專利名稱：具有保護(hù)電路的電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于供應(yīng)交流電的電源，尤其涉及用于電源的開關(guān)部分的保護(hù)電路。
射頻(RF)能量被用于許多工業(yè)中，用于通過感應(yīng)加熱、介電加熱和等離子體激發(fā)處理材料。等離子體激發(fā)可以呈電感、電容、或?qū)嶋H電磁(EM)波、微波、或耦合的形式。提供RF能量的發(fā)生器利用許多電路拓?fù)?，其范圍從提供幾十瓦的一?jí)A晶體管放大器到提供數(shù)千瓦的自振蕩管(電子管)發(fā)生器。
半導(dǎo)體制造工業(yè)利用RF等離子體淀積和刻蝕微和亞微尺寸的膜。用于這種場合的一種典型的電源可以由電網(wǎng)頻率的變壓器/整流器/電容器直流電源和高頻(HF)線性功率放大器構(gòu)成。典型的功率和頻率值可以高達(dá)10KW，頻率范圍為400KHz到60.0MHz。線性功率放大器使用具有高的功率耗散能力的高頻/甚高頻(HF/VHF)功率晶體管。這種電源或發(fā)生器在100∶1的輸出負(fù)載范圍內(nèi)應(yīng)當(dāng)具有可以以1或2％的精度控制的功率。通常，所述發(fā)生器被專門配置，使得輸出到一個(gè)通常是50歐姆的確定的負(fù)載，但是應(yīng)當(dāng)能夠驅(qū)動(dòng)任何負(fù)載，即使在配合不當(dāng)，沒有故障的情況下。典型的保護(hù)方法是減少功率。例如，線性放大器的驅(qū)動(dòng)級(jí)被減少，相應(yīng)地減少電流或功率消耗。在50歐姆的系統(tǒng)中，測量離開50歐姆的偏差作為反射功率。減少驅(qū)動(dòng)級(jí)是為了限制反射功率。


圖1表示一種典型的變壓器耦合的推挽RF功率放大器，其中具有開關(guān)或由不同相的正弦波驅(qū)動(dòng)的晶體管S1，S2。5元件的諧波消除濾波器包括電感L1，L2，以及電容C1，C2和C4。諧波消除濾波器一般用于確保高純度的或者均勻的正弦波輸出。所示出的是一種沒有偏置的電路，可以是AB類或B類。一般使用雙極結(jié)晶體管(BJT)或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。變壓器T1具有被這樣選擇的變比，使得對(duì)于給定的直流電源電壓，通常為28V或50V，匹配所需的功率。詳細(xì)的電路符合用于通信的寬帶HF/VHF功率放大器設(shè)計(jì)的工業(yè)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。
圖1的放大器具有一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，然而具有若干缺點(diǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)在于其寬帶設(shè)計(jì)，其輸出頻率容易通過改變驅(qū)動(dòng)頻率或輸入頻率被簡單地改變。對(duì)于給定的輸出頻率，只需要改變輸出濾波器。如果放大器的基本線性度/純度足夠好，可以完全省去濾波器。圖1的電路在缺點(diǎn)在于，其效率低，并且具有高的晶體管功率損耗。在理論上，其效率不可能超過70％，而實(shí)際上，不大于50％。為了解決高功率損耗的問題，許多應(yīng)用中使用昂貴的專用RF晶體管，這種晶體管通常使用鈹?shù)难趸?BEo)低熱阻技術(shù)。這通常需要大的風(fēng)冷或水冷的散熱器。關(guān)于RF線性放大器的設(shè)計(jì)，發(fā)表過大量的數(shù)據(jù)。任何打算設(shè)計(jì)發(fā)生器的電源制造著都可以放心地使用晶體管制造著提出的電路。
由圖2可見，圖2的電路利用一種不同的操作方式，從而具有高的效率和低的功率耗散。在圖2的電路中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被規(guī)定為方波，使得晶體管處于開關(guān)操作方式而不是線性操作方式。即，圖1的開關(guān)或晶體管S1，S2在完全截止和完全導(dǎo)通之間的區(qū)域內(nèi)操作。而圖2的開關(guān)或晶體管S1，S2通過從完全導(dǎo)通到完全截止的轉(zhuǎn)換進(jìn)行操作。變壓器T1的輸出是方波。4元件濾波器包括電感L1，L2和電容C，C2，用于濾出所需的基本頻率，從而產(chǎn)生正弦輸出。電容器C4被除去，從而使濾波器具有感性輸入，以便濾除諧波電流。雖然晶體管的電壓和變壓器的電壓是方波，但是電流是正弦的。其效率可以達(dá)到100％，一般在80-95％的范圍內(nèi)。這種電路一般叫做諧振變換器或逆變器而不叫放大器。
圖2的電路具有一些缺點(diǎn)。其中的濾波器按照特定的輸出頻率被充分地選擇，因此只能在一個(gè)固定的頻率范圍或頻帶上操作。此外，輸出功率不能被直接地控制。和圖1不同，圖2的電路不能直接和線路電壓或電源插座電壓相連。此外，圖2的直流輸入需要使用附加的功率變換器進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述功率變換器一般使用開關(guān)方式變換器實(shí)現(xiàn)。另外，不匹配的負(fù)載可以在濾波器和晶體管之間產(chǎn)生大的循環(huán)電流。所述循環(huán)電流不必通過限制直流輸入電流進(jìn)行限制。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種具有直流輸入的電源電路，用于向負(fù)載提供交流功率。逆變器產(chǎn)生交流輸出，并且輸出電路直接接收所述交流輸出，并將其饋送給負(fù)載。所述輸出電路包括第一和第二整流器，它們被連接在輸出電路中的一點(diǎn)，使得如果逆變器試圖驅(qū)動(dòng)該點(diǎn)的電壓超過預(yù)定的正電壓或預(yù)定的負(fù)電壓時(shí)，第一和第二整流器中的一個(gè)則導(dǎo)通，從而使電壓與/或電流返回直流電壓的電源。所述電壓與/或電流被回饋到逆變器。這可以這樣來實(shí)現(xiàn)，例如，使第一整流器連接在地或直流輸入的負(fù)輸入和所述的點(diǎn)之間，并把第二整流器連接在所述的點(diǎn)和直流電壓的正輸入之間。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)每個(gè)整流器導(dǎo)通時(shí)，其把所述的點(diǎn)箝位到其相關(guān)的直流輸入的各自的輸入的電壓。所述整流器可以用二極管來實(shí)施。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述整流器可以和單獨(dú)的一個(gè)電壓源或幾個(gè)電壓源相連，并對(duì)于由一個(gè)或幾個(gè)電壓源確定的電壓進(jìn)行箝位。如果，例如，第一和第二整流器使用齊納二極管實(shí)施，則本發(fā)明包括恒定的電壓耗散器(voltage sink)。齊納二極管至少可以耗散一些電壓與/或電流，因而，它們可以具有相關(guān)的晶體管，通過所述晶體管可以耗散較多的能量。在每種情況下，所述能量的耗散通過發(fā)熱進(jìn)行。齊納二極管可以背對(duì)背地連接。使得每個(gè)二極管對(duì)于其它的二極管起整流作用。另外，和每個(gè)齊納二極管串聯(lián)使用合適的單獨(dú)的整流二極管或整流電路。在第一和第二二極管被連接在所述點(diǎn)的每一側(cè)的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)二極管可以通過形成二極管鏈，例如Shottky二極管來實(shí)現(xiàn)，并且這些二極管可以被形成在一個(gè)陶瓷襯底上。
所述逆變器可以包括至少兩個(gè)開關(guān)器件。所述電源電路也可以包括和所述兩個(gè)開關(guān)器件之間的一個(gè)點(diǎn)連接的電感，使得所述器件和任何相關(guān)的電容的充放電基本上借助于感性電流來實(shí)現(xiàn)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種電源電路，其具有直流輸入端，并向負(fù)載提供交流功率。逆變器產(chǎn)生交流輸出，輸出電路直接接收所述交流輸出并將其饋送給負(fù)載。所述輸出電路還包括恒定的電壓耗散器，如果逆變器試圖驅(qū)動(dòng)電路中的一個(gè)預(yù)定點(diǎn)達(dá)到位于一個(gè)預(yù)定的電壓范圍之外的電壓，則所述電壓耗散器用于耗散電壓與/或電流。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供一種電源，其包括電源輸出和按照上述限定的第一和第二電源電路。第一和第二電源電路的每個(gè)的輸出和和所述電源輸出并聯(lián)。各個(gè)交流信號(hào)源切換第一和第二電源電路的逆變器，并控制用于改變所述信號(hào)源的相對(duì)相位的電路，從而調(diào)節(jié)電源輸出的功率。所述電源電路可以串聯(lián)或并聯(lián)。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供一種電源，用于向負(fù)載供應(yīng)交流電流。提供第一和第二電源電路，每個(gè)包括逆變器。一個(gè)交流信號(hào)源提供交流信號(hào)，用于切換所述逆變器并被提供給各個(gè)功率輸出。所述各個(gè)功率輸出通過諧波濾波器和所述電源輸出并聯(lián)或串聯(lián)?？刂齐娐犯淖兯鼋涣餍盘?hào)的相對(duì)相位，用于調(diào)節(jié)所述電源輸出的功率。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，一種用于電壓逆變器的輸入電路具有至少兩個(gè)開關(guān)器件。所述電路包括被連接在所述器件之間的一個(gè)點(diǎn)的電感，使得對(duì)所述器件以及任何相關(guān)的電容基本上通過感性電流進(jìn)行充電和放電。
為了更充分地理解本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合附圖參閱下面的說明。
本發(fā)明可以用多種方式實(shí)現(xiàn)，下面結(jié)合附圖以舉例方式說明一些特定的相關(guān)的發(fā)明，其中圖1和圖2是如上所述的現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)施的電路拓?fù)?；圖3是按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的電源電路；圖4說明一個(gè)相關(guān)的發(fā)明，其中電路被串聯(lián)以便產(chǎn)生組合的輸出；圖5說明一個(gè)相關(guān)的發(fā)明，其中電路被并聯(lián)以便產(chǎn)生組合的功率輸出；圖6說明一個(gè)相關(guān)的發(fā)明，其中每半橋開關(guān)橋被一對(duì)箝位二極管保護(hù)；圖7說明一個(gè)相關(guān)的發(fā)明，其中諧振電路和一個(gè)開關(guān)提供輸出，并且其中一對(duì)箝位二極管保護(hù)所述電路。
圖8是圖7的電路的三級(jí)實(shí)現(xiàn)的電路；圖9是表示半橋逆變器和保護(hù)電路的相關(guān)的發(fā)明；圖10-12說明取決于特定的開關(guān)器件的開關(guān)器件的其它的結(jié)構(gòu)；圖13是具有和一個(gè)箝位二極管并聯(lián)的電容器的電路；圖14是具有和每個(gè)箝位二極管并聯(lián)的電容器的電路；圖15是具有在串聯(lián)的電容和二極管上的分壓電壓的電路；圖16是表示諧振電路中的電感和RC電路的電路；圖17是用于改善濾波器網(wǎng)絡(luò)的操作的MOSFET電路；圖18是用于解決器件電容的用于逆變器的另一種輸入電路；圖19是使用多個(gè)FET實(shí)現(xiàn)的用于解決器件電容的逆變器電路；圖20是圖18的輸入電路的改進(jìn)；圖21表示具有附加的LC串聯(lián)電路的逆變器；圖22是用于改變箝位電壓的電源電路；圖23-26是用于圖22的逆變器的另一種恒壓吸收裝置；圖27a-27m是從具有保護(hù)電路的示例的半橋逆變器取的波形；圖28a-28f是從不包括保護(hù)電路的示例的半橋逆變器取的對(duì)照波形；圖29是電源控制電路的方塊圖；圖30是利用保護(hù)電路的等離子體系統(tǒng)的方塊圖；圖31是圖30的控制電路的匹配網(wǎng)絡(luò)。
參見圖3，電壓逆變器電路在整體上用標(biāo)號(hào)10表示，并具有直流(DC)電壓源輸入端11和交流(AC)輸出端12。從一開始便應(yīng)當(dāng)注意，開關(guān)一般用S加以數(shù)字表示，電容器用C加以數(shù)字表示，電感用L加以數(shù)字表示，二極管用D加以數(shù)字表示，并且變壓器用T加以數(shù)字表示。此外，在具有一般對(duì)稱的拓?fù)涞碾娐分?，上述的每個(gè)標(biāo)號(hào)可以加以字母下標(biāo)，用于表示類似的對(duì)稱元件。
開關(guān)S1，S2從信號(hào)源或發(fā)生器13接收作為輸入的不同相方波信號(hào)。所述方波信號(hào)以這樣的方式使開關(guān)S1，S2導(dǎo)通，使得當(dāng)開關(guān)S1或S2導(dǎo)通時(shí)加于電感器L1上的電壓的極性相反。當(dāng)信號(hào)源13以這樣的方式驅(qū)動(dòng)開關(guān)S1，S2時(shí)，開關(guān)S1，S2和電容C3協(xié)同操作把直流輸入信號(hào)逆變成被加于電感器L1的交流信號(hào)。這在12產(chǎn)生一個(gè)交流輸出，利用電容器C4隔離直流分量。在12的輸出信號(hào)的頻率取決于由信號(hào)源13輸出的信號(hào)的頻率。包括電感器L1，L2和電容器C1，C2的4元件諧波濾波器的操作基本上如上所述。電感器L1和電容器C1形成第一級(jí)諧波濾波器，電感器L2和電容器C2形成第二級(jí)諧波濾波器。輸出濾波器除去輸入到電感器L1的諧波分量，從而改善輸出的正弦波的純度，并對(duì)于給定的輸入電壓使所需的輸出功率和輸出阻抗相匹配，所述輸出阻抗一般為50歐姆。
如上所述，圖1和圖2的電路易于因不匹配的負(fù)載產(chǎn)生的大的循環(huán)電流而損壞。在第一級(jí)和第二級(jí)諧波濾波器之間插入的一對(duì)箝位二極管或整流器D1，D2避免由于循環(huán)電流而導(dǎo)致的可能的破壞。二極管D2從直流輸入源11的負(fù)干線延伸直到節(jié)點(diǎn)X。二極管D1從節(jié)點(diǎn)X延伸直到直流輸入源11的正干線。在操作中，如果電路試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)X沿一個(gè)方向或另一個(gè)方向超過干線電壓，則和所述干線相連的二極管導(dǎo)通而流過電流。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，該二極管箝位節(jié)點(diǎn)X到干線電壓，并把過量的電壓與/或電流返回逆變器，特別是輸入源11和電容器C3。更具體地說，如果電路試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)X高于直流輸入11的正干線電壓，則二極管D1導(dǎo)通，從而提供一個(gè)電流通路，該通路包括開關(guān)S2的本體二極管，回到直流輸入電壓源11和電容器C3。類似地，如果所述電路試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)X低于直流電源11的負(fù)干線，則二極管D2導(dǎo)通，從而提供電流回路，所述回路包括開關(guān)S1的本體二極管，回到直流輸入電源11和電容器C3。當(dāng)不匹配的負(fù)載的影響隨頻率而增加時(shí)，圖3的電路能夠使逆變器在以前難于達(dá)到的頻率下使用。
圖4示出了一個(gè)相關(guān)的發(fā)明，其中兩個(gè)電源電路的輸出串聯(lián)設(shè)置。圖4包括呈全橋結(jié)構(gòu)的兩個(gè)半橋部分A和B。圖4的電路通過改變被施加于兩個(gè)半橋A和B的每個(gè)上的開關(guān)信號(hào)之間的相位，能夠調(diào)節(jié)輸出端12的功率。
圖4的第一個(gè)半橋包括一對(duì)開關(guān)S1A，S2A，它們接收由信號(hào)源13A輸出的一對(duì)交流信號(hào)。開關(guān)S1A，S2A被串聯(lián)在直流電源11的正負(fù)電壓干線之間。開關(guān)S1A，S2A的輸出被施加于電感器L1A，其和電感器L2A，電容器C1A，C2A組合而形成兩級(jí)的4元件諧波濾波器。第一箝位二極管D1A具有和直流輸入電壓源11的正干線相連的負(fù)端或陰極，以及被連接在電感器L1A，L2A之間的正端或陽極。第二箝位二極管D2A具有和直流輸入電壓源11的負(fù)干線相連的正端或陽極，以及被連接在箝位二極管D1A的正端的負(fù)端或陰極。諧波濾波器的輸出和變壓器T1的第一端抽頭相連。
箝位二極管D1A，D2A對(duì)圖4的左半橋提供保護(hù)。當(dāng)電路試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)XA的電壓高于直流電源11的正干線時(shí)，二極管D1A導(dǎo)通，從而把節(jié)點(diǎn)XA的電壓箝位到近似于直流輸入電源11的正干線電壓，并提供返回直流輸入電源11和電容器C3的通路。類似地，當(dāng)電路試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)XA的電壓低于直流電源11的負(fù)干線時(shí)，二極管D2A導(dǎo)通，從而把節(jié)點(diǎn)XA的電壓箝位到近似于直流輸入電源11的負(fù)干線電壓，并提供返回直流輸入電源11和電容器C3的電路通路。從而保護(hù)圖4的左半橋部分。
圖4的電路還包括第二半橋部分即半橋部分B，其包括開關(guān)S1B，S2B。信號(hào)源13B向開關(guān)S1B，S2B輸出一對(duì)交流信號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意，信號(hào)源13A，13B被組合而成為一個(gè)單元。半橋部分B還包括具有電感器L1B，L2B，和電容器C1B，C2B的4元件兩級(jí)諧波濾波器。半橋部分B還包括被設(shè)置在其中的一對(duì)箝位二極管D1B，D2B，如在半橋部分A中所述。來自電路半橋部分B的輸出和變壓器T1的端抽頭相連。半橋部分B的操作和對(duì)于半橋部分A所述的操作相同。變壓器T1用于提供電路半橋部分A、B和輸出12之間的隔離。電路半橋部分A和B通過變壓器T1的輸入線圈串聯(lián)連接。
電路半橋部分A，B串聯(lián)連接，使得通過改變控制每個(gè)半橋部分的開關(guān)信號(hào)之間的相位可以改變輸出端12的功率。具體地說，當(dāng)開關(guān)S1A，S1B被同時(shí)接通和斷開時(shí)，開關(guān)S1A，S1B被稱為同相操作，或以0度相位操作。相反地，如果開關(guān)S1B導(dǎo)通時(shí)開關(guān)S1A截止，并且如果開關(guān)S1B截止時(shí)開關(guān)S1A導(dǎo)通，則所述開關(guān)被稱為不同相操作，或在以180度相位操作。類似的說法適用于開關(guān)S2A，S2B的每個(gè)開關(guān)。每個(gè)半橋部分A，B之間的相位通過相位控制器14被確定，其對(duì)每個(gè)信號(hào)源13A，13B提供輸出信號(hào)，以便改變每個(gè)電路半橋部分之間的相對(duì)相位。當(dāng)電路半橋部分A和B以180度相位或不同相操作時(shí)，在輸出端12產(chǎn)生最大功率。當(dāng)電路半橋部分A和B以0度相位或同相操作時(shí)，在輸出端12產(chǎn)生最小功率。當(dāng)相位是0時(shí)，每個(gè)半橋部分被看作開路而和負(fù)載阻抗無關(guān)。變壓器T1用于實(shí)現(xiàn)輸出的串聯(lián)組合，并且在輸出端12之前不需要隔直電容器。在每個(gè)半橋部分A、B中形成諧波濾波器的電路元件必須匹配或相等，以便確保在0相位時(shí)為0輸出。例如，L1A，L2A，C1A，和C2A的值應(yīng)當(dāng)?shù)扔贚1B，L2B，C1B，和C2B的值。
圖5說明一個(gè)相關(guān)的發(fā)明，其中第一個(gè)半橋部分A和第二個(gè)半橋部分B并聯(lián)組合。電路半橋部分A包括一對(duì)開關(guān)S1A，S2A，其接收來自信號(hào)發(fā)生器13A的各個(gè)交流輸入信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器13A可以和信號(hào)源13B組合而成為一個(gè)單元。開關(guān)S1A，S2A被串聯(lián)在直流輸入電源11的正負(fù)干線之間。開關(guān)S1A，S2A的輸出被施加于包括電感器L1A，L2A，和電容器C1A，C2A的4元件兩級(jí)諧波濾波器。
一對(duì)箝位二極管D1A，D2A被串聯(lián)設(shè)置在直流輸入電源11的正干線和負(fù)干線之間，二極管D1A的負(fù)端或陰極和直流電源的正干線相連，其正端和節(jié)點(diǎn)XA相連。二極管D2A的負(fù)端或陰極和節(jié)點(diǎn)XA相連，其正端和直流電源11的負(fù)干線相連。電路半橋部分A的輸出按照直流輸入電源11的負(fù)干線和4元件濾波器的輸出之間的電壓被確定。濾波器的輸出被施加到隔直電容C4，其隔離輸出信號(hào)的直流分量。電容器C4還和輸出12相連。在操作時(shí)，箝位二極管D1A，D2A保護(hù)電路半橋部分A的電路元件，當(dāng)電路試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)XA的電壓超過由直流電源11的正負(fù)干線確定的預(yù)定門限時(shí)，所述箝位二極管便提供到直流輸入電源11和電容器C3的電路通路。
電路半橋部分B的結(jié)構(gòu)和操作與電路半橋部分A類似。在如圖5所示的電路半橋部分A和B的并聯(lián)連接中，通過改變各個(gè)半橋部分A和B之間的操作相位，可以改變?cè)谳敵龆?2輸出的功率。具體地說，當(dāng)開關(guān)半橋部分A，B以0度或同相操作時(shí)，在輸出端12產(chǎn)生最大功率。相反地，當(dāng)開關(guān)半橋部分A，B以180度或不相同操作時(shí)，則發(fā)生短路，在輸出端12產(chǎn)生最小功率。相位控制器14對(duì)各個(gè)信號(hào)發(fā)生器13A，13B提供控制信號(hào)，以便控制每個(gè)電路半橋部分A，B之間的相對(duì)相位。在180度相位時(shí)，每個(gè)電路半橋部分被短路而和負(fù)載阻抗無關(guān)。注意因?yàn)殡娙軨2A和C2B并聯(lián)，它們可以被合并成一個(gè)元件。在每個(gè)電路半橋部分A和B中形成諧波濾波器的電路元件必須匹配或相等，以便確保在180度相位時(shí)為0輸出。例如，L1A，L2A，C1A，和C2A的值應(yīng)當(dāng)?shù)扔贚1B，L2B，C1B，和C2B的值。
圖6示出了具有電路半橋部分A，B的一種電路，所述電路半橋部分協(xié)同操作，從而對(duì)輸出端12之前的公共元件提供信號(hào)。電路半橋部分A包括在直流輸入電源11的正負(fù)干線之間并聯(lián)設(shè)置的一對(duì)開關(guān)S1A，S2A。開關(guān)S1A，S2A的輸出被輸入給電感器L1A。信號(hào)源或發(fā)生器13A輸出用于控制開關(guān)S1A，S2B的啟動(dòng)的交流信號(hào)。電路半橋部分B包括在直流輸入電源11的正負(fù)干線之間串聯(lián)設(shè)置的一對(duì)開關(guān)S1B，S2B。開關(guān)S1B，S2B的輸出被輸入到電感器L1B。信號(hào)源或發(fā)生器13B提供交流信號(hào)，用于控制各個(gè)開關(guān)S1B，S2B的接通和斷開，它可以和信號(hào)源13A合并成一個(gè)單元。
一對(duì)箝位二極管D1，D2和各個(gè)開關(guān)對(duì)S1A，S2A以及S1B，S2B并聯(lián)設(shè)置。當(dāng)電路半橋部分A，B試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)XY超過由直流輸入電源11的正負(fù)干線限定的門限電壓時(shí)，箝位二極管D1，D2提供返回到直流輸入電源11和電容器C3的電路通路。
電容器C1被設(shè)置在直流電源11和節(jié)點(diǎn)XY之間。直流電源11的負(fù)干線和節(jié)點(diǎn)XY之間的電壓確定由電感器L2和電容器C2構(gòu)成的濾波器的輸入電壓，其形成由電感器L1A，L2B，L2和電容器C1，C2構(gòu)成的第二級(jí)諧波濾波器。電容器C1和各個(gè)電感器L1A，L2B協(xié)同操作，提供第一級(jí)諧波濾波器。在信號(hào)被在輸出端12輸出之前，隔直電容器C4除去信號(hào)的直流分量。
當(dāng)電路半橋部分A，B試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)XY高于直流電源11的正干線電壓，或者低于直流電源11的負(fù)干線電壓時(shí)，箝位二極管D1，D2提供返回直流電源11和電容器C3的電路通路。因而，不論電路半橋部分A，B中的哪一個(gè)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)XY超過上述的預(yù)定門限，箝位二極管則進(jìn)行操作，通過提供返回直流電源11和電容器C3的電路通路，保護(hù)圖6所示的電路。
圖6的電路還包括相位控制器14，用于借助于對(duì)各個(gè)信號(hào)源13A，13B產(chǎn)生控制信號(hào)控制電路半橋部分A，B之間的相對(duì)相位。在圖6中，當(dāng)開關(guān)半橋部分A，B以同相或0度相位操作時(shí)，在輸出端12提供最大功率，當(dāng)電路半橋部分A，B以不同相或180度相位操作時(shí)，則提供最小功率。在圖6的電路中，電感器L1A，L1B必須匹配，以便確保在180度相位時(shí)產(chǎn)生0輸出。
圖7說明具有電路半橋部分A，B的一種電路，其中所述電路半橋部分被并聯(lián)組合，從而在輸出端12輸出交流信號(hào)。參看電路半橋部分A，其中開關(guān)S1A接收來自信號(hào)源13A的交流信號(hào)。開關(guān)S1A和換向電感器L3A被串聯(lián)設(shè)置在直流電源11的正負(fù)干線之間。電容器C6A和開關(guān)S1A并聯(lián)設(shè)置。換向電感L3A和電容器C6A協(xié)同操作形成諧振電路，使得電路半橋部分A提供一個(gè)單端的逆變器功能。所述諧振電路輸出半整流的正弦波。隔直電容C7A除去從開關(guān)S1A和換向電感L3A輸出的信號(hào)中的直流分量。電容器C7A把交流信號(hào)連接在一起，從而確保在每個(gè)器件上加有相同的交流電壓，如圖8所示。注意L3A和L3B可以交互耦合，以有利于使其負(fù)擔(dān)相等。電感器L3A對(duì)L1A的比確定開關(guān)S1A的應(yīng)力的改變。如果通過電感器L3A的電比通過電感器L1A的電流較大，則由于通過電感器L1A的負(fù)載的變化將具有限制開關(guān)S1A上的應(yīng)力的效果。圖7的電路具有的缺點(diǎn)是，其產(chǎn)生偶次諧波，并且加于C7A上的直流電壓在某種程度上依賴于負(fù)載。這意味著，在一些負(fù)載改變時(shí)，可能流過瞬時(shí)充電電流。隔直電容器C7A的輸出是電感器L1A的輸入。
第二開關(guān)半橋部分B包括由信號(hào)源13B輸出的交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)的開關(guān)S1B。開關(guān)S1B和換向電感L3B在直流輸入電源11的正負(fù)干線之間串聯(lián)連接。電容器C6B和開關(guān)S1B并聯(lián)。換向電感L3B和電容器C6B構(gòu)成諧振電路。開關(guān)S1B和電感器L3B的輸出被加于隔直電容C7B，其從信號(hào)中除去直流分量。電感器L1B和電容器C7B相連。
電感器L1A和L1B在節(jié)點(diǎn)XZ相互連接，并對(duì)電感器L2和電容器C2提供輸出。電容器C2的另一端和直流電源11的負(fù)干線相連。電容器C1被連接在直流電源11的負(fù)干線和節(jié)點(diǎn)XZ之間。因而，電感器L1A，L2和電容器C1，C2形成用于電路半橋部分A的輸出的兩級(jí)諧波濾波器。類似地，電感器L1B，L2和電容器C1，C2形成用于電路半橋部分B的輸出的兩級(jí)諧波濾波器。隔直電容C4用于除去在輸出端12提供的信號(hào)中的直流分量。
圖7還包括在電壓源11的正負(fù)干線之間串聯(lián)設(shè)置的一對(duì)箝位二極管D1，D2。二極管D1的負(fù)端或陰極和直流電源11的正端相連，二極管D1的正端或陽極和節(jié)點(diǎn)ZX相連。二極管D2的負(fù)端或陰極和節(jié)點(diǎn)XZ相連，并且二極管D2的正端或陽極和直流電源11的負(fù)干線相連。
當(dāng)電路半橋部分A，B試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)XZ的電壓超過預(yù)定門限時(shí)，箝位二極管D1，D2中的一個(gè)便導(dǎo)通，借以提供從節(jié)點(diǎn)XZ返回直流電源11和電容器C3的電路通路。例如，當(dāng)圖7的電路試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)XZ的電壓超過直流電源11的正干線的電壓時(shí)，二極管D1便導(dǎo)通，借以對(duì)過量的電壓和電流提供返回到直流電源11和電容器C3的電路通路。類似地，當(dāng)電路試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)XZ的電壓低于直流輸入電源11的負(fù)干線的電壓時(shí)，則二極管D2導(dǎo)通，從而提供返回到直流輸入電源11和電容器C3的電路通路。
圖7的電路半橋部分A，B相互并聯(lián)設(shè)置。當(dāng)控制開關(guān)S1A和開關(guān)S1B的控制信號(hào)的相對(duì)相位為同相或0度時(shí)，輸出端12接收最大功率。相反地，當(dāng)控制開關(guān)S1A和開關(guān)S1B的控制信號(hào)的相對(duì)相位為不同相或180度時(shí)，輸出端12接收最小功率。相位控制器14通過對(duì)每個(gè)信號(hào)源13A，13B提供輸入信號(hào)，改變電路半橋部分A，B之間的相對(duì)相位。形成每個(gè)電路半橋部分A，B中的諧波濾波器的電路元件必須匹配或相等，以便確保180度的輸出相位。例如，L1A，L2A，C1A，和C2A的值應(yīng)當(dāng)?shù)扔贚1B，L2B，C1B，和C2B的值。
圖7所示的電路的一個(gè)特定優(yōu)點(diǎn)是，在高頻操作期間，在相同的電路通路內(nèi)交替地驅(qū)動(dòng)開關(guān)將更加困難。借助于利用由電感器L3和電容器C6形成的諧振電路，使得要求的特定電路半橋部分的開關(guān)轉(zhuǎn)換的精度較小。
圖8表示圖8的單端逆變器電路的3級(jí)實(shí)現(xiàn)。圖8包括一對(duì)電路半橋部分A，B，其中每個(gè)電路半橋部分包括由一撇(’)、兩撇(”)和三撇(”’)表示的三級(jí)。參看電路半橋部分A，其中的每級(jí)包括用于接收來自信號(hào)源13A的交流信號(hào)的開關(guān)S1A。開關(guān)S1A和電感器L3A相連，并和電容器C6A并聯(lián)。電感器L3A和電容器C6A協(xié)同操作構(gòu)成諧振電路。電感器L3A和開關(guān)S1A的輸出是隔直電容C7A的輸入，其用于除去電感器L3A和開關(guān)S1A的輸出中的直流分量。電容器C5A和串聯(lián)連接的開關(guān)S1A，電感器L3A并聯(lián)設(shè)置。每個(gè)開關(guān)S1A’，S1A”，S1A”’接收來自信號(hào)源13A的模擬信號(hào)。
電容器C5A’，C5A”，C5A”’對(duì)三級(jí)進(jìn)行解耦。每個(gè)電容器C5A’，C5A”，C5A”’通過電流并隔離AC，因而對(duì)每級(jí)的每個(gè)直流部分提供一個(gè)電流環(huán)。電容器C7A’，C7A”，C7A”’把每級(jí)的輸出交流連接在一起，并具有在所需頻率下可以忽略的阻抗。因而，每級(jí)具有近似相等的電壓。例如，如果由直流輸入電源11輸出的電壓是300V，則加于每個(gè)電容器上的電壓是100V。因而，電路半橋部分A的每級(jí)只需處理由直流電源11提供的電壓的1/3。
類似地，電路半橋部分B包括三級(jí)，每級(jí)具有和電感器L3B串聯(lián)連接的開關(guān)S1B。開關(guān)S1B也和上述的與電感器L3B形成諧振電路的電容器C6B并聯(lián)連接。隔直電容器C7B用于除去電感器L3B和開關(guān)S1B的輸出中的直流分量。每一級(jí)也和電容器C5B并聯(lián)。這些元件的操作和上面對(duì)于電路半橋部分A說明的操作相同。每個(gè)開關(guān)S1B’，S2B”，S3B”’接收來自信號(hào)發(fā)生器13B的交流信號(hào)。
來自電路半橋部分A的三級(jí)輸出被組合并被輸入到電感器L1A。電感器L1A和電感器L2以及電容器C1，C2協(xié)同操作形成兩級(jí)諧波濾波器，用于除去電路半橋部分A的輸出中的諧波分量。類似地，電路半橋部分B的每級(jí)的輸出被組合并被輸入到電感器L1B，其也和電感器L2以及電容器C1，C2協(xié)同操作形成兩級(jí)諧波濾波器，用于除去電路半橋部分B輸出的交流信號(hào)中的諧波分量。隔直電容器C4被連接在諧波濾波器的輸出端，用于除去被提供給輸出端12的信號(hào)中的直流分量。
圖8還包括被串聯(lián)設(shè)置在直流輸入電源11的正負(fù)干線之間的一對(duì)箝位二極管D1，D2。箝位二極管D1，D2協(xié)同操作，用于當(dāng)電路半橋部分試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)XZ的電壓超過由直流輸入電源11的正負(fù)干線限定的預(yù)定門限時(shí)，提供返回直流電源11和電容器C3的電路通路。在操作中，當(dāng)任何一個(gè)電路半橋部分試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)XZ的電壓大于直流輸入電源11的正干線電壓時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，從而形成返回直流輸入電源11和電容器C3的電路通路。類似地，當(dāng)電路半橋部分A，B的任何一個(gè)試圖驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)XZ的電壓低于直流輸入電源11的負(fù)干線電壓時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，從而產(chǎn)生返回直流輸入電源11和電容器C3的電路通路。
在操作中，電路半橋部分A，B之間的相對(duì)相位確定被提供給輸出端12的功率。當(dāng)電路半橋部分A，B之間的相對(duì)相位是0度或同相時(shí)，輸出端12接收最大功率。相反地，當(dāng)電路半橋部分A，B之間的相對(duì)相位是180度或不同相時(shí)，輸出端12接收最小功率。
圖8的電路的一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)是，通過在電壓源11的正負(fù)干線之間設(shè)置3個(gè)串聯(lián)連接的電路，每個(gè)級(jí)只需處理加于直流電源11的正負(fù)干線之間的總電壓的1/3。這使得對(duì)于加于大約300V的直流輸入的電源能夠利用400-500V的器件，因?yàn)橹挥休斎腚妷旱?/3被每級(jí)處理，和一級(jí)結(jié)構(gòu)中需要處理全部的電壓不同。這種400-500V的器件到處可以得到，并且對(duì)于300V的輸入系統(tǒng)能夠提供最佳的特性。
圖9表示加于保護(hù)電路的逆變器的電路圖。300V的直流電壓被加于圖9的電路的電壓干線上。第一電容器C3-1是2.2微法(μF)，400V的電容器，第一電容器C3-2是220μF，380V的電容器，它們被并聯(lián)連接在電壓干線之間。第一交流信號(hào)由信號(hào)源(未示出)施加于隔離變壓器T3的端子。第二交流信號(hào)由信號(hào)源(未示出)施加于隔離變壓器T4的端子。
變壓器T3的輸出通過一個(gè)22歐姆的電阻提供給一對(duì)開關(guān)S1-1，S1-2輸入端。類似地，變壓器T4的輸出通過一個(gè)22歐姆的電阻提供給第二對(duì)開關(guān)S2-1，S2-2輸入端。所述開關(guān)從IRF740組件中選擇。開關(guān)對(duì)S1-1，S1-2是并聯(lián)的，開關(guān)對(duì)S2-1，S2-2也是并聯(lián)的。這種一個(gè)開關(guān)對(duì)的兩個(gè)開關(guān)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)減少每個(gè)開關(guān)的電流處理要求。開關(guān)對(duì)S1，S2的輸出是10.3微亨(μH)的電感器L1的輸入，所述電感器和13.2μH的電感器L2以及30ηF的電容器C1，10ηF的電容器C2協(xié)同操作，提供4元件諧波濾波器，用于除去開關(guān)S1，S2的輸出中的諧波。隔直電容器C4是2.2μF，400V的電容器。
箝位二極管D1和D2被串聯(lián)設(shè)置在直流電源11的正負(fù)干線之間。箝位二極管D1，D2最好從組件HFAT660中選擇。
上述的電路一般在有限的頻率范圍內(nèi)操作。因?yàn)長C網(wǎng)絡(luò)一般是低通濾波器，所通過的最大功率和頻率成反比。此外，當(dāng)頻率減少時(shí)，便開始出現(xiàn)由諧波引起的失真。所觀察到的滿意的操作至少在30％的帶寬范圍內(nèi)。
圖中的其它的電路包括向多個(gè)LC網(wǎng)絡(luò)供電的電壓源逆變器，其中箝位二極管可以連接在所述網(wǎng)絡(luò)和直流電壓源之間。雖然圖中所示為半橋逆變器電路，但是應(yīng)當(dāng)理解，也可以包括全橋和單端逆變器。LC網(wǎng)絡(luò)的值和箝位點(diǎn)最好按照本說明所述被這樣選擇，使得可以把過量的循環(huán)能量返回電源，從而阻止過量的電流和電壓的積累，借以保護(hù)電路元件。此外，這種選擇可以確保從逆變器的電源端看來，電流是感性的，從而可以采用二極管回收能量。在這種網(wǎng)絡(luò)中可以包括變壓器，用于幫助匹配輸出、箝位點(diǎn)以及逆變器晶體管，或者用于提供隔離。
此外，兩個(gè)電壓源逆變器可以和此處所述的網(wǎng)絡(luò)相連，使得通過相位關(guān)系控制功率值。除去此處所述的相位關(guān)系之外，可以引入非對(duì)稱的網(wǎng)絡(luò)，以便得到更復(fù)雜的相位關(guān)系。對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)提供的優(yōu)點(diǎn)在于，其最大和最小功率的相位和頻率無關(guān)。
此處所述的這種類型的相位調(diào)制電路提出了3個(gè)可能的設(shè)計(jì)考慮。
第一，在某些受限制的條件下，直流功率從一個(gè)橋側(cè)向另一個(gè)橋側(cè)循環(huán)。當(dāng)此發(fā)生時(shí)，雖然FET從整個(gè)周期的平均來看呈感性截止，但是，其凈效果呈整流狀態(tài)。即，沿反方向流過FET的電流大于沿正方向通過的電流。因而，如果沿反方向的電流足夠高而使本體二極管導(dǎo)通，則在晶體管截止時(shí)本體二極管將不完全恢復(fù)，這引起大的功率損耗。當(dāng)器件發(fā)熱時(shí)，這個(gè)效果將被本體二極管電壓降的負(fù)溫度系數(shù)放大，可能使所述二極管因過熱而損壞。
所述第一個(gè)考慮在低頻下可以通過接受所述損耗或者通過使用反向隔離二極管來解決。在較高的頻率下，應(yīng)當(dāng)選擇具有足夠低的電阻的FET，使得反向電流總能夠通過溝道流動(dòng)。利用低電壓的器件，這是容易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閷?dǎo)通電阻對(duì)電壓的比上升到2.5次冪，同時(shí)二極管的電壓降與電壓無關(guān)。
第二，在LC網(wǎng)絡(luò)在低相位處于諧振狀態(tài)，并且直到輸出的幅值，因而也是正向功率，相當(dāng)高時(shí)不被箝位時(shí)，處于高的增益狀態(tài)。這種狀態(tài)對(duì)器件無害，但是影響控制的精度。
這第二個(gè)問題可以利用非常精確而穩(wěn)定的相位控制器或調(diào)制器來解決，或者通過在輸出網(wǎng)絡(luò)中插入電阻，使得降低Q和展寬相位特性來解決。利用只需50歐姆的1或2％的功率的電阻就足夠了。這個(gè)問題只出現(xiàn)在在負(fù)載中沒有有功消耗時(shí)，例如可以發(fā)生在作為純無功負(fù)載的有一點(diǎn)模擬的條件下。一般地說，等離子室，電纜和匹配網(wǎng)絡(luò)能夠足夠地降低Q值。
第三，在各種不良匹配條件下，對(duì)于功率控制特性的相位可能具有一些偏移或改變。例如，當(dāng)相位從0平滑地改變到最大值時(shí)，功率從0經(jīng)過稍微地減少，然后繼續(xù)增加。這和非線性的等離子體阻抗/功率作用一起，可能引起振蕩。
這個(gè)考慮的性質(zhì)是理論上的，因而可能不是一種實(shí)際的考慮?？刂扑惴梢院唵蔚靥^所述偏移，所述偏移一般在比3∶1的電壓駐波比(VSWR)較好的匹配下消失。此外，功率控制特性至少對(duì)于半橋無限VSWR環(huán)沒有偏移，因此，通過使用合適的電纜長度、餅式網(wǎng)絡(luò)及其類似技術(shù)，可以使負(fù)載位于VSWR環(huán)上的某處。實(shí)際上，圖6的電路比圖4的電路的好處是偏移較少，并且發(fā)生在最大功率附近，這在實(shí)際上一般是不能實(shí)現(xiàn)的。
此處說明的電路利用金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。雖然，MOSFET在大于1MHz的感興趣的頻率上一般優(yōu)于雙極結(jié)晶體管(BJT)或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
圖10-12說明在上述的電路中使用MOSFET，BJT，或IGBT當(dāng)中的一種晶體管作為開關(guān)的結(jié)構(gòu)。圖10表示在上述的電路中使用MOSFET作為開關(guān)的結(jié)構(gòu)。MOSFET包括阻斷二極管，其在MOSFET的設(shè)計(jì)中是固有的。圖11表示BJT 20和反并聯(lián)二極管22。在上述的電路中，當(dāng)使用BJT 20實(shí)現(xiàn)所述的開關(guān)時(shí)，必須包括反并聯(lián)二極管，以便當(dāng)箝位二極管D1，D2有效時(shí)提供電路通路。
類似地，圖12表示使用IGBT實(shí)施本發(fā)明的開關(guān)時(shí)的一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)。圖12表示IGBT 24和反并聯(lián)二極管26，其提供和圖11的反并聯(lián)二極管22類似的功能。應(yīng)當(dāng)注意，也可以使用能夠提供合適的開關(guān)和電路通路功能的開關(guān)器件或電路的組合代替MOSFET，而不改變本發(fā)明的原理。
圖13-15說明對(duì)照D1，D2所述的另一種二極管箝位電路。圖13說明包括二極管D1，D2和電容器C1的二極管箝位電路。該電路已在上面進(jìn)行過說明。圖14和15表示使用二極管D1，D2和電容器C1的另一種結(jié)構(gòu)的方案。在每個(gè)電路中，電容器C1可以利用被置于每個(gè)二極管兩端的其值等于C1的一半的兩個(gè)相同的電容器來實(shí)現(xiàn)，如圖14所示。電容器C1/2實(shí)際上是并聯(lián)的，它們通過解耦電容器C3(圖14中未示出)耦連。解耦電容器C3相對(duì)于操作頻率相當(dāng)大，從而其阻抗可以被忽略，借以幫助實(shí)現(xiàn)電路的物理布局和元件的功率分擔(dān)。
如圖15所示，在較高的頻率下，使用兩個(gè)串聯(lián)二極管作為每個(gè)二極管D1，D2可能是有利的。一般地說，較低電壓的二極管具有較低的反向恢復(fù)電荷。利用兩個(gè)串聯(lián)二極管，通過每個(gè)二極管流過相同的電荷。分割并聯(lián)在每個(gè)二極管上的電容C1能夠確保在每個(gè)二極管上具有相等的交流電壓。
如圖16所示，在箝位電路的另一種改型中，電感器L6和L1串聯(lián)，并被設(shè)置在箝位二極管D1，D2的節(jié)點(diǎn)和濾波電容器C1之間。電感器L6最好具有小的值。這可以軟化二極管的導(dǎo)通和截止，從而增加整流效率。可能需要由電容器C7和電阻R1形成的緩沖器電路用于阻尼在二極管D1，D2截止時(shí)產(chǎn)生高頻振蕩。通過正確地選擇，使得如果LC網(wǎng)絡(luò)在低功率輸出下產(chǎn)生諧振時(shí)，例如在兩個(gè)并聯(lián)的橋式電路之間具有低的相位角時(shí)，能夠減少高的Q值。
如上所述，如果LC濾波網(wǎng)絡(luò)在低相位發(fā)生諧振并且直到相位的幅值，因而正向功率，被增加時(shí)不被箝位，則由于存在高增益條件，使得可能折中功率控制的精度。這可以通過非常精確而穩(wěn)定的相位調(diào)制器設(shè)計(jì)，或者通過在輸出網(wǎng)絡(luò)中連接電阻，所述電阻具有足夠的值，使得減少Q(mào)值和展寬相位特性，來解決。為了解決這個(gè)問題，大約消耗50歐姆的電阻的功率的1-2％便足夠了。這一般只發(fā)生在負(fù)載消耗小的功率的情況下，例如在試驗(yàn)狀態(tài)下在純無功負(fù)載的某些模擬條件下。實(shí)際上，電纜，匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載將充分降低Q值。在較大的相位偏移時(shí)，箝位二極管阻止諧振。
此外，通過只在相位低時(shí)在箝位點(diǎn)接入電阻，可以選擇地降低Q值。這可以按照相位調(diào)制器的要求使用比較器來實(shí)現(xiàn)，其被設(shè)置在低的值時(shí)接通。然后，這可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)繼電器，所述繼電器可以采用MOSFET開關(guān)的形式，其在相位差為相當(dāng)?shù)蜁r(shí)，例如在低的功率要求時(shí)被啟動(dòng)。圖17表示用于在箝位點(diǎn)選擇地插入電阻的電路。如圖17所示，MOSFET SR可以被有利地使用，因?yàn)橥ㄟ^箝位二極管限制了電壓的波動(dòng)，還因?yàn)镸OSFET能夠在兩個(gè)方向?qū)āＦ秒娮鑂3，R4可以在SR的范圍內(nèi)集中電壓波動(dòng)。R2被選擇用于提供足夠的阻尼，C8阻斷通過R2和MOSFET SR的直流分量。SR的輸入信號(hào)一般通過控制電路提供。C8的輸出和二極管D1，D2的互連點(diǎn)相連。
隨著操作頻率的增加，用于實(shí)現(xiàn)所述開關(guān)的FET的電容對(duì)電路操作具有更顯著的影響。圖18表示一種對(duì)半橋電路的改進(jìn)。
在圖18中，電容器C5和電容器C3(未示出)并聯(lián)。電感器L3被插在電容器C5的內(nèi)部連接和開關(guān)S1，S2的輸出之間。電感器L3確保總有足夠的感性電流流動(dòng)，以便使FET S1，S2的輸出和密勒電容充放電。電感器L3還確保當(dāng)輸出和箝位網(wǎng)絡(luò)允許容性電流流過時(shí)電流呈感性。
如上所述，在某個(gè)條件下可以從橋的一側(cè)到另一側(cè)計(jì)算直流功率。結(jié)果，雖然FET S1，S2仍被認(rèn)為是感性截止的，但是從整個(gè)周期的平均看來，F(xiàn)ET S1，S2的凈效果是整流。即，沿反向流過的電荷大于沿正向流過的電荷。因而，如果電流足夠高，使得包括在FET內(nèi)的本體二極管反向并導(dǎo)通，當(dāng)FET的晶體管截止時(shí)，F(xiàn)ET開關(guān)將不被充分地恢復(fù)，因而引起高的功率消耗。當(dāng)FET發(fā)熱時(shí)，這將被本體二極管電壓降的負(fù)溫度系數(shù)放大，可能導(dǎo)致熱破壞。
如上所述，在低頻下，這個(gè)問題可以通過接受所述損耗或者通過使用反向隔離二極管來解決。在較高的頻率下，應(yīng)當(dāng)選擇FET具有足夠低的導(dǎo)通電阻，使得反向電流總是由FET溝道輸送。利用低電壓的器件，這是容易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閷?dǎo)通電阻和電壓的比高達(dá)2.5次冪，而二極管的電壓降和電壓無關(guān)。
如圖19所示，兩個(gè)較低電壓的FET S1-1，S1-2，和S2-1，S2-2可以串聯(lián)連接。這些FET和兩個(gè)并聯(lián)的FET器件相比，一般具有1/4的導(dǎo)通電阻，其電壓降將是每個(gè)的一半。因而，對(duì)于二極管結(jié)構(gòu)的門限電流將是兩倍。在圖19中，電容器C6可以和每個(gè)開關(guān)S1-1，S1-2，S2-1，S2-2并聯(lián)。需要電容器C6是為了確保相等的電壓分配，但是也增加了器件的有效電容。電容器C7更加促進(jìn)相等的電壓分配，并且只通過不平衡電流。在這種結(jié)構(gòu)中，快速恢復(fù)外延二極管(FREDFET)開關(guān)是有利的，因?yàn)樗鼈兡軌驕p少反向恢復(fù)電荷。
圖20表示圖18的電路的另一種實(shí)施方案。插入兩個(gè)和每個(gè)電容器C5并聯(lián)的箝位二極管D1，D2。選擇二極管D1，D2用于對(duì)連接點(diǎn)的電流或電壓進(jìn)行整流，以便返回電源。這使得感性電流循環(huán)，如圖18所示，以便使FET S1，S2的電容換向，同時(shí)吸收來自FETS1，S2的直流，并把所述直流返回電源。這也可以處理從一個(gè)橋側(cè)到另一個(gè)橋側(cè)流動(dòng)的電流，因而也解決了FET本體二極管恢復(fù)的問題。電容器C5和二極管DI1，D12可以采用串聯(lián)和并聯(lián)組合的結(jié)構(gòu)，和主箝位電路的結(jié)構(gòu)類似，但是一般需要較低的功率處理能力。如果需要可變的操作頻率，則圖20的電路提供的附加的優(yōu)點(diǎn)是，截止電流基本上保持相同而和頻率無關(guān)，只要L3和C5被這樣選擇，使得二極管DI1，DI2總是處于導(dǎo)通狀態(tài)。
圖20的電路的一種改進(jìn)如圖21所示，其中包括具有電感器LS和電容器CS的附加的LC串聯(lián)電路。通過正確地選擇電感器LS和電容器C5的值，使得諧振頻率在電源的基本頻率和三次諧波之間，則通過L3的電流隨頻率而增加，并且保持直流電流近似恒定。
雖然正負(fù)干線提供了一個(gè)方便的參考電壓，以便響應(yīng)不匹配的結(jié)果箝位一個(gè)預(yù)定點(diǎn)，并且把電壓與/或電流返回逆變器，也可以使箝位二極管和另外的預(yù)定電壓源相連，使得發(fā)生箝位。因?yàn)樗鲭娐酚袝r(shí)必須耗散過量的電壓和電流，所以參考一個(gè)交流電壓源最好包括參考恒定的電壓耗散器(voltage sink)。
圖22說明一種不同于正負(fù)干線的電路參考電壓。隔直電容C4被插入電感器L1和逆變器開關(guān)S1，S2之間，使得齊納二極管Z1，Z2分別設(shè)置用于箝位的高、低參考電壓。齊納二極管Z1，Z2背對(duì)背地串聯(lián)連接在點(diǎn)A，B之間，使得如果點(diǎn)X的電壓被驅(qū)動(dòng)為正，則通過發(fā)熱使一個(gè)導(dǎo)通并耗散能量，并且如果點(diǎn)X的電壓被驅(qū)動(dòng)為負(fù)，則另一個(gè)導(dǎo)通并耗散能量。當(dāng)一個(gè)器件工作在齊納方式時(shí)，另一個(gè)器件工作在整流方式。
實(shí)際上，齊納二極管Z1，Z2在高速下并不能很好地轉(zhuǎn)換。這可以借助于圖23所示的一種用于替換齊納二極管D1，D2的結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償。圖23包括齊納二極管Z1，Z2，它們分別和各個(gè)一般二極管DZ1，DZ2背對(duì)背地串聯(lián)連接。然后，齊納/一般二極管的串聯(lián)連接被并聯(lián)設(shè)置。在這種結(jié)構(gòu)中，齊納二極管Z1，Z2不必在整流方式下工作。
另一個(gè)考慮是，齊納二極管在當(dāng)前并不是容易能夠得到的，尤其是大功率的齊納二極管。當(dāng)前齊納二極管的最大額定功率大約為70W。此外，具有相當(dāng)高的額定功率的齊納二極管一般價(jià)格昂貴。然而，晶體管的價(jià)格相當(dāng)?shù)?，并且容易得到高額定功率的晶體管。用于克服齊納二極管的所述限制的一種方法是使用圖24所示的有源齊納二極管電路，其中齊納二極管ZA的主要功能是使晶體管TA導(dǎo)通，晶體管TA被配置用于耗散大約為齊納二極管的100倍的較高的功率。在晶體管TA中耗散的功率是有源齊納電路的增益的函數(shù)。
參看圖24，當(dāng)二極管ZA處于齊納方式時(shí)，滿足下述公式V＝V2+VBE，其中VBE≈0.6vI＝I2+IQ，其中IQ≈HFE×I2，并且HFE≈100因此，IQ＞＞I2，并且，PQ＞＞P2。
由上式可見，通過晶體管TA的電流比通過齊納二極管ZA的電流大得多，因而，由晶體管TA消耗的功率比由齊納二極管ZA消耗的功率大得多。
圖25說明用于設(shè)置不同于逆變器的正負(fù)干線的參考電壓的另一個(gè)方案。具體地說，圖25表示包括二極管DB1A，DB2A，DB1B，DB2B的二極管橋。齊納二極管ZB跨接在二極管橋的兩端。因而，當(dāng)電壓超過門限電壓時(shí)，不論負(fù)波或正波，齊納二極管ZB都進(jìn)入齊納狀態(tài)。圖26說明類似于圖25的結(jié)構(gòu)的二極管橋，不過其中包括類似于圖24所示的晶體管TA和齊納二極管ZA的結(jié)構(gòu)，借以提供增加的功率消耗。
圖24-26的二極管橋式電路具有若干優(yōu)點(diǎn)。第一，所示的設(shè)計(jì)能夠減少成本，因?yàn)橹恍枰褂靡粋€(gè)齊納二極管而不是兩個(gè)。第二，因?yàn)橹皇褂靡粋€(gè)齊納二極管，可以獲得一致的箝位電壓，而使用兩個(gè)齊納二極管的結(jié)構(gòu)可能獲得不一致的箝位電壓。第三，常規(guī)的二極管比齊納二極管更容易匹配得多。
圖27表示對(duì)于具有保護(hù)電路的電源的示例的電路結(jié)構(gòu)測量的波形。在匹配和不匹配條件下，對(duì)于300V直流輸入記錄了操作波形和功率值。匹配的負(fù)載阻抗是50歐姆，以開路、短路以及12，25，50，100和200歐姆的感性和容性無功負(fù)載作為不匹配的負(fù)載阻抗。參見圖27a-m，每個(gè)圖包括4個(gè)波形，其標(biāo)號(hào)為1-4。波形1表示MOSFET的漏極電壓，例如電感器L1的輸出輸入，每個(gè)刻度為200V。波形2是通過L1的電流，每個(gè)刻度10安培。波形3是箝位電壓或二極管D1，D2之間的節(jié)點(diǎn)電壓，每個(gè)刻度大約200V。波形4是箝位二極管電流，每個(gè)刻度10安培。這些規(guī)定適用于圖27和圖28的每個(gè)輸出波形。所選擇的值以無限VSWR提供12個(gè)離散點(diǎn)，以便足夠保證找到最壞的操作狀態(tài)。下表列出關(guān)鍵參數(shù)負(fù)荷直流電流RF正向功 功率消耗 峰值FET電 二極管電(安) 率(瓦) (瓦) 流(安)流(安) 因?yàn)樨?fù)載從開路感性地到短路，然后，再容性地返回，F(xiàn)ET電流保持感性，并且在高于50歐姆的值時(shí)小于40％。直流電流消耗僅為50Ω值的六分之一。箝位二極管D1，D2在50歐姆負(fù)載時(shí)可被視為稍微導(dǎo)通，這可以通過使網(wǎng)絡(luò)稍微重調(diào)來消除。不過，這對(duì)于效率或有效的保護(hù)不是重要的。
作為對(duì)照，圖28說明沒有箝位電路的半橋逆變器在375KHz下的輸出波形。在實(shí)驗(yàn)期間，被試器件被保護(hù)，以便避免由于手動(dòng)地減少電源電壓而破壞器件。下表列出關(guān)鍵參數(shù)。現(xiàn)在通過減少電源電壓實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
負(fù)載 直流電流RF正向功功率消耗 峰值FET電(安) 率(瓦) (瓦) 流(安) 隨著感性負(fù)載被減少，F(xiàn)ET電流增大。如果在12歐姆下電源被保持為300V，則正向功率將達(dá)到750W，大于50歐姆時(shí)的值。在短路時(shí)，只由42V便能產(chǎn)生750W，此時(shí)L1和其余的網(wǎng)絡(luò)諧振。在300V時(shí)，正向RF功率大約為38KW，直流功率為4.6KW，峰值晶體管電流為100A。
當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，容性以及阻抗開始上升，F(xiàn)ET表現(xiàn)為容性負(fù)載。這種狀態(tài)比在諧振之前出現(xiàn)的大的感性電流更成問題，因?yàn)镕ET將受到大的二極管恢復(fù)損失，即使電流仍然是不大的。此外，還存在換向dv/dt故障的危險(xiǎn)。注意，在最后的3個(gè)曲線中，為清楚起見改變了比例。
圖29說明用于功率發(fā)生器的控制電路?？刂齐娐?0包括用于接收輸入電壓的濾波器軟啟動(dòng)整流器22。整流器22可以包括電路斷路器用于過壓保護(hù)。輔助功率檢測單元(PSU)24產(chǎn)生用于向控制電路供電的較低的電壓信號(hào)。冷卻風(fēng)扇26對(duì)發(fā)生器電路提供冷卻。
來自濾波器軟啟動(dòng)整流器22的輸出被提供給一個(gè)選擇的直流開關(guān)28，其控制向多個(gè)功率放大器30a，30b，30c，30d施加直流電壓。4個(gè)功率放大器30a，30b，30c，30d并聯(lián)使用，以便分割被4個(gè)放大器處理的功率，而不需要一個(gè)用于處理全部功率的放大器。此外，一個(gè)或多個(gè)功率放大器可以實(shí)現(xiàn)功率放大器30a-30d的功能。驅(qū)動(dòng)電路32產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)，用于控制各個(gè)功率放大器30a-30d的轉(zhuǎn)換。
來自功率放大器30a-30d的輸出被輸入給組合和隔離變壓器34，其把來自功率放大器30a-30d的每個(gè)輸出組合成為一個(gè)信號(hào)。組合電路34可以包括隔離變壓器，用于使功率放大器和輸出隔離。組合隔離變壓器34向用于在產(chǎn)生輸出之前對(duì)功率信號(hào)進(jìn)行濾波的濾波器和功率檢測電路36輸出組合信號(hào)。電路36的功率檢測部分向控制相位調(diào)制器保護(hù)電路38提供反饋信號(hào)。
控制相位調(diào)制器電路38可以利用模擬或數(shù)字電子電路來實(shí)現(xiàn)。電路38分別向直流開關(guān)28，驅(qū)動(dòng)器32，和前面板控制40輸出控制信號(hào)。通過改變?cè)诟鱾€(gè)功率放大器30a-30d內(nèi)的開關(guān)的相位，輸出功率可以被相應(yīng)地改變。因而，控制相位調(diào)制器電路38按照來自濾波器和功率檢測電路36的輸入改變功率放大器的相位。前面板控制電路40向操作者提供信息，并且能夠通過改變獲得所需的相位和輸出功率。
圖30說明一種控制系統(tǒng)，其中在一個(gè)系統(tǒng)中可以使用從上述的的電源中選擇的電源，用于控制等離子室。控制系統(tǒng)50包括等離子室52，所述等離子室例如可以是用于制造集成電路的等離子室。等離子室52包括一個(gè)或幾個(gè)氣體入口54和一個(gè)或幾個(gè)氣體出口56。氣體入口54和氣體出口56能夠在等離子室52內(nèi)部注入與排出氣體。在等離子室52內(nèi)的溫度可以通過施加于等離子室52的熱控制信號(hào)58控制。等離子控制器60接收來自等離子室的輸入信號(hào)，其中包括表示室內(nèi)的真空度的真空信號(hào)62，電壓信號(hào)64，以及表示入口氣體和出口氣體之間的流量比的信號(hào)66。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，等離子控制器60也可以接收/產(chǎn)生其它輸入/輸出信號(hào)。等離子控制器60確定要通過電壓發(fā)生器68輸入給等離子室的所需輸入功率。電壓發(fā)生器68包括接收來自等離子控制器60的輸入信號(hào)的微處理器70或其它類似的控制器。微處理器70對(duì)以所需頻率和功率輸出電壓信號(hào)的電源72產(chǎn)生控制信號(hào)。從電源72的輸出是用于在電源72和等離子室52之間進(jìn)行阻抗匹配的匹配網(wǎng)絡(luò)74的輸入。
圖31說明匹配網(wǎng)絡(luò)80的電路，所述匹配網(wǎng)絡(luò)例如可以是圖30的匹配網(wǎng)絡(luò)70。匹配網(wǎng)絡(luò)80按照需要匹配50歐姆的輸入阻抗和由負(fù)載82提供的輸出阻抗。匹配網(wǎng)絡(luò)80呈π形濾波器的形式，包括第一可變電容器84，第二可變電容器86和電感器88。電容器84，86作為可變電容器被實(shí)現(xiàn)，使得可以改變?yōu)V波器網(wǎng)絡(luò)的電容，以便在50歐姆的輸入阻抗和負(fù)載82之間進(jìn)行正確的阻抗匹配?？刂破?8接收接收按照匹配的阻抗而改變的反饋信號(hào)，并產(chǎn)生用于改變各個(gè)電容器84和86的電容的控制信號(hào)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，也可以使用其它的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如變壓器或固定網(wǎng)絡(luò)。
雖然本發(fā)明以其目前的優(yōu)選形式進(jìn)行了說明，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明具有許多應(yīng)用和實(shí)施方式。因而，不脫離所附權(quán)利要求范圍恒定構(gòu)思，本發(fā)明具有多種改變和改型。
權(quán)利要求
1.一種用于向負(fù)載提供交流功率的電源電路，包括直流電壓源；半橋逆變器，用于接收所述直流輸入電壓并用于產(chǎn)生交流輸出信號(hào)；在所述逆變器的輸出端的第一諧波濾波器，所述第一諧波濾波器濾除交流信號(hào)中的預(yù)定的諧波分量，從而產(chǎn)生經(jīng)過濾波的交流信號(hào)；以及在第一諧波濾波器的輸出端的輸出電路，用于接收經(jīng)過濾波的交流信號(hào)，并把所述經(jīng)過濾波的交流信號(hào)饋送給負(fù)載，其中所述輸出電路包括第一和第二整流器，它們相對(duì)于輸出電路中的一點(diǎn)被這樣連接，使得如果逆變器試圖驅(qū)動(dòng)所述的一點(diǎn)到超過預(yù)定的第一和第二電壓之一的電壓，則第一和第二整流器中的相應(yīng)的一個(gè)導(dǎo)通，從而使電壓和電流中的至少一個(gè)返回直流電壓源。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一諧波濾波器包括串聯(lián)連接的電感器和電容器，并且所述第一諧波濾波器和所述半橋的開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)并聯(lián)設(shè)置。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中第一諧波濾波器包括電感器和電容器，所述電感器被設(shè)置在所述半橋的開關(guān)的輸出和第一和第二整流器之間的互連點(diǎn)之間，并且所述電容器還包括一對(duì)電容器的組合電容，所述一對(duì)電容器的每個(gè)電容器分別和第一和第二整流器并聯(lián)。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中第一和第二整流器的每一個(gè)還包括一對(duì)串聯(lián)連接的二極管，并且第一諧波濾波器包括電感器和電容器，所述電感器被設(shè)置在所述開關(guān)的輸出和第一和第二二極管之間的互連點(diǎn)之間，并且所述電容器還包括多個(gè)電容器的組合電容，其中每個(gè)電容器相應(yīng)于每對(duì)二極管中的一個(gè)二極管，每個(gè)電容器和相應(yīng)的一個(gè)二極管并聯(lián)。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括被串聯(lián)設(shè)置在直流電壓源的各個(gè)電壓干線之間的一對(duì)電容器；包括被串聯(lián)設(shè)置在所述直流電壓源的各個(gè)電壓干線之間的一對(duì)開關(guān)的逆變器；以及被設(shè)置在所述電容器的互連點(diǎn)和所述開關(guān)的互連點(diǎn)之間的電感器。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，還包括一對(duì)二極管，其中每個(gè)二極管和其各自的電容器并聯(lián)連接。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述開關(guān)的每一個(gè)還包括一對(duì)串聯(lián)的開關(guān)，并且還包括和每個(gè)開關(guān)并聯(lián)的電容器。
8.一種用于向負(fù)載提供交流功率的電源電路，包括直流電壓源；全橋逆變器，用于接收直流輸入電壓并用于產(chǎn)生交流輸出信號(hào)，所述全橋逆變器包括一對(duì)半橋；在所述每個(gè)半橋的輸出端的第一諧波濾波器，所述第一諧波濾波器用于濾除交流信號(hào)中的預(yù)定的諧波分量，從而產(chǎn)生經(jīng)過濾波的交流信號(hào)；以及在第一諧波濾波器的組合的輸出端的輸出電路，所述輸出電路用于接收經(jīng)過濾波的交流信號(hào)，并把所述經(jīng)過濾波的交流信號(hào)饋送給負(fù)載，其中所述輸出電路包括第一和第二整流器，它們相對(duì)于輸出電路中的一點(diǎn)被這樣連接，使得如果逆變器試圖驅(qū)動(dòng)所述的一點(diǎn)到超過預(yù)定的第一和第二電壓之一的電壓，則第一和第二整流器中的相應(yīng)的一個(gè)導(dǎo)通，從而使電壓和電流中的至少一個(gè)返回直流電壓源。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，還包括在第一諧波濾波器的組合的輸出端的第二諧波濾波器，所述第二諧波濾波器用于除去經(jīng)過濾波的交流信號(hào)中的諧波分量，從而產(chǎn)生輸出信號(hào)。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，還包括在第二諧波濾波器的輸出端的隔直電容器，用于除去第二諧波濾波器的輸出中的直流分量。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述第一諧波濾波器包括串聯(lián)連接的電感器和電容器，并且所述第一諧波濾波器和所述半橋的開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)并聯(lián)設(shè)置。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述第二諧波濾波器包括串聯(lián)連接的電感器和電容器，并且所述第二諧波濾波器和所述半橋的開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)并聯(lián)設(shè)置。
13.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中第一諧波濾波器包括電感器和電容器，所述電感器被設(shè)置在所述開關(guān)的輸出和第一和第二整流器之間的互連點(diǎn)之間，并且所述電容器還包括一對(duì)電容器的組合電容，所述一對(duì)電容器的每個(gè)電容器分別與第一和第二整流器并聯(lián)。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中第二諧波濾波器包括電感器和電容器，所述電感器被設(shè)置在所述開關(guān)的輸出和第一和第二整流器之間的互連點(diǎn)之間，并且所述電容器還包括一對(duì)電容器的組合電容，所述一對(duì)電容器的每個(gè)電容器分別與第一和第二整流器并聯(lián)。
15.如權(quán)利要求9所述的裝置，還包括被串聯(lián)設(shè)置在直流電壓源的各個(gè)電壓干線之間的一對(duì)電容器；包括被串聯(lián)設(shè)置在所述直流電壓源的各個(gè)電壓干線之間的一對(duì)開關(guān)的逆變器；以及被設(shè)置在所述電容器的互連點(diǎn)和所述開關(guān)的互連點(diǎn)之間的電感器。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，還包括一對(duì)二極管，其中每個(gè)二極管和其各自的電容器并聯(lián)連接。
17.如權(quán)利要求8所述的裝置，還包括用于對(duì)每半個(gè)逆變器產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述信號(hào)發(fā)生器改變?cè)诘谝缓偷诙霕蛑g的操作的相對(duì)相位。
19.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中電壓和電流中的至少一個(gè)被回饋給所述逆變器。
20.一種用于向負(fù)載提供交流功率的電源電路，包括直流電壓源；一對(duì)單端逆變器，用于接收所述直流輸入電壓并用于產(chǎn)生交流輸出信號(hào)，所述單端逆變器以全橋結(jié)構(gòu)的形式被構(gòu)成；在所述每個(gè)半橋的輸出端的第一諧波濾波器，所述第一諧波濾波器用于濾除交流信號(hào)中的預(yù)定的諧波分量，從而產(chǎn)生經(jīng)過濾波的交流信號(hào)；以及在第一諧波濾波器的組合的輸出端的輸出電路，所述輸出電路用于接收經(jīng)過濾波的交流信號(hào)，并把所述經(jīng)過濾波的交流信號(hào)饋送給負(fù)載，其中所述輸出電路包括第一和第二整流器，它們相對(duì)于輸出電路中的一點(diǎn)被這樣連接，使得如果逆變器試圖驅(qū)動(dòng)所述的一點(diǎn)到超過預(yù)定的第一和第二電壓之一的電壓，則第一和第二整流器中的相應(yīng)的一個(gè)導(dǎo)通，從而使電壓和電流中的至少一個(gè)返回直流電壓源。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其中每個(gè)單端逆變器包括和所述直流電壓源的第一干線相連的開關(guān)；被連接在所述直流電壓源的第一和第二第一電壓干線之間的諧振電路，其中操作該開關(guān)使該諧振電路激勵(lì)。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述諧振電路包括被連接在開關(guān)和所述直流電壓源的第二干線之間的電感器；以及和所述開關(guān)并聯(lián)的電容器。
23.如權(quán)利要求21所述的裝置，還包括在所述開關(guān)和所述第一諧波濾波器之間的隔直電容器。
24.如權(quán)利要求20所述的裝置，還包括在第一諧波濾波器的組合的輸出端的第二諧波濾波器，所述第二諧波濾波器用于除去來自濾波的交流信號(hào)的諧波分量，從而產(chǎn)生輸出信號(hào)。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，還包括在所述第二諧波濾波器的輸出端的隔直電容器，用于除去第二諧波濾波器的輸出中的直流分量。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述第一諧波濾波器包括串聯(lián)連接的電感器和電容器，并且所述第一諧波濾波器和所述半橋的開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)并聯(lián)設(shè)置。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述第二諧波濾波器包括串聯(lián)連接的電感器和電容器，并且所述第二諧波濾波器和所述半橋的開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)并聯(lián)設(shè)置。
28.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中第一諧波濾波器包括電感器和電容器，所述電感器被設(shè)置在開關(guān)的輸出和第一和第二整流器之間的互連點(diǎn)之間，并且所述電容器還包括一對(duì)電容器的組合電容，所述一對(duì)電容器的每個(gè)電容器分別與第一和第二整流器并聯(lián)。
29.如權(quán)利要求28所述的裝置，其中第二諧波濾波器包括電感器和電容器，所述電感器被設(shè)置在所述開關(guān)的輸出與第一和第二整流器之間的互連點(diǎn)之間，并且所述電容器還包括一對(duì)電容器的組合電容，所述一對(duì)電容器的每個(gè)電容器分別與第一和第二整流器并聯(lián)。
30.如權(quán)利要求20所述的裝置，還包括被串聯(lián)設(shè)置在直流電壓源的各個(gè)電壓干線之間的一對(duì)電容器；包括被串聯(lián)設(shè)置在所述直流電壓源的各個(gè)電壓干線之間的一對(duì)開關(guān)的逆變器；以及被設(shè)置在所述電容器的互連點(diǎn)和所述開關(guān)的互連點(diǎn)之間的電感器。
31.如權(quán)利要求29所述的裝置，還包括一對(duì)二極管，其中每個(gè)二極管和其各自的電容器并聯(lián)連接。
32.如權(quán)利要求21所述的裝置，還包括用于對(duì)每半個(gè)逆變器產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其中所述信號(hào)發(fā)生器改變?cè)诘谝缓偷诙霕蛑g的操作的相對(duì)相位。
34.如權(quán)利要求21所述的裝置，其中電壓和電流中的至少一個(gè)被回饋給所述逆變器。
35.一種用于向負(fù)載提供交流功率的電源電路，包括直流電壓源；被串聯(lián)設(shè)置在直流電壓源的第一和第二干線之間的第一組單端逆變器，所述第一組單端逆變器形成橋式結(jié)構(gòu)的第一半，所述橋式結(jié)構(gòu)的第一半具有第一組合輸出；被串聯(lián)設(shè)置在直流電壓源的第一和第二干線之間的第二組單端逆變器，所述第二組單端逆變器形成橋式結(jié)構(gòu)的第二半，所述橋式結(jié)構(gòu)的第二半具有第二組合輸出；在所述每個(gè)半橋的輸出端的第一諧波濾波器，所述第一諧波濾波器用于濾除交流信號(hào)中的預(yù)定的諧波分量，從而產(chǎn)生經(jīng)過濾波的交流信號(hào)；以及在第一諧波濾波器的組合的輸出端的輸出電路，所述輸出電路用于接收經(jīng)過濾波的交流信號(hào)，并把所述經(jīng)過濾波的交流信號(hào)饋送給負(fù)載，其中所述輸出電路包括第一和第二整流器，它們相對(duì)于輸出電路中的一點(diǎn)被這樣連接，使得如果逆變器試圖驅(qū)動(dòng)所述的一點(diǎn)到超過預(yù)定的第一和第二電壓之一的電壓，則第一和第二整流器中的相應(yīng)的一個(gè)導(dǎo)通，從而使電壓和電流中的至少一個(gè)返回直流電壓源。
36.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中至少一個(gè)單端逆變器包括和第一本地電壓干線相連的開關(guān)；以及被連接在第二本地電壓和開關(guān)之間的諧振電路，其中所述開關(guān)激勵(lì)所述諧振電路。
37.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中所述諧振電路還包括被連接在開關(guān)和第二本地電壓干線之間的電感器；以及和所述開關(guān)并聯(lián)的電容器。
38.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中用于第一半橋的本地電壓干線具有用于第二半橋的一個(gè)相應(yīng)的本地電壓干線，并且其中用于第一半橋的本地電壓干線和第二半橋的相應(yīng)的本地電壓干線互聯(lián)。
39.如權(quán)利要求36所述的裝置，還包括在所述每個(gè)開關(guān)和所述第一諧波濾波器之間的隔直電容器。
40.如權(quán)利要求36所述的裝置，還包括在第一諧波濾波器的組合的輸出端的第二諧波濾波器，所述第二諧波濾波器用于除去經(jīng)過濾波的交流信號(hào)的諧波分量，從而產(chǎn)生輸出信號(hào)。
41.一種用于向負(fù)載提供交流功率的電源電路，包括直流電壓源；全橋逆變器，用于接收所述直流輸入電壓并用于產(chǎn)生交流輸出信號(hào)，所述全橋逆變器包括一對(duì)半橋；在所述逆變器的輸出端的諧波濾波器，所述諧波濾波器用于濾除交流信號(hào)中的預(yù)定的諧波分量，從而產(chǎn)生經(jīng)過濾波的交流信號(hào)；以及在諧波濾波器的輸出端的輸出電路，所述輸出電路用于接收經(jīng)過濾波的交流信號(hào)，并把所述經(jīng)過濾波的交流信號(hào)饋送給負(fù)載，其中所述輸出電路包括至少一個(gè)整流器，它們相對(duì)于輸出電路中的一點(diǎn)被這樣連接，使得如果逆變器試圖驅(qū)動(dòng)所述的一點(diǎn)到超過預(yù)定的第一和第二電壓之一的電壓，則所述至少一個(gè)整流器導(dǎo)通，從而使電壓和電流中的至少一個(gè)被耗散，其中預(yù)定的第一和第二電壓不同于所述直流電壓源的正負(fù)干線的電壓。
42.如權(quán)利要求41所述的裝置，其中至少一個(gè)整流器是齊納二極管。
43.如權(quán)利要求41所述的裝置，其中至少一個(gè)整流器包括一對(duì)背對(duì)背設(shè)置的齊納二極管，并且所述每個(gè)齊納二極管的擊穿電壓確定預(yù)定的第一和第二電壓。
44.如權(quán)利要求42所述的裝置，還包括在第一諧波濾波器的輸出端的第二諧波濾波器，所述第二諧波濾波器用于除去經(jīng)過濾波的交流信號(hào)中的諧波分量，從而產(chǎn)生輸出信號(hào)。
45.如權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述至少一個(gè)齊納二極管被插在公共參考電壓和第一諧波濾波器的輸出之間。
46.如權(quán)利要求42所述的裝置，其中所述至少一個(gè)整流器啟動(dòng)一個(gè)開關(guān)，以便導(dǎo)通電流和消耗功率。
47.如權(quán)利要求42所述的裝置，其中至少一個(gè)整流器互連二極管橋的兩個(gè)半橋。
48.一種用于功率發(fā)生器的控制系統(tǒng)，包括用于接收交流信號(hào)并把所述交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)的電路；功率放大器，所述功率放大器包括全橋逆變器，用于接收直流電壓信號(hào)，并用于產(chǎn)生交流輸出信號(hào)，所述全橋具有第一和第二半橋，以及輸出電路，所述輸出電路用于接收經(jīng)過濾波的交流信號(hào)，并把所述經(jīng)過濾波的交流信號(hào)饋送給負(fù)載，其中所述輸出電路包括第一和第二整流器，它們相對(duì)于輸出電路中的一點(diǎn)被這樣連接，使得如果逆變器試圖驅(qū)動(dòng)所述的一點(diǎn)到超過預(yù)定的第一和第二電壓之一的電壓，則所述第一和第二整流器中的相應(yīng)的一個(gè)導(dǎo)通，從而使電壓和電流中的至少一個(gè)返回所述逆變器；以及輸出檢測電路，用于確定輸出信號(hào)的功率，因而所述輸出檢測電路產(chǎn)生檢測信號(hào)；以及相位調(diào)制器，用于改變?nèi)珮虻南鄬?duì)相位，從而按照檢測信號(hào)改變輸出功率。
49.如權(quán)利要求47所述的裝置，其中所述功率放大器包括被并聯(lián)設(shè)置的一組功率放大器，并且所述裝置還包括組合器，用于組合所述多個(gè)逆變器的每個(gè)逆變器的輸出信號(hào)。
50.一種等離子控制系統(tǒng)，包括由射頻(RF)信號(hào)激勵(lì)的等離子室；等離子控制器，用于測量等離子室的操作狀態(tài)，并產(chǎn)生用于改變等離子室內(nèi)的狀態(tài)的控制信號(hào)；以及RF發(fā)生器，用于產(chǎn)生加于等離子室的RF信號(hào)，所述RF發(fā)生器包括RF控制器，所述RF控制器接收來自等離子控制器的控制信號(hào)，并產(chǎn)生電源控制信號(hào)，以及電源，用于接收電源控制信號(hào)，并按照所述電源控制信號(hào)產(chǎn)生RF信號(hào)，其中所述電源包括保護(hù)電路，所述保護(hù)電路包括第一和第二整流器，它們相對(duì)于一個(gè)預(yù)定點(diǎn)被這樣連接，使得如果電源試圖驅(qū)動(dòng)所述的預(yù)定點(diǎn)到超過預(yù)定的第一和第二電壓之一的電壓，則所述第一和第二整流器中相應(yīng)的一個(gè)導(dǎo)通。
51.如權(quán)利要求50所述的裝置，其中所述電源還包括直流電壓源；半橋逆變器，用于接收所述直流輸入電壓并用于產(chǎn)生交流輸出信號(hào)；在所述逆變器的輸出端的諧波濾波器，所述諧波濾波器濾除交流信號(hào)中的預(yù)定的諧波分量，從而產(chǎn)生經(jīng)過濾波的交流信號(hào)；以及在所述諧波濾波器的輸出端的輸出電路，用于接收經(jīng)過濾波的交流信號(hào)，并把所述經(jīng)過濾波的交流信號(hào)饋送給負(fù)載，其中所述輸出電路包括第一和第二整流器，它們相對(duì)于輸出電路中的所述的一點(diǎn)被連接。
52.如權(quán)利要求50所述的裝置，其中所述電源還包括直流電壓源；全橋逆變器，用于接收所述直流輸入電壓并用于產(chǎn)生交流輸出信號(hào)，所述全橋逆變器包括一對(duì)半橋；在所述每個(gè)半橋的輸出端的第一諧波濾波器，所述諧波濾波器濾除交流信號(hào)中的預(yù)定的諧波分量，從而產(chǎn)生經(jīng)過濾波的交流信號(hào)；以及在所述第一諧波濾波器的組合輸出端的輸出電路，用于接收經(jīng)過濾波的交流信號(hào)，并把所述經(jīng)過濾波的交流信號(hào)饋送給負(fù)載，其中所述輸出電路包括第一和第二整流器，它們相對(duì)于輸出電路中的所述的一點(diǎn)被連接。
53.一種用于對(duì)負(fù)載提供交流電源的電源電路，包括直流電壓源；逆變器，用于接收所述直流輸入電壓，并用于產(chǎn)生被輸入到負(fù)載的交流輸出信號(hào)；在所述逆變器的輸出端的輸出電路；以及被連接到輸出電路中的一點(diǎn)的返回電路，使得如果該點(diǎn)的電壓超過預(yù)定的第一和第二電壓中的一個(gè)，則所述返回電路導(dǎo)通，從而使電壓和電流中的至少一個(gè)返回直流電壓源。
54.如權(quán)利要求53所述的裝置，其中輸出電路還包括諧波濾波器。
55.如權(quán)利要求53所述的裝置，其中輸出電路還包括具有電感器和電容器的諧波濾波器。
56.如權(quán)利要求53所述的裝置，其中所述返回電路包括第一和第二整流器。
57.如權(quán)利要求53所述的裝置，其中所述逆變器包括半橋逆變器。
58.如權(quán)利要求53所述的裝置，其中所述逆變器包括具有兩個(gè)半橋的全橋逆變器，并且所述的兩個(gè)半橋和負(fù)載串聯(lián)或者并聯(lián)。
59.如權(quán)利要求53所述的裝置，其中所述返回電路使電壓和電流中的至少一個(gè)返回所述逆變器。
60.一種用于對(duì)負(fù)載提供交流電源的電源電路，包括直流電壓源；逆變器，用于接收所述直流輸入電壓，并用于產(chǎn)生被輸入到負(fù)載的交流輸出信號(hào)；在所述逆變器的輸出端的輸出電路；以及被連接到輸出電路中的一點(diǎn)的耗散電路，使得如果該點(diǎn)的電壓超過預(yù)定的第一和第二電壓中的一個(gè)，則所述耗散電路導(dǎo)通，從而使電壓和電流中的至少一個(gè)被耗散。
61.如權(quán)利要求60所述的裝置，其中所述耗散電路包括至少一個(gè)齊納二極管。
62.如權(quán)利要求60所述的裝置，其中耗散電路包括背對(duì)背地設(shè)置的一對(duì)齊納二極管，并且所述每個(gè)齊納二極管的擊穿電壓確定所述預(yù)定的第一和第二電壓。
全文摘要
一種電源,包括用于接收直流輸入信號(hào)的逆變器。逆變器包括兩個(gè)半橋。每個(gè)逆變器由一個(gè)信號(hào)源驅(qū)動(dòng),所述信號(hào)源輸出交流信號(hào)。每個(gè)逆變器的輸出被輸入到第一級(jí)諧波濾波器。所述電源包括輸出電路,所述輸出電路包括相對(duì)于一點(diǎn)被這樣設(shè)置的第一和第二整流器,使得如果逆變器試圖驅(qū)動(dòng)所述的一點(diǎn)超過預(yù)定的第一和第二電壓,則相應(yīng)的一個(gè)整流器導(dǎo)通,從而使功率和電流中的至少一個(gè)返回直流輸入電源。
文檔編號(hào)H02M1/12GK1342340SQ00801478
公開日2002年3月27日 申請(qǐng)日期2000年7月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月22日
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