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Die Erfindung betrifft ein Leistungsversorgungssystem mit einem ein Hochfrequenzleistungssignal erzeugenden Leistungswandler, der zur Versorgung eines Plasma- oder Gaslaserprozesses mit Leistung mit einer Last verbindbar ist, wobei der Leistungswandler zumindest einen ersten Verstärkerpfad aufweist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer Hochfrequenzleistung, die einer Last zuführbar ist, bei dem zumindest einem Verstärkerpfad ein Analogsignal zugeführt und in dem Verstärkerpfad zu einem Hochfrequenzleistungssignal verstärkt wird.
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Die
US 2007/0281635 A1 offenbart einen Hochfrequenzübertrager mit einem Verstärker, dessen Leistungseingangsspannung und dessen Signaleingangsspannung gesteuert werden.
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US 2012/0200435 A1 offenbart ein System zur Abtastratenkonvertierung mit einem Filter, einer Look-up-table, um Koeffizienten zu speichern und einer Steuerschaltung.
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Die
WO 2013/076174 A1 beschreibt ein HF-System umfassend eine HF-Einrichtung, eine HF-Zündkerze, sowie eine HF-Signaleinkopplungsvorrichtung zum Betrieb der HF-Einrichtung.
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Aus der
WO 2009/012826 A1 ist eine Hochfrequenzleistungsversorgungsanordnung bekannt, zur Erzeugung einer Ausgangsleistung > 1 kW bei einer Grundfrequenz > 3 MHz und mindestens einer Schaltbrücke, die zwei in Reihe geschaltete schaltende Elemente aufweist, wobei eines der schaltenden Elemente auf einem sich im Betrieb ändernden Bezugspotential liegt und von einem Treiber angesteuert ist, der einen differentiellen Eingang mit zwei Signaleingängen aufweist und mit dem sich im Betrieb ändernden Bezugspotential verbunden ist.
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Die
US 7,862,681 B2 offenbart ein Plasmasystem mit einer Plasmakammer und einem Generator, der eine Hochfrequenz erzeugen kann und der Plasmakammer zuführen kann.
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Ein weiteres Plasmaversorgungssystem ist aus der
US 2008/0122369 A1 bekannt.
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Leistungsversorgungssysteme, insbesondere Systeme, die Leistung bei Frequenzen > 1 MHz und insbesondere kleiner 200 MHz und vor allem insbesondere kleiner 90 MHz erzeugen, werden beispielsweise zur Laseranregung, in Plasmabeschichtungsanlagen oder auch für Induktionsanwendungen verwendet.
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Solche Leistungsversorgungssysteme weisen Verstärker auf, über die die Leistung erzeugt wird, die den Plasmabeschichtungsanlagen, Induktionsanwendungen oder der Laseranregung zugeführt wird. Grundsätzlich gibt es zwei Konzepte, um die Leistungsregelung eines Verstärkers zu implementieren. Bei der Amplitudenregelung wird die Ausgangsleistung des Verstärkers über die Amplitude des Eingangssignals geregelt. Im linearen Betrieb ist dabei die Effizienz des Verstärkers abhängig von der Amplitude.
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Alternativ kann über die Regelung der Versorgungsspannung des Verstärkers die Ausgangsleistung des Verstärkers geregelt werden. Bei dieser Art der Regelung wird die Effizienz über einen großen Dynamikbereich relativ konstant gehalten. Die Regelgeschwindigkeit und damit die Regelung der Ausgangsleistung ist jedoch relativ langsam, insbesondere langsamer als beim zuerst vorgestellten Regelungskonzept.
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In einem Leistungsversorgungssystem kann es zu schlagartigen Änderungen der angeforderten Leistung kommen, beispielsweise wenn in der Plasmakammer ein Arc auftritt und entsprechend die gelieferte Leistung schlagartig reduziert werden muss. Weder das eine noch das andere vorbeschriebene Regelungskonzept ist in der Lage, die Anforderungen einer schnellen Regelung bei hoher Effizienz über einen großen Leistungsbereich zu erfüllen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Leistungsversorgungssystem und ein Verfahren zur Erzeugung einer Leistung, die einem Plasmaprozess oder Gaslaserprozess zuführbar ist, bereit zu stellen, mit denen die Leistung eines Leistungswandlers schnell und zuverlässig eingestellt werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Leistungsversorgungssystem mit einem ein Hochfrequenzleistungssignal erzeugenden Leistungswandler, der zur Versorgung eines Plasma- oder Gaslaserprozesses mit Leistung mit einer Last verbindbar ist, wobei der Leistungswandler zumindest einen ersten Verstärkerpfad aufweist, wobei dem zumindest einen Verstärkerpfad ein von einem Digital-Analog-Wandler (DAC) aus einem Digitalsignal erzeugtes Analogsignal zugeführt ist. Dem DAC ist eine Logikschaltungseinheit zur Erzeugung des dem DAC zugeführten Digitalsignals vorgeschaltet, wobei die Logikschaltungseinheit
- • einen Signal-Datenspeicher, in dem Signal-Datenwerte zur Erzeugung einer Analogsignalform abgelegt sind,
- • einen Amplituden-Datenspeicher, in dem Amplituden-Datenwerte zur Beeinflussung der Amplituden der Analogsignale abgelegt sind,
- • einen Multiplikator zur Multiplikation der Signal-Datenwerte mit den Amplituden-Datenwerten
aufweist.
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Es ist eine einstellbare Spannungsversorgung vorgesehen, die mit dem zumindest einen Verstärker verbunden ist und diesen mit einer Spannung versorgt.
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Bei der Spannungsversorgung kann es sich insbesondere um eine Gleichspannungsversorgung handeln, die den Verstärker mit einer DC-Leistung bzw. DC-Spannung versorgen kann.
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In dem erfindungsgemäßen Leistungsversorgungssystem sind somit beide Regelkonzepte vereint. Bei Plasmaanwendungen, Induktionsanwendungen oder Laseranregungsanwendungen werden typischerweise vorher festgelegte Profile durchlaufen. Dadurch ist der benötigte Dynamikbereich (die Ausgangsleistung) und der Zeitpunkt des Sollwertsprungs im Voraus häufig bekannt. Daher ist es möglich, beide Regelungskonzepte parallel zu verwenden. Dabei können schnelle Änderungen der Leistung durch die Amplitudenregelung umgesetzt werden. Danach kann die Spannungsregelung nochregeln und somit die Effizienz steigern. Besonders beim schnellen Hochregeln ist darauf zu achten, dass im Voraus die Spannung und Amplitude so gewählt werden, dass ein ausreichender Regelbereich vorgehalten wird. Es ist denkbar, für kurze, ungeplante dynamische Lastvorgänge lediglich die schnelle Amplitudenregelung zu verwenden, da für kurze Zeiträume die Effizienz des Systems vernachlässigt werden kann. Für die Amplitudenregelung kann auf einfache Art und Weise ein Digitalsignal erzeugt werden, welches Informationen bzgl. der Signalform und der Amplitude des im DAC zu erzeugenden Analogsignals aufweist. Insbesondere kann eine Folge von Digitalwerten erzeugt werden, indem mit Hilfe eines Zählers eine Folge von in einem Signaldatenspeicher abgelegten Signaldatenwerten ausgelesen wird, diese Folge von Signaldatenwerten einem Multiplizierer zugeführt wird, und von diesem Multiplizierer mit einem aus einem Amplitudendatenspeicher ausgelesenen Amplitudendatenwert multipliziert wird. Dies hat insbesondere dann Vorteile, wenn parallel mehrere Analogsignale erzeugt werden, die anschließend durch einen Kombinierer kombiniert werden, so dass die zu kombinierenden Signale besonders einfach und schnell aneinander angepasst werden können. Verstärkerpfade, die mit einem so generierten Analogsignal angesteuert sind, sind besonders gut für einen Parallelbetrieb mehrerer Verstärkerpfade geeignet. Die so erzeugten Leistungen können einfach am Ausgang der Verstärkerpfade kombiniert werden. Somit ergibt sich eine sehr schnell und genau abstimmbare Gesamtleistung des Leistungswandlers. Die Last kann dabei ein Plasmaprozess oder ein Gaslaserprozess sein.
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Es kann eine Regeleinheit zur Regelung der Spannung vorgesehen sein, die an den Verstärker zur Spannungsversorgung angelegt wird. Dabei muss diese Regeleinheit nicht in der Spannungsversorgung implementiert sein. Beispielsweise kann die Regeleinheit in einer digitalen Logikschaltung implementiert sein, die mit der Spannungsversorgung verbunden ist.
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Es kann eine Steuereinheit zur Festlegung des Sollwertes sowohl der in der Spannungsversorgung zu erzeugenden Spannung als auch des von dem DAC zu erzeugenden Analogsignals vorgesehen sein. Dabei werden die Sollwerte vorzugsweise in Abhängigkeit der zu erwartenden angeforderten Leistung des Leistungsversorgungssystems eingestellt. Insbesondere ist in der Regel bekannt, was für ein Hochfrequenzleistungssignal voraussichtlich zu erzeugen sein wird. In Abhängigkeit davon können dann die entsprechenden Sollwerte für die Spannungsversorgung und für das Analogsignal vorgegeben werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit zur Festlegung eines Sollwerts für das Hochfrequenzleistungssignal vorgesehen sein und kann eine nachfolgende digitale Logikschaltung vorgesehen sein, die ausgelegt ist, die Sollwerte sowohl der in der Spannungsversorgung zu erzeugenden Spannung als auch des von dem DAC zu erzeugenden Analogsignals zu ermitteln. Als Sollwert für das Hochfrequenzleistungssignal wird vorzugsweise eine Amplitude des Hochfrequenzleistungssignals vorgegeben. Somit kann aus dem Sollwert für die Amplitude des Hochfrequenzleistungssignals der Sollwert für die zu erzeugende Spannung als auch der Sollwert für das zu erzeugende Analogsignal abgeleitet werden.
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Weiterhin kann eine Schnittstelle zur Vorgabe des Sollwerts für die Spannungsversorgung vorgesehen sein. Die Schnittstelle kann insbesondere mit einer übergeordneten Systemsteuerung in Verbindung stehen.
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Weiterhin kann eine Schnittstelle zur Vorgabe eines Überhangs des Sollwertes für die in der Spannungsversorgung zu erzeugende Spannung zur Amplitude des Hochfrequenzleistungssignals vorgesehen sein. Bei der Amplitude des Hochfrequenzleistungssignals kann es sich zum einen um den Sollwert für das Hochfrequenzleistungssignal handeln. Es kann jedoch auch eine gemessene Amplitude des Hochfrequenzleistungssignals verwendet werden.
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Alternativ kann eine Berechnungseinheit vorgesehen sein, die ausgelegt ist, aus der Vorgabe eines Sollwerts für das Hochfrequenzleistungssignal und aus der Vorgabe eines Überhangs die Sollwerte sowohl der in der Spannungsversorgung zu erzeugenden Spannung als auch des von dem DAC zu erzeugenden Analogsignals zu ermitteln. Insbesondere kann einer digitalen Logikschaltung die gewünschte Amplitude des Hochfrequenzleistungssignals als auch die gemessene Amplitude des Hochfrequenzleistungssignals bekannt sein. Der Überhang des Sollwerts der Spannungsversorgung kann vorgegeben werden oder der Überhang kann berechnet werden. Insbesondere kann der Überhang so gewählt oder berechnet werden, dass die von der Spannungsversorgung erzeugte Spannung, mit der sie den zumindest einen Verstärker versorgt, größer ist als die Ausgangsamplitude des Hochfrequenzleistungssignals.
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Weiterhin kann eine Berechnungseinheit vorgesehen sein, die ausgelegt ist, aus der Vorgabe eines Sollwertes für das Hochfrequenzleistungssignal und aus der Vorgabe eines Geschwindigkeitsvorgabewerts und/oder eines Effizienzvorgabewerts die Sollwerte sowohl der in der Spannungsversorgung zu erzeugenden Spannung als auch des von dem DAC zu erzeugenden Analogsignals zu ermitteln. Wenn demnach eine schnelle Regelung gewünscht ist, wobei die Effizienz nur eine geringe Rolle spielt, dann kann der Sollwert für die in der Spannungsversorgung zu erzeugende Spannung mit einem größeren Überhang eingestellt werden. Ist dagegen eine effiziente Regelung gewünscht, dann wird der Sollwert für die Spannung mit einem geringen Überhang eingestellt. Der Geschwindigkeitsvorgabewert kann festlegen, wie schnell eine Leistungsregelung erfolgen soll. Somit kann über diesen Wert bestimmt werden, ob eine Spannungsregelung oder eine Amplitudenregelung erfolgen soll. Der Geschwindigkeitsvorgabewert kann z. B. in Abhängigkeit eines von dem Plasmaprozess, dem Laseranregungsprozess oder der Induktionsanwendung zu durchlaufenden Profils gewählt bzw. vorgegeben werden. Gleiches gilt für den Effizienzvorgabewert.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn zumindest zwei Verstärkerpfade vorgesehen sind, wobei jedem Verstärkerpfad ein jeweils von einem DAC aus einem Digitalsignal erzeugtes Analogsignal zugeführt ist und jedem DAC eine Logikschaltungseinheit vorgeschaltet ist. Durch diese Maßnahme ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise für hohe Ausgangsleistungen. Damit lassen sich Fertigungsaufwand und Kosten sparen. Außerdem wird ein solcher Aufbau zuverlässiger. Ein solcher Leistungswandler ist besonders gut kalibrierbar und abstimmbar.
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Es kann eine digitale Logikschaltung vorgesehen sein, die mit der oder den Logikschaltungseinheit(en) verbunden ist. Durch die Logikschaltungseinheit können die zu multiplizierenden Datenwerte ausgewählt werden.
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Die digitale Logikschaltung und ein oder mehrere Logikschaltungseinheiten können in einem Logikbauelement integriert sein. Somit ergibt sich ein hoher Grad der Integration. Es müssen wenige Bauteile eingesetzt werden, was Platz spart und kostengünstig ist.
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Die Signal-Datenwerte und/oder die Amplituden-Datenwerte können in Nachschautabellen (Look-Up-Table, LUT) abgelegt sein und dort besonders einfach für eine einzustellende Signalform und Amplitude ausgewählt werden.
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Der Signal- und der Amplituden-Datenspeicher können als Nachschau-Tabelle (Look-Up-Table, LUT) ausgebildet sein. Dadurch lässt sich Speicherplatz einsparen, da in den eigentlichen Datenbeständen (mit einer hohen Anzahl von Einträgen) nur ein Kurzcode geführt und die zugehörige Langbezeichnung aus der Tabelle verwendet werden kann. In der Look-Up-Table können für bestimmte Konstellationen vorberechnete Ergebnisse oder andere Informationen definiert werden. Auf die Berechnung von Werten kann somit verzichtet werden, so dass die Analogsignale und damit die Leistung extrem schnell angepasst werden können.
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Der Digital-Analog-Wandler kann einen Referenzsignaleingang aufweisen. Dieser Referenzsignaleingang kann verwendet werden, um die Generierung des Analogsignals zu beeinflussen. Eine Veränderung des Analogsignals kann auf diese Weise besonders schnell herbeigeführt werden.
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Dem Referenzsignaleingang kann eine Ansteuerschaltung vorgeschaltet sein. Mithilfe einer solchen Ansteuerschaltung kann das Eingangssignal des Referenzsignaleingangs schnell verändert werden, um dadurch auch schnell eine Veränderung des erzeugten Analogsignals zu bewirken.
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Eine besonders kompakte Bauweise ergibt sich, wenn der Digital-Analog-Wandler und die zugeordneten Logikschaltungseinheiten in einem Direkt-Digital-Synthese-(DDS)-Baustein integriert sind.
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Wenn zwischen dem Digital-Analog-Wandler und dem Verstärkerpfad eine Filteranordnung zur Filterung des Analogsignals vorgesehen ist, kann ein besonders oberwellenarmes Signal am Eingang des Verstärkerpfades eingegeben wird. Dies steigert die Effizienz des Gesamtsystems.
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Der Leistungserzeuger kann mehr als zwei Verstärkerpfade aufweisen, denen jeweils ein Digital-Analog-Wandler zugeordnet ist, der dem jeweiligen Verstärkerpfad ein Analogsignal zuführt. Durch diese Maßnahme ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise für hohe Ausgangsleistungen. Ein solcher Leistungserzeuger ist besonders gut abstimmbar.
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Die Verstärkerpfade können mit einem Kombinierer zur Kombination der in den Verstärkerpfaden erzeugten Leistungen zu einer Gesamtleistung verbunden sein. Hierbei können relativ einfache Kombinierer verwendet werden, die günstiger in der Herstellung sind, aber hohe Anforderungen hinsichtlich der Phasenlage, Amplituden und Frequenzen der Eingangssignale stellen. Der Leistungswandler kann hierdurch in besonders kompakter Bauweise und kostengünstig aufgebaut werden.
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Der Kombinierer kann zur Kombination der in den Verstärkerpfaden erzeugten Leistungen ohne Ausgleichsimpedanzen für Eingangssignale ungleicher Stärke und/oder Phasenlage ausgelegt sein. Ein solcher Kombinierer ist besonders energiesparend und kostengünstig. Außerdem kann ein solcher Kombinierer sehr kompakt und mit wenigen Bauteilen aufgebaut werden.
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Als Kombinierer kann auch eine phasenlagenschiebende Kopplereinheit eingesetzt werden. Unter einer phasenlagenschiebenden Kopplereinheit wird eine Einheit verstanden, die einen Koppler und optional für einen oder mehrere Verstärkerpfade jeweils ein phasenlagenschiebendes Netzwerk aufweist, wobei die Eingangssignale der Kopplereinheit im bestimmungsgemäßen Betrieb eine Phasenlage zueinander aufweisen die nicht 0° und nicht 180° ist und insbesondere größer 0° und kleiner 180° ist. Beispielsweise können die Eingangssignale um 90° phasenverschoben sein. Eine Kopplereinheit, deren Eingangssignale einen Phasenversatz gegeneinander von 0° oder 180° aufweisen, wird im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht als phasenlagenschiebende Kopplereinheit verstanden, da hier lediglich die Eingangssignale ohne weiteren Phasenversatz addiert werden.
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Die phasenlagenschiebende Kopplereinheit kann ein 90° Hybrid-Koppler sein. Dieser erfüllt die Anforderungen optimal mit minimalem Bauteilaufwand.
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Als phasenlagenschiebende Kopplereinheit wird auch eine Einheit verstanden, die ausgelegt ist, reflektierte Leistung, die von der Last durch den Koppler zu den Verstärkern geleitet wird, den Verstärkern mit unterschiedlicher Phase zurückzuführen. Bei Fehlanpassung teilt z. B. ein 90° Hybrid Koppler, an dessen Eingangsanschlüssen zwei Verstärker mit derselben Impedanz angeschlossen sind, die reflektierte Leistung um 90° phasenverschoben auf die beiden Verstärker auf.
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Als phasenlagenschiebende Kopplereinheit wird auch eine Einheit verstanden, die eine erste Eingangsimpedanz an ihrem ersten Eingangsanschluss und eine zweite Eingangsimpedanz an ihrem zweiten Eingangsanschluss aufweist, und die ausgelegt ist, dass die Eingangsimpedanzen gleich sind, wenn keine reflektierte Leistung durch die Kopplereinheit zu den Eingangsanschlüssen geleitet wird und die ungleich sind, wenn reflektierte Leistung durch die Kopplereinheit zu den Eingangsanschlüssen geleitet wird. Die Kopplereinheit kann, wie oben beschrieben, so ausgelegt sein, dass sie die zu ihrem Ausgangsanschluss reflektierte Leistung phasenverschoben ihren Eingangsanschlüssen weiterleitet, und damit an die Verstärker in den Verstärkerpfaden weiterleitet. Die Eingangsimpedanzen an der Kopplereinheit können sich dann ändern, können insbesondere unterschiedlich sein. Das kann zur Folge haben, dass die Ausgangsimpedanz des ersten Verstärkers einen anderen Wert annimmt als die Ausgangsimpedanz des zweiten Verstärkers. Das wiederum kann die Eigenschaften der Kopplereinheit derart beeinflussen, dass sie die Leistung eines Verstärkers zum anderen Verstärker leitet, so dass sich die Verstärker gegenseitig beeinflussen. Die Impedanz der Verstärker kann negativ werden. Das kann bei bestimmten Lastzuständen dazu führen, dass der erste Verstärker im ersten Verstärkerpfad den zweiten Verstärker im zweiten Verstärkerpfad mit Leistung versorgt. Diese Eigenschaften führten in der Vergangenheit dazu, vom Einsatz einer phasenlagenschiebenden Kopplereinheit abzuraten. Es wurde befürchtet, dass man die Verstärker in instabile Zustände bringen würde.
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Experimente mit hohem Reflexionsfaktor haben gezeigt, dass das Gegenteil der Fall ist, insbesondere wenn ein LDMOS Transistor in den Verstärkern eingesetzt wird. Zwar erwärmen sich die Transitoren in den beiden Verstärkerpfaden unterschiedlich, jedoch ist die maximale Erwärmung der Transistoren bei keinem Lastzustand so hoch, wie bei Leistungsversorgungssystemen mit Kopplereinheiten, deren Eingangssignale eine Phasendifferenz von 0° aufweisen. Das kann damit zusammenhängen, dass sich auf Grund der niedrigeren Werte der parasitären Elemente des Transistors die Impedanz der Verstärker genau so verändert, dass sich die Transistoren mit der phasenlagenschiebenden Kopplereinheit im wärmsten Punkt deutlich geringer erwärmen als ohne eine solche.
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Ein häufiger Grund für Instabilität liegt in der sehr schnellen Änderung der Impedanz der Last, z. B. des Plasmaprozesses. Die Laständerung erfolgt dabei so schnell, dass weder ein zwischen Leistungsversorgungssystem und Last geschaltetes Impedanzanpassungsnetzwerk auf die Laständerung schnell genug reagieren kann, noch eine Leistungsregelung des Leistungsversorgungssystems. Die schnelle Laständerung produziert reflektierte Leistung, die in die Verstärker reflektiert wird. Diese verändert wie oben beschrieben die Impedanz der Verstärker. Die Verstärker liefern nach dem schnellen Lastwechsel damit nicht mehr die gleiche Leistung wie vor dem Lastwechsel. Bei einem Leistungsversorgungssystem mit phasenlagenschiebender Kopplereinheit, insbesondere mit einem 90° Hybrid Koppler, ist die Änderung der Leistung pro Änderung des Lastzustands aber viel geringer als er bei einem Leistungsversorgungssystem ohne eine solche Kopplereinheit oder mit nicht-phasenschiebenden Eigenschaften. Deswegen verhält sich ein Leistungsversorgungssystem mit phasenlagenschiebender Kopplereinheit stabiler.
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Der Vorteil der Verwendung einer phasenlagenschiebenden Kopplereinheit liegt darin, dass die beiden Verstärkerpfade, die an die Kopplereinheit angeschlossen sind, bei Fehlanpassung unterschiedliche Impedanzen sehen. Außerdem wird bei Fehlanpassung Leistung nicht an die Verstärkerpfade zurückgeliefert sondern kann in einen Absorberwiderstand abgeleitet werden. Dadurch, dass die Verstärkerpfade unterschiedliche Impedanzen sehen, werden die Transistoren der Verstärker bei Fehlanpassung im Gegensatz zum gleichphasigen Kombinieren unterschiedlich warm, wobei sich der Wärmere der beiden Transistoren selbst ohne Regelung der Versorgungsspannung etwa 45% weniger erwärmt als im Vergleich zur Verwendung üblicher Kombinierer.
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Ein Verstärker insbesondere jeder Verstärker kann an seinem Ausgang eine Ausgangsimpedanz aufweisen, die ungleich der Eingangsimpedanz der Kopplereinheit ist. Dann reflektiert der Verstärker einen Großteil der an ihn geleiteten reflektierten Leistung zurück zur Kopplereinheit, die die Leistung dann in einen Absorptionswiderstand leitet. Der Vorteil eines solchen Leistungsversorgungssystems ist, dass der Anteil der stehenden Wellen zwischen Last und Verstärker reduziert wird. Der häufig genannte Nachteil eines solchen Leistungsversorgungssystems ist, dass viel Leistung im Absorberwiderstand in Wärme umgewandelt wird, und der Widerstand entsprechend groß und mit guter Kühlung ausgestaltet werden muss. Das würde ein solches Leistungsversorgungssystem teuer machen. Der höhere Aufwand wird jedoch durch eine sehr viel höhere Stabilität und Zuverlässigkeit ausgeglichen.
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Ein Verstärker, insbesondere jeder Verstärker, kann so ausgelegt sein, dass sich seine Ausgangsimpedanz verändert, wenn sich die Impedanz, in die er seine Leistung liefert, ändert. Das kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn reflektierte Leistung zum Verstärker geleitet wird. Insbesondere kann sich die Eingangsimpedanz der an die Verstärker angeschlossenen Kopplereinheit ändern, wenn sich die Lastimpedanz ändert, die an den Ausgang der Kopplereinheit angeschlossen ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Leistungsversorgungssystem ist es möglich, die Transistoren der Verstärker sowohl in Sättigung, d. h. im vollständig leitenden Zustand, bzw. Kompression, d. h. bei mit steigender Eingangsleistung sinkender Verstärkung, als auch an jedem Punkt im linearen Bereich ihrer Kennlinie betrieben werden können. Dadurch ist es möglich, dass das Leistungsversorgungssystem eine definierte Leistung in jede beliebige Last und somit auch bei Fehlanpassung versorgen kann, ohne sich dabei über vorgegebene Grenzen zu erwärmen.
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Als weiterer Vorteil kommt hinzu, dass ein Leistungsversorgungssystem mit phasenlagenschiebender Kopplereinheit und der oben genannten Transistortechnologie im Back-Off-Bereich bei höheren Versorgungsspannungen betrieben werden kann. Er kann damit bei kleinen Ausgangsleistungen viel schneller geregelt werden, da die Ausgangsleistung mit der Eingangsleistung geregelt werden kann. Zusätzlich kann eine phasenlagenschiebende Kopplereinheit mit Absorptionswiderstand für ein schnelles Pulsen zwischen zwei Ausgangsleistungen oder zum Modulieren der Ausgangsleistung genutzt werden, wenn die Phasen der beiden Verstärkerpfade gegeneinander verändert werden. Dann fließt ein Teil der Leistung nicht zum Ausgang des Leistungsversorgungssystems, sondern zum Absorptionswiderstand.
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Für Plasmaprozesse ist manchmal ein Hochfrequenzleistungssignal erwünscht, dass mit einer Modulations- oder Pulsfrequenz, die niedriger ist als die Frequenz des Hochfrequenzleistungssignals, moduliert oder gepulst ist. Dies kann mit dem Leistungsversorgungssystem besonders gut realisiert werden. Insbesondere ist hierfür eine phasenlagenschiebende Kopplereinheit von Vorteil. Um das Hochfrequenzleistungssignal zu modulieren oder zu pulsen kann mit der Modulationsfrequenz oder mit dem Pulssignal die Phase der Hochfrequenzsignale zwischen den Verstärkerpfaden verstellt werden. So kann besonders schnell gepulst oder moduliert werden.
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Die Verstärkerpfade können Transistoren in LDMOS-Technologie aufweisen. LDMOS steht für „laterally diffused metal oxide semiconductor”; das sind MOSFETs, die bisher vor allem im GHz-Bereich Anwendung fanden. Beim Einsatz in Verstärkern zur Erzeugung einer Leistung, die einem Plasmaprozess zuführbar ist, hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich diese Transistoren in LDMOS-Technologie sehr viel zuverlässiger verhalten, als vergleichbare herkömmliche MOSFETs. Dies kann auf eine sehr viel höhere Strombelastbarkeit zurückzuführen sein. Insbesondere bei Versuchen mit mehreren Verstärkerpfaden und bei Frequenzen von 3,4 MHz, 13 MHz, 27 MHz, 40 MHz, 80 MHz und 162 MHz haben diese Transistortypen eine besonders hohe Zuverlässigkeit gezeigt. Ein weiterer Vorteil dieser Transistortypen gegenüber herkömmlichen MOSFETs besteht darin, dass die gleichen Transistoren für die genannten Frequenzen (3,4 MHz, 13 MHz, 27 MHz, 40 MHz, 80 MHz und 162 MHz) einsetzbar sind. Damit lassen sich nun mit einer sehr ähnlichen oder auch mit einer gleichen Topologie Verstärker und Leistungsversorgungssysteme aufbauen, die bei Frequenzen über mehrere Dekaden im Bereich von 1 MHz bis 200 MHz einsetzbar sind. Das sind Frequenzen, wie sie in Plasmaprozessen und zur Gaslaseranregung oft benutzt werden. Die Frequenz ist durch einfache Veränderung der Ansteuerung der DACs einstellbar, die Amplitude durch Veränderung der Werte im Digitalspeicher bzw. in den LUTs.
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Herkömmliche MOSFET haben bei diesen Frequenzen betrieben an Plasmaprozessen oftmals Probleme, wenn zu viel in den Plasmaprozess gelieferte Leistung zurückreflektiert wird. Deswegen musste die erzeugte Leistung oft begrenzt werden, um die reflektierte Leistung nicht über eine kritische Grenze ansteigen zu lassen. Damit ließen sich die Plasmaprozesse nicht immer sicher zünden oder im gewünschten Leistungsbereich betreiben. Außerdem wurden aufwändige regelbare Impedanzanpassungsschaltungen und Kombinierer vorgesehen, um diese Nachteile zu beheben. LDMOS-Transistoren sind nun besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn mit reflektierter Leistung in erheblichem Maß zu rechnen ist, wie dies beispielsweise bei der Versorgung von Plasmaprozessen der Fall ist. In Verbindung mit dem oben erwähnten Kombinierer besteht der Vorteil der LDMOS-Transistoren darin, dass sehr viel höhere reflektierte Leistungen von den Transistoren aufgenommen werden können. Dadurch werden die Anforderungen an zusätzliche zwischen Leistungsversorgungssystem und Last geschaltete Impedanzanpassungsnetzwerke niedriger und es können bei diesen Impedanzanpassungsnetzwerken Kosten für Bauteile und Regelung eingespart werden.
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Jedem Verstärkerpfad kann ein eigener Digital-Analog-Wandler mit zugeordnetem Logikschaltelement zugeordnet sein, wobei ein übergeordneter Speicher, insbesondere eine Look-Up-Table vorgesehen ist, der mit den den Digital-Analog-Wandlern zugeordneten Logikschaltelementen verbunden ist. Durch den übergeordneten Speicher können die den Digital-Analog-Wandlern zugeordneten Speicher beschrieben werden. Es ergibt sich ein Gesamtsystem, welches für sehr hohe Leistungen geeignet ist und welches in kompakter Bauweise realisiert werden kann. Auch ist das System hinsichtlich der Ausgangsleistung sehr gut einstellbar und abstimmbar.
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Der übergeordnete Speicher kann in der Logikschaltung integriert sein. Weiterhin kann die Ansteuerschaltung für den Referenzsignaleingang zumindest eines Digital-Analog-Wandlers in dem Logikbauelement, das als programmierbarer Logikbaustein (PLD), insbesondere Field Programmable Gate Array (FPGA), ausgebildet sein kann, integriert sein. Die Logikschaltung kann durch einen digitalen Signalprozessor angesteuert sein.
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Insbesondere können zusätzlich die DACs in diesem PLD bzw. FPGA integriert sein. Weiterhin kann die Ansteuerschaltung für den Referenzsignaleingang zumindest eines DACs in dem PLD bzw. FPGA integriert sein. Das PLD bzw. FPGA kann durch einen digitalen Prozessor insbesondere durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) angesteuert sein. Diese Maßnahmen tragen dazu bei, dass eine kompakte Bauweise für hohe Leistungen realisiert werden kann und dass der Leistungswandler sehr gut abstimmbar ist.
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Es kann eine Messeinrichtung vorgesehen sein, die mit einer Systemsteuerung verbunden ist, die wiederum die Logikschaltung zumindest mittelbar, insbesondere über einen digitalen Prozessor oder DSP, ansteuert. Dadurch kann eine sehr genaue und sehr schnelle Regelung der einem Plasmaprozess zugeführten Leistung realisiert werden.
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Die erzeugte Gesamtleistung und/oder eine von einer Last, insbesondere Plasmakammer, reflektierte Leistung kann erfasst und einer übergeordneten Steuerung zugeführt werden. Auf diese Art und Weise kann die Ausgangsleistung des Leistungswandlers gesteuert oder geregelt werden. Das kann auch direkt im FPGA auf einer Leiterkarte, bestehend aus FPGA und DDS und eventuell DSP, erfolgen.
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Mit der Erfindung können die Toleranzen der einzelnen Verstärkerpfade, die durch Bauteile und/oder begrenzte Wiederholgenauigkeit in der Fertigung entstehen, herauskalibriert werden. Dadurch wird das einfache Kombinieren der Leistungen möglich. Damit ergibt sich auch eine Kostenersparnis in der Produktion, da nicht alle Stufen einzeln abgeglichen werden müssen. Der Geschwindigkeitsvorteil entsteht dadurch, dass diese Kalibrationsdaten in einem Speicher abgelegt werden können und durch einen FPGA beim Setzten eines neuen Leistungswertes parallel, also gleichzeitig, auf alle Verstärkerpfade angewendet werden können.
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Außerdem lassen sich so mehrere, voneinander unabhängige Leistungswandler oder Leistungserzeugungssysteme untereinander in Phase und/oder Amplitude synchronisieren.
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Voraussetzung dafür, dass dieses Konzept funktioniert, ist eine Verstärkertopologie die sich durch Änderung der Amplitude des einen Verstärkerpfads zugeführten Signals steuern lässt. Um genau zu sein, kann der Leistungswandler dazu in verschiedenen Betriebsmodi, insbesondere in verschiedenen Betriebsklassen, betrieben werden. So kann er für kleine Leistungen, z. B. Leistungen kleiner 200 W, im linearen Betriebsmodus gehalten, insbesondere in der Betriebsklasse AB. Für hohe Leistungen, insbesondere für Leistungen größer 800 W, wird er aber in einem durch Schaltvorgänge bestimmten Betrieb gehalten, insbesondere in einer Betriebsklasse E oder F, besonders bevorzugt in einer Betriebsklasse „F invers” betrieben. Die beschriebenen Betriebsmodi gelten für die Amplitudenregelung. Aus sämtlichen Betriebsmodi kann in eine Spannungsregelung übergegangen werden. Es ist auch möglich, die Spannungsregelung und die Amplitudenregelung parallel, d. h. gleichzeitig, anzuwenden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung einer Hochfrequenzleistung, die einer Last zuführbar ist, bei dem zumindest einem Verstärkerpfad ein von einem Digital-Analog-Wandler (DAC) aus einem Digitalsignal erzeugtes Analogsignal zugeführt und in dem Verstärkerpfad zu einem Hochfrequenzleistungssignal verstärkt wird, wobei das Digitalsignal erzeugt wird, indem ein in einem Signal-Datenspeicher abgelegter Signal-Datenwert mit einem in einem Amplituden-Datenspeicher abgelegten Amplituden-Datenwert multipliziert wird, wobei zumindest ein Verstärker des Verstärkungspfads mittels einer einstellbaren Spannung mit Leistung versorgt wird. Ein Analogsignal kann eine Analogspannung sein.
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Hierdurch ergeben sich die oben zum Leistungsversorgungssystem beschriebenen Vorteile.
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Die Sollwerte für die in der Spannungsversorgung zu erzeugende Spannung und für das von dem DAC zu erzeugende Analogsignal können von einer Steuereinheit festgelegt werden.
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Alternativ kann von einer Steuereinheit ein Sollwert für das Hochfrequenzleistungssignal einer nachfolgenden digitalen Logikschaltung übergeben werden und von der Logikschaltung können Sollwerte sowohl für die in der Spannungsversorgung zu erzeugende Spannung als auch für das von dem DAC zu erzeugende Analogsignal ermittelt werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei einer Änderung des Sollwerts für das Hochfrequenzleistungssignal in einem ersten Verfahrensschritt ein Sollwert für das von dem DAC zu erzeugende Analogsignal und in einem zweiten Verfahrensschritt ein Sollwert für die in der Spannungsversorgung zu erzeugende Spannung festgelegt werden. Dadurch ist eine schnelle Regelung, insbesondere beim Reduzieren der Ausgangsleistung, mit der Amplitudenregelung möglich. Eine langsame Nachregelung der Spannungsversorgung kann dann zur Effizienzsteigerung erfolgen. Somit werden unnötige Verluste vermieden.
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Bei einer Änderung des Sollwerts für das Hochfrequenzleistungssignal können in einem ersten Verfahrensschritt ein Sollwert für die in der Verspannungsversorgung zu erzeugende Spannung und einem zweiten Verfahrensschritt ein Sollwert für das von dem DAC zu erzeugende Analogsignal festgelegt werden. Somit kann eine schnelle Regelung, insbesondere beim Erhöhen der Ausgangsleistung, erfolgen. Hier wird jedoch ein gewisses Vorwissen benötigt, dass eine Leistungserhöhung geplant ist. Dann kann zuerst die Spannung der Spannungsversorgung zur Versorgung des oder der Verstärker erhöht werden. Dadurch reduziert sich die Effizienz. Da aber die Amplitude nachgeregelt wird, verbessert sich die Effizienz kurze Zeit später wieder.
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Die einstellbare Spannung kann durch Regelung einer Spannung zur Leistungsversorgung der zumindest eine Verstärker eingestellt werden.
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Die Spannungsversorgung kann den zumindest einen Verstärker mit einer geregelten Spannung versorgen, die einen vorgegebenen Überhang über einem erfassten oder vorgegebenen Spannungsamplitudenwert des Hochfrequenzleistungssignals liegt. Dadurch ist ein schnelles Hochregeln der Leistung möglich.
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Der vorgebbare Überhang kann in mehreren Stufen vorgegeben werden. Wenn demnach eine schnelle Regelung mit einer geringen Effizienz gewünscht ist, kann ein großer Überhang gewählt werden. Wird dagegen eine langsamere Regelung mit besserer Effizienz gefordert, kann ein kleinerer Überhang ausreichend sein und entsprechend ein kleinerer Überhang vorgegeben werden. In diesem Fall kann relativ schnell herabgeregelt werden, aber nur relativ langsam auf eine höhere Ausgangsleistung heraufgeregelt werden, da für das Erhöhen der Leistung die einstellbare Spannung hochgeregelt werden muss, was Prinzip bedingt etwas langsamer ist.
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Vorzugsweise wird einem Digitalsignaleingang des Digital-Analog-Wandlers eine Folge von Digitalwerten zugeführt, aus denen der Digital-Analog-Wandler das Analogsignal erzeugt. Auf diese Art und Weise kann ein Analogsignal besonders schnell und exakt erzeugt werden.
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Einem Referenzsignaleingang des Digital-Analog-Wandlers kann zur Beeinflussung des Analogsignals ein Referenzsignal zugeführt werden. Somit kann das Analogsignal nicht nur durch die Folge von Digitalwerten beeinflusst werden sondern auch durch ein Referenzsignal, welches dem Referenzsignaleingang zugeführt wird. Es stehen somit mehrere Möglichkeiten offen, das Analogsignal zu beeinflussen und exakt einzustellen.
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Das Analogsignal kann gefiltert werden, woraus sich die oben erwähnten Vorteile ergeben.
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Es kann durch mehrere Digital-Analog-Wandler jeweils ein Analogsignal erzeugt werden und in einem jeweils zugeordneten Verstärkerpfad verstärkt werden. Somit können in parallelen Verstärkerpfaden relativ geringe Leistungen erzeugt werden, die anschließend zu einer Gesamtleistung zusammengeführt werden können. Für die einzelnen Verstärkerpfade können wegen der relativ geringen erzeugten Leistungen kostengünstige Bauelemente eingesetzt werden.
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Die Ausgangssignale der Verstärkerpfade können mit einem Kombinierer zu einer Gesamtleistung gekoppelt werden. Somit kann auf einfache Art und Weise eine hohe Ausgangsleistung des Leistungserzeugers realisiert werden. Die Ausgangssignale der Verstärkerpfade können insbesondere einer phasenlagenschiebenden Kopplereinheit zugeführt werden, von der die Ausgangssignale phasenabhängig zu einer Gesamtleistung gekoppelt werden.
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Die Signal-Datenspeicher und Amplituden-Datenspeicher können von einem übergeordneten Speicher beschrieben werden. Durch den übergeordneten Speicher kann somit der Inhalt der den Digital-Analog-Wandlern zugeordneten Speicher bestimmt und beeinflusst werden.
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Die Amplitude der HF-Leistungssignale, also des Ausgangssignals jedes Verstärkerpfads, kann durch eine vorgebbare Amplitude des dem jeweiligen Verstärkerpfad zugeführten Analogsignals beeinflusst werden.
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Das Analogsignal kann dem Verstärkerpfad direkt zugeführt werden und eine Veränderung der Amplitude des Analogsignals kann direkt zu einer Veränderung der Amplitude des HF-Leistungssignals des Verstärkerpfads führen. Somit wird insbesondere der Aufwand bezüglich Hardware reduziert. Außerdem wird dadurch sichergestellt, dass keine Amplitudeninformation des Analogsignals verlorengeht, die nachträglich wieder generiert werden muss.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kompensation der Toleranzen in Amplitude und Phase der in verschiedenen Verstärkerpfaden erzeugten HF-Leistungssignale, wobei jedem Verstärkerpfad ein von jeweils einem DAC erzeugtes Signal zugeführt wird, das von einer übergeordneten digitalen Speicher-Steuereinheit jeweils in Amplitude und Phase eingestellt wird. Somit ergibt sich eine besonders gute Abstimmung und Kalibrierung.
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Die Amplitude jedes HF-Leistungssignals jedes Verstärkerpfads kann durch die Amplitude des vom DAC erzeugten Analogsignals beeinflusst werden.
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Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, dass bei einer ersten zu erzeugenden Ausgangsleistung dem ersten Verstärkerpfad ein erstes Signal zugeführt wird, bei einer zweiten zu erzeugenden Ausgangsleistung dem ersten Verstärkerpfad ein zweites Signal zugeführt wird, bei der ersten zu erzeugenden Ausgangsleistung dem zweiten Verstärkerpfad ein drittes Signal zugeführt wird, bei der zweiten zu erzeugenden Ausgangsleistung dem zweiten Verstärkerpfad ein viertes Signal zugeführt wird, die Amplitude des ersten, zweiten, dritten, und vierten Signals in einem Speicher abgelegt sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in stark schematisierter Darstellung ein Plasmasystem mit einem Leistungsversorgungssystem;
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2 in einer Blockdarstellung ein Leistungsversorgungssystem;
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3 in einer Blockdarstellung einen DDS Baustein;
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4 ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung der Vorgehensweise, um die Ausgangsleistung zu reduzieren;
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5 ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Vorgehensweise, um die Ausgangsleistung zu erhöhen.
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Die 1 zeigt ein Plasmasystem 1, welches ein Leistungsversorgungssystem 2 umfasst. Das Leistungsversorgungssystem 2 weist wiederum einen Leistungswandler 3 auf, der an ein Spannungsversorgungsnetz 4 angeschlossen sein kann. Die am Ausgang des Leistungswandlers 3 erzeugte Leistung wird über ein Impedanzanpassungsnetzwerk 5 an eine Plasmakammer 6 gegeben, wo ein Plasma erzeugt wird, mithilfe dessen eine Plasmabearbeitung in der Plasmakammer 6 durchgeführt werden kann. Insbesondere kann ein Werkstück geätzt werden oder kann eine Materialschicht auf ein Substrat aufgebracht werden.
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Die 2 zeigt in stark schematisierter Darstellung ein Leistungsversorgungssystem 20. Das Leistungsversorgungssystem 20 weist einen Leistungswandler 30 auf, der eine Ausgangsleistung erzeugt, die einer Last, beispielsweise einem Plasmaprozess oder einer Laseranregung zugeführt werden kann. In dem Leistungswandler 30 sind mehrere Verstärkerpfade 31, 32 vorgesehen. Die Verstärkerpfade 31, 32 sind weitestgehend identisch aufgebaut. Daher wird nachfolgend nur noch der Verstärkerpfad 31 beschrieben. Die Verstärkerpfade 31, 32 (es können auch mehr als die zwei dargestellten Verstärkerpfade 31, 32 vorgesehen sein) weisen mehrere Verstärker 37, 38 auf, die geeignet sind, ein Analogsignal zu verstärken. Am Ende der Verstärkerpfade 31, 32 ist jeweils ein Verstärker 39 mit zumindest einem LDMOS-Transistor vorgesehen, dessen Ausgang direkt oder indirekt, z. B. über ein Impedanzanpassungsglied und/oder Filter, auf einen Kombinierer 40 geschaltet ist. Insbesondere sind sämtliche Ausgänge sämtlicher Verstärkerpfade 31, 32, insbesondere in gleicher Weise, auf den Kombinierer 40 geschaltet. Durch den Kombinierer 40 werden die Einzelleistungen der Verstärkerpfade 31, 32 zu einer Gesamtleistung gekoppelt.
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Dass die Verstärkerpfade 31, 32 weitestgehend identisch aufgebaut sind, bedeutet nicht zwingend, dass sie die gleiche Verstärkung besitzen. Bauteilstreuung und Toleranzen beim Aufbau der Schaltungen können zu erheblichen Differenzen in der Phase und/oder in der Amplitude der in den Verstärkerpfade 31, 32 erzeugten Hochfrequenzleistungssignalen bei identischem Eingangssignal führen.
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Den Verstärkerpfaden 31, 32 ist jeweils ein Digital-Analog-Wandler (DAC) 41 vorgeschaltet, dem eine Logikschaltungseinheit 42 zugeordnet ist.
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Insbesondere werden dem DAC 41 aus der Logikschaltungseinheit 42 Folgen von Digitalwerten zugeführt, aus denen der DAC 41 ein analoges Ausgangssignal erzeugt, welches einem Verstärkerpfad 31, 32 gegebenenfalls nach Filterung durch einen optionalen Filter 55 – zugeführt wird. Der DAC 41 und die Logikschaltungseinheit 42 können in einem sogenannten Direkt-Digital-Synthese-Baustein (DDS-Baustein) 43 integriert sein, auch genannt: Direct-Digital-Synthesizer. Jedem der Verstärkerpfade 31, 32 ist ein eigener DDS-Baustein 43 und entsprechend ein DAC 41 und eine Logikschaltungseinheit 42 zugeordnet. Beispielhaft ist der DDS-Baustein 43 in 3 beschrieben.
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Die Logikschaltungseinheit 42 weist hier auf:
- 1. einen Signal-Datenspeicher 61, in dem Signal-Datenwerte zur Erzeugung des Analogsignalform abgelegt sind,
- 2. einen Amplituden-Datenspeicher 62, in dem Amplituden-Datenwerte zur Beeinflussung der Amplituden der Analogsignale abgelegt sind,
- 3. einen Multiplikator 63 zur Multiplikation der Signal-Datenwerte mit den Amplituden-Datenwerten und
- 4. einen Zähler 64, der dafür sorgt, dass in einem vorbestimmten Takt Signal-Datenwerte aus dem Signal-Datenspeicher 61 ausgelesen und dem Multiplikator zugeführt werden.
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Sowohl der Signal-Datenspeicher 61 als auch der Amplituden-Datenspeicher 62 können als sogenannte Nachschautabellen (Look-Up-Tables, LUT) ausgebildet sein.
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Der DAC 41 weist weiterhin einen Referenzsignaleingang 44 auf, dem eine Ansteuerschaltung 45 vorgeschaltet sein kann, um ein Referenzsignal zu erzeugen. Die Ansteuerschaltung 45 kann in der noch zu beschreibenden digitalen Logikschaltung (Programmable Logic Device, PLD) 46 realisiert werden. Die digitale Logikschaltung kann als eine Feld programmierbare (Logik-)Gatter-Anordnung (Field Programmable Gate Array FPGA) ausgebildet sein.
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Durch das am Referenzsignaleingang 44 eingegebene Referenzsignal kann das Ausgangssignal, also das generierte Analogsignal des DACs 41, beeinflusst werden. Dem DDS-Baustein 43 ist die digitale Logikschaltung 46 vorgeschaltet, welche ebenfalls einen als Look-Up-Table (LUT) ausgebildeten Speicher 47 aufweist. In dem Speicher 47 können Amplituden-Datenwerte abgelegt sein, die vom Speicher 47 in den Amplituden-Datenspeicher 62 geschrieben werden können. Zusätzlich können auch Daten zur Phasenkorrektur abgelegt sein. Die Werte, die im Speicher 47 abgelegt sind, dienen der Kompensierung von Unterschieden in den Verstärkerpfaden 31, 32 oder in nachgeschalteten Kombinierern 40. Sie können der Logikschaltungseinheit 42, insbesondere dem Amplituden-Datenspeicher 62 übergeben werden. Die digitale Logikschaltung 46 wird durch eine Steuereinheit 48, die insbesondere als Digitaler Signalprozessor (DSP) ausgebildet sein kann, angesteuert, die mit einer Systemsteuerung 49 über einen Datenbus 50 in Verbindung steht.
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Die Steuereinheit 48, der Speicher 47 und die Logikschaltungseinheiten 42 können in einem Logikbauelement 58 realisiert werden. Das Logikbauelement 58 kann als digitale Logikschaltung PLD, insbesondere FPGA, ausgebildet sein. Wenn auch noch die DAC 41 integriert werden, ergibt sich ein kompakter Logikbaustein 57. Die Steuereinheit 48, der Speicher 47, die DDS-Bausteine 43 und auch die DACs 41 sowie die Filter 55 und die ersten Verstärker 37 können auf einer Leiterkarte 56 realisiert werden. Die identische Leiterkarte 56 kann für eine Vielzahl unterschiedlicher Leistungsversorgungssysteme mit unterschiedlichen Leistungen, unterschiedlichen Frequenzen und unterschiedlichen Versorgungslasten (Laser, Plasma etc.) eingesetzt werden.
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Die Ausgangsleistung des Kombinierers 40 wird über einen Richtkoppler 51 an eine Last, z. B. einen Plasmaprozess, gegeben. Durch den Richtkoppler 51 kann die ausgegebene Leistung und eine von der Last reflektierte Leistung erfasst werden. Die Messsignalaufbereitung erfolgt mit Messmitteln 52, die mit dem Richtkoppler 51 in Verbindung stehen. Die Messmittel 52 sind wiederum mit der Systemsteuerung 49 verbunden. Somit kann über die Systemsteuerung 49 anhand der erfassten Ausgangsleistung und der erfassten reflektierten Leistung bestimmt werden, welche Ausgangsleistung vom Kombinierer 40 erzeugt werden soll. Entsprechend dieser Vorgabe kann die Systemsteuerung 49 die Steuereinheit 48 und diese wiederum die digitale Logikschaltung 46 ansteuern.
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In den Messmitteln kann eine Arcerkennung realisiert sein. Um eine schnelle Reaktion auf einen Arc zu erreichen, kann die Arcerkennung, d. h. die Messmittel, unmittelbar mit dem Digital-Analog-Wandler 41, insbesondere dessen Referenzsignaleingang 44, oder der Ansteuerschaltung 45, in Verbindung stehen.
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In dem Speicher 47 sind Digitalwerte abgespeichert, die sowohl eine Amplitudeninformation als auch eine Phasen- und ggf. auch eine Frequenzinformation enthalten, so dass am Ausgang des DAC 41 ein Analogsignal mit einer vorgegebenen Amplitude, Frequenz- und Phasenlage erzeugt werden kann. Dadurch ist es möglich, die Ausgangssignale der einzelnen Verstärkerpfade 31, 32 aufeinander abzustimmen, so dass diese im Kombinierer 40 für eine verbesserte Ausgangsleistung gekoppelt werden können. Insbesondere können auf diese Art und Weise sehr einfache Kombinierer 40 ohne Verlust erzeugende Ausgleichsimpedanzen eingesetzt werden und eine Verlustleistung gering gehalten werden.
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Durch die erfindungsgemäße Art und Weise, ein analoges Signal zu erzeugen, kann sehr schnell die Leistung im Ausgang des Kombinierers 40 beeinflusst und verändert werden.
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Das Leistungsversorgungssystem 20 weist weiterhin eine einstellbare Spannungsversorgung 59 auf, die wiederum mehrere Spannungsversorgungsmodule 53a, 54a, 53b und 54b aufweist. Die Spannungsversorgungsmodule 53a, 54a, 53b, 54b und somit die Spannungsversorgung 59 ist mit den Verstärkern 38, 39 der Verstärkerpfade 31, 32 verbunden. Denkbar ist auch eine Verbindung mit dem Verstärker 37. Im Ausführungsbeispiel kann der Verstärker 37 mit einer konstanten Spannung betrieben werden. Insbesondere werden die Verstärker 38, 39 der Verstärkerpfade 31, 32 über die Spannungsversorgung 59 mit einer einstellbaren Spannung versorgt. Vorzugsweise handelt es sich um eine DC-Spannung, mit der die Verstärker 37–39 versorgt werden. Am Ausgang der Verstärkerpfade 31, 32 sind Messmittel 33, 34 vorgesehen, über die die Ausgangssignale der Verstärkerpfade 31, 32 erfasst werden. Die dadurch ermittelten Messwerte werden auf die Logikschaltung 46, rückgekoppelt, in der sich eine Regeleinheit 46a befindet. Die Regeleinheit 46a steht wiederum mit der Spannungsversorgung 59 in Verbindung. Somit kann die Spannung geregelt bzw. eingestellt werden, mit der die Verstärker 37–39 versorgt werden.
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Die Steuereinheit 48 kann zur Festlegung eines Sollwerts für das Hochfrequenzleistungssignal vorgesehen sein. Das kann das Hochfrequenzleistungssignal am Ausgang der Verstärkerpfade 31, 32 sein oder auch das Hochfrequenzleistungssignal am Ausgang des Kombinierers 40. Dieser Sollwert kann der Logikschaltung 46 übergeben werden, wo dann Sollwerte für das im DAC 41 zu ermittelnde Analogsignal und für die durch die Spannungsversorgung 59 zu erzeugende Spannung ermittelt werden. Alternativ können die Sollwerte für das Analogsignal und die zu erzeugende Spannung durch die Steuereinheit 48 vorgegeben werden. Gemäß einer weiteren Alternative kann vorgesehen sein, dass ein Sollwert für die in der Spannungsversorgung 59 zu erzeugende Spannung über eine Schnittstelle 35 der Logikschaltung 46 vorgegeben wird.
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In der Logikschaltung 46 kann weiterhin eine Berechnungseinheit 46b vorgesehen sein, die ausgelegt ist, aus der Vorgabe eines Sollwerts für das Hochfrequenzleistungssignal und aus der Vorgabe eines Überhangs die Sollwerte sowohl der in der Spannungsversorgung 59 zu erzeugenden Spannung als auch des von dem DAC 41 zu erzeugenden Analogsignals zu ermitteln. Alternativ kann die Berechnungseinheit 46b ausgelegt sein, aus der Vorgabe eines Sollwerts für das Hochfrequenzleistungssignal und aus der Vorgabe eines Geschwindigkeitsvorgabewerts oder eines Effizienzvorgabewerts die Sollwerte sowohl der in der Spannungsversorgung 59 zu erzeugenden Spannung als auch des vom DAC 41 zu erzeugenden Analogsignals zu ermitteln. Die Sollwerte und den Überhang kann die Rechnungseinheit 46b ebenfalls über die Schnittstelle 35 empfangen. Die Schnittstelle 35 kann datentechnisch mit der Systemsteuerung 49 verbunden sein. Insbesondere kann über die Systemsteuerung 49 vorgegeben werden, ob eine schnelle Amplitudenregelung oder eine etwas langsamere Spannungsregelung durchgeführt werden soll. Dies soll anhand der nachfolgenden 4 und 5 erläutert werden.
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In der 4 ist die Vorgehensweise beschrieben, wenn die Ausgangsleistung schnell reduziert werden muss. In einem ersten Betriebszustand 100 wird das Leistungsversorgungssystem 20 mit einer Versorgungsspannung von beispielsweise 50 V betrieben. Die Amplitude des Eingangssignals am Eingang des Verstärkerpfades 31, 32 beträgt 100%. Die angeforderte Ausgangsleistung beträgt beispielsweise 1250 W und das Leistungsversorgungssystem arbeitet bei einer Effizienz von 80%. Durch den Pfeil 101 wird angedeutet, dass nun ein Sollwertsprung der angeforderten Ausgangsleistung erfolgt. Insbesondere muss die Ausgangsleistung schlagartig reduziert werden, beispielsweise auf einen Wert von 550 W. Diese schnelle Leistungsanpassung erfolgt über die Amplitudenregelung, indem das in den Verstärkerpfaden 31, 32 erzeugte Signal schnell verändert wird. Die Versorgungsspannung der Verstärker 37–39 bleibt im Betriebszustand 102 daher bei 50 V. Die Amplitude des Eingangssignals wird auf 20% reduziert. Die Effizienz sinkt auf 55%. Anschließend erfolgt im Betriebszustand 103 ein Nachregeln der Spannung und der Amplitude des Analogsignals, um die Effizienz wieder zu steigern. So wird im Betriebszustand 103 die Versorgungsspannung der Verstärker 37–39 auf 30 V abgesenkt. Die Amplitude des Eingangssignals beträgt wiederum 100%. Die angeforderte Ausgangsleistung beträgt nach wie vor 150 W und die Effizienz wurde wieder auf 80% gesteigert.
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In der 5 ist die Vorgehensweise beschrieben, wenn die Ausgangsleistung schlagartig erhöht werden muss. Im Betriebszustand 200 wird das Leistungsversorgungssystem 20 mit einer Versorgungsspannung von 30 V betrieben. Die Amplitude des Eingangssignals beträgt 100%. Die angeforderte Ausgangsleistung beträgt 550 W und das Leistungsversorgungssystem 20 wird bei einer Effizienz von 80% betrieben. Da es bekannt ist, dass eine höhere Ausgangsleistung angefordert werden wird, wird beim Übergang vom Betriebszustand 200 auf den Betriebszustand 201 zunächst die Versorgungsspannung der Verstärker 37–39 auf 50 V erhöht. Die Amplitude des Eingangssignals beträgt nur noch 20%. Die Ausgangsleistung bleibt bei 550 W und die Effizienz sinkt auf 55%. Danach erfolgt der Sollwertsprung, was durch den Pfeil 202 angedeutet ist. Über eine schnelle Amplitudenregelung wird vom Betriebszustand 201 auf den Betriebszustand 203 übergegangen. Die Versorgungsspannung der Verstärker 37–39 beträgt 55 V. Die Amplitude des Eingangssignals beträgt 100%, die Ausgangsleistung 1250 W und das System arbeitet bei einer Effizienz von 80%. Um diesen Sollwertsprung ausführen zu können, wurde im Vorfeld für die Versorgungsspannung der Verstärker 37–39 ein Überhang vorgegeben, d. h. die in der Spannungsversorgung 59 erzeugte Spannung wurde höher gewählt als der Sollwert, der eigentlich im Betriebszustand 201 notwendig gewesen wäre. Dadurch wird es aber möglich, über eine Amplitudenregelung, d. h. über die Einstellung des Analogsignals im DAC 41 eine schnelle Amplitudenregelung durchzuführen, um dadurch sehr schnell den Sollwertsprung auf eine höhere Ausgangsleistung durchführen zu können.
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Bei einem erfindungsgemäßen Leistungsversorgungssystem werden eine Amplitudenregelung eines Hochfrequenzsignals und eine Spannungsregelung der Versorgungsspannung eines Verstärkers, der das Hochfrequenzsignal verstärkt, kombiniert, um auch mit Lastsprüngen umgehen zu können.
