DE102024114020A1 - Power supply system for supplying a plasma or gas laser process and method for operating such a power supply system - Google Patents
Power supply system for supplying a plasma or gas laser process and method for operating such a power supply systemInfo
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Abstract
Verfahren zum Betrieb eines Leistungsversorgungssystems (2), wobei das Leistungsversorgungssystem (2) einen ein HF-Leistungssignal erzeugenden Leistungswandler (3) aufweist, der zur Versorgung eines Plasma- oder Gaslaserprozesses mit Leistung mit einer Last (6) verbunden ist, wobei der Leistungswandler (3) zumindest eine Verstärkerstufe (40) umfasst, die als balancierter Verstärker mit einer ersten und zweiten Verstärkereinheit (42a, 43a) ausgebildet sind, die jeweils folgende Bestandteile aufweisen:
i. einen Grundlast-Verstärker (103), der dazu eingerichtet ist, eine Grundlast-Verstärkerleistung bereitzustellen;
ii. einen Spitzenlast-Verstärker (104) ist, der dazu eingerichtet ist, eine Spitzenlast-Verstärkerleistung bereitzustellen; und
iii. einen Leistungskoppler (107) zum Kombinieren der Grundlast-Verstärkerleistung und der Spitzenlast-Verstärkerleistung am Ausgang der jeweiligen ersten bzw. zweiten Verstärkereinheit zu einer Verstärker-Ausgangsleistung (Pout) wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
- zum Erzeugen einer Leistungsüberhöhung oberhalb der Nennleistung des Leistungsversorgungssystems (2) wird eine Amplituden- und/oder Phasenbeziehung zwischen dem Grundlast-Verstärker (103) und dem Spitzenlast-Verstärker (104) mindestens einer der ersten und zweiten Verstärkereinheit derart eingestellt, dass die Verstärker-Ausgangsleistung (Pout) der Verstärkereinheit größer ist als eine Nennleistung der Verstärkereinheit (42a, 43a).
Method for operating a power supply system (2), wherein the power supply system (2) comprises a power converter (3) generating an RF power signal, which is connected to a load (6) for supplying power to a plasma or gas laser process, wherein the power converter (3) comprises at least one amplifier stage (40) configured as a balanced amplifier with a first and second amplifier unit (42a, 43a), each comprising the following components:
i. a baseload amplifier (103) configured to provide a baseload amplifier power;
ii. a peak load amplifier (104) configured to provide peak load amplifier power; and
iii. a power coupler (107) for combining the base load amplifier power and the peak load amplifier power at the output of the respective first and second amplifier units to form an amplifier output power (P out ) wherein the method comprises the following process steps:
- to generate a power boost above the rated power of the power supply system (2) an amplitude and/or phase relationship between the base load amplifier (103) and the peak load amplifier (104) of at least one of the first and second amplifier units is set such that the amplifier output power (P out ) of the amplifier unit is greater than a rated power of the amplifier unit (42a, 43a).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungsversorgungssystems, wobei das Leistungsversorgungssystem einen ein Hochfrequenzleistungssignal (HF-Leistungssignal) erzeugenden Leistungswandler aufweist, der zur Versorgung eines Plasma- oder Gaslaserprozesses mit Leistung mit einer Last verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Leistungsversorgungssystem, aufweisend einen Leistungswandler, der ausgelegt ist, ein Hochfrequenzleistungssignal zur Leistungsversorgung eines Plasma- oder Gaslaserprozesses zu erzeugen und dafür mit einer Last verbindbar ist.The invention relates to a method for operating a power supply system, wherein the power supply system comprises a power converter generating a high-frequency power signal (RF power signal) which is connected to a load for supplying power to a plasma or gas laser process. The invention further relates to a power supply system comprising a power converter designed to generate a high-frequency power signal for supplying power to a plasma or gas laser process and which is connectable to a load for this purpose.
Leistungsversorgungssysteme, insbesondere Systeme, die Leistung bei Frequenzen ≥ 1 MHz und insbesondere ≤ 200 MHz und vor allem insbesondere ≤ 90 MHz erzeugen, werden beispielsweise zur Laseranregung oder in Plasmabeschichtungsanlagen verwendet. In derartigen Leistungsversorgungssystemen werden häufig mehrere Verstärker verwendet, um daraus eine Gesamtleistung des Leistungsversorgungssystems zu erzeugen.Power supply systems, particularly those generating power at frequencies ≥ 1 MHz and especially ≤ 200 MHz and, most notably, ≤ 90 MHz, are used, for example, for laser excitation or in plasma coating systems. Such power supply systems often employ multiple amplifiers to generate the overall power output of the system.
In einem solchen Leistungsversorgungssystem kann es zu schlagartigen Änderungen der angeforderten Leistung kommen, beispielsweise wenn in der Plasmakammer ein Arc auftritt und als Folge die gelieferte Leistung schlagartig reduziert werden muss. Andererseits kann zum Zünden eines Plasmas eine andere Leistung erforderlich sein als zum Betreiben eines Plasmaprozesses. Bei der Änderung des Plasmazustandes ändert sich auch die Impedanz der Last. Auch hier erfolgt ein schlagartiger Wechsel der Last. Eine Impedanzanpassung kann häufig nicht schnell genug durchgeführt werden, so dass Leistung von der Last reflektiert wird. Diese reflektierte Leistung sollte nach Möglichkeit von den Verstärkern bzw. den Verstärkerpfaden ferngehalten werden, um eine Zerstörung oder Beschädigung des Leistungsversorgungssystems zu verhindern. Es ist zwar bekannt, sogenannte Zirkulatoren zu verwenden, um die reflektierte Leistung zu absorbieren. In dem genannten Frequenzbereich sind solche Zirkulatoren jedoch wegen der Notwendigkeit von sehr großen Induktivitäten und/oder Magnetfelder sehr groß bauend und können nicht mehr praktisch eingesetzt werden.In such a power supply system, sudden changes in the required power can occur, for example, if an arc develops in the plasma chamber and the supplied power must be abruptly reduced. Conversely, igniting a plasma may require a different power than operating a plasma process. When the plasma state changes, the load impedance also changes, resulting in another abrupt load change. Impedance matching often cannot be performed quickly enough, causing power to be reflected from the load. This reflected power should be kept away from the amplifiers and amplifier paths, if possible, to prevent damage to the power supply system. While it is known to use circulators to absorb the reflected power, in the frequency range mentioned, such circulators are extremely large due to the need for very large inductances and/or magnetic fields and are therefore not practical.
Wenn es zu schlagartigen Lastwechseln und auch zu schlagartiger Änderung der Soll-Leistung kommt, muss die Ausgangsleistung gesteuert werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Eingangsleistung einer Verstärkereinheit variiert wird. Dabei ändert sich jedoch auch die Effizienz der Verstärkereinheit. Bei kleinen Ausgangsleistungen wird der Verstärker im sogenannten Back-Off-Bereich betrieben. Das ist der Bereich, in dem der Verstärker nur einen Teil der maximal möglichen Ausgangsleistung am Ausgang zur Verfügung stellt. In diesem Back-Off-Bereich verringert sich die Effizienz der Verstärkereinheit. Abhängig von der zu treibenden Last muss der im Verstärker eingesetzte Transistor deswegen deutlich mehr Verlustleistung abführen. Dadurch wird er deutlich wärmer. Bei Fehlanpassung verändert sich dieses Verhalten. Abhängig vom Lastwinkel bzw. Reflexionsfaktor wird der Transistor entweder im Back-Off- oder im Sättigungsbereich wärmer. Dadurch ist die Steuerung der Ausgangsleistung über die Eingangsleistung bei Fehlanpassung nur bedingt möglich. Um eine Überhitzung des Transistors zu vermeiden, wurde oftmals empfohlen, die maximale Ausgangsleistung zu begrenzen. Das Herabsetzen der maximalen Ausgangsleistung löst dieses Problem aber nicht, da kritische Temperaturen bei großer Fehlanpassung und ungünstigem Lastwinkel auch bei kleinen und nicht nur bei größeren Leistungen auftreten.When sudden load changes or changes in the required power occur, the output power must be controlled. This can be achieved, for example, by varying the input power of an amplifier. However, this also changes the efficiency of the amplifier. At low output powers, the amplifier operates in the so-called back-off region. This is the region in which the amplifier only provides a portion of its maximum possible output power. In this back-off region, the efficiency of the amplifier decreases. Depending on the load being driven, the transistor used in the amplifier must therefore dissipate significantly more power. This causes it to heat up considerably. This behavior changes with impedance mismatch. Depending on the load angle or reflection coefficient, the transistor heats up either in the back-off or saturation region. Therefore, controlling the output power via the input power is only possible to a limited extent with impedance mismatch. To prevent the transistor from overheating, it has often been recommended to limit the maximum output power. Reducing the maximum output power does not solve this problem, however, as critical temperatures occur at low power levels and not just at high power levels when there is a large mismatch and an unfavorable load angle.
Zum Zünden eines Plasmas oder eines Gaslasers ist typischerweise eine höhere Leistung erforderlich als zum weiteren Betrieb des gezündeten Plasmas bzw. Gaslasers. Daher ist es bekannt, zum Zünden die volle Betriebsleistung mit einer erhöhten Spannung an die Plasmaanlage anzulegen, um eine möglichst schnelle Zündung des Plasmas zu erzielen. In solchen Systemen werden häufig sogenannte balancierte Verstärker eingesetzt. Ein solcher balancierter Verstärker weist üblicherweise zwei Verstärkerpfade auf, die jeweils ein Verstärkerpfadausgangssignal an eine phasenlagenschiebene Kopplereinheit, liefern. Die phasenlagenschiebende Kopplereinheit weist dabei einen Ausgangsanschluss und einen Isolationsanschluss auf und ist so konfiguriert, dass sie die Verstärkerpfadausgangssignale in Abhängigkeit von deren Amplituden- und/oder Phasenbeziehung kombiniert und Leistung an den Ausgangsanschluss und/oder den Isolationsanschluss liefert. Die Verstärkerpfade werden dafür üblicherweise mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 90° betrieben. Solche balancierten Verstärker und deren Eigenschaften sind z.B. auch in der folgenden Veröffentlichung beschrieben:
Bei für den Betrieb an einem Gaslaser oder Plasma ausgelegten geeigneten balancierten Verstärkern ist die Ausgangsleistung über der komplexen Lastebene im Wesentlichen flach, also im Wesentlichen konstant. Leistungsspitzen oder Leistungsüberhöhungen (peaking) können nur schwer erzeugt werden. Lediglich durch die Wahl einer höheren DC-Versorgungsspannung kann ein Pseudo-Peaking erreicht werden. Durch die kurzzeitig höhere DC-Versorgungsspannung kann eine höhere Leistung zum Zünden erzeugt werden. Das Erzeugen einer höheren DC-Versorgungsspannung für die Leistungsüberhöhung (Leistungspeak) ist jedoch sehr aufwändig.For suitable balanced amplifiers designed for operation with a gas laser or plasma, the output power is essentially flat across the complex load plane, i.e., essentially constant. Power peaks or surges are difficult to detect. A pseudo-peaking effect can only be achieved by selecting a higher DC supply voltage. This briefly higher DC supply voltage allows for the generation of higher ignition power. However, generating such a high DC supply voltage for this power boost (power peak) is very complex.
Bei unbalancierten Verstärkern, insbesondere solchen, die keinen Koppler aufweisen, kann durch eine geeignete Kabellänge zwischen dem Verstärker und der Plasmakammer bzw. Entladungskammer eine Impedanz zum Zünden gewählt werden, bei der eine Leistungsüberhöhung auftritt. Unbalancierte Verstärker weisen zahlreiche andere Nachteile auf, weshalb sie im Betrieb am Plasma oder Laser immer seltener eingesetzt werden.With unbalanced amplifiers, especially those without a coupler, an impedance at which power amplification occurs can be selected by choosing a suitable cable length between the amplifier and the plasma chamber or discharge chamber. Unbalanced amplifiers have numerous other disadvantages, which is why they are being used less and less frequently in plasma or laser applications.
Eine Möglichkeit zum Zünden eines solchen Plasma- oder Gaslasersystems mit balanciertem Verstärker ist z.B. in
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein zuverlässiges Zünden eines Plasmas oder eines Gaslasers zu ermöglichen und gleichfalls einen zuverlässigen und effizienten Betrieb eines Leistungsversorgungssystems bei stark schwankender, beispielsweise gepulster, Leistungsabgabe zu ermöglichen.Against this background, the task arises to enable reliable ignition of a plasma or gas laser and also to enable reliable and efficient operation of a power supply system with highly fluctuating, for example pulsed, power output.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungsversorgungssystems gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Dieser betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungsversorgungssystems, wobei das Leistungsversorgungssystem einen ein Hochfrequenzleistungssignal erzeugenden Leistungswandler aufweist, der zur Versorgung eines Plasma- oder Gaslaserprozesses mit Leistung mit einer Last verbunden ist,
wobei der Leistungswandler zumindest eine Verstärkerstufe umfasst, die aufweist:
- - einen ersten Verstärkerpfad, aufweisend eine erste Verstärkereinheit,
- - einen zweiten Verstärkerpfad, aufweisend eine zweite Verstärkereinheit,
wobei der erste Verstärkerpfad zum Ausgeben eines ersten Verstärkerpfadausgangssignals konfiguriert ist und der zweite Verstärkerpfad zum Ausgeben eines zweiten Verstärkerpfadausgangssignals konfiguriert ist, das eine gegenüber dem ersten Verstärkerpfadausgangssignal verschobene Phase aufweist, die ungleich, insbesondere größer, 0° ist,
wobei die Verstärkerpfade mit einer phasenlagenschiebenden Kopplereinheit verbunden sind, die ausgelegt ist, die Ausgangssignale der Verstärkerpfade zu einem Hochfrequenzleistungssignal zu koppeln,
wobei die erste und die zweite Verstärkereinheit jeweils folgende Bestandteile aufweisen:
- i. einen Grundlast-Verstärker, der dazu eingerichtet ist, eine Grundlast-Verstärkerleistung bereitzustellen;
- ii. einen Spitzenlast-Verstärker ist, der dazu eingerichtet ist, eine Spitzenlast-Verstärkerleistung bereitzustellen; und
- iii. einen Leistungskoppler zum Kombinieren der Grundlast-Verstärkerleistung und der Spitzenlast-Verstärkerleistung am Ausgang der jeweiligen ersten bzw. zweiten Verstärkereinheit zu einer Verstärker-Ausgangsleistung
wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
- - zum Erzeugen einer Leistungsüberhöhung oberhalb der Nennleistung des Leistungsversorgungssystems, insbesondere zum Zünden eines Plasmas oder Gaslasers, wird eine Amplituden- und/oder Phasenbeziehung zwischen dem Grundlast-Verstärker und dem Spitzenlast-Verstärker mindestens einer der ersten und zweiten Verstärkereinheit, insbesondere kurzzeitig, derart eingestellt, dass die Verstärker-Ausgangsleistung der Verstärkereinheit größer ist als eine Nennleistung der Verstärkereinheit.
where the power converter includes at least one amplifier stage which features:
- - a first amplifier path comprising a first amplifier unit,
- - a second amplifier path, comprising a second amplifier unit,
wherein the first amplifier path is configured to output a first amplifier path output signal and the second amplifier path is configured to output a second amplifier path output signal which has a phase shift relative to the first amplifier path output signal, which is not equal to, in particular greater than, 0°,
wherein the amplifier paths are connected to a phase-shifting coupler unit designed to couple the output signals of the amplifier paths to a high-frequency power signal,
wherein the first and second amplifier units each comprise the following components:
- i. a baseload amplifier designed to provide baseload amplifier power;
- ii. a peak load amplifier designed to provide peak load amplification power; and
- iii. a power coupler for combining the base load amplifier power and the peak load amplifier power at the output of the respective first or second amplifier unit to produce an amplifier output power
the procedure comprises the following procedural steps:
- - To generate a power boost above the nominal power of the power supply system, in particular to ignite a plasma or gas laser, an amplitude and/or phase relationship between the base load amplifier and the peak load amplifier of at least one of the first and second amplifier units is set, in particular briefly, such that the amplifier output power of the amplifier unit is greater than a nominal power of the amplifier unit.
Mit „Nennleistung“ ist der Leistungswert gemeint, für den das entsprechende System oder die entsprechende Einheit im Normalbetrieb ausgelegt ist und auf das es oder sie maximal eingestellt werden kann."Rated power" refers to the power value for which the corresponding system or unit is designed in normal operation and to which it can be set at its maximum.
Die Leistungsüberhöhung ist demnach nicht für den Normalbetrieb vorgesehen, sondern nur für einen besonderen Betrieb, insbesondere kurzzeitig, z.B. zum Zünden. Mit „kurzzeitig“ ist hier ein Bereich gemeint, innerhalb dessen ein Plasma üblicherweise zündet. Das ist abhängig von der Beschaffenheit der Plasmaprozessanordnung. Ein solcher Wert liegt aber auf jeden Fall bei höchstens 1 ms.The increased power output is therefore not intended for normal operation, but only for special operation, particularly for short periods, e.g., for ignition. "Short period" here refers to the time range within which a plasma typically ignites. This depends on the characteristics of the plasma process setup. However, such a value is always no more than 1 ms.
Das Verfahren zur Erzielung einer Leistungsüberhöhung kann aber auch für andere Betriebszustände als das Zünden verwendet werden. So kann z.B. bei einem Pulsen der Verstärker-Ausgangsleistung, z.B. bei einem Multi-Level-Pulsen einer der Pulse mit dieser Leistungsüberhöhung betrieben werden.The method for achieving a power boost can also be used for operating states other than ignition. For example, during a pulse of the amplifier output power... tung, e.g. in a multi-level pulse, one of the pulses is operated with this power increase.
Da die Verlustleistung bei dieser Art des Leistungsüberhöhungs-Betriebs in der Regel höher ist als im Normalbetrieb, ist dieser Leistungsüberhöhungs-Betrieb aber nicht vorteilhaft für den Dauerbetrieb.Since the power loss in this type of power boost operation is generally higher than in normal operation, this power boost operation is not advantageous for continuous operation.
In einem Aspekt wird die Leistungsüberhöhung dadurch realisiert, dass die Amplituden- und/oder Phasenbeziehung zwischen dem Grundlast-Verstärker und dem Spitzenlast-Verstärker so eingestellt wird, dass sich die Lastimpedanz für den Grundlast-Verstärker und/oder die Lastimpedanz für den Spitzenlast-Verstärker derart verändert, dass die resultierende Verstärker-Ausgangsleistung der Verstärkereinheit größer ist als eine Nennleistung der Verstärkereinheit.In one aspect, the power boost is achieved by adjusting the amplitude and/or phase relationship between the base load amplifier and the peak load amplifier in such a way that the load impedance for the base load amplifier and/or the load impedance for the peak load amplifier changes in such a way that the resulting amplifier output power of the amplifier unit is greater than a rated power of the amplifier unit.
In einem Aspekt werden in einem Normalbetrieb, insbesondere zum Aufrechterhalten eines Plasmas oder Betreiben eines Gaslasers, die erste und zweite Verstärkereinheit mit einer Verstärker-Ausgangsleistung betrieben, die kleiner oder gleich der Nennleistung der Verstärkereinheit ist.In one aspect, during normal operation, especially for maintaining a plasma or operating a gas laser, the first and second amplifier units are operated with an amplifier output power that is less than or equal to the rated power of the amplifier unit.
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 im vollständig koppelnden Betrieb einen Phasenversatz gegeneinander von 0° oder 180° aufweisen, wird in der vorliegenden Offenbarung nicht als phasenlagenschiebende Kopplereinheit verstanden, da hier lediglich die Eingangssignale ohne weiteren Phasenversatz addiert werden. Die phasenlagenschiebende Kopplereinheit kann ein 90° Hybrid-Koppler sein. Dieser erfüllt die Anforderungen in verbesserter Weise mit reduziertem Bauteilaufwand. Als phasenlagenschiebende Kopplereinheit wird auch eine Einheit verstanden, die ausgelegt ist, reflektierte Leistung, die von der Last durch den Koppler zu den Verstärkereinheiten geleitet wird, den Verstärkereinheiten mit unterschiedlicher Phase zurückzuführen. Bei Fehlanpassung teilt z. B. ein 90° Hybrid-Koppler, an dessen Eingangsanschlüssen zwei Verstärkereinheiten mit derselben Impedanz angeschlossen sind, die reflektierte Leistung um 90° phasenverschoben auf die beiden Verstärkereinheiten auf. 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 dass sie ungleich sind, wenn reflektierte Leistung durch die Kopplereinheit zu den Eingangsanschüssen geleitet wird.A phase-shifting coupler unit is understood to be a unit comprising a coupler and, optionally, a phase-shifting network for one or more amplifier paths, wherein the input signals of the coupler unit, in normal operation, have a phase relationship to each other that is neither 0° nor 180°, and in particular is greater than 0° and less than 180°. For example, the input signals may be phase-shifted by 90°. A coupler unit whose input signals, in fully coupled operation, have a phase offset of 0° or 180° to each other is not understood as a phase-shifting coupler unit in this disclosure, since here the input signals are merely added without any further phase offset. The phase-shifting coupler unit can be a 90° hybrid coupler. This fulfills the requirements in an improved manner with reduced component count. A phase-shifting coupler unit is also understood to be a unit designed to return reflected power, which is directed from the load through the coupler to the amplifier units, to the amplifier units with different phases. For example, in the case of a mismatch, a 90° hybrid coupler, to whose input terminals two amplifier units with the same impedance are connected, will distribute the reflected power to the two amplifier units with a 90° phase shift. A phase-shifting coupler unit is also understood to be a unit that has a first input impedance at its first input terminal and a second input impedance at its second input terminal, and which is designed so that the input impedances are equal when no reflected power is directed through the coupler unit to the input terminals, and unequal when reflected power is directed through the coupler unit to the input terminals.
Die Kopplereinheit kann, wie oben beschrieben, so ausgelegt sein, dass sie die zu ihrem Ausgangsanschluss reflektierte Leistung phasenverschoben an ihre Eingangsanschlüsse weiterleitet und damit an die Verstärkereinheiten 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 der ersten Verstärkereinheit einen anderen Wert annimmt als die Ausgangsimpedanz der zweiten Verstärkereinheit. Das wiederum kann die Eigenschaften der Kopplereinheit derart beeinflussen, dass sie die Leistung einer Verstärkereinheit zur anderen Verstärkereinheit leitet, so dass sich die Verstärkereinheiten gegenseitig beeinflussen. Die Ausgangs-Impedanz der Verstärkereinheiten kann negativ werden. Das kann bei bestimmten Lastzuständen dazu führen, dass die erste Verstärkereinheit im ersten Verstärkerpfad die zweite Verstärkereinheit 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 Verstärkereinheiten in instabile Zustände bringen würde und/oder die Transistoren überhitzen würde.As described above, the coupler unit can be designed to forward the power reflected from its output terminal to its input terminals with a phase shift, thus directing it to the amplifier units in the amplifier paths. The input impedances at the coupler unit can then change, and in particular, can differ. This can result in the output impedance of the first amplifier unit having a different value than the output impedance of the second amplifier unit. This, in turn, can affect the characteristics of the coupler unit in such a way that it directs the power of one amplifier unit to the other, causing the amplifier units to interfere with each other. The output impedance of the amplifier units can become negative. Under certain load conditions, this can lead to the first amplifier unit in the first amplifier path supplying power to the second amplifier unit in the second amplifier path. These characteristics led to past discouragements against the use of phase-shifting coupler units. There were concerns that this would drive the amplifier units into unstable states and/or cause the transistors to overheat.
Ein häufiger Grund für Instabilität, insbesondere beim Aufrechterhalten des Plasmas bzw. Bereiben des Gaslasers, 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 Verstärkereinheiten reflektiert wird. Diese verändert wie oben beschrieben die Impedanz der Verstärkereinheiten. Die Verstärkereinheiten 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 bei einem Leistungsversorgungssystem ohne eine solche Kopplereinheit oder mit nicht-phasenschiebenden Eigenschaften. Deswegen verhält sich ein Leistungsversorgungssystem mit phasenlagenschiebender Kopplereinheit stabiler.A common cause of instability, particularly when maintaining plasma or operating a gas laser, lies in the very rapid change in the load's impedance, e.g., that of the plasma process. This load change occurs so quickly that neither an impedance matching network connected between the power supply system and the load nor the power control system can react to it fast enough. The rapid load change produces reflected power, which is reflected back into the amplifier units. This, as described above, alters the impedance of the amplifier units. Consequently, after the rapid load change, the amplifier units no longer deliver the same power as before. However, in a power supply system with a phase-shifting coupler unit, especially a 90° hybrid coupler, the change in power per change in the load state is much smaller than in a power supply system without such a coupler unit or with non-phase-shifting characteristics. Therefore, a power supply system with a phase-shifting coupler unit is more stable.
Beispiele zur Ausgestaltung einer solchen phasenschiebenden Kopplereinheit sind z.B. in
In einem Aspekt sind als Teil der beiden Verstärkerpfade eine erste und eine zweite Verstärkereinheit, vorgesehen. Sowohl erste als auch zweite Verstärkereinheit weisen einen Aufbau mit zwei unterschiedlichen Teilverstärkern auf, die hier als Grundlast-Verstärker und Spitzenlast-Verstärker bezeichnet werden. Erste und zweite Verstärkereinheit sind dabei derart konfiguriert, dass der Grundlast-Verstärker im Wesentlichen eine Grundlast der Verstärker-Ausgangsleistung bereitstellt. Der Spitzenlast-Verstärker kann in einem Grundlastbetrieb, in welchem die Ausgangsleistung hauptsächlich von den Grundlast-Verstärker bereitgestellt wird, auf niedrigem Leistungsniveau aktiv sein oder der Spitzenlast-Verstärker kann inaktiv sein. Der als Teil der ersten und zweiten Verstärkereinheit vorgesehene Leistungskoppler kombiniert die Grundlast-Verstärkerleistung und der Spitzenlast-Verstärkerleistung am Ausgang der jeweiligen ersten bzw. zweiten Verstärkereinheit zu einer Verstärker-Ausgangsleistung. Bevorzugt sind die erste und die zweite Verstärkereinheit, also die beiden Kombinationen aus Grundlast-Verstärker und Spitzenlast-Verstärker, jeweils als Doherty-Verstärker ausgestaltet.In one aspect, a first and a second amplifier unit are provided as part of the two amplifier paths. Both the first and second amplifier units have a design with two different sub-amplifiers, referred to here as the base-load amplifier and the peak-load amplifier. The first and second amplifier units are configured such that the base-load amplifier essentially provides a base load of the amplifier output power. The peak-load amplifier can be active at a low power level in base-load operation, where the output power is mainly provided by the base-load amplifiers, or the peak-load amplifier can be inactive. The power coupler provided as part of the first and second amplifier units combines the base-load amplifier power and the peak-load amplifier power at the output of the respective first and second amplifier units to produce a single amplifier output power. Preferably, the first and second amplifier units, i.e., the two combinations of base-load amplifier and peak-load amplifier, are each designed as Doherty amplifiers.
In einem Aspekt sind die erste und die zweite Verstärkereinheit identisch ausgebildet.In one aspect, the first and second amplifier units are identical.
Es hat sich herausgestellt, dass das Leistungsversorgungssystem bei Fehlanpassung eine deutlich geringere Verlustleistung aufweist als bekannte Leistungsversorgungssysteme. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass der Grundlast-Verstärker und der Spitzenlast-Verstärker der ersten und zweiten Verstärkereinheit, insbesondere im Normalbetrieb, jeweils in einem Arbeitsbereich mit hoher Effizienz betrieben werden können. Dadurch erhöht sich die Effizienz der ersten und zweiten Verstärkereinheit gegenüber einem herkömmlichen push-pull-Verstärker, insbesondere einem Klasse-AB-Verstärker. Aufgrund der reduzierten Verlustleistung kommt es, insbesondere im Normalbetrieb, zu weniger starker Erwärmung der ersten und zweiten Verstärkereinheit, wodurch die Lebensdauer der Verstärkereinheiten, insbesondere der Transistoren dieser Verstärkereinheiten, und damit auch die Zuverlässigkeit des Leistungsversorgungssystems insgesamt erhöht wird. Zudem ist die Variation der Lastleistung beinahe unabhängig vom Lastwinkel.It has been found that the power supply system exhibits significantly lower power dissipation under impedance mismatch than known power supply systems. This can be attributed to the fact that the base-load and peak-load amplifiers of the first and second amplifier units can each operate in a highly efficient operating range, particularly during normal operation. This increases the efficiency of the first and second amplifier units compared to a conventional push-pull amplifier, especially a Class AB amplifier. Due to the reduced power dissipation, the first and second amplifier units heat up less, particularly during normal operation, thereby increasing the lifespan of the amplifier units, especially their transistors, and thus the overall reliability of the power supply system. Furthermore, the load power variation is almost independent of the load angle.
Zum Erzeugen der Leistungsüberhöhung oberhalb der Nennleistung des Leistungsversorgungssystems wird die Amplitudenbeziehung und/oder die Phasenbeziehung zwischen dem Grundlast-Verstärker und dem Spitzenlast-Verstärker mindestens einer Verstärkereinheit gegenüber dem Normalbetrieb verändert, sodass die Verstärker-Ausgangsleistung der jeweiligen Verstärkereinheit größer ist als deren Nennleistung. In der ersten und zweiten Verstärkereinheit sind Grundlast-Verstärker und Spitzenlast-Verstärker durch den Leistungskoppler derart kombiniert, dass sich Grundlast-Verstärker und Spitzenlast-Verstärker gegenseitig die Last modulieren. Durch das Verändern der Phasenbeziehung zwischen Grundlast-Verstärker und Spitzenlast-Verstärker kann eine Richtung der Lastmodulation eingestellt werden. Durch das Verändern der Amplitudenbeziehung zwischen Grundlast-Verstärker und Spitzenlast-Verstärker kann die Stärke der Lastmodulation eingestellt werden. Die Lastmodulation kann den Grundlast-Verstärker und/oder den Spitzenlast-Verstärker in einen Lastbereich ziehen, in denen die Verstärker eine Ausgangsleistung bereitstellen, die größer ist als deren Nennleistung. Hierbei treten zwar nachteilige Effekte auf: Einerseits erhöht sich die Verlustleistung der Verstärker, was für kurze Zeiträume, beispielsweise im Bereich einer oder mehrerer Mikrosekunden, hingenommen werden kann. Andererseits kann die maximal erreichbare Ausgangsleistung durch eine Gleichspannungsversorgung von Grundlast-Verstärker und Spitzenlast-Verstärker limitiert sein. Diese Limitierung kann aber durch das Vorsehen einer Pufferkapazität oder eines anderen geeigneten Energiespeichers behoben werden.To generate the power boost above the rated power of the power supply system, the amplitude and/or phase relationship between the base-load amplifier and the peak-load amplifier of at least one amplifier unit is modified compared to normal operation, so that the amplifier output power of the respective amplifier unit is greater than its rated power. In the first and second amplifier units, the base-load and peak-load amplifiers are combined by the power coupler in such a way that they mutually modulate the load. By changing the phase relationship between the base-load and peak-load amplifiers, the direction of the load modulation can be set. By changing the amplitude relationship between the base-load and peak-load amplifiers, the magnitude of the load modulation can be set. The load modulation can pull the base-load and/or peak-load amplifiers into a load range where the amplifiers provide an output power greater than their rated power. This does have some drawbacks: On the one hand, the power dissipation of the amplifiers increases, which is acceptable for short periods, for example, in the range of one or more microseconds. On the other hand, the maximum achievable output power can be limited by a DC power supply to the base-load amplifier and the peak-load amplifier. However, this limitation can be overcome by providing a buffer capacitor or another suitable energy storage device.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann somit ein zuverlässiges Zünden eines Plasmas oder eines Gaslasers ermöglicht und gleichfalls ein zuverlässiger und effizienter Normalbetrieb bei stark schwankender, beispielsweise gepulster, Leistungsabgabe ermöglicht werden.The described method thus enables reliable ignition of a plasma or gas laser and also allows reliable and efficient normal operation with highly fluctuating, for example pulsed, power output.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass zum Erzeugen der Leistungsüberhöhung eine Amplituden- und/oder Phasenbeziehung zwischen dem Grundlast-Verstärker und dem Spitzenlast-Verstärker sowohl der ersten Verstärkereinheit als auch der zweiten Verstärkereinheit, insbesondere kurzzeitig, derart eingestellt wird, dass die Verstärker-Ausgangsleistung der beider Verstärkereinheiten größer ist als eine Nennleistung der jeweiligen Verstärkereinheit. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine besonders flexible Einstellung der Leistungsüberhöhung oberhalb der Nennleistung des Leistungsversorgungssystems.One aspect of the design is that, to generate the power boost, an amplitude and/or phase relationship between the base-load amplifier and the peak-load amplifier of both the first and second amplifier units is adjusted, particularly briefly, such that the amplifier output power of both units exceeds the rated power of each. This design allows for particularly flexible adjustment of the power boost above the rated power of the power supply system.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass zum Erzeugen der Leistungsüberhöhung die Amplituden- und/oder Phasenbeziehung derart eingestellt wird, dass die Lastimpedanz des Grundlast-Verstärkers gegenüber dem Normalbetrieb abweicht, insbesondere die Lastimpedanz des Grundlast-Verstärkers geringer ist als im Normalbetrieb. In einem solchen Betriebszustand kann die jeweilige Verstärkereinheit eine höhere Ausgangsleistung bei geringerer Effizienz erzeugen.One aspect of the design involves adjusting the amplitude and/or phase relationship to generate the power boost, such that the load impedance of the baseline amplifier deviates from normal operation, specifically that the load impedance of the baseline amplifier is lower than in normal operation. In such an operating state, the respective amplifier unit can generate higher output power with lower efficiency.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass zum Erzeugen der Leistungsüberhöhung die Phasenbeziehung zwischen dem Grundlast-Verstärker und dem Spitzenlast-Verstärker auf einen Phasenunterschied ungleich 90°, bevorzugt um mindestens 10° von 90° abweichend, besonders bevorzugt um mindestens 20° von 90° abweichend, beispielsweise auf 120° oder 60° eingestellt wird. Das Einstellen der Phasenbeziehung zwischen dem Grundlast-Verstärker und dem Spitzenlast-Verstärker in dem genannten Bereich hat sich als vorteilhaft für das Erzeugen der Leistungsüberhöhung herausgestellt. Im Normalbetrieb kann die Phasenbeziehung auf einen Phasenunterschied von kleiner oder gleich 90° eingestellt sein. Insofern kann der Phasenunterschied zum Erzeugen der Leistungsüberhöhung vergrößert werden.One aspect of the design is that, to generate the power boost, the phase relationship between the base-load amplifier and the peak-load amplifier is set to a phase difference other than 90°, preferably deviating by at least 10° from 90°, and particularly preferably by at least 20° from 90°, for example, to 120° or 60°. Setting the phase relationship between the base-load amplifier and the peak-load amplifier within this range has proven advantageous for generating the power boost. During normal operation, the phase relationship can be set to a phase difference of less than or equal to 90°. Therefore, the phase difference for generating the power boost can be increased.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass zum Erzeugen der Leistungsüberhöhung die Amplitudenbeziehung zwischen dem Grundlast-Verstärker und dem Spitzenlast-Verstärker auf einen Faktor von mindestens 1,2, insbesondere mindestens 1,4 eingestellt wird. Dabei kann z.B. die Amplitude des Grundlast-Verstärkers bezogen auf die Amplitude des Spitzenlast-Verstärkers auf einen Wert größer oder gleich 3dB eingestellt werden. Alternativ kann die Amplitude des Spitzenlast-Verstärkers bezogen auf die Amplitude des Grundlast-Verstärkers auf einen Wert größer oder gleich 3dB eingestellt werden. Eine derartige Amplitudenbeziehung hat sich als vorteilhaft für das Erzeugen der Leistungsüberhöhung herausgestellt. Im Normalbetrieb kann die Amplitudenbeziehung auf einen Wert von im Wesentlichen 0 dB eingestellt sein.One aspect of the design is that, to generate the power boost, the amplitude relationship between the base-load amplifier and the peak-load amplifier is set to a factor of at least 1.2, and in particular at least 1.4. For example, the amplitude of the base-load amplifier relative to the amplitude of the peak-load amplifier can be set to a value greater than or equal to 3 dB. Alternatively, the amplitude of the peak-load amplifier relative to the amplitude of the base-load amplifier can be set to a value greater than or equal to 3 dB. Such an amplitude relationship has proven advantageous for generating the power boost. During normal operation, the amplitude relationship can be set to a value of essentially 0 dB.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass das Leistungsversorgungssystem eine Signalbereitstellungsvorrichtung aufweist, die der ersten und zweiten Verstärkereinheit Signale zur Erzeugung des Hochfrequenzleistungssignals bereitstellt, wobei sich das bereitgestellte Signal im Normalbetriebsmodus von dem bereitgestellten Signal zum Erzeugen der Leistungsüberhöhung unterscheidet. Insofern wird es durch die Signalbereitstellungsvorrichtung möglich, die erste und zweite Verstärkereinheit derart anzusteuern, dass entweder, insbesondere kurzzeitig, eine Leistungsüberhöhung oberhalb der Nennleistung erzeugt wird oder im Normalbetrieb eine Verstärker-Ausgangsleistung bereitgestellt wird, die kleiner oder gleich der Nennleistung ist.In one aspect, the power supply system is designed to include a signal generation device that provides signals to the first and second amplifier units for generating the high-frequency power signal. The signal provided during normal operation differs from the signal provided for generating the power boost. This signal generation device thus makes it possible to control the first and second amplifier units in such a way that either, particularly briefly, a power boost above the rated power is generated, or, during normal operation, an amplifier output power is provided that is less than or equal to the rated power.
Bevorzugt ist die Signalbereitstellungsvorrichtung dazu eingerichtet - in dem Normalbetrieb - der ersten und zweiten Verstärkereinheit Signale zu Erzeugung des Hochfrequenzleistungssignals in einem vorgegebenen Leistungsbereich derart bereitzustellen, dass die Grundlast-Verstärkerleistung zumindest in einem Teil des vorgegebenen Leistungsbereichs größer ist als die Spitzenlast-Verstärkerleistung. In diesem Leistungsbereich, der auch als Grundlastbereich bezeichnet werden kann, kann somit der Grundlast-Verstärker den Großteil der Verstärker-Ausgangsleistung liefern. Dabei befindet sich der Grundlast-Verstärker bevorzugt in einem Arbeitsbereich hoher Effizienz. Der Spitzenlast-Verstärker stellt in diesem Bereich nur eine geringe bzw. gar keine Leistung bereit, so dass es nicht erforderlich ist, dass sich auch der Spitzenlast-Verstärker in diesem Leistungsbereich in einem effizienten Arbeitsbereich befindet. Bevorzugt ist die Grundlast-Verstärkerleistung in einem unteren Teil des vorgegebenen Leistungsbereichs größer als die Spitzenlast-Verstärkerleistung. Insofern können niedrige Leistungsniveaus allein oder hauptsächlich durch den Grundlast-Verstärker abgedeckt werden, ohne dass der Spitzenlast-Verstärker aktiv sein müsste bzw. eine hohe Leistung bereitstellen müsste.Preferably, the signal supply device is configured – during normal operation – to provide signals to the first and second amplifier units for generating the high-frequency power signal within a predetermined power range such that the base-load amplifier power is greater than the peak-load amplifier power in at least a portion of the predetermined power range. In this power range, which can also be referred to as the base-load range, the base-load amplifier can thus supply the majority of the amplifier output power. The base-load amplifier preferably operates in a high-efficiency range. The peak-load amplifier provides only a small amount of power or none at all in this range, so it is not necessary for the peak-load amplifier to also operate in an efficient range within this power range. Preferably, the base-load amplifier power is greater than the peak-load amplifier power in a lower portion of the predetermined power range. Therefore, low power levels can be covered solely or mainly by the base load amplifier, without the peak load amplifier needing to be active or provide high power.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass der Spitzenlast-Verstärker und der Grundlast-Verstärker jeweils einen verstärkenden Transistor mit einem Eingangsanschluss, z.B. Gate-Anschluss aufweisen. In einem Aspekt ist vorgesehen, dass eine Bias-Spannung am Eingangsanschluss des Transistors zumindest bei einem der beiden Verstärker einstellbar ist und wobei im Betrieb die Bias-Spannung bei dem Grundlast-Verstärker eine andere ist als beim Spitzenlast-Verstärker. In einem Aspekt ist vorgesehen, dass ein Bias-Strom am Eingangsanschluss des Transistors zumindest bei einem der beiden Verstärker einstellbar ist und wobei im Betrieb der Bias-Strom bei dem Grundlast-Verstärker ein anderer ist als beim Spitzenlast-Verstärker. Unter einer Bias-Spannung wird hier eine Spannung verstanden, die sich im Vergleich zu dem Eingangssignal nur sehr langsam oder gar nicht ändert und eingerichtet ist, den Transistor in einem vorgegebenen Zustand der Leitfähigkeit an seinen Ausgangsanschlüssen zu halten. Unter einem Bias-Strom wird hier ein Strom verstanden, die sich im Vergleich zu dem Eingangssignal nur sehr langsam oder gar nicht ändert und eingerichtet ist, den Transistor in einem vorgegebenen Zustand der Leitfähigkeit an seinen Ausgangsanschlüssen zu halten. Eine typische Gate-Bias-Anordnung ist z.B. in
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass der Grundlast-Verstärker als im Wesentlichen linearer Verstärker und der Spitzenlast-Verstärker als im Wesentlichen nicht-linearer Verstärker konfiguriert ist. Dabei verhält sich der Grundlast-Verstärker insbesondere in einem Leistungsbereich, in welchem die Grundlast-Verstärkerleistung größer ist als die Spitzenlast-Verstärkerleistung im Wesentlichen linear, d.h. dass ein Ausgangssignal des Grundlast-Verstärkers proportional zu einem Eingangssignal des Grundlast-Verstärkers ist. Der Spitzenlast-Verstärker kann hingegen derart konfiguriert sein, dass sich ein Ausgangssignal des Spitzenlast-Verstärkers nicht proportional zu einem Eingangssignal des Spitzenlast-Verstärkers verhält. Die zuvor genannte Einstellung der Bias-Spannung und/oder des Bias-Stroms kann hierfür eingesetzt werden.In one aspect, the base-load amplifier is configured as an essentially linear amplifier, and the peak-load amplifier as an essentially non-linear amplifier. The base-load amplifier behaves essentially linearly, particularly in a power range where its power output is greater than its power output; that is, its output signal is proportional to its input signal. The peak-load amplifier, on the other hand, can be configured such that its output signal is not proportional to its input signal. The aforementioned bias voltage and/or bias current settings can be used for this purpose.
In einem Aspekt sind der Spitzenlast-Verstärker und/oder der Grundlast-Verstärker in Form eines Push-pull-Leistungsverstärkers ausgestaltet. Insbesondere weisen der Spitzenlast-Verstärker und/oder der Grundlast-Verstärker jeweils zwei baugleiche Transistoren auf. Insbesondere sind die zwei baugleichen Transistoren in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. In einem Aspekt sind der Spitzenlast-Verstärker und/oder der Grundlast-Verstärker in Form eines planar aufgebauten Leistungsverstärkers ausgestaltet, insbesondere in einer Bauart, wie es z.B. in
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass der Grundlast-Verstärker als Klasse-B-Verstärker oder als Klasse-AB-Verstärker konfiguriert ist und der Spitzenlast-Verstärker als Klasse-C-Verstärker konfiguriert ist. Bei der Konfiguration als Klasse-B-Verstärker oder Klasse-AB-Verstärker kann der Grundlast-Verstärker zwei in einer Gegentaktschaltung (engl. „push-pull“) angeordnete Transistoren umfassen. Bei dem Klasse-B-Verstärker leiten die beiden Transistoren jeweils für 180° einer Schwingungsperiode. Ein Klasse-B-Verstärker kann eine Effizienz von bis zu 78,5% erreichen, weist aber eine gewisse Verzerrung durch den Schaltübergang zwischen den beiden Transistoren auf. Bei dem Klasse-AB-Verstärker leiten die beiden Transistoren hingegen jeweils für mehr als 180° einer Schwingungsperiode, so dass ein Überlappungsbereich erhalten wird, in welchem beide Transistoren leiten. Klasse-AB-Verstärker opfern einen Teil der Effizienz eines Klasse-B-Verstärkers, erreichen dafür aber eine verbesserte Linearität. Der Klasse-C-Verstärker weist einen oder mehrere Transistoren auf, die jeweils für eine Dauer von weniger als 180° der Schwingungsperiode leiten, beispielsweise ca. 120°. Klasse-C-Verstärker weisen eine hohe Signalverzerrung auf, können aber eine hohe Effizienz, beispielswiese um 80%, erreichen. Die zuvor genannte Einstellung der Bias-Spannung und/oder des Bias-Stroms kann zur Einstellung dieser Verstärker-Klassen eingesetzt werden.One aspect of the design is that the base-load amplifier is configured as either a Class B or Class AB amplifier, and the peak-load amplifier is configured as a Class C amplifier. In either the Class B or Class AB configuration, the base-load amplifier can comprise two transistors arranged in a push-pull configuration. In a Class B amplifier, each transistor conducts for 180° of a oscillation period. A Class B amplifier can achieve an efficiency of up to 78.5%, but exhibits some distortion due to the switching transition between the two transistors. In a Class AB amplifier, however, each transistor conducts for more than 180° of a oscillation period, thus creating an overlap region in which both transistors conduct. Class AB amplifiers sacrifice some of the efficiency of a Class B amplifier but achieve improved linearity. A Class C amplifier has one or more transistors that conduct for less than 180° of the oscillation period, for example, approximately 120°. Class C amplifiers exhibit high signal distortion but can achieve high efficiency, for example, around 80%. The previously mentioned bias voltage and/or bias current settings can be used to adjust these amplifier classes.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass der Spitzenlast-Verstärker - im Normalbetrieb - dazu eingerichtet ist, die Spitzenlast-Verstärkerleistung nur bei Überschreiten einer vorgegebenen Grundlast-Verstärkerleistung bereitzustellen. Die zuvor genannte Bias-Spannung und/oder der Bias-Strom am Eingang des verstärkenden Transistors des Spitzenlast-Verstärkers kann hierzu genutzt werden. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass der Grundlast-Verstärker in einem Grundlastbereich allein die Verstärker-Ausgangsleistung bereitstellt. Insofern kann das Verhalten der ersten und zweiten Verstärkereinheit in dem Grundlastbereich im Wesentlichen durch den Grundlast-Verstärker beeinflusst werden. Nur dann, wenn eine höhere Leistung als die Grundlast bereitgestellt wird, wird der Spitzenlast-Verstärker aktiv und stellt zusätzlich zu der Grundlast-Verstärkerleistung eine Spitzenlast-Verstärkerleistung bereit. Somit kann der Spitzenlast-Verstärker insbesondere Leistungsüberhöhungen abdecken.One aspect of the design is that the peak-load amplifier—during normal operation—is configured to provide peak-load amplification power only when a predetermined base-load amplification power is exceeded. The aforementioned bias voltage and/or bias current at the input of the peak-load amplifier's amplifying transistor can be used for this purpose. This design offers the advantage that the base-load amplifier alone provides the amplifier output power within a base-load range. Therefore, the behavior of the first and second amplifier units within this range can be essentially controlled by the base-load amplifier. Only when a higher power than the base load is required does the peak-load amplifier become active and provide peak-load amplification power in addition to the base-load amplification power. Thus, the peak-load amplifier can, in particular, compensate for power surges.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass der Spitzenlast-Verstärker - im Normalbetrieb - dazu eingerichtet ist, bei Unterschreiten einer vorgegebenen Grundlast-Verstärkerleistung die Ausgangsimpedanz des Spitzenlast-Verstärkers derart zu verändert, dass diese hochohmig ist.One aspect is that the peak load amplifier - in normal operation - is designed to change the output impedance of the peak load amplifier so that it is high-impedance when a predetermined base load amplifier power is undershot.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass das Leistungsversorgungssystem eine Signalbereitstellungsvorrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, der ersten und zweiten Verstärkereinheit Signale zu Erzeugung des Hochfrequenzleistungssignals derart bereitzustellen, dass ein Ausgangssignal des Spitzenlast-Verstärkers einen Phasenversatz gegenüber einem Ausgangssignal des Grundlast-Verstärkers aufweist, und/oder
die erste und zweite Verstärkereinheit einen phasenschiebenden Splitter umfasst, der dazu eingerichtet ist, dem Grundlast-Verstärker und dem Spitzenlast-Verstärker Signale zu Erzeugung des Hochfrequenzleistungssignals derart bereitzustellen, dass ein Ausgangssignal des Spitzenlast-Verstärkers einen Phasenversatz gegenüber einem Ausgangssignal des Grundlast-Verstärkers aufweist. Durch den Phasenversatz zwischen den Ausgangssignalen von Spitzenlast-Verstärker und Grundlast-Verstärker wird es möglich, einen Leistungskoppler als Teil der ersten und zweiten Verstärkereinheit zu verwenden, der phasenlagenschiebend ausgebildet ist.In one aspect, it is provided that the power supply system has a signal provision device which is configured to provide signals to the first and second amplifier units for generating the high-frequency power signal in such a way that an output signal of the peak load amplifier has a phase shift relative to an output signal of the base load amplifier, and/or
The first and second amplifier units each include a phase-shifting splitter configured to supply signals to the base-load amplifier and the peak-load amplifier for generating the high-frequency power signal such that the peak-load amplifier's output signal has a phase shift relative to the base-load amplifier's output signal. This phase shift between the peak-load and base-load amplifier output signals allows the use of a phase-shifting power coupler as part of the first and second amplifier units.
In einem Aspekt ist die Signalbereitstellungsvorrichtung bzw. der phasenschiebene Splitter dazu eingerichtet, dass der Phasenversatz, insbesondere im Normalbetrieb, einstellbar ist, insbesondere auf einen Wert von 90° oder n*180° + 90°. Beispiele zur Ausgestaltung eines solchen phasenschiebenden Splitters sind z.B. in
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass der Leistungskoppler als phasenlageschiebender Leistungskoppler ausgebildet ist. Insofern können mittels des phasenlageschiebenden Leistungskopplers zwei Ausgangssignale von Grundlast-Verstärker und Spitzenlast-Verstärker mit einem Phasenversatz phasenrichtig zusammengeführt werden. Der phasenlageschiebende Leistungskoppler kann einen, insbesondere zwischen dem Ausgang eines von Grundlast-Verstärker und Spitzenlast-Verstärker und dem Ausgang der ersten bzw. zweiten Verstärkereinheit angeordneten, Impedanzwandler und/oder eine λ/4-Leitung aufweisen. Der Leistungskoppler kann aus diskreten Bauteilen, insbesondere aus einer Kombination von Induktivität(en) und Kapazität(en) aufgebaut sein, besonders bevorzugt aus einem Netzwerk mit zwei mit Masse verbundenen Kapazitäten und einer Induktivität, die zwischen den beiden anderen Anschlüssen der Kapazitäten geschaltet und an den Ein- bzw. Ausgang des Leistungskopplers angeschlossen ist. Die Induktivität kann als planare Induktivität auf einer Leiterkarte ausgestaltet sein. Eine oder beide Kapazitäten können zumindest zum Teil durch die Kapazität der planaren Induktivität mit Masse eingestellt sein. Über den Impedanzwandler kann eine Impedanzanpassung erfolgen, welche die Effizienz der ersten und zweiten Verstärkereinheit erhöht.In one aspect, the power coupler is designed as a phase-shifting power coupler. This allows the phase-shifting power coupler to combine two output signals from the base-load amplifier and the peak-load amplifier with a phase offset in a phase-correct manner. The phase-shifting power coupler can include an impedance converter and/or a λ/4 line, particularly one arranged between the output of a base-load amplifier and a peak-load amplifier and the output of the first or second amplifier unit. The power coupler can be constructed from discrete components, particularly a combination of inductance(s) and capacitor(s), preferably a network with two capacitors connected to ground and an inductor connected between the other two terminals of the capacitors and connected to the input or output of the power coupler. The inductor can be implemented as a planar inductor on a printed circuit board. One or both capacitances can be at least partially determined by the capacitance of the planar inductor to ground. Impedance matching can be achieved via the impedance converter, which increases the efficiency of the first and second amplifier stages.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass der Leistungskoppler die Ausgangsimpedanz an seinem Ausgang gegenüber der Ausgangsimpedanz des Grundlast-Verstärkers erhöht, wenn der Grundlast-Verstärker in Übersteuerung betrieben wird.One aspect is that the power coupler increases the output impedance at its output relative to the output impedance of the base load amplifier when the base load amplifier is operated in overdrive.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass der Grundlast-Verstärker eine größere Ausgangsimpedanz aufweist, wenn er im linearen Bereich betrieben wird, als wenn er in Übersteuerung betrieben wird.One aspect is that the base load amplifier has a higher output impedance when operated in the linear range than when operated in overdrive.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass der Spitzenlast-Verstärker eine größere Ausgangsimpedanz aufweist, wenn der Grundlast-Verstärker im linearen Bereich betrieben wird, als wenn der Grundlast-Verstärker in Übersteuerung betrieben wird.One aspect is that the peak load amplifier has a higher output impedance when the base load amplifier is operated in the linear range than when the base load amplifier is operated in overdrive.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass die gegenüber dem ersten Verstärkerpfadausgangssignal verschobene Phase des zweiten Verstärkerpfadausgangssignals einstellbar ist. Durch das Einstellen der Phase kann die Ausgangsleistung des Leistungswandlers geregelt werden. Ferner ist es möglich, die Ausgangsleistung zum Erzeugen der Leistungsüberhöhung oberhalb der Nennleistung weiter zu erhöhen. Die Einstellung der Phase zwischen dem ersten Verstärkerpfadausgangssignal und dem zweiten Verstärkerpfadausgangssignal kann durch eine Signalbereitstellungsvorrichtung erfolgen, die dazu eingerichtet ist, der ersten und zweiten Verstärkereinheit Signale zu Erzeugung des Hochfrequenzleistungssignals bereitzustellen oder durch einen einstellbaren Splitter, der mit der ersten und zweiten Verstärkereinheit verbunden ist.One aspect of the design is that the phase shift of the second amplifier path output signal relative to the first amplifier path output signal is adjustable. Adjusting the phase allows the output power of the power converter to be controlled. Furthermore, it is possible to increase the output power to generate the power boost above the rated power. The phase adjustment between the first and second amplifier path output signals can be achieved by a signal generation device configured to provide signals to the first and second amplifier units for generating the high-frequency power signal, or by an adjustable splitter connected to the first and second amplifier units.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass die Verstärker und/oder Verstärkereinheiten jeweils einen oder mehrere Transistoren, insbesondere LDMOS-Transistoren oder GaN Transistoren, aufweisen. LDMOS steht für „laterally diffused metal oxide semiconductor“. Beim Einsatz in Verstärkern oder Verstärkereinheiten zu Erzeugung einer Leistung, die einem Plasmaprozess zuführbar ist, hat sich 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. Mit LDMOS-Transistoren lassen sich mit einer sehr ähnlichen oder auch mit einer gleichen Topologie Verstärker, Verstärkereinheiten und Leistungsversorgungssysteme aufbauen, die bei Frequenzen über mehrere Dekaden im Bereich von 1 MHz bis 200 MHz, bevorzugt im Bereich von 1 MHz bis 90 MHz, einsetzbar sind. Das sind Frequenzen, wie sie in Plasmaprozessen und zur Gaslaseranregung oft benutzt werden. Herkömmliche MOSFETs haben bei diesen Frequenzen betrieben an Plasmaprozessen oftmals Probleme, wenn zu viel in den Plasmaprozess gelieferte Leistung zurück reflektiert 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 aufwendige 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 der oben erwähnten phasenlagenschiebenden Kopplereinheit 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. Beispiele zur Ausgestaltung eines zuvor genannten phasenschiebenden Leistungskopplers und eines Verstärkers mit LDMOS-Transistoren sind z.B. in
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass mehrere Verstärkerstufen vorgesehen sind, wobei jeweils zwei Verstärkerpfade der Verstärkerstufen, insbesondere direkt ohne Zwischenschaltung anderer Kopplungsvorrichtungen, mit einem 90°-Hybrid-Koppler verbunden sind. Mit einer derartigen Ausgestaltung kann eine größere Leistung bereitgestellt werden.One aspect of the design involves multiple amplifier stages, with each pair of amplifier paths connected directly to a 90° hybrid coupler, without the need for any other coupling devices. This configuration allows for higher power output.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass das Leistungsversorgungsystem derart konfiguriert ist, dass bei Fehlanpassung der Last eine an der Last reflektierte Leistung zumindest teilweise über die Kopplereinheit und zumindest einen Leistungskoppler an zumindest einen von Grundlast-Verstärker und Spitzenlast-Verstärker geleitet wird, von diesem zumindest teilweise reflektiert wird und über den zumindest einen Leistungskoppler an die Kopplereinheit zurückgeleitet wird, welche diese zurückgeleitete Leistung zumindest teilweise in einen Widerstand leitet. Bevorzugt wird von dem Grundlast-Verstärker ein größerer Anteil reflektiert als von dem jeweiligen Spitzenlast-Verstärker.In one aspect, the power supply system is configured such that, in the event of a load mismatch, power reflected from the load is at least partially routed via the coupler unit and at least one power coupler to at least one base-load amplifier and one peak-load amplifier, at least partially reflected by these amplifiers, and then returned via the at least one power coupler to the coupler unit, which at least partially dissipates this returned power into a resistor. Preferably, a larger proportion of the power is reflected by the base-load amplifier than by the respective peak-load amplifier.
In einem Aspekt ist vorgesehen, dass mehrere der hier offenbarten Verstärkerstufen parallel geschaltet sind und die Ausgangsanschlüsse dieser parallel geschalteten Verstärkerstufen über eine Leistungskoppler-Kaskade oder Mehrfachcombiner zusammengeschaltet sind. Beispiele für eine solche Leistungskoppler-Kaskade oder Mehrfachcombiner sind z.B. in
Zur Lösung eingangs genannter Aufgabe wird ferner ein Leistungsversorgungssystem vorgeschlagen, aufweisend einen Leistungswandler, der ausgelegt ist, ein Hochfrequenzleistungssignal zur Leistungsversorgung eines Plasma- oder Gaslaserprozesses zu erzeugen und dafür mit einer Last verbindbar ist,
wobei der Leistungswandler zumindest eine Verstärkerstufe umfasst, die aufweist:
- - einen ersten Verstärkerpfad, aufweisend eine erste Verstärkereinheit,
- - einen zweiten Verstärkerpfad, aufweisend eine zweite Verstärkereinheit,
- wobei der erste Verstärkerpfad zum Ausgeben eines ersten Verstärkerpfadausgangssignals konfiguriert ist und der zweite Verstärkerpfad zum Ausgeben eines zweiten Verstärkerpfadausgangssignals konfiguriert ist, das eine gegenüber dem ersten Verstärkerpfadausgangssignal verschobene Phase aufweist, die ungleich, insbesondere größer, 0° und ungleich, insbesondere kleiner, 180° ist,
- wobei die Verstärkerpfade mit einer phasenlagenschiebenden Kopplereinheit verbunden sind, die ausgelegt ist, die Ausgangssignale der Verstärkerpfade zu einem Hochfrequenzleistungssignal zu koppeln,
wobei die erste und die zweite Verstärkereinheit jeweils folgende Bestandteile aufweisen:
- i. einen Grundlast-Verstärker, der dazu eingerichtet ist, eine Grundlast-Verstärkerleistung bereitzustellen;
- ii. einen Spitzenlast-Verstärker ist, der dazu eingerichtet ist, eine Spitzenlast-Verstärkerleistung bereitzustellen; und
- iii. einen Leistungskoppler zum Kombinieren der Grundlast-Verstärkerleistung und der Spitzenlast-Verstärkerleistung am Ausgang der jeweiligen ersten bzw. zweiten Verstärkereinheit zu einer Verstärker-Ausgangsleistung,
wobei das Leistungsversorgungssystems (2) konfiguriert ist
- - zum Erzeugen einer Leistungsüberhöhung oberhalb der Nennleistung des Leistungsversorgungssystems, insbesondere zum Zünden eines Plasmas oder Gaslasers, wobei eine Amplituden- und/oder Phasenbeziehung zwischen dem Grundlast-Verstärker und dem Spitzenlast-Verstärker mindestens einer der ersten und zweiten Verstärkereinheit, insbesondere kurzzeitig, derart einstellbar ist, dass die Verstärker-Ausgangsleistung der Verstärkereinheit größer ist als eine Nennleistung der Verstärkereinheit; und, bevorzugt
- - zu einem Normalbetrieb, insbesondere zum Aufrechterhalten eines Plasmas oder Betreiben eines Gaslasers, bei dem die erste und zweite Verstärkereinheit mit einer Verstärker-Ausgangsleistung, die kleiner oder gleich der Nennleistung der Verstärkereinheit ist, betreibbar sind.
where the power converter includes at least one amplifier stage which features:
- - a first amplifier path comprising a first amplifier unit,
- - a second amplifier path, comprising a second amplifier unit,
- wherein the first amplifier path is configured to output a first amplifier path output signal and the second amplifier path is configured to output a second amplifier path output signal which has a phase shift relative to the first amplifier path output signal, which is not equal to, in particular greater than, 0° and not equal to, in particular less than, 180°,
- wherein the amplifier paths are connected to a phase-shifting coupler unit designed to couple the output signals of the amplifier paths to a high-frequency power signal,
wherein the first and second amplifier units each comprise the following components:
- i. a baseload amplifier designed to provide baseload amplifier power;
- ii. a peak load amplifier designed to provide peak load amplification power; and
- iii. a power coupler for combining the base load amplifier power and the peak load amplifier power at the output of the respective first and second amplifier units to form an amplifier output power,
wherein the power supply system (2) is configured
- - for generating a power boost above the rated power of the power supply system, in particular for igniting a plasma or gas laser, wherein an amplitude and/or phase relationship between the base load amplifier and the peak load amplifier of at least one of the first and second amplifier units is adjustable, particularly briefly, such that the amplifier output power of the amplifier unit is greater than a rated power of the amplifier unit; and, preferably
- - to normal operation, in particular to maintain a plasma or operate a gas laser, in which the first and second amplifier units can be operated with an amplifier output power that is less than or equal to the rated power of the amplifier unit.
Eine Phasenbeziehungsverschiebung zwischen dem Grundlast-Verstärker und dem Spitzenlast-Verstärker kann mittels eines Phasenschiebers erfolgen. Beispiele möglicher Ausgestaltungen eines solchen Phasenschiebers sind weiter unten beschrieben.A phase shift between the base-load amplifier and the peak-load amplifier can be achieved using a phase shifter. Examples of possible designs for such a phase shifter are described below.
Offenbart ist auch ein Plasmasystem, aufweisend
- a. ein Leistungsversorgungssystem wie zuvor und nachfolgend beschrieben,
- b. eine Last, insbesondere ausgebildet als Plasma- oder Gaslaserprozess,
- • wobei das Leistungsversorgungssystem einen Leistungswandler aufweist, der an ein Spannungsversorgungsnetz angeschlossen werden kann
- • wobei der Leistungswandler an die Last angeschlossen ist,
- • wobei insbesondere zwischen der Last und dem Leistungswandler ein Impedanzanpassungsnetzwerk angeordnet ist.
- a. a benefit provision system as described above and below,
- b. a load, in particular designed as a plasma or gas laser process,
- • wherein the power supply system includes a power converter that can be connected to a power supply network
- • where the power converter is connected to the load,
- • wherein, in particular, an impedance matching network is arranged between the load and the power converter.
Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen können bei dem Verfahren die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale zur Anwendung kommen.Alternatively or in addition to the advantageous embodiments explained above, the advantageous embodiments and features explained in connection with the device according to the invention can be used in the method.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Entwicklung sollen nachfolgend anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
-
1 ein Plasmasystem mit einer detaillierten Ansicht der Verstärkeranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem Blockdiagramm; -
2 ein Plasmasystem mit einer detaillierten Ansicht des Leistungsversorgungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem Blockdiagramm; -
3 einen DDS-Baustein in einem Blockdiagramm; -
4 ein Ausführungsbeispiel einer Verstärkereinheit des Leistungsversorgungssystems nach1 oder2 : -
5 eine alternatives Ausführungsbeispiel einer Verstärkerstufe für das Leistungsversorgungssystem nach1 oder2 ;
-
1 a plasma system with a detailed view of the amplifier arrangement according to an exemplary embodiment in a block diagram; -
2 a plasma system with a detailed view of the power supply system according to an exemplary embodiment in a block diagram; -
3 a DDS component in a block diagram; -
4 an embodiment of an amplifier unit of the power supply system according to1 or2 : -
5 an alternative embodiment of an amplifier stage for the power supply system according to1 or2 ;
Die
Ein vergleichbares Leistungsversorgungssystem und ein Verfahren zur Anregung eines Plasmas sind z.B. in der
Im unteren Teil von
- - einen ersten Verstärkerpfad 42, aufweisend eine erste Verstärkereinheit 42a und
- - einen zweiten Verstärkerpfad 43, aufweisend eine zweite Verstärkereinheit 43a.
- - a first amplifier path 42, comprising a first amplifier unit 42a and
- - a second amplifier path 43, comprising a second amplifier unit 43a.
Am Ausgang der Verstärkerpfade 42, 43 ist optional jeweils ein Ausgangsnetzwerk 45, 46 vorgesehen.An output network 45, 46 is optionally provided at the output of each of the amplifier paths 42, 43.
Dabei ist der erste Verstärkerpfad 42 zum Ausgeben eines ersten Verstärkerpfadausgangssignals konfiguriert und der zweite Verstärkerpfad 43 zum Ausgeben eines zweiten Verstärkerpfadausgangssignals konfiguriert.The first amplifier path 42 is configured to output a first amplifier path output signal, and the second amplifier path 43 is configured to output a second amplifier path output signal.
Das zweite Verstärkerpfadausgangssignal weist eine gegenüber dem ersten Verstärkerpfadausgangssignal verschobene Phase auf, die ungleich, insbesondere größer, 0° ist.The second amplifier path output signal has a phase shift relative to the first amplifier path output signal, which is not equal to, in particular greater than, 0°.
Die Verstärkerpfade 42, 43 sind mit einer phasenlagenschiebenden Kopplereinheit 47 verbunden.The amplifier paths 42, 43 are connected to a phase-shifting coupler unit 47.
Die phasenlagenschiebenden Kopplereinheit 47 ist ausgelegt, die Ausgangssignale der Verstärkerpfade 42, 43 zu einem Hochfrequenzleistungssignal zu koppeln.The phase-shifting coupler unit 47 is designed to adjust the output signals of the amplifier to couple kerpaths 42, 43 to a high-frequency power signal.
Die erste Verstärkereinheit 42a und die zweite Verstärkereinheit 43a weisen jeweils folgende Bestandteile auf:
- • einen Grundlast-Verstärker 103, der dazu eingerichtet ist, eine Grundlast-Verstärkerleistung bereitzustellen;
- • einen Spitzenlast-Verstärker 104, der dazu eingerichtet ist, eine Spitzenlast-Verstärkerleistung bereitzustellen; und
- • einen Leistungskoppler 107 zum Kombinieren der Grundlast-Verstärkerleistung und der Spitzenlast-Verstärkerleistung am Ausgang der jeweiligen ersten Verstärkereinheit 42a bzw. zweiten Verstärkereinheit 43a zu einer Verstärker-Ausgangsleistung Pout.
- • a baseload amplifier 103, which is configured to provide a baseload amplifier power;
- • a peak load amplifier 104, which is configured to provide peak load amplifier power; and
- • a power coupler 107 for combining the base load amplifier power and the peak load amplifier power at the output of the respective first amplifier unit 42a or second amplifier unit 43a to a single amplifier output power P out .
Diese Phasenbeziehungsverschiebung kann z.B. durch die Signalbereitstellungsvorrichtung 99 erfolgen. Dann wäre ein Signalbeeinflusser 102 ausgestaltet als Phasenschieber dort in der Regel digital, also in digitaler Hardware und/oder Software realisiert.This phase relationship shift can be achieved, for example, by the signal generation device 99. In that case, a signal influencer 102 would be designed as a phase shifter, typically implemented digitally, i.e., in digital hardware and/or software.
Diese Phasenbeziehungsverschiebung kann z.B. auch durch einen analogen Signalbeeinflusser 102 ausgestaltet als Phasenschieber erfolgen. Dieser kann innerhalb der Verstärkereinheit 42a, 43a vorgesehen sein.This phase relationship shift can also be achieved, for example, by an analog signal influencer 102 designed as a phase shifter. This can be provided within the amplifier unit 42a, 43a.
Zum Erzeugen einer Leistungsüberhöhung oberhalb der Nennleistung des Leistungsversorgungssystems 2 wird die Amplituden- und/oder Phasenbeziehung zwischen dem Grundlast-Verstärker 103 und dem Spitzenlast-Verstärker 104 so eingestellt, dass sich eine Lastimpedanz 106 für den Grundlast-Verstärker 103 und/oder eine Lastimpedanz 108 für den Spitzenlast-Verstärker 104 derart verändert, dass die resultierende Verstärker-Ausgangsleistung Pout der Verstärkereinheit 42a, 43a größer ist als die Nennleistung der Verstärkereinheit 42a, 43a. Die Lastimpedanz 106, 108 sind in
Die
Das Leistungsversorgungssystem 2 umfasst einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 31 zum Erzeugen eines analogen Ausgangssignals. Die Erzeugung des Analogsignals soll im Folgenden anhand der Darstellung in
- • einen Signaldatenspeicher, in dem Signaldatenwerte zur Erzeugung der Analogsignalform abgelegt sind,
- • einen Amplitudendatenspeicher, in dem Amplitudendatenwerte zur Beeinflussung der Amplitude der Analogsignale abgelegt sind,
- • einen Multiplikator zur Multiplikation der Signaldatenwerte mit den Amplitudendatenwerten und
- • einen Zähler, der dafür sorgt, dass in einem vorbestimmten Takt Signaldatenwerte aus dem Signaldatenspeicher ausgelesen und dem Multiplikator zugeführt werden.
- • a signal data storage device in which signal data values for generating the analog signal shape are stored,
- • an amplitude data storage device in which amplitude data values are stored to influence the amplitude of the analog signals,
- • a multiplier for multiplying the signal data values by the amplitude data values and
- • a counter that ensures that signal data values are read from the signal data memory and fed to the multiplier at a predetermined rate.
Sowohl der Signaldatenspeicher 34 als auch der Amplitudendatenspeicher 35 können als sogenannte Nachschautabellen (Look-up Tables, LUT) ausgebildet sein.Both the signal data storage 34 and the amplitude data storage 35 can be configured as so-called look-up tables (LUTs).
Wie in
Die Ausgangsleistung am Ausgang der Kopplereinheit 47 kann durch entsprechende Messmittel 48 erfasst werden. Durch die gestrichelte Linie 49 ist angedeutet, dass die Messmittel 48 mit einer Spannungsregelung 50 in Verbindung stehen, die wiederum die Spannungsversorgung 44 ansteuert. Insbesondere kann durch die Messmittel 48 auch die an die Last 6 gelieferte Leistung und die von der Last 6 reflektierte Leistung erfasst werden. Aus diesen Werten lässt sich ein Reflexionsfaktor bzw. ein Betrag eines Reflexionsfaktors erfassen, der wiederum verwendet werden kann, um die Spannungsregelung durchzuführen.The output power at the output of the coupler unit 47 can be measured by appropriate measuring instruments 48. The dashed line 49 indicates that the measuring instruments 48 are connected to a voltage regulator 50, which in turn controls the power supply 44. In particular, the measuring instruments 48 can also measure the power delivered to the load 6 and the power reflected by the load 6. From these values, a reflection coefficient or the magnitude of a reflection coefficient can be determined, which can then be used to control the voltage regulation.
Die Darstellung in
- ▪ einen Grundlast-Verstärker 103, der dazu eingerichtet ist, eine Grundlast-Verstärkerleistung bereitzustellen;
- ▪ einen Spitzenlast-Verstärker 104, der dazu eingerichtet ist, eine Spitzenlast-Verstärkerleistung bereitzustellen; und
- • einen Leistungskoppler 107 zum Kombinieren der Grundlast-Verstärkerleistung und der Spitzenlast-Verstärkerleistung am Ausgang der jeweiligen ersten bzw. zweiten Verstärkereinheit 42a, 43a zu einer Verstärker-Ausgangsleistung Pout.
- ▪ a baseload amplifier 103, which is configured to provide a baseload amplifier power;
- ▪ a peak load amplifier 104, which is configured to provide peak load amplifier power; and
- • a power coupler 107 for combining the base load amplifier power and the peak load amplifier power at the output of the respective first or second amplifier unit 42a, 43a to a single amplifier output power P out .
Die Leistung Pin am Eingang der ersten bzw. zweiten Verstärkereinheit 42a, 43a wird durch einen phasenschiebenden Splitter 101 in zwei Signalpfade mit einem Phasenversatz, hier einem Phasenversatz von 90° aufgeteilt. Die Darstellung in
Die erste und zweite Verstärkereinheit 42a, 43a sind derart konfiguriert, dass der Grundlast-Verstärker 103 im Wesentlichen eine Grundlast der Verstärker-Ausgangsleistung Pout bereitstellt. Der Spitzenlast-Verstärker 104 kann in einem Grundlastbetrieb, in welchem die Verstärker-Ausgangsleistung Pout hauptsächlich von dem Grundlast-Verstärker 103 bereitgestellt wird, auf niedrigem Leistungsniveau aktiv sein oder der Spitzenlast-Verstärker 104 kann inaktiv, d.h. hochohmig, sein. Der Grundlast-Verstärker 103 kann als Klasse-B-Verstärker oder als Klasse-AB-Verstärker konfiguriert sein, während der Spitzenlast-Verstärker 104 als Klasse-C-Verstärker konfiguriert ist. Der Spitzenlast-Verstärker 104 kann derart ausgelegt sein, dass der oder die Transistoren des Spitzenlast-Verstärkers 104 nur für einen Bruchteil einer halben Signalperiode leitend sind. Insofern ist der Spitzenlast-Verstärker 104 dazu eingerichtet, die Spitzenlast-Verstärkerleistung nur bei Überschreiten einer vorgegebenen Grundlast-Verstärkerleistung bereitzustellen.The first and second amplifier units 42a and 43a are configured such that the base-load amplifier 103 essentially provides a base load of the amplifier output power P<sub> out </sub>. In a base-load operation where the amplifier output power P<sub> out </sub> is mainly provided by the base-load amplifier 103, the peak-load amplifier 104 can be active at a low power level, or the peak-load amplifier 104 can be inactive, i.e., high-impedance. The base-load amplifier 103 can be configured as a class B or class AB amplifier, while the peak-load amplifier 104 is configured as a class C amplifier. The peak-load amplifier 104 can be designed such that its transistor(s) are conducting for only a fraction of half a signal period. Therefore, the peak load amplifier 104 is designed to provide the peak load amplifier power only when a predetermined base load amplifier power is exceeded.
Die Darstellung in
Das die Verstärkerstufe 40 aufweisende Leistungsversorgungssystem ist derart konfiguriert, dass bei Fehlanpassung der Last 6 eine an der Last 6 reflektierte Leistung zumindest teilweise über die Kopplereinheit 47 und zumindest einen Leistungskoppler 107 an zumindest einen von Grundlast-Verstärker 103 und Spitzenlast-Verstärker 104 geleitet wird. Die Leistung wird zumindest an diesem Grundlast-Verstärker 103 oder Spitzenlast-Verstärker 104 reflektiert und über den Leistungskoppler 107 an die Kopplereinheit 47 zurückgeleitet. Diese ist mit einem Absorptionswiderstand 110 verbunden, welcher diese zurückgeleitete Leistung aufnimmt.The power supply system comprising amplifier stage 40 is configured such that, in the event of a mismatch of the load 6, power reflected from the load 6 is at least partially transferred via the coupler unit 47 and at least one power coupler 107 to at least one of the base load supplies. The power is directed to the base-load amplifier 103 and the peak-load amplifier 104. The power is reflected at least at this base-load amplifier 103 or peak-load amplifier 104 and returned via the power coupler 107 to the coupler unit 47. This unit is connected to an absorption resistor 110, which absorbs this returned power.
Um sowohl ein zuverlässiges Zünden des Plasmas bzw. Gaslasers zu ermöglichen und gleichfalls nach dem Zünden einen zuverlässigen und effizienten Betrieb bei stark schwankender, beispielsweise gepulster, Leistungsabgabe zu ermöglichen, sind bei dem Leistungsversorgungssystem gemäß den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen besondere Vorkehrungen getroffen. Wie vorstehend bereits anhand der
Zusätzlich ist aber vorgesehen, dass das Leistungsversorgungssystem 2 ferner auch dazu konfiguriert ist, eine Leistungsüberhöhung oberhalb der Nennleistung des Leistungsversorgungssystems 2 zu erzeugen, insbesondere zum Zünden eines Plasmas oder Gaslasers, wobei eine Amplituden- und/oder Phasenbeziehung zwischen dem Grundlast-Verstärker 103 und dem Spitzenlast-Verstärker 104 mindestens einer der ersten und zweiten Verstärkereinheit 42a, 43a, insbesondere kurzzeitig, derart einstellbar ist, dass die Verstärker-Ausgangsleistung Pout der Verstärkereinheit 42a, 43a größer ist als die Nennleistung der jeweiligen Verstärkereinheit 42a, 43a.In addition, it is provided that the power supply system 2 is also configured to generate a power boost above the nominal power of the power supply system 2, in particular for igniting a plasma or gas laser, wherein an amplitude and/or phase relationship between the base load amplifier 103 and the peak load amplifier 104 of at least one of the first and second amplifier units 42a, 43a is adjustable, in particular briefly, such that the amplifier output power P out of the amplifier unit 42a, 43a is greater than the nominal power of the respective amplifier unit 42a, 43a.
Grundsätzlich moduliert in einem Doherty-Verstärker der jeweilige Spitzenlast-Verstärker 104 die Lastimpedanz des Grundlast-Verstärkers 104. Zur Erzeugung der Leistungsüberhöhung kann beispielsweise die Phasen- und/oder Amplitudenbeziehung zwischen dem Grundlast-Verstärker 103 und dem Spitzenlast-Verstärker 104 verändert und dadurch die Lastimpedanz kurzzeitig so beeinflusst werden, dass der Gesamtverstärker eine oberhalb der Nennleistung liegende Ausgangsleistung erzeugt. Dabei kann sich die Effizienz reduzieren, was für kurze Zeiträume aber hinnehmbar ist.In a Doherty amplifier, the peak-load amplifier 104 modulates the load impedance of the base-load amplifier 104. To generate the power boost, the phase and/or amplitude relationship between the base-load amplifier 103 and the peak-load amplifier 104 can be altered, thereby briefly influencing the load impedance so that the overall amplifier produces an output power exceeding its rated power. This may reduce efficiency, but this is acceptable for short periods.
Beispielsweise kann die Phasenbeziehung in einer oder beiden Verstärkereinheiten 42a, 43a auf einen Phasenunterschied von größer als 90°, bevorzugt größer als 100°, besonders bevorzugt größer als 110°, beispielsweise 120° eingestellt werden.For example, the phase relationship in one or both amplifier units 42a, 43a can be set to a phase difference of greater than 90°, preferably greater than 100°, particularly preferably greater than 110°, for example 120°.
Im Normalbetrieb liegt die Phasenbeziehung üblicherweise bei 90°, so dass diese zum Erzeugen der Leistungsüberhöhung erhöht wird.Under normal operating conditions, the phase relationship is usually 90°, so it is increased to generate the power boost.
Alternativ oder zusätzlich kann die Amplitudenbeziehung in einer oder beiden Verstärkereinheiten 42a, 43a auf einen Wert größer oder gleich 3dB eingestellt werden.Alternatively or additionally, the amplitude relationship in one or both amplifier units 42a, 43a can be set to a value greater than or equal to 3dB.
Diese Amplitudenbeziehungsverschiebung kann z.B. durch die Signalbereitstellungsvorrichtung 99 erfolgen. Dann wäre ein Signalbeeinflusser 102 ausgestaltet als Amplitudenbeeinflusser dort in der Regel digital, also in digitaler Hardware und/oder Software realisiert.This amplitude relationship shift can be achieved, for example, by the signal supply device 99. In that case, a signal influencer 102 would be designed as an amplitude influencer, typically implemented digitally, i.e., in digital hardware and/or software.
Diese Amplitudenbeziehungsverschiebung kann z.B. auch durch einen analogen Signalbeeinflusser 102 ausgestaltet als Amplitudenbeeinflusser erfolgen. Dieser kann innerhalb der Verstärkereinheit 42a, 43a vorgesehen sein.This amplitude relationship shift can also be achieved, for example, by an analog signal influencer 102, designed as an amplitude influencer. This can be provided within the amplifier unit 42a, 43a.
Der Signalbeeinflusser 102 kann zu- und wegschaltbar ausgestaltet sein.The signal influencer 102 can be designed to be switched on and off.
Der Signalbeeinflusser 102 kann einstellbar, insbesondere durch ein elektrisches Signal einstellbar ausgestaltet sein .The signal influencer 102 can be designed to be adjustable, in particular by means of an electrical signal.
Der Zeitraum zur Erzeugung der Leistungsüberhöhung kann im Bereich von 2 Mikrosekunden bis 100 Mikrosekunden liegen.The time period for generating the power boost can range from 2 microseconds to 100 microseconds.
Da bei dem vorliegenden Leistungsversorgungssystem zwei dieser Doherty-Verstärker mit einem 3dB Koppler zusammengeschaltet sind, ist es möglich, die Fähigkeit zur Bereitstellung einer Leistungsüberhöhung mit einem hocheffizienten Normalbetrieb mit einem balancierten Verstärker, d.h. einer Kabellängenunabhängigkeit, zu kombinieren.Since two of these Doherty amplifiers are connected together with a 3dB coupler in the present power supply system, it is possible to combine the ability to provide a power boost with highly efficient normal operation with a balanced amplifier, i.e., cable length independence.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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