專利名稱：用于修正發(fā)電機(jī)和非線性負(fù)載間的相互影響的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及發(fā)電機(jī)。具體但非限制性地，本發(fā)明涉及用于修正 發(fā)電機(jī)和非線性負(fù)載之間的相互影響的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在一些應(yīng)用中，使用具有與導(dǎo)致向負(fù)載輸送最大功率的源阻抗很不相
同的源阻抗的發(fā)電機(jī)是有利的。例如，在射頻(RF)發(fā)生器的環(huán)境中，源 阻抗通常與負(fù)載阻抗的復(fù)共軛很不相同。在Smith圖(反射系數(shù)圖，PhilipH. Sm池，1939)方面，這樣的發(fā)電機(jī)中的源阻抗朝向正規(guī)化為負(fù)載阻抗(例 如，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)射頻應(yīng)用為50歐姆)的圖的邊緣。 一些射頻(RF)發(fā)生器被 設(shè)計(jì)為具有這樣的源阻抗，以使得所述發(fā)生器比具有電阻性源阻抗(例如， 50歐姆)的發(fā)電機(jī)更便宜且體積更小。
然而，這樣的設(shè)計(jì)的一個(gè)缺點(diǎn)在于，相對(duì)于具有與負(fù)載阻抗相匹配的 電阻性源阻抗的發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)在負(fù)載阻抗接近所述發(fā)電機(jī)被設(shè)計(jì)來(lái) 工作的標(biāo)稱負(fù)載阻抗(例如，50歐姆)時(shí)對(duì)負(fù)載阻抗的改變敏感得多。當(dāng) 對(duì)諸如等離子體這樣的非線性負(fù)載工作時(shí)，這樣的系統(tǒng)中的特定困難在于， 發(fā)電機(jī)輸出功率的改變可能導(dǎo)致負(fù)載阻抗的改變，并且負(fù)載阻抗的改變可 能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出功率的改變。在一些情形下，發(fā)電機(jī)和非線性負(fù)載可能 以導(dǎo)致輸出功率的不穩(wěn)定性的方式發(fā)生相互影響。
因此，顯而易見(jiàn)的是，在本領(lǐng)域需要用于修正發(fā)電機(jī)和非線性負(fù)載之 間的相互影響的改進(jìn)的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
下面概述在附圖中示出的本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例。這些和其他實(shí)施例 在具體實(shí)施方式
部分中進(jìn)行了更完整地描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，并不意圖 將本發(fā)明限定在本發(fā)明內(nèi)容或具體實(shí)施方式
中描述的形式。本領(lǐng)域技術(shù)人
7員可以認(rèn)識(shí)到，存在許多修改、等同物和替代結(jié)構(gòu)落入本發(fā)明的在所附權(quán) 利要求書(shū)中表明的精神和范圍內(nèi)。
本發(fā)明能夠提供用于修正發(fā)電機(jī)和非線性負(fù)載之間的相互影響的方法 和裝置。 一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例是一種用于修正發(fā)電機(jī)和與所述發(fā)電機(jī)的輸出 連接的非線性負(fù)載之間的相互影響的方法，所述方法包括在所述發(fā)電機(jī) 的引擎的控制輸入處接收主控制信號(hào)，所述主控制信號(hào)控制所述發(fā)電機(jī)向 所述非線性負(fù)載輸送的輸出功率、輸出電流和輸出電壓中的至少一個(gè)，所
述引擎是功率放大器和轉(zhuǎn)換器之一；測(cè)量所述非線性負(fù)載的阻抗；以及向
所述發(fā)電機(jī)饋送對(duì)應(yīng)于所測(cè)量的阻抗的補(bǔ)償信號(hào)，所述補(bǔ)償信號(hào)使得所述 發(fā)電機(jī)的輸出功率關(guān)于所述主控制信號(hào)的傳遞函數(shù)對(duì)所述非線性負(fù)載的阻 抗的改變基本上不敏感，以穩(wěn)定所述發(fā)電機(jī)的輸出功率。
另一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例是一種發(fā)電機(jī)，包括引擎，所述引擎包括控制 輸入，所述控制輸入被配置來(lái)接收主控制信號(hào)，所述主控制信號(hào)控制所述 發(fā)電機(jī)向與所述發(fā)電機(jī)的輸出連接的非線性負(fù)載輸送的輸出功率、輸出電 流和輸出電壓中的至少一個(gè)，所述引擎是功率放大器和轉(zhuǎn)換器之一；以及 補(bǔ)償子系統(tǒng)，其包括阻抗測(cè)量電路和補(bǔ)償信號(hào)生成電路，所述阻抗測(cè)量電 路測(cè)量所述非線性負(fù)載的阻抗，所述補(bǔ)償信號(hào)生成電路向所述發(fā)電機(jī)饋送 對(duì)應(yīng)于所測(cè)量的阻抗的補(bǔ)償信號(hào)，所述補(bǔ)償信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)的輸出功 率關(guān)于所述主控制信號(hào)的傳遞函數(shù)對(duì)所述非線性負(fù)載的阻抗的改變基本上 不敏感，以穩(wěn)定所述發(fā)電機(jī)的輸出功率。
在本文中進(jìn)一步詳細(xì)地描述這些和其他實(shí)施例。


當(dāng)結(jié)合附圖時(shí)，通過(guò)參照后面的具體實(shí)施方式
和所附權(quán)利要求書(shū)，本 發(fā)明的各種目的和優(yōu)點(diǎn)以及更完整的理解是顯而易見(jiàn)并且更容易意識(shí)到 的，在附圖中
圖1A是與非線性負(fù)載連接以幫助分析發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性的發(fā)電機(jī)的框
圖1B是在圖1A中所示的發(fā)電機(jī)的輸出功率P不穩(wěn)定的情形下，P與 發(fā)電機(jī)控制信號(hào)C的關(guān)系的圖；圖1C是在與圖1B相同的情形下，圖1A中所示的發(fā)電機(jī)的輸出功率P
與時(shí)間的關(guān)系的圖2A是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例的與非線性負(fù)載連接的發(fā)電機(jī)的 框圖2B是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例的發(fā)電機(jī)的補(bǔ)償子系統(tǒng)的框圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例的用于修正發(fā)電機(jī)和非線性負(fù)載之
間的相互影響的方法的流程圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一說(shuō)明性實(shí)施例的與非線性負(fù)載連接的發(fā)電機(jī)
的框圖5A說(shuō)明了一簡(jiǎn)化史密斯圖，其示出根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例，對(duì) 于特定輸出功率PO， 一組負(fù)載阻抗中的每個(gè)所需的發(fā)電機(jī)控制信號(hào)C;
圖5B說(shuō)明了一簡(jiǎn)化史密斯圖，其示出根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例，對(duì) 于與圖5A中相同的輸出功率P0，針對(duì)一組負(fù)載阻抗中的每個(gè)的補(bǔ)償信號(hào)
圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一說(shuō)明性實(shí)施例的用于修正發(fā)電機(jī)和非線性負(fù) 載之間的相互影響的方法的流程圖7是根據(jù)本發(fā)明的再一說(shuō)明性實(shí)施例的與非線性負(fù)載連接的發(fā)電機(jī) 的框圖8是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例的包括主控制輸入和輔助控制輸入 二者的功率放大器的電路圖；以及
圖9是根據(jù)本發(fā)明的又一說(shuō)明性實(shí)施例的用于修正發(fā)電機(jī)和非線性負(fù) 載之間的相互影響的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
通過(guò)分析發(fā)電機(jī)和與該發(fā)電機(jī)連接的非線性負(fù)載的阻抗之間的相互影 響如何能夠?qū)е掳l(fā)電機(jī)的輸出功率的不穩(wěn)定性，來(lái)幫助理解本發(fā)明的各種 實(shí)施例。圖1A是與非線性負(fù)載105連接以幫助進(jìn)行該分析的發(fā)電機(jī)100的 框圖。發(fā)電機(jī)100包括功率放大器110,所述功率放大器110向非線性負(fù)載 105輸送輸出功率P 115。非線性負(fù)載105又向功率放大器110呈現(xiàn)阻抗Z， 阻抗Z的實(shí)部和虛部分別為電阻R120和電抗X125。即，Z=R+jX。
9功率放大器IIO包括接收控制信號(hào)C 135的控制輸入130?？刂菩盘?hào)135 用于控制由功率放大器IIO產(chǎn)生的輸出功率115。控制信號(hào)135由主功率控 制回路(在圖1A中未示出)產(chǎn)生。
假定發(fā)電機(jī)輸出功率115的改變響應(yīng)于非線性負(fù)載105的阻抗的改變 而瞬時(shí)發(fā)生，并且類(lèi)似地，非線性負(fù)載105的阻抗的改變?cè)谳斔偷椒蔷€性 負(fù)載105中的輸出功率115改變時(shí)瞬時(shí)發(fā)生，則可以通過(guò)下面的三個(gè)方程 為圖1A中所示的系統(tǒng)建模
假定這些函數(shù)是可微的，并且使用僅具有一階導(dǎo)數(shù)的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)， 則它們可以在操作點(diǎn)附近被線性化，從而獲得
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的內(nèi)積。這些向量中的
第一個(gè)針對(duì)發(fā)電機(jī)100對(duì)非線性負(fù)載105的阻抗的改變的敏感度來(lái)建模， 而第二個(gè)向量針對(duì)非線性負(fù)載105的阻抗對(duì)發(fā)電機(jī)功率115的改變的敏感
只要上述內(nèi)積小于1，發(fā)電機(jī)100的主功率控制回路的增益的降低就可 以補(bǔ)償輸出功率115的增益關(guān)于控制信號(hào)135的增加。然而，當(dāng)上述內(nèi)積 大于1時(shí)，從控制信號(hào)135到輸出功率115的傳遞函數(shù)的符號(hào)被反轉(zhuǎn)，并 且發(fā)電機(jī)的主功率控制回路的增益的任何修正都不能恢復(fù)穩(wěn)定性。在不穩(wěn) 定狀況下，發(fā)電機(jī)100不產(chǎn)生期望的恒定輸出功率115。
在圖1B中說(shuō)明了由于發(fā)電機(jī)100和非線性負(fù)載105之間的相互影響導(dǎo) 致的不穩(wěn)定性。圖1B是在發(fā)電機(jī)100的輸出功率P 115不穩(wěn)定的情形下， P與控制信號(hào)C135的關(guān)系的圖140。注意，圖140不是一對(duì)一的(即，它是關(guān)系而非函數(shù))。即，對(duì)于C的某些值，存在多個(gè)P值。對(duì)于為d (145) 的控制信號(hào)135， P首先在點(diǎn)150處，但是P隨后降至點(diǎn)155。通過(guò)將控制 信號(hào)135變到C2 (160)來(lái)對(duì)輸出功率115的降低進(jìn)行補(bǔ)償首先在點(diǎn)165處 產(chǎn)生P，但是，P隨后向上跳至點(diǎn)170。在一些應(yīng)用中，從點(diǎn)150到155或 者從點(diǎn)165到點(diǎn)170的轉(zhuǎn)變可以在短至2-3微秒內(nèi)發(fā)生。
在圖1C中將發(fā)電機(jī)100產(chǎn)生的輸出功率115與時(shí)間的關(guān)系繪制為圖
175。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2A，其是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例的與非線性負(fù)載205 連接的發(fā)電機(jī)200的框圖。發(fā)電機(jī)200包括某種"引擎"。"引擎"的示例 包括但是不限于功率放大器和轉(zhuǎn)換器。在圖2A中說(shuō)明的特定實(shí)施例內(nèi)，發(fā) 電機(jī)200包括將輸出功率P 215輸送給非線性負(fù)載205的功率放大器210。 在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)200是具有高電抗性源阻抗的射頻(RF)發(fā)生器， 并且，除了例如匹配網(wǎng)絡(luò)和電纜之外，非線性負(fù)載205還包括等離子體。 這樣的系統(tǒng)可以用在例如汽相淀積和蝕刻應(yīng)用中。非線性負(fù)載205向功率 放大器210呈現(xiàn)具有實(shí)部和虛部的復(fù)阻抗Z，所述實(shí)部和虛部分別為電阻R 220和電抗X225 (Z=R+jX)。
功率放大器210包括向其饋送主控制信號(hào)C 235的控制輸入230。例如， 在一個(gè)實(shí)施例中，主控制信號(hào)235是電壓。 一般來(lái)說(shuō)，主控制信號(hào)235用 于控制發(fā)電機(jī)200向非線性負(fù)載205輸送的輸出功率、輸出電壓、輸出電 流或者其任意組合。主控制信號(hào)235由主功率控制回路(在圖2A中未示出) 產(chǎn)生。例如，在主功率控制回路的一種典型實(shí)現(xiàn)中，在負(fù)載處測(cè)量的反饋 功率和功率設(shè)定點(diǎn)(期望的輸出功率215)被饋送至差分放大器的輸入，所 述差分放大器的輸出(誤差信號(hào))是主控制信號(hào)235。
補(bǔ)償子系統(tǒng)240測(cè)量非線性負(fù)載205的阻抗，并且生成對(duì)應(yīng)于(取決 于)所測(cè)量的負(fù)載阻抗的補(bǔ)償信號(hào)K245。饋送至功率放大器210的補(bǔ)償信 號(hào)245使得發(fā)電機(jī)200的輸出功率215關(guān)于主控制信號(hào)235的傳遞函數(shù)對(duì) 非線性負(fù)載205的阻抗的改變基本上不敏感。結(jié)果是通過(guò)線性化與主控制 信號(hào)235相關(guān)的輸出功率215來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)。針對(duì)給定的測(cè)量負(fù)載阻抗的補(bǔ) 償信號(hào)245根據(jù)具體實(shí)施例而不同。
圖2B是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例的補(bǔ)償子系統(tǒng)240的框圖。補(bǔ)償子
ii系統(tǒng)240包括輸出測(cè)量負(fù)載阻抗255的阻抗測(cè)量電路250，和生成補(bǔ)償信號(hào) 245的補(bǔ)償信號(hào)生成電路260。
可以通過(guò)諸如以下步驟的適當(dāng)校準(zhǔn)來(lái)預(yù)先確定補(bǔ)償信號(hào)245。第一，發(fā) 電機(jī)200與具有可調(diào)整阻抗的測(cè)試負(fù)載(例如，調(diào)諧電路)連接。負(fù)載首 先被設(shè)置為標(biāo)稱參考阻抗(例如，50歐姆)，發(fā)電機(jī)200被設(shè)計(jì)為以該標(biāo)稱 參考阻抗來(lái)工作。第二，將期望的功率設(shè)定點(diǎn)P。輸入到發(fā)電機(jī)200，并且 使發(fā)電機(jī)200穩(wěn)定在輸出功率Po。第三，將主控制信號(hào)235保持(固定) 在產(chǎn)生輸出功率Po來(lái)輸送到參考阻抗中的電流值。第四，改變負(fù)載阻抗， 并記錄在所改變的負(fù)載阻抗的情況下維持為Po的輸出功率215所需的補(bǔ)償 信號(hào)245。然后按照期望，針對(duì)負(fù)載阻抗的許多值重復(fù)第四步驟。針對(duì)如所 期望的許多不同輸出功率設(shè)定點(diǎn)重復(fù)上述整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程。
在說(shuō)明性實(shí)施例中，使用被本領(lǐng)域技術(shù)人員稱為"反射系數(shù)領(lǐng)域"的 領(lǐng)域中的高速數(shù)字算法來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償子系統(tǒng)240。在一個(gè)實(shí)施例中，例如將補(bǔ) 償子系統(tǒng)240與發(fā)電機(jī)200的其他功能一起實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)中。在其他實(shí)施例中，使用執(zhí)行固件或者軟件的處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ) 償子系統(tǒng)240。 一般來(lái)說(shuō)，可以用硬件、固件、軟件或者其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償 子系統(tǒng)240的功能。
在該說(shuō)明性實(shí)施例中，阻抗測(cè)量電路250能夠約每毫秒測(cè)量非線性負(fù) 載205的阻抗一次，這消除了約500kHz (千赫)以下的與不穩(wěn)定性相關(guān)的 頻率。該采樣速率在其他實(shí)施例中更低或者更高。
在一個(gè)實(shí)施例中，補(bǔ)償信號(hào)生成電路260包括針對(duì)多個(gè)輸出功率電平 215中的每個(gè)的查找表。每個(gè)針對(duì)給定輸出功率215的査找表將測(cè)量負(fù)載阻 抗255的一組離散值中的每個(gè)映射到補(bǔ)償信號(hào)245的對(duì)應(yīng)離散值。在該實(shí) 施例中，補(bǔ)償信號(hào)生成電路260包括數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器(在圖2B中未示 出)，以產(chǎn)生模擬補(bǔ)償信號(hào)245。
在一些實(shí)施例中，僅針對(duì)少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)(例如，不同于參考阻抗的四個(gè) 負(fù)載阻抗值，這四個(gè)負(fù)載阻抗值在史密斯圖上將該參考阻抗括在其中)執(zhí) 行給定輸出功率電平的校準(zhǔn)過(guò)程。對(duì)于測(cè)量負(fù)載阻抗255的其他值，可以 通過(guò)例如插值從那些少數(shù)幾個(gè)存儲(chǔ)值獲得補(bǔ)償信號(hào)K。在一些實(shí)施例中， 與測(cè)量負(fù)載阻抗255相關(guān)的補(bǔ)償信號(hào)245的斜率(梯度)被存儲(chǔ)在查找表255和參考阻抗之間的差乘以適當(dāng)?shù)男甭蕘?lái)
對(duì)針對(duì)特定測(cè)量負(fù)載阻抗255的補(bǔ)償信號(hào)245進(jìn)行插值。此外，在一些實(shí) 施例中，諸如逐次逼近這樣的快速數(shù)值算法被用來(lái)執(zhí)行諸如除法這樣的數(shù) 學(xué)運(yùn)算，以提高補(bǔ)償子系統(tǒng)240的速度。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例的用于修正發(fā)電機(jī)和非線性負(fù)載之 間的相互影響的方法的流程圖。在305，功率放大器210在控制輸入230處 接收主控制信號(hào)235。在310，阻抗測(cè)量電路250測(cè)量非線性負(fù)載205的阻 抗255。在315，補(bǔ)償信號(hào)生成電路260產(chǎn)生被饋送到功率放大器210的補(bǔ) 償信號(hào)245。補(bǔ)償信號(hào)245使得發(fā)電機(jī)200的輸出功率215關(guān)于主控制信號(hào) 235的傳遞函數(shù)對(duì)非線性負(fù)載205的阻抗的改變基本上不敏感。因此，與主 控制信號(hào)235組合的補(bǔ)償信號(hào)245使得發(fā)電機(jī)200縱使在非線性負(fù)載205 的阻抗發(fā)生變化的情況下，也將穩(wěn)定.(基本恒定)的輸出功率215維持在 期望水平Po。在320，該過(guò)程結(jié)束。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一說(shuō)明性實(shí)施例的與非線性負(fù)載205連接的發(fā) 電機(jī)400的框圖。發(fā)電機(jī)400包括具有控制輸入410的功率放大器405。補(bǔ) 償子系統(tǒng)415產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)K 420，該補(bǔ)償信號(hào)K 420與主控制信號(hào)425 — 起被饋送到求和電路430。求和電路430的輸出被饋送到控制輸入410。和 上面結(jié)合圖2A-3所討論的實(shí)施例一樣，補(bǔ)償信號(hào)420具有以下效果使得 發(fā)電機(jī)400的輸出功率215關(guān)于主控制信號(hào)425的傳遞函數(shù)對(duì)非線性負(fù)載 205的阻抗的改變基本上不敏感，以防止輸出功率215的不穩(wěn)定性，否則， 將由于發(fā)電機(jī)400和非線性負(fù)載205的阻抗之間的相互影響而導(dǎo)致輸出功 率215的不穩(wěn)定性。
圖5A說(shuō)明了簡(jiǎn)化史密斯圖500，其示出根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例， 對(duì)于特定輸出功率Po (215)， 一組負(fù)載阻抗中的每個(gè)在控制輸入410處所 需的功率放大器控制信號(hào)。在圖5A的假設(shè)示例中，產(chǎn)生輸送到50歐姆(參 考阻抗)中的期望的100W (瓦)輸出功率電平(PD)所需的主控制信號(hào)425 是20V。所述參考阻抗對(duì)應(yīng)于史密斯圖500的中心處的點(diǎn)505。點(diǎn)510、 515、 520和525對(duì)應(yīng)于與參考阻抗505不同的測(cè)量負(fù)載阻抗255。在簡(jiǎn)化史密斯 圖500上示出了針對(duì)這些阻抗中的每個(gè)產(chǎn)生期望的輸出功率P。，在控制輸 入410處所需的控制信號(hào)。與負(fù)載阻抗相關(guān)的在控制輸入410處所需的控制信號(hào)的這些不同的值可以通過(guò)例如上面描述的校準(zhǔn)過(guò)程來(lái)確定，并存儲(chǔ) 在補(bǔ)償信號(hào)生成電路260具有訪問(wèn)權(quán)的查找表中。
圖5B說(shuō)明了簡(jiǎn)化史密斯圖530，其示出了根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例， 對(duì)于相同期望的輸出功率Po，與圖5A中繪制的一組負(fù)載阻抗(505、 510、 515、 520和525)中的每個(gè)對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償信號(hào)K420。在該特定實(shí)施例中，補(bǔ) 償信號(hào)420是以下控制信號(hào)之間的差 一控制信號(hào)使得發(fā)電機(jī)400在非線 性負(fù)載205的阻抗是測(cè)量阻抗時(shí)產(chǎn)生為Pq的特定瑜出功率215;而另一控 制信號(hào)使得發(fā)電機(jī)400產(chǎn)生相同的輸出功率Po來(lái)輸送到參考阻抗中。在簡(jiǎn) 化史密斯圖530上針對(duì)點(diǎn)505、 510、 515、 520和525中的每個(gè)繪制了該差。
求和電路430產(chǎn)生的和——主控制信號(hào)425和補(bǔ)償信號(hào)420之和—— 因此是控制輸出410處的控制信號(hào)，其使得功率放大器405對(duì)于基本相同 的主控制信號(hào)值425，產(chǎn)生期望的輸出功率Po來(lái)輸送到測(cè)量負(fù)載阻抗255 中，而不管負(fù)載阻抗，因此使得主控制信號(hào)425對(duì)非線性負(fù)載205的阻抗 的改變不敏感。當(dāng)然，當(dāng)測(cè)量負(fù)載阻抗255是參考阻抗時(shí)(圖5B中的點(diǎn) 505)，補(bǔ)償信號(hào)420為零。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一說(shuō)明性實(shí)施例的用于修正發(fā)電機(jī)和非線性負(fù) 載之間的相互影響的方法的流程圖。在310，阻抗測(cè)量電路250測(cè)量非線性 負(fù)載205的阻抗255。在605，主控制信號(hào)425和補(bǔ)償信號(hào)420之和被饋送 到功率放大器405的控制輸入410，補(bǔ)償信號(hào)420是以下控制信號(hào)之間的差: 一控制信號(hào)使得發(fā)電機(jī)400在非線性負(fù)載205的阻抗是測(cè)量阻抗時(shí)產(chǎn)生為 Po的特定輸出功率215;而另一控制信號(hào)使得發(fā)電機(jī)400產(chǎn)生相同的輸出功 率Po來(lái)輸送到參考阻抗中。結(jié)果是防止了輸出功率215的不穩(wěn)定性，否則， 將由于發(fā)電機(jī)400和非線性負(fù)載205的阻抗之間的相互影響而導(dǎo)致輸出功 率215的不穩(wěn)定性。該過(guò)程在610結(jié)束。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的再一說(shuō)明性實(shí)施例的與非線性負(fù)載205連接的發(fā) 曳機(jī)700的框圖。在該實(shí)施例中，功率放大器705包括主控制輸入710和 輔助控制輸入715 二者。主控制輸入710接收主控制信號(hào)C 730。
補(bǔ)償子系統(tǒng)720產(chǎn)生被特別處理的補(bǔ)償信號(hào)725來(lái)與輔助控制輸入715 連接。注意，與負(fù)載阻抗相關(guān)的特定補(bǔ)償信號(hào)725取決于于功率放大器705 的設(shè)計(jì)。然而，不管如何設(shè)計(jì)功率放大器705，都可以執(zhí)行諸如上面所描述
14那樣的校準(zhǔn)過(guò)程，來(lái)在給定的期望輸出功率Pe的情況下，確定針對(duì)測(cè)量負(fù)
載阻抗255的一組值中的每個(gè)的補(bǔ)償信號(hào)725。
主控制信號(hào)730和補(bǔ)償信號(hào)725的組合使得功率放大器705產(chǎn)生期望的輸出功率Po，而不管非線性負(fù)載205的阻抗的變化。換言之，補(bǔ)償信號(hào)725使得發(fā)電機(jī)700的輸出功率215關(guān)于主控制信號(hào)730的傳遞函數(shù)對(duì)非線性負(fù)載205的阻抗的變化基本上不敏感，由此穩(wěn)定發(fā)電機(jī)700的與主控制信號(hào)730相關(guān)的輸出功率215。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施例的相應(yīng)地包括主控制輸入710和輔助控制輸入715 二者的功率放大器705的電路圖。在圖8中，主控制輸入710 (在該示例中為電壓)與扼流圈(choke) 805連接。包括電感器810和電容器815的諧振電路連接在扼流圈805的另一節(jié)點(diǎn)和非線性負(fù)載205之間。振蕩器820與電容器825連接，電容器825的另一節(jié)點(diǎn)與金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET) 830的柵極連接。在該特定實(shí)施例中，輔助控制輸入715是與扼流圈835串聯(lián)的偏壓輸入，扼流圈835的另一節(jié)點(diǎn)連接在電容器825的節(jié)點(diǎn)和MOSFET 830的柵極之間。圖8僅僅是輔助控制輸入715的一個(gè)示例。在其他實(shí)施例中，輔助控制輸入715與圖8中所示的偏壓輸入示例不同。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的又一說(shuō)明性實(shí)施例的用于修正發(fā)電機(jī)和非線性負(fù)載之間的相互影響的方法的流程圖。在905，功率放大器705在其主控制輸入710處接收主控制信號(hào)730。在310，阻抗測(cè)量電路250測(cè)量非線性負(fù)載205的阻抗255。在910，補(bǔ)償子系統(tǒng)720將補(bǔ)償信號(hào)725饋送到功率放大器705的輔助輸入715，所述補(bǔ)償信號(hào)725使得發(fā)電機(jī)700的輸出功率215關(guān)于主控制信號(hào)730的傳遞函數(shù)對(duì)非線性負(fù)載205的阻抗的變化基本上不敏感，由此防止輸出功率215的不穩(wěn)定性，否則，將由于發(fā)電機(jī)700和非線性負(fù)載205的阻抗之間的相互影響而導(dǎo)致輸出功率215的不穩(wěn)定性。
在一些實(shí)施例中，補(bǔ)償信號(hào)有效地使得在上述方程1中的內(nèi)積為0。即，補(bǔ)償信號(hào)消除了功率放大器對(duì)非線性負(fù)載的阻抗的改變的敏感度。在其他實(shí)施例中，可以通過(guò)補(bǔ)償信號(hào)向功率放大器應(yīng)用額外的補(bǔ)償，來(lái)使得方程l中的內(nèi)積不為0，從而使得功率放大器和非線性負(fù)載的阻抗以特定的期望方式相互影響。在一些實(shí)施例中，可以由發(fā)電機(jī)的使用者指定該額外補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的發(fā)電機(jī)和非線性負(fù)載之間的相互影響。該額外補(bǔ)償可以提供例如在通過(guò)簡(jiǎn)單地消除功率放大器對(duì)負(fù)載阻抗的改變的敏感度而提供的穩(wěn)定性之外的額外穩(wěn)定性。
總之，本發(fā)明主要提供了用于修正發(fā)電機(jī)和非線性負(fù)載之間的相互影響的方法和裝置。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易認(rèn)識(shí)到，可以對(duì)本發(fā)明及其使用和配置進(jìn)行許多改變和替代，來(lái)實(shí)現(xiàn)與本文描述的實(shí)施例所實(shí)現(xiàn)的結(jié)果基本相同的結(jié)果。因此，并不意圖將本發(fā)明限定到所公開(kāi)的示例性形式。許多改變、修改和替代結(jié)構(gòu)落入所公開(kāi)的發(fā)明的在所附權(quán)利要求書(shū)中表明的范圍和精神內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種用于修正發(fā)電機(jī)和與所述發(fā)電機(jī)的輸出連接的非線性負(fù)載之間的相互影響的方法，所述方法包括在所述發(fā)電機(jī)的引擎的控制輸入處接收主控制信號(hào)，所述主控制信號(hào)控制所述發(fā)電機(jī)向所述非線性負(fù)載輸送的輸出功率、輸出電流和輸出電壓中的至少一個(gè)，所述引擎是功率放大器和轉(zhuǎn)換器之一；測(cè)量所述非線性負(fù)載的阻抗；以及向所述發(fā)電機(jī)饋送對(duì)應(yīng)于所測(cè)量的阻抗的補(bǔ)償信號(hào)，所述補(bǔ)償信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)的輸出功率關(guān)于所述主控制信號(hào)的傳遞函數(shù)對(duì)所述非線性負(fù)載的阻抗的改變基本上不敏感，以穩(wěn)定所述發(fā)電機(jī)的輸出功率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述主控制信號(hào)和所述補(bǔ)償信 號(hào)之和被饋送到所述控制輸入。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述補(bǔ)償信號(hào)是以下控制信號(hào) 之間的差 一控制信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)在所述非線性負(fù)載的阻抗是所測(cè)量 的阻抗時(shí)產(chǎn)生特定輸出功率；而另一控制信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生所述特 定輸出功率來(lái)輸送到參考阻抗中。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述補(bǔ)償信號(hào)被饋送到所述引 擎的與所述控制輸入分離的輔助控制輸入。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述輔助控制輸入是偏壓輸入。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，除了使得所述發(fā)電機(jī)的輸出功 率關(guān)于所述主控制信號(hào)的傳遞函數(shù)對(duì)所述非線性負(fù)載的阻抗的改變基本上 不敏感之外，所述補(bǔ)償信號(hào)還使得所述發(fā)電機(jī)以使用者指定的方式與所述 非線性負(fù)載的阻抗發(fā)生相互影響。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)電機(jī)是射頻發(fā)生器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述非線性負(fù)載包括等離子體。
9、 一種用于修正發(fā)電機(jī)和與所述發(fā)電機(jī)的輸出連接的非線性負(fù)載之間的相互影響的方法，所述方法包括測(cè)量所述非線性負(fù)載的阻抗；以及向所述發(fā)電機(jī)的引擎的控制輸入饋送主控制信號(hào)和補(bǔ)償信號(hào)之和，所 述弓I擎是功率放大器和轉(zhuǎn)換器之一 ，所述主控制信號(hào)控制所述發(fā)電機(jī)向所述非線性負(fù)載輸送的輸出功率、 輸出電流和輸出電壓中的至少一個(gè)，所述補(bǔ)償信號(hào)取決于所測(cè)量的阻抗，所述補(bǔ)償信號(hào)是以下控制信號(hào)之間的差 一控制信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)在所述非線性負(fù)載的阻抗是所測(cè)量的 阻抗時(shí)產(chǎn)生特定輸出功率；而另一控制信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生所述特定 輸出功率來(lái)輸送到參考阻抗中，所述補(bǔ)償信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)的輸出功率關(guān)于所述主控制信號(hào)的傳遞 函數(shù)對(duì)所述非線性負(fù)載的阻抗的改變基本上不敏感，以防止所述輸出功率 的不穩(wěn)定性，否則，將由于所述發(fā)電機(jī)和所述非線性負(fù)載的阻抗之間的相 互影響而導(dǎo)致所述輸出功率的不穩(wěn)定性。
10、 一種用于修正發(fā)電機(jī)和與所述發(fā)電機(jī)的輸出連接的非線性負(fù)載之 間的相互影響的方法，所述方法包括在所述發(fā)電機(jī)的引擎的主控制輸入處接收主控制信號(hào)，所述主控制信 號(hào)控制所述發(fā)電機(jī)向所述非線性負(fù)載輸送的輸出功率、輸出電流和輸出電 壓中的至少一個(gè)，所述引擎是功率放大器和轉(zhuǎn)換器之一；測(cè)量所述非線性負(fù)載的阻抗；以及向所述引擎的與所述主控制輸入分離的輔助控制輸入饋送補(bǔ)償信號(hào)， 所述補(bǔ)償信號(hào)取決于所測(cè)量的阻抗，所述補(bǔ)償信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)的輸出 功率關(guān)于所述主控制信號(hào)的傳遞函數(shù)對(duì)所述非線性負(fù)載的阻抗的改變基本 上不敏感，以防止所述輸出功率的不穩(wěn)定性，否則，將由于所述發(fā)電機(jī)和所述非線性負(fù)載的阻抗之間的相互影響而導(dǎo)致所述輸出功率的不穩(wěn)定性。
11、 一種發(fā)電機(jī)，包括引擎，包括控制輸入，所述控制輸入被配置來(lái)接收主控制信號(hào)，所述 主控制信號(hào)控制所述發(fā)電機(jī)向與所述發(fā)電機(jī)的輸出連接的非線性負(fù)載輸送 的輸出功率、輸出電流和輸出電壓中的至少一個(gè)，所述引擎是功率放大器 和轉(zhuǎn)換器之一；以及，補(bǔ)償子系統(tǒng)，包括阻抗測(cè)量電路，其測(cè)量所述非線性負(fù)載的阻抗；以及 補(bǔ)償信號(hào)生成電路，其向所述發(fā)電機(jī)饋送對(duì)應(yīng)于所測(cè)量的阻抗的補(bǔ) 償信號(hào)，所述補(bǔ)償信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)的輸出功率關(guān)于所述主控制信號(hào)的 傳遞函數(shù)對(duì)所述非線性負(fù)載的阻抗的改變基本上不敏感，以穩(wěn)定所述發(fā)電 機(jī)的輸出功率。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)電機(jī)，還包括求和電路，具有至少第一輸入與第二輸入以及輸出，所述第一輸入接 收所述主控制信號(hào)，所述第二輸入接收所述補(bǔ)償信號(hào)，所述求和電路的輸 出與所述控制輸入相連接，所述求和電路在其輸出處產(chǎn)生所述主控制信號(hào) 和所述補(bǔ)償信號(hào)之和。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)電機(jī)，其中，所述補(bǔ)償信號(hào)是以下控制信號(hào)之間的差 一控制信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)在所述非線性負(fù)載的阻抗是所測(cè)量的阻抗時(shí)產(chǎn)生特定輸出功率；而另一控制信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生所述特定輸出功率來(lái)輸送到參考阻抗中。
14、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)電機(jī)，其中，所述引擎還包括與所述控制輸入分離的輔助控制輸入，所述輔助控制輸入接收所述補(bǔ)償信號(hào)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)電機(jī)，其中，所述輔助控制輸入是偏壓 輸入。
16、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)電機(jī)，其中，除了使得所述發(fā)電機(jī)的輸 出功率關(guān)于所述主控制信號(hào)的傳遞函數(shù)對(duì)所述非線性負(fù)載的阻抗的改變基 本上不敏感之外，所述補(bǔ)償信號(hào)還使得所述發(fā)電機(jī)以使用者指定的方式與 所述非線性負(fù)載的阻抗發(fā)生相互影響。
17、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)電機(jī)，其中，所述發(fā)電機(jī)是射頻發(fā)生器。
18、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)電機(jī)，其中，所述非線性負(fù)載包括等離子體。
19、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)電機(jī)，其中，所述補(bǔ)償信號(hào)生成電路包 括針對(duì)多個(gè)輸出功率電平中的每一個(gè)的査找表，所述查找表將所測(cè)量的阻 抗的一組離散值映射到所述補(bǔ)償信號(hào)的對(duì)應(yīng)的一組離散值。
20、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)電機(jī)，其中，所述發(fā)電機(jī)的源阻抗與參 考負(fù)載阻抗的復(fù)共軛基本不同。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)電機(jī)，其中，所述參考負(fù)載阻抗是50 歐姆。
22、 一種發(fā)電機(jī)，包括引擎，包括控制輸入，所述引擎是功率放大器和轉(zhuǎn)換器之一； 補(bǔ)償子系統(tǒng)，包括-阻抗測(cè)量電路，其測(cè)量與所述發(fā)電機(jī)的輸出連接的非線性負(fù)載的阻 抗；以及補(bǔ)償信號(hào)生成電路，其生成取決于所測(cè)量的阻抗的補(bǔ)償信號(hào)；以及 求和電路，其具有至少第一輸入與第二輸入以及輸出，所述第一輸入 接收主控制信號(hào)，所述主控制信號(hào)控制所述發(fā)電機(jī)向所述非線性負(fù)載輸送 的輸出功率、輸出電流和輸出電壓中的至少一個(gè)，所述第二輸入接收所述補(bǔ)償信號(hào)，所述求和電路的輸出與所述控制輸入相連接，所述求和電路在 其輸出處產(chǎn)生所述主控制信號(hào)和所述補(bǔ)償信號(hào)之和，所述補(bǔ)償信號(hào)是以下控制信號(hào)之間的差 一控制信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī) 在所述非線性負(fù)載的阻抗是所測(cè)量的阻抗時(shí)產(chǎn)生特定輸出功率；而另一控 制信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生所述特定輸出功率來(lái)輸送到參考阻抗中，所述補(bǔ)償信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)的輸出功率關(guān)于所述主控制信號(hào)的傳遞 函數(shù)對(duì)所述非線性負(fù)載的阻抗的改變基本上不敏感，以防止所述輸出功率 的不穩(wěn)定性，否則，將由于所述發(fā)電機(jī)和所述非線性負(fù)載的阻抗之間的相 互影響而導(dǎo)致所述輸出功率的不穩(wěn)定性。
23、 一種發(fā)電機(jī)，包括引擎，包括主控制輸入和輔助控制輸入，所述主控制輸入接收主控制 信號(hào)，所述主控制信號(hào)控制所述發(fā)電機(jī)向與所述發(fā)電機(jī)的輸出連接的非線 性負(fù)載輸送的輸出功率、輸出電流和輸出電壓中的至少一個(gè)，所述引擎是 功率放大器和轉(zhuǎn)換器之一；以及補(bǔ)償子系統(tǒng)，包括阻抗測(cè)量電路，其測(cè)量所述非線性負(fù)載的阻抗；以及補(bǔ)償信號(hào)生成電路，其向所述輔助控制輸入饋送取決于所測(cè)量的阻 抗的補(bǔ)償信號(hào)，所述補(bǔ)償信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)的輸出功率關(guān)于所述主控制 信號(hào)的傳遞函數(shù)對(duì)所述非線性負(fù)載的阻抗的改變基本上不敏感，以防止所 述輸出功率的不穩(wěn)定性，否則，將由于所述發(fā)電機(jī)和所述非線性負(fù)載的阻 抗之間的相互影響而導(dǎo)致所述輸出功率的不穩(wěn)定性。
全文摘要
本文描述了用于修正發(fā)電機(jī)和非線性負(fù)載之間的相互影響的方法和裝置。一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例進(jìn)行以下操作在所述發(fā)電機(jī)的引擎的控制輸入處接收主控制信號(hào)，所述主控制信號(hào)控制所述發(fā)電機(jī)向所述非線性負(fù)載輸送的輸出功率、輸出電流和輸出電壓中的至少一個(gè)，所述引擎是功率放大器和轉(zhuǎn)換器之一；測(cè)量所述非線性負(fù)載的阻抗；以及向所述發(fā)電機(jī)饋送對(duì)應(yīng)于所測(cè)量的阻抗的補(bǔ)償信號(hào)，所述補(bǔ)償信號(hào)使得所述發(fā)電機(jī)的輸出功率關(guān)于所述主控制信號(hào)的傳遞函數(shù)對(duì)所述非線性負(fù)載的阻抗的改變基本上不敏感，以穩(wěn)定所述發(fā)電機(jī)的輸出功率。
文檔編號(hào)G01R27/04GK101688890SQ200880017443
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月26日
發(fā)明者G·J·萬(wàn)茲爾 申請(qǐng)人:先進(jìn)能源工業(yè)公司