滲雜。在控制端子64的下方，提 供了薄氧化物層74。因此，通過將適當(dāng)?shù)碾妷菏┘拥娇刂贫俗?4來控制晶體管60。因此，依 據(jù)電壓來控制晶體管60。根據(jù)圖4的附圖，還可W看出的是，晶體管60是非對稱構(gòu)造，并且漏 極和源極的電源端子62、63W及控制端子64被布置在晶體管60的同一面上。
[0089] 優(yōu)選地，保持半導(dǎo)體器件的尺寸W使得半導(dǎo)體器件61的厚度比要由此被放大的信 號的波長小超過200倍。
[0090] 半導(dǎo)體器件61的寬度和/或深度應(yīng)當(dāng)有利地比要由此被放大的信號的波長小超過 20倍。因此，在半導(dǎo)體器件61中，波長效應(yīng)并不顯著，并且由于半導(dǎo)體器件61中的傳播波，也 不會在要被放大的信號的諧波處出現(xiàn)不期望的諧波震蕩。此外，可W由此減少對寄生元件 的不利影響。因此，運(yùn)種布置還可W有效地用于W超過IMHz的脈沖化和調(diào)制頻率對輸出電 壓進(jìn)行脈沖化和調(diào)制。
[0091] 被形成為或具有90°混合禪合器的禪合器單元47也有利地具有W下尺寸:使得禪 合器的厚度比要由此被放大的信號的波長小超過200倍。
[0092] 用于將禪合器電容性地和電感性地進(jìn)行禪合的90°混合禪合器47的線路的長度有 利地小于要由此被放大的信號的波長的十分之一。運(yùn)還有助于使電源系統(tǒng)20穩(wěn)定。
[0093] 圖5a示出了放大器的晶體管60的電源電壓，其為放大器的負(fù)載角度的函數(shù)，該放 大器未經(jīng)由相移禪合器單元禪合(具體而言，未經(jīng)由90°混合禪合器禪合）。在晶體管不會過 熱的情況下，如果對于大小為0.9的反射因數(shù)要保持恒定的輸出功率，那么必須根據(jù)負(fù)載角 度來改變電壓。由于電壓減小的原因，還減小了最大速度，在發(fā)生不正確調(diào)節(jié)的情況下可W W該最大速度來控制輸出功率。具體而言，調(diào)節(jié)的速度取決于可WW其對電壓源進(jìn)行調(diào)整 的速度。如果電壓源的調(diào)整太緩慢，那么突然的負(fù)載變化可能導(dǎo)致晶體管過熱。
[0094]相比之下，如果借助于兩個放大器路徑來產(chǎn)生功率并且使用混合禪合器來禪合運(yùn) 些放大器，那么結(jié)果是根據(jù)圖化的情形。對于大小為0.9的反射因數(shù)，恒定的輸出功率針對 所有的負(fù)載角度可W實(shí)質(zhì)上保持恒定。運(yùn)意味著電壓源的電壓實(shí)質(zhì)上獨(dú)立于負(fù)載角度。因 此，對于特定大小的反射因數(shù)，電壓源可W被設(shè)定為恒定電壓。調(diào)整速度不再取決于可W W 其設(shè)定電壓源的速度。
[00M]圖6示出了在p-n過渡處為單位的溫度，其為放大器路徑42中的放大器42曰、放 大器路徑43中的放大器佔(zhàn)曰中的兩個晶體管T1、T2的負(fù)載角度常的函數(shù)。具體而言，晶體管 T1、T2形成推挽級形式的放大器，使用90°混合禪合器作為禪合器單元47來對該放大器進(jìn)行 操作。在所有測量點(diǎn)處，反射因數(shù)的大小為I r I =0.9。對于曲線100,晶體管T2處于飽和狀 態(tài);并且對于曲線101，晶體管Tl處于飽和狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下，晶體管達(dá)到小于180°C的溫 度。還在特定負(fù)載角度下，在回退范圍內(nèi)對溫度進(jìn)行了測量。其它點(diǎn)100a、100b、100c、100d 示出了晶體管T2在每種情況下在回退范圍內(nèi)所達(dá)到的最高溫度。其它點(diǎn)101a、101b、101c、 IOld示出了晶體管Tl在每種情況下在回退范圍內(nèi)所達(dá)到的最高溫度。然而，為此，根據(jù)針對 飽和狀態(tài)下的測量結(jié)果，晶體管在不同的功率范圍內(nèi)被操作，運(yùn)意味著溫度值不是直接可 比較的。然而，運(yùn)些測量結(jié)果可W用于示出，在每種情況下在一些負(fù)載角度下在回退范圍內(nèi) 的晶體管T1、T2變得比相同負(fù)載角度下的處于飽和狀態(tài)的晶體管T1、T2更熱。然而，總的說 來，在回退范圍內(nèi)的每個晶體管T1、T2從未變得比飽和狀態(tài)下的相關(guān)聯(lián)的最熱點(diǎn)更熱。運(yùn)意 味著，當(dāng)晶體管處于飽和狀態(tài)時，達(dá)到最大溫度。然而，在回退范圍內(nèi)，晶體管不會變得如此 熱。運(yùn)僅可W通過使用相移禪合器單元47(具體而言90°混合禪合器）W及放大器中的上述 晶體管來實(shí)現(xiàn)。
[0096] 圖7示意性地示出了電源系統(tǒng)200,該電源系統(tǒng)200具有兩個放大器級40、40a，放大 器級40對應(yīng)于圖2中的放大器級，并且對于放大器級40a可W具有相同的設(shè)計(jì)。放大器級40、 40a的輸出繼而經(jīng)由禪合器201禪合到可W被供應(yīng)給負(fù)載6的輸出功率。因此采用級聯(lián)的方 式來布置放大器級40、40a的混合禪合器和禪合器201。禪合器201繼而可W是相移禪合器單 元，具體而言是90°混合禪合器。禪合器201還可W是同相禪合器。
[0097] 圖8示出了電源系統(tǒng)2、20、200的晶體管T1、T2的半導(dǎo)體部件61的溫度曲線的兩個 測量結(jié)果，該溫度曲線為不同失配的負(fù)載點(diǎn)的函數(shù)，該測量結(jié)果是相對復(fù)反射因數(shù) r = |r|*ejw而繪制的。從-1到+1的r的大小適用于上圖和下圖的實(shí)數(shù)部分。沿著外圈繪制 反射因數(shù)的角度9。對于50 Q的放大器的設(shè)定輸出功率，通過改變負(fù)載來設(shè)定失配并且示出 了溫度曲線。對于測量結(jié)果，W脈沖模式來操作晶體管并且晶體管僅被驅(qū)動10%的時間，W 便能夠評估在不破壞晶體管的情況下100 %驅(qū)動的實(shí)際溫度。
[0098] 上圖示出了具有非相移禪合器單元的電源系統(tǒng)2的溫度分布。可W清楚地看出，溫 度可W上升到高于120°C。下圖示出了具有90°混合禪合器的電源系統(tǒng)20的溫度分布。從此 圖可W清楚地看出，溫度僅略微上升到高于80°C。運(yùn)證實(shí)了使用相移禪合器單元的驚人優(yōu) 點(diǎn)。
[0099] 圖9示出了電源系統(tǒng)的輸出功率作為負(fù)載點(diǎn)的函數(shù)的兩個測量結(jié)果。在運(yùn)兩個圖 中，相對復(fù)反射因數(shù)r = |r| * 繪制了輸出功率，該輸出功率被標(biāo)準(zhǔn)化為被供應(yīng)給50 Q的功 率。沿著外圈繪制反射因數(shù)的角度？。對于50 Q的放大器的設(shè)定輸出功率，通過改變負(fù)載來 設(shè)定失配，并且在圖中示出了所產(chǎn)生的功率。上圖示出了具有非相移禪合器單元的電源系 統(tǒng)2的輸出功率?？蒞清楚地看出，不會在圖的中屯、的50 Q點(diǎn)處輸出最大功率。在方向 巧=11 化上失配的情況下，輸出了高得多的功率。運(yùn)意味著在失配的情況下，功率可^增 大。在負(fù)載快速變化的情況下，運(yùn)可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。下圖示出了包括90°混合禪合器的電源 系統(tǒng)20的輸出功率?？蒞清楚地看出，不會在圖的中屯、的50 Q點(diǎn)處輸出最大功率，并且功率 隨著反射因數(shù)的增大而緩慢地減小。在第二個圖中，功率減小得慢得多。運(yùn)可W從線的較寬 間距看出。運(yùn)還使包括90°混合禪合器的電源系統(tǒng)20穩(wěn)定得多。還可W看出，輸出功率幾乎 不會隨著負(fù)載角度而發(fā)生變化。運(yùn)意味著如果反射因數(shù)的大小保持穩(wěn)定，那么輸出功率僅 隨著負(fù)載角度發(fā)生非常小的因數(shù)的變化。
[0100]圖6、圖8和圖9示出了使用弧度的反射因數(shù)的角度巧，W便確保附圖中的角度與溫 度之間清楚的區(qū)分。溫度為單位給出，但在附圖中僅包含單位°。從弧度到度的轉(zhuǎn)換是 眾所周知的:V2對應(yīng)于90°，31對應(yīng)于180°，3V2對應(yīng)于270°，并且化對應(yīng)于360°。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電源系統(tǒng)（2、20)，所述電源系統(tǒng)（2、20)包括功率轉(zhuǎn)換器(3、30)，所述功率轉(zhuǎn)換 器(3、30)產(chǎn)生高頻功率信號并且能夠連接到負(fù)載(6)以為等離子體處理或氣體激光器處理 供應(yīng)功率，所述功率轉(zhuǎn)換器(3、30)具有包括第一放大器路徑(42)和第二放大器路徑(43)的 至少一個放大器級(40)，所述第一放大器路徑(42)具有放大器(42a)并且所述第二放大器 路徑(43)具有放大器(43a)，所述第一放大器路徑(42)在所述第一放大器路徑(42)的輸出 端處輸出第一放大器路徑輸出信號，并且所述第二放大器路徑(43)在所述第二放大器路徑 (43)的輸出端處輸出第二放大器路徑輸出信號，所述第二放大器路徑輸出信號相對于所述 第一放大器路徑輸出信號具有相位偏移，所述相位偏移不同于0°，具體而言大于0°，并且所 述相位偏移不同于180°，具體而言小于180°，所述放大器路徑(42、43)連接到相移耦合器單 元(47)，所述相移耦合器單元(47)將所述放大器路徑(42、43)的輸出信號進(jìn)行耦合以形成 高頻功率信號， 所述電源系統(tǒng)（2、20)的特征在于：至少一個放大器(42、43a)具有場效應(yīng)晶體管(60、 !'132)，所述場效應(yīng)晶體管(60、1'132)被實(shí)施為其半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)大部分為分層構(gòu)造的半導(dǎo)體 器件(61)，具體而言被實(shí)施為具有溝道(71)的平面半導(dǎo)體器件，電流在所述溝道(71)中主 要沿橫向方向流動，換言之所述電流大體上與所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的層平行地流動。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述半導(dǎo)體器件(61)具有第一電源端 子(62)和第二電源端子(63)以及控制端子(64)，前述端子(62-64)中的所有端子都被布置 在所述半導(dǎo)體器件(61)的第一面上。3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于：在所述半導(dǎo)體器件 (61)的與所述第一面相對的面上提供了電源端子(65)，所述電源端子(65)通過所述半導(dǎo)體 器件(61)導(dǎo)電連接到第一導(dǎo)體端子(62)。4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述半導(dǎo)體器件在具 體而言為漏極端子的電源端子(63)與所述控制端子(64)之間、在面向端子的所述半導(dǎo)體器 件(61)的面上具有弱負(fù)摻雜的漂移區(qū)域(72)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述漂移區(qū)域(72)比位于所述控制端 子(62)下方的所述溝道的寬度大。6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述放大器(42a、43a) 中的放大器，具體而言為每個放大器(42 &、43&)，在所述放大器(42&、43&)的輸出端處具有 輸出阻抗，所述輸出阻抗與所述耦合器單元(47)的輸入阻抗不同。7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述放大器(42a、43a) 中的放大器，具體而言為每個放大器(42 &、43&)，被配置為當(dāng)被供應(yīng)所述放大器(42&、43 &) 的功率的阻抗發(fā)生變化時所述放大器的所述輸出阻抗發(fā)生變化。8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述放大器(42a、43a) 具有LDMOS晶體管。9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于：在所述放大器(42a、 43a)與所述耦合器單元(47)之間，所述放大器路徑(42、43)具有輸出網(wǎng)絡(luò)(45、46)，所述輸 出網(wǎng)絡(luò)(45、46)具有至少一個平面電感器，所述至少一個平面電感器經(jīng)由電介質(zhì)熱耦合和 電容性地耦合到地平面，其中冷卻劑流過所述地平面。10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述耦合器單元(47) 具有第一平面電感器和第二平面電感器，所述第一平面電感器和所述第二平面電感器經(jīng)由 電介質(zhì)熱耦合和電容性地耦合到地平面，并且所述第一平面電感器和所述第二平面電感器 同時電容性地和電感性地彼此耦合，其中冷卻劑流過所述地平面。11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述耦合器單元(47) 的電感器和所述輸出網(wǎng)絡(luò)(45、46)的電感器至少部分地被布置在電路板的層上。12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述耦合器單元(47) 的電感器至少部分地被布置在平面中，所述晶體管(60)的所述半導(dǎo)體器件(61)被布置在相 同的平面中或被布置在平行的平面中。13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于：所述輸出網(wǎng)絡(luò)（45、 46)的電感器至少部分地被布置在平面中，所述晶體管(60)的所述半導(dǎo)體器件(61)被布置 在相同的平面中或被布置在平行的平面中。14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:提供了多個放大器級 (40、40&)，所述放大器級(40、40 &)的兩個放大器路徑(42、43)在各種情況下連接到90°混合 耦合器，特別是直接連接而沒有其它耦合器件連接在所述兩個放大器路徑(42、43)與所述 90°混合耦合器之間。15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:提供了可調(diào)節(jié)電壓源 (44)，所述可調(diào)節(jié)電壓源(44)連接到所述至少一個放大器(42a、43a)并且向所述至少一個 放大器(42a、43a)供應(yīng)電壓。16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于：所述放大器（42a、 43a)被配置為在所述放大器(42a、43a)的特性曲線的線性范圍內(nèi)以及在飽和狀態(tài)下轉(zhuǎn)換功 率。17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)，其特征在于:所述晶體管(60)具有 控制輸入端(64)，驅(qū)動電壓經(jīng)由電容性耗散電路單元連接到所述控制輸入端(64)，所述電 容性耗散電路單元具有包括并聯(lián)連接的電阻器的電容性元件。18. -種使用高頻功率來激發(fā)等離子體的方法，其中，將模擬信號供應(yīng)到兩個放大器路 徑(42、43)中的每一個放大器路徑，并且通過至少一個放大器(42a、43a)在所述放大器路徑 (42、43)中將所述模擬信號放大成高頻信號，將所述高頻信號供應(yīng)到相移耦合器單元(47)， 所述相移耦合器單元(47)以依賴于相位的方式將所述高頻功率信號耦合，所述方法的特征 在于:借助于場效應(yīng)晶體管(60)在至少一個放大器(42a、43a)中進(jìn)行放大，所述場效應(yīng)晶體 管(60)被實(shí)施為其半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)大部分為分層構(gòu)造的半導(dǎo)體器件(61)，具體而言被實(shí)施為平 面半導(dǎo)體器件(61)，其在所述半導(dǎo)體器件中布置有溝道，電流在所述溝道中主要沿橫向方 向流動，換言之所述電流大體上與所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的層平行地流動。19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于：能夠檢測到在負(fù)載(6)處反射的功率的 反射因數(shù)，并且能夠基于所檢測到的反射因數(shù)，具體而言基于所述反射因數(shù)的大小，來對電 壓進(jìn)行調(diào)整。20. 根據(jù)前述權(quán)利要求18和19中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于：在所述放大器 (42a、43a)的特性曲線的線性范圍內(nèi)以及在飽和狀態(tài)下操作所述放大器(42a、43a)。21. 根據(jù)前述權(quán)利要求18至20中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:在第一方法步驟中 確定所述反射因數(shù)的大小，并且能夠在第二方法步驟中根據(jù)所述反射因數(shù)的所述大小來設(shè) 定所述放大器(42a、43a)的電源電壓。22. 根據(jù)前述權(quán)利要求18至21中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:能夠根據(jù)所述反射 因數(shù)的所述大小和所反射的功率來設(shè)定所述放大器(42a、43a)的所述電源電壓。23. -種高頻等離子體設(shè)備，其包括等離子體室，在所述等離子體室中布置了至少一個 電極，根據(jù)權(quán)利要求1至17中的任一項(xiàng)所述的電源系統(tǒng)(2、20)連接到所述電極。
【文檔編號】H01J37/32GK105830196SQ201480069013
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年12月16日
【發(fā)明人】A·阿爾特, A·格雷德, D·格呂納, A·拉班茨
【申請人】通快許廷格兩合公司