專利名稱：具有感性箝位電路的e類放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于供應(yīng)交流電的電源，更特別地，涉及用于電源的開關(guān)部分的保護(hù)電路，其中該電源的開關(guān)部分由E類放大器實現(xiàn)。
背景技術(shù)：
射頻(RF)能量通過感應(yīng)加熱、電介質(zhì)加熱和等離子體激發(fā)(excite),在各種工業(yè)領(lǐng)域中用于材料處理。等離子體激發(fā)可采用感性(inductive)、容性(capacitive)的方式， 或采用精確的電磁(EM)波、微波、耦合。提供這種RF能量的發(fā)生器可采用多種電路布局，這些電路布局涵蓋了從提供幾十瓦的單個A類晶體管放大器到提供幾千瓦的自振蕩管發(fā)生器的范圍。半導(dǎo)體制造業(yè)使用RF等離子體來沉積和蝕刻微米尺寸和次微米尺寸的膜。針對這種應(yīng)用的典型電源可包含行變頻器/整流器/電容器DC電源和高頻(HF)線性功率放大器。典型的功率值和頻率值可以是，頻率值在400KHz 60. OMHz的范圍之內(nèi)而功率值達(dá)到10KW。線性功率放大器使用具有高功率消耗性能的高頻/超高頻(HF/VHF)RF功率晶體管。這種電源或發(fā)生器可在100:1的輸出負(fù)載范圍內(nèi)將功率控制在1%或2%的精度。通常該發(fā)生器被具體地配置為輸出到預(yù)定負(fù)載，例如50歐姆的負(fù)載，但其實該發(fā)生器可驅(qū)動任何負(fù)載，即使配置失當(dāng)也不會出現(xiàn)故障。典型的保護(hù)措施是降低功率。例如，降低對線性放大器的驅(qū)動電平以相應(yīng)地降低電流或功率消耗。在50歐姆系統(tǒng)中，從典型的50歐姆上的偏離可被測量為反射功率。降低驅(qū)動電平以限制反射功率。圖I示出了典型的具有由反相的正弦波驅(qū)動的開關(guān)器或晶體管S1、S2的變壓器耦合推挽RF功率放大器。五元諧波抑制濾波器包含電感器LI、L2以及電容器Cl、C2和C4。該諧波抑制濾波器典型地確保得到高純度或一致的正弦波輸出。圖中未示出的偏壓電路可以是AB類或B類。典型地使用雙級結(jié)晶體管(BJT)或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET)。變壓器Tl的變壓比通常選擇為使所需功率匹配到給定的DC電源電壓，該給定的DC電源電壓通常為28V或50V。詳細(xì)的電路遵循用于通信的寬帶HF/VHF功率放大器設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)慣例。圖I的放大器有一個主要的優(yōu)點，但是也有幾個缺點。其主要的優(yōu)點是在在寬帶設(shè)計中，通過改變驅(qū)動頻率或輸入頻率可輕松地改變輸出頻率。對于給定的輸出頻率而言，只需改變輸出濾波器。如果放大器的基本線性/純度足夠好，則同時執(zhí)行這些過程。圖I的電路的缺點在于效率較低以及晶體管的功率消耗較大。效率在理論上不會超過70%，但典型地不會超過50%。為解決高功率消耗問題，許多應(yīng)用使用通常采用了鈹氧化物(BEo)低熱阻技術(shù)的昂貴的、特制的RF晶體管。它們需要巨大的空冷散熱器或水冷散熱器。有關(guān)RF線性放大器的設(shè)計已經(jīng)出版了大量的文獻(xiàn)。任何想要設(shè)計該發(fā)生器的電源制造商，都可放心地使用晶體管制造商的應(yīng)用電路。如圖2所示，圖2的電路采用了一種可提高效率并降低功率消耗的不同工作模式。圖2電路中的驅(qū)動信號固定為方波，這樣晶體管就處于開關(guān)工作模式而不是線性工作模式。即圖I的開關(guān)或晶體管S1、S2在位于全關(guān)和全開之間的區(qū)域上進(jìn)行工作。圖2的開關(guān)或晶體管SI、S2通過從全開切換到全關(guān)進(jìn)行工作。變壓器Tl的輸出現(xiàn)在是方波。包含電感器LI、L2和電容器Cl、C2的四元濾波器濾除所需基本頻率以產(chǎn)生正弦曲線輸出。為抑制諧波電流，去除電容器C4以使該濾波器提供感性輸入。雖然晶體管電壓和變壓器電壓為方形，但是電流為正弦曲線。效率現(xiàn)在為100%，并且典型地落在80% 90%的范圍內(nèi)。這種電路通常稱為諧振轉(zhuǎn)換器或逆變器，而非放大器。圖2的電路因一些缺點而受損。由于針對特定的輸出頻率對濾波器進(jìn)行充分地選擇，所以僅能實現(xiàn)固定的或窄的工作頻率范圍或頻段。此外，無法直接控制輸出功率。不像圖1，圖2的電路無法直接連接到線電壓或輸出口電壓。相反地，需要利用附加的功率轉(zhuǎn)換 器對輸入到圖2的DC進(jìn)行調(diào)整，典型地利用開關(guān)模式逆變器實現(xiàn)。進(jìn)一步，負(fù)載失當(dāng)會導(dǎo)致濾波器和晶體管之間的高環(huán)流。環(huán)流無法通過限制DC輸入電流進(jìn)行必要地限制。特別是對于E類放大器來說，E類放大器采用提供高效率的開關(guān)模式放大器布局。由于該布局，E類放大器的開關(guān)元件，典型地為晶體管，在出現(xiàn)最大功率消耗的作用區(qū)消耗很短時間或者不消耗時間。在這種架構(gòu)下，E類放大器的開關(guān)元件在工作中更象是開關(guān)而非晶體管。亦即，開關(guān)元件將其大部分時間消耗在截至區(qū)或飽和區(qū)。設(shè)計者進(jìn)一步利用已知的稱為零電壓開關(guān)(ZVS)的開關(guān)模式技術(shù)來提高E類放大器的效率。ZVS防止E類放大器的開關(guān)元件在轉(zhuǎn)換期間通過作用區(qū)。通過在開關(guān)元件的輸出端施加感性負(fù)載，開關(guān)元件的輸出端的寄生電容和擴(kuò)程電容在開關(guān)元件試圖從截至區(qū)轉(zhuǎn)換到飽和區(qū)之前被放電至零伏特。電感器和電容器協(xié)作以形成串聯(lián)諧振電路，并在開關(guān)元件的輸出端提供感性負(fù)載。該諧振電路的頻率低于放大器的工作頻率。此時，該諧振電路 的電感器支配該諧振電路，并在晶體管上產(chǎn)生感性負(fù)載。為實現(xiàn)ZVS，開關(guān)元件必須設(shè)計為允許負(fù)的漏級-源級電流通過自身，即器件溝道處于截至區(qū)。該要求暗示出MOSFET是E類放大器布局的開關(guān)元件的優(yōu)選選擇，這是因為MOSFET在連接到源極的襯底上具有固有的本體二極管。也可選擇其他的晶體管，例如雙級結(jié)晶體管(BJT)或集成柵雙級晶體管(IGBT),但是在這些架構(gòu)下需要在發(fā)射極-集電極結(jié)上配置快速二極管。E類放大器的主要優(yōu)點是，相對于其他布局而言，用于E類布局中的相同的晶體管可實現(xiàn)更高的RF功率，這主要是因為降低了器件耗散。另一方面，E類放大器也產(chǎn)生了必須從RF輸出中濾除的大量二次諧波能量。這種布局典型地要求在RF功率遞送到負(fù)載之前具有至少一個附加的濾波級。如前所述，包括電感器和電容器的串聯(lián)諧振電路具有低于放大器工作頻率的諧振頻率。盡管負(fù)載可以是電容器、電感器和電阻的任意組合，但是如果負(fù)載僅為具有使得諧振電路和負(fù)載的串聯(lián)組合的諧振頻率等于放大器的工作頻率的值的電容器，則通過開關(guān)元件的電流將接近無限大。這將導(dǎo)致晶體管的損壞。然而，對于典型的E類放大器應(yīng)用來說，利用對放大器輸出反射功率進(jìn)行箝位的外部控制環(huán)，可避免損壞晶體管。只要該控制環(huán)感知反射功率超過預(yù)定限制，則該控制環(huán)上降低DC軌上的電壓，直至反射功率匹配預(yù)定限制。該控制環(huán)必須迅速反應(yīng)，以避免影響晶體管。通過將RF放大器輸入功率降低至零，可避免影響晶體管。但是，在等離子體處理應(yīng)用中，這樣的動作將引起不希望的結(jié)果，即等離子體消失。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面，具有DC輸入的電源電路向負(fù)載提供交流電。逆變器產(chǎn)生交流輸出，而輸出電路直接接收該交流輸出并將該交流輸出饋給負(fù)載。該輸出電路包括相對于該輸出電路中點上連接的第一整流器和第二整流器，以便在該逆變器試圖驅(qū)使該點達(dá)到超出預(yù)定正電壓或預(yù)定負(fù)電壓的電壓時，該第一整流器或該第二整流器中的一個導(dǎo)電以使電壓和/或電流返回到DC電壓電源。電壓和/或電流被反饋到逆變器。這可通過例如將第一整流器連接在地或DC輸入的負(fù)輸入端與該點 之間并且將該第二整流器連接在該電和DC電壓的正輸入端之間來實現(xiàn)。應(yīng)理解，當(dāng)整流器之一導(dǎo)電時，其將該點箝位到DC輸入的相應(yīng)輸入端的電壓。該整流器可由二極管實現(xiàn)。在一可替代配置中，該整流器可連接到單獨的電壓電源或電源，對由電源確定的電壓進(jìn)行箝位。本發(fā)明還包括恒壓器，例如，第一整流器和第二整流器利用齊納二極管實現(xiàn)。齊納二極管可消耗至少部分電壓和/或電流，同時還可具有相連的晶體管，通過該晶體管可消耗更高級別的能量。這各種情況下，消耗通過發(fā)熱實現(xiàn)。齊納二極管可背靠背地連接，以使其中一個二極管對另一個二極管進(jìn)行整流。可選地，還可使用合適、單獨的整流二極管或整流電路與各個齊納二極管串聯(lián)。在第一二極管和第二二極管連接在該點兩側(cè)的結(jié)構(gòu)中，各個二極管通過形成二極管鏈來實現(xiàn)，例如肖特基二極管，并且這些二極管可配置在單陶瓷襯底上。該逆變器可包括至少兩個開關(guān)器件。該電源電路也可包括連接到這兩個開關(guān)器件之間的點上的電感，以使器件和任何相連的電容通過感性電流來充電和放電。在本發(fā)明的另一個方面中，電源電路包括DC輸入并向負(fù)載提供交流電。逆變器產(chǎn)生交流輸出，并且輸出電路直接接收交流輸出并饋給到負(fù)載。該輸出電路進(jìn)一步包括恒壓器，以便在逆變器試圖驅(qū)動電路中的預(yù)定點達(dá)到預(yù)定電壓段之外的電壓時消耗電壓和/或電流的在本發(fā)明的又一個方面中，電源電路包括功率輸出和如上所述的第一電源電路和第二電源電路。第一電源電路的輸出和第二電源電路的輸出并聯(lián)地連接到功率輸出。交流信號源分別開關(guān)第一電源電路和第二電源電路的逆變器并控制用于改變信號源的相對相位的電路，以調(diào)整功率輸出的功率。電源電路可串聯(lián)地也可并聯(lián)地連接。在本發(fā)明的再一個方面中，電源向負(fù)載提供交流電流。第一電源電路和第二電源電路分別包括逆變器。交流信號源提供交流信號以開關(guān)逆變器并到相應(yīng)的功率輸出。功率輸出通過諧波濾波器并聯(lián)地或串聯(lián)地連接到功率輸出?？刂齐娐犯淖兘涣餍盘柕南鄬ο辔灰哉{(diào)整功率輸出上的功率。在本發(fā)明的另一個方面中，電壓逆變器的輸入電路包括至少兩個開關(guān)器件。該電路包括連接到這些器件之間的電上的電感，以使該器件和相連的電容通過感性電流進(jìn)行充電和放電。在本發(fā)明的又一個方面中，電源電路向負(fù)載供應(yīng)交流電。電源電路包括DC電壓電源和E類放大器。E類放大器接收DC輸入電壓并產(chǎn)生交流AC輸出信號。電源電路該包括位于放大器輸出端上的第一諧波濾波器。第一諧波濾波器過濾掉AC信號中的預(yù)定諧波成分以產(chǎn)生經(jīng)濾波的AC信號。位于第一諧波濾波器輸出端上的輸出電路接收經(jīng)濾波的AC信號并向負(fù)載饋給經(jīng)濾波的AC信號。輸出電路包括連接到該輸出電路中的點上的整流器，以便在該點處的電壓超出預(yù)定閾值時，該整流器導(dǎo)電以使電壓和電流中的至少一個返回到DC電壓電源并將該點箝位到預(yù)定電壓。要更好地理解本發(fā)明、其目的和效果，應(yīng)參考說明書和附圖。通過下述說明，將使本發(fā)明在各種領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用更加清楚。需要指出的是本發(fā)明對實施例詳細(xì)說明和說明僅僅是示意性的，其并不對本發(fā)明的范圍作出任何限定。


通過詳細(xì)說明和附圖，本發(fā)明將變得更加易于理解，其中可以各種方式執(zhí)行本發(fā)明，并且將通過實例參考附圖來說明特定的相關(guān)發(fā)明，其中如上所述，圖I和圖2是現(xiàn)有技術(shù)中常見的電路布局；圖3是根據(jù)本發(fā)明原理配置的電源電路；圖4是將電路串聯(lián)地連接以產(chǎn)生組合輸出的相關(guān)發(fā)明；圖5是將電路并聯(lián)地連接以產(chǎn)生組合功率輸出的相關(guān)發(fā)明；圖6是由單個箝位二極管對來保護(hù)開關(guān)電橋的每一半部的相關(guān)發(fā)明；圖7是由諧振電路和單個開關(guān)提供輸出且由單個箝位二極管對來保護(hù)電路的相關(guān)發(fā)明；圖8是圖7的電路的三級實現(xiàn)；圖9是示出半橋逆變器和保護(hù)電路的相關(guān)發(fā)明；圖10 圖12示出了根據(jù)特定開關(guān)器件的用于開關(guān)器件的可替代架構(gòu)；圖13是具有與箝位二極管之一并聯(lián)的電容器的電路；圖14是具有各個箝位二極管并聯(lián)的電容器的電路；圖15是電壓分配到串聯(lián)的電容器和串聯(lián)的二極管上的電路；圖16是示出了保護(hù)電路中的電感和RC電路的電路；圖17是示出用于改進(jìn)濾波器網(wǎng)絡(luò)的工作的MOSFET電路；圖18是用于解決器件電容的逆變器的可替代的輸入電路；圖19示出了利用多個FET實現(xiàn)的用于解決器件電容的逆變器電路；圖20是對圖18的輸入電路的改進(jìn)；圖21示出了具有附加的LC串聯(lián)電路的逆變器；圖22示出了用于改變箝位電壓的電源電路；圖23 圖26示出了與圖22的逆變器共同使用的可替代的恒壓器；圖27a 圖27m是從包含保護(hù)電路的示例性半橋逆變器提取的波形；圖28a 圖28f從不含保護(hù)電路的示例性半橋逆變器提取的對比波形；圖29是用于電源的控制電路的框圖；圖30是利用保護(hù)電路的等離子體系統(tǒng)的框圖31是用于圖30的控制電路的匹配網(wǎng)絡(luò)；圖32是示出按照本發(fā)明原理配置的單端放大器的電路；圖33是示出用于根據(jù)本發(fā)明原理配置的單端放大器的第二架構(gòu)的電路；圖34 圖36是示出圖33的電路的工作的波形；圖37是示出按照推挽架構(gòu)配置的單端放大器對的電路；圖38是示出按照推挽架構(gòu)配置的單端放大器對并包括用于平衡負(fù)載的附加電路的電路；圖39是示出按照并聯(lián)架構(gòu)配置的單端放大器對的電路；
圖40是示出按照并聯(lián)、推挽架構(gòu)配置的單端放大器的電路；以及圖41是示出按照并聯(lián)配置的單端放大器對并具有位于輸出端上的附加濾波器的電路。
具體實施例方式以下對優(yōu)選實施例的說明從本質(zhì)上來說僅為示意性的，絕非用以限制本發(fā)明及其應(yīng)用或用途。參見圖3，電壓逆變器電路通常標(biāo)記在10，其具有位于11的直流(DC)電壓電源輸入和位于12的交流(AC)輸出。需要從一開始就指出的是，在說明附圖時通常用S加上數(shù)字來表示開關(guān)；用C加上數(shù)字來表示電容器；用L加上數(shù)字來表示電感器；用D加上數(shù)字來表示二極管；用T加上數(shù)字來表示變壓器。進(jìn)一步，在具有通常地對稱的布局的電路中，可在上述附圖標(biāo)記中的每一個標(biāo)記之后加上字母后綴以表示通常類似、對稱的元件。開關(guān)SI、S2分別從信號源或發(fā)生器13接收作為輸入的反相方波信號。方波信號以這樣一種方式選通開關(guān)S1、S2，即使得無論是選通開關(guān)SI還是選通開關(guān)S2，電感器LI兩側(cè)的電壓極性都被反轉(zhuǎn)。當(dāng)信號源13以這樣一種方式驅(qū)動開關(guān)S1、S2時，開關(guān)S1、S2和電容器C3—起將DC輸入信號轉(zhuǎn)換為施加到電感器LI上的AC信號。這將在12產(chǎn)生交流輸出，而該交流輸出的DC成分被電容器C4所阻塞。位于12的輸出信號的頻率取決于由信號源13輸出的信號的頻率。四元諧波濾波器包括通常如上所述進(jìn)行工作的電感器LI、L2和電容器C I、C2。電感器LI和電容器Cl形成諧波濾波器的第一階，電感器L2和電容器C2形成諧波濾波器的第二階。該輸出濾波器濾除輸入到電感器LI的信號的諧波成分，以提高輸出信號波形的純度，并且使針對給定輸入電壓的所需輸出功率與輸出阻抗相匹配，該輸出阻抗通常為50歐姆。如上所述，圖I和圖2的電路極易受由負(fù)載失配導(dǎo)致的高環(huán)流的影響。一對插入到諧波濾波器第一階和諧波濾波器第二階間的箝位二極管或整流器Dl和D2，將減輕環(huán)流帶來的潛在危害。二極管D2從DC輸入源11的負(fù)軌(rail)延伸到節(jié)點X。二極管Dl從節(jié)點X延伸到DC輸入源11的正軌。在工作中，如果該電路試圖驅(qū)動節(jié)點X在一個方向上或者在另一方向上越過軌電壓，則與該軌相連的二極管被選通且變?yōu)閷?dǎo)電。當(dāng)該二極管選通時，二極管將節(jié)點X箝位到軌電壓，并將過大的電壓和/或電流反饋至該逆變器，特別是輸入源11和電容器C3。更特別地，如果電路試圖驅(qū)動節(jié)點X高于在DC輸入11的正軌上的電壓，則二極管Dl選通，提供包括從開關(guān)S2的本體二極管返回DC輸入電壓電源11和電容器C3的電流通路。類似地，如果該電路試圖驅(qū)動節(jié)點X低于DC源11的負(fù)軌上的電壓，則二極管D2變?yōu)閷?dǎo)電，提供包括從開關(guān)SI的本體二極管返回至DC輸入源11和電容器C3的電流通路。由于負(fù)載失配的影響隨著頻率增大，所以圖3的電路可使逆變器用在以前難以實現(xiàn)的頻率中。圖4示出了兩個電源電路的輸出串聯(lián)地布置的相關(guān)發(fā)明。圖4包括按照全橋架構(gòu)配置的兩個半部A和B。通過改變施加在半部A和半部B中每一個上的開關(guān)信號之間的相位，圖4的電路能夠調(diào)節(jié)輸出端12處的功率。圖4的第一半部包括一對開關(guān)S1A、S2A，這對開關(guān)接收由信號源13A輸出的一對AC信號。開關(guān)S1A、S2A串聯(lián)連接在DC電源11的正電壓軌和負(fù)電壓軌之間。來自開關(guān)S1A、S2A的輸出被施加到電感器LlA上，電感器LlA與電感器L2A和電容器CIA、C2A共同組成一個兩階的四元諧波濾波器。第一箝位二極管DlA具有連接到DC輸入源11的正軌上的負(fù)端子或陰極，和連接到電感器LlA和電感器L2A之間的正端子或陽極。第二箝位二極管D2A具有連接到DC源11的負(fù)端子上的正端子或陽極，和連接到箝位二極管DlA的正端子上的負(fù)端子或陰極。該諧波濾波器的輸出連接到變壓器Tl的第一端(end tap)上。 箝位二極管D1A、D2A為圖4中電路的左半部提供保護(hù)。當(dāng)電路試圖驅(qū)動節(jié)點XA處的電壓高于DC源11的正軌電壓時，二極管DlA變?yōu)閷?dǎo)電，從而將節(jié)點XA處的電壓箝位至接近DC輸入源11的正軌電壓，并提供返回DC輸入源11和電容器C3的通路。類似地，當(dāng)該電路試圖驅(qū)動節(jié)點XA處的電壓低于DC輸入源11的負(fù)軌電壓時，二極管D2A選通，將節(jié)點XA處的電壓箝位至接近DC輸入源11的負(fù)軌電壓，并提供返回DC輸入源11和電容器C3的電路通路，從而保護(hù)圖4中電路的左半部。圖4的電路還包括第二半部B，即半部B，其包括開關(guān)S1B、S2B。信號源13B輸出一對AC信號至開關(guān)S1B、S2B。需要指出的是，信號源13A、13B可組合成一個單元。半部B還包括四元兩階諧波濾波器，該濾波器包括電感器LIB、L2B和電容器C1B、C2B。半部B還包括一對箝位二極管DIB、D2B,這對箝位二極管如半部A中所述那樣地布置在半部B中。來自電路半部B的輸出連接到變壓器Tl的端。電路半部B按照針對電路半部A的說明進(jìn)行工作。變壓器Tl將電路半部A和電路半部B與輸出端12隔離開。電路半部A和電路半部B通過變壓器Tl的輸入線圈串聯(lián)連接。電路半部A和電路半部B的電路串聯(lián)地組合在一起，以改變控制各個半部的開關(guān)信號之間的相位，從而改變在輸出端12處的功率。特別地，當(dāng)開關(guān)SlA和開關(guān)SlB同時被啟動和關(guān)閉時，表示開關(guān)SlA和SlB同相地或按照O度相位進(jìn)行工作。相反地，如果在開關(guān)SlB選通時開關(guān)SlA關(guān)斷，而開關(guān)SlB關(guān)斷時開關(guān)SlA選通，則表示這些開關(guān)反相地或按照180度相位進(jìn)行工作。類似的術(shù)語可用在開關(guān)S2A和S2B上。電路半部A和電路半部B之間的相位由相位控制器14決定，該相位控制器14提供輸出信號到各個信號源13A和13B，以便改變各個電路半部之間的相對相位。當(dāng)電路半部A和電路半部B反相地或以180度相位進(jìn)行工作時，在輸出12處產(chǎn)生最大功率。當(dāng)電路半部A和電路半部B同相地或以O(shè)度相位進(jìn)行工作時，在輸出12處產(chǎn)生最小功率。當(dāng)相位為零時，無論負(fù)載阻抗怎樣，每一半部都可看成開路。變壓器Tl在串聯(lián)中將輸出有效地組合在一起，并且輸出12之前無需阻塞電容器。在電路半部A和電路半部B中形成諧波濾波器的電路元件必須匹配或者相等，以確保O度相位時產(chǎn)生零輸出。例如，L1A、L2A、ClA和C2A的值需與LIB、L2B、ClB和C2B的值相等。
圖5示出了第一電路半部A和第二電路半部B并聯(lián)地組合的相關(guān)發(fā)明。電路半部A包括一對開關(guān)S1A、S2A,這對開關(guān)從信號發(fā)生器13A接收各自的AC輸入信號,信號發(fā)生器13A可與信號源13B組合在一起形成一個單元。開關(guān)S1A、S2A串聯(lián)地連接在DC輸入源11的正軌和負(fù)軌之間。來自開關(guān)S1A、S2A的輸出施加到包含電感器L1A、L2A和電容器C1A、C2A在內(nèi)的四元兩階諧波濾波器。一對箝位二極管D1A、D2A串聯(lián)地布置在DC輸入源11的正軌和負(fù)軌之間。二極管DlA的負(fù)端子或陰極連接到DC源的正軌上，二極管DlA的正端阻或陽極連接到節(jié)點XA上。二極管D2A的負(fù)端子或陰極連接到節(jié)點XA上，二極管D2A的正端子或陽極連接到DC電源11的負(fù)軌上。電路半部A的輸出根據(jù)DC輸入源11的負(fù)軌和四元濾波器的輸出之間的電壓 決定。來自濾波器的輸出施加到阻塞電容器C4上,該電容器可阻塞輸出信號的任何DC成分。電容器C4也連接到輸出12上。在工作中，通過在該電路試圖驅(qū)動節(jié)點XA超出由DC源11的正軌和負(fù)軌分別限定的預(yù)定閾值時，提供到DC輸入源11和電容器C3的電路通路，箝位二極管D1A、D2A保護(hù)電路半部A的電路元件。電路半部B按照與電路半部A相同的方式布置和工作。在如圖5所示并聯(lián)連接的電路半部A和電路半部B中，改變電路半部A和電路半部B之間的工作相位，可改變輸出12處的功率。特別地，當(dāng)電路半部A和電路半部B同相地或以O(shè)度相位工作時，在輸出12處產(chǎn)生最大功率。相反地，當(dāng)電路半部A和電路半部B反相地或以180度相位工作時，出現(xiàn)短路，并在輸出12處出現(xiàn)最小功率。相位控制器14向各個信號發(fā)生器13A、13B提供控制信號，以控制電路半部A和電路半部B之間的相對相位。當(dāng)相位為180度時，無論負(fù)載阻抗怎樣，每一電路半部都可看成短路。注意，由于電容器C2A和C2B并聯(lián)，所以它們可組合為一個元件。在電路半部A和電路半部B中形成諧波濾波器的電路元件必須匹配或相等，以確保在180度相位時產(chǎn)生零輸出。例如，L1A、L2A、ClA和C2A的值需與LIB、L2B、ClB和C2B的值相等。 圖6示出了包括電路半部A和電路半部B的電路，其中電路半部A和電路半部B協(xié)作以施加信號到輸出12之前的公用元件。電路半部A包括一對并聯(lián)地布置在DC輸入源11的正電壓軌和負(fù)電壓軌之間的開關(guān)S1A、S2A。來自開關(guān)S1A、S2A的輸出輸入到電感器L1A。信號源或發(fā)生器13A輸出控制開關(guān)S1A、S2B的啟動的AC信號。電路半部B包含一對串聯(lián)地布置在DC輸入源11的正電壓軌和負(fù)電壓軌之間的開關(guān)SlB、S2B。來自開關(guān)S1B、S2B的輸出輸入到電感器L1B?？膳c信號源13A組合為一個單兀的信號源或發(fā)生器13B,可提供AC信號以控制開關(guān)SIB、S2B各自的啟動和關(guān)閉。一對箝位二極管Dl、D2與開關(guān)對S1A、S2A以及開關(guān)對SIB、S2B并聯(lián)地布置。箝位二極管Dl、D2在電路半部A或電路半部B試圖驅(qū)動節(jié)點XY超出由DC輸入源11的正電壓軌和負(fù)電壓軌各自限定的預(yù)定電壓時，提供返回DC輸入源11和電容器C3的電路通路。電容器Cl布置在DC源11的負(fù)電壓軌和節(jié)點XY之間。DC源11的負(fù)電壓軌和節(jié)點XY之間的電壓，為由電感器L2和電容器C2限定的濾波器限定了輸入電壓，其中由電感器L2和電容器C2限定的濾波器形成了由電感器L1A、L2B、L2和電容器Cl、C2共同形成的諧波濾波器的第二階。電容器Cl分別與電感器L1A、L2B組合以提供該諧波濾波器的第一階。阻塞電容器C4在輸出12處的輸出之前濾除信號中的DC成分。箝位二極管Dl、D2在電路半部A或電路半部B試圖驅(qū)動節(jié)點XY高于DC源11的正電壓軌或低于DC源11的負(fù)電壓軌時，提供返回DC輸入源11和電容器C3的電路通路。因此，無論是電路半部A還是電路半部B驅(qū)動節(jié)點XY超出上述預(yù)定閾值，箝位二極管D1、D2通過提供返回DC源11和電容器C3的電路通路來工作以保護(hù)圖6的電路。圖6的電路還包括相位控制器14，該相位控制器14通過產(chǎn)生到各個信號源13A、13B的控制信號，來控制電路半部A和電路半部B之間的相對相位的。在圖6中，當(dāng)電路半部A、電路半部B同相地或以O(shè)度相位工作時在輸出12處提供最大功率，而當(dāng)電路半部A、電路半部B反相地或以180度相位工作時在輸出12處提供最小功率。在圖6所示電路中，電感器LlA和電感器LlB必須匹配以確保在180度相位時的零輸出。圖7示出了包括電路半部A和電路半部B的電路，其中電路半部A和電路半部B并聯(lián)地組合以便在輸出端12處提供AC信號。參照電路半部A，開關(guān)SlA接收來自信號源13A 的AC信號。開關(guān)SlA與換向電感器L3A串聯(lián)地布置在DC電源11的正電壓軌和負(fù)電壓軌之間。電容器C6A與開關(guān)SlA并聯(lián)地布置。換向電感器L3A和電容器C6A組合以形成儲能電路，從而使電路半部A具有單端逆變器功能。該儲能電路輸出半整流的正弦波。阻塞電容器C7A從來自開關(guān)SlA和換向電感器L3A的信號輸出中濾除DC成分。電容器C7A將AC耦合在一起并確保相同的AC電壓經(jīng)過各個器件，正如圖8中將要說明的。需要指出的是L3A和L3B可交叉耦合以提高均等分配。電感器L3A與電感器LlA的比例決定了開關(guān)SlA上的應(yīng)力(stress)變化。如果通過電感器L3A的電流相比通過電感器LlA的電流來說更大,貝U由通過電感器LlA的負(fù)載所引起的變化，將對開關(guān)SlA上的應(yīng)力施加有限的影響。圖7的電路的缺點在于，即便產(chǎn)生諧波，C7A上的DC電壓仍部分地取決于負(fù)載。這意味著在某些負(fù)載變化下會有瞬時充電電流流動。阻塞電容器C7A的輸出被輸入到電感器L1A。第二電路半部B包括開關(guān)S1B，開關(guān)SlB由從信號源13B輸出的AC信號驅(qū)動。開關(guān)SlB與換向電感器L3B串聯(lián)地連接在DC輸入源11的負(fù)電壓軌和正電源軌之間。電容器C6B與開關(guān)SlB并聯(lián)地布置。換向電感器L3B和電容器C6B形成儲能電路。開關(guān)SlB和電感器L3B的輸出施加到阻塞電容器C7B上，該阻塞電容器可從該信號中濾除DC成分。電感器LlB連接到電容器C7B。電感器LlA和電感器LlB在節(jié)點XZ處相連，并向電感器L2和電容器C2提供輸出。電容器C2的另一端連接到DC電壓電源11的負(fù)軌。電容器Cl連接在DC電壓電源11的負(fù)對和節(jié)點XZ之間。因此，電感器L1A、L2和電容器C1、C2形成用于電路半部A的輸出的兩階諧波濾波器。類似地，電感器L1B、L2和電容器C1、C2形成用于電路半部B的輸出的兩階諧波濾波器。阻塞電容器C4從提供在輸出12處的信號中濾除DC成分。圖7還包括一對箝位二極管Dl、D2，它們串聯(lián)地布置在電壓電源11的正軌和負(fù)軌之間。二極管Dl的負(fù)端子或陰極連接到DC源11的正軌，且二極管Dl的正端子或陽極與節(jié)點XZ相連。二極管D2的負(fù)端子或陰極連接到節(jié)點XZ，二極管D2的正端子或陽極連接到DC源11的負(fù)軌。當(dāng)電路半部A或電路半部B試圖驅(qū)動節(jié)點XZ處的電壓超出預(yù)定閾值時，箝位二極管Dl、D2中的一個選通，從而提供從節(jié)點XZ返回至DC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)動節(jié)點XZ處的電壓高于DC源11的正軌電壓時，二極管Dl變?yōu)閷?dǎo)電，從而為過量的電壓和電流提供返回DC輸入源11和電容器C3的電路通路。類似地，當(dāng)該電路試圖驅(qū)動節(jié)點XZ處的電壓低于DC輸入源11的負(fù)軌電壓時，二極管D2變?yōu)閷?dǎo)電，從而提供返回至DC輸入源11和電容器C3的電路通路。圖7的電路半部A和電路半部B電路按照并聯(lián)結(jié)構(gòu)配置。當(dāng)控制開關(guān)SlA和開關(guān)SlB的控制信號的相對相位為同相或為O度時，輸出端12接收最大功率。相反地，當(dāng)驅(qū)動開關(guān)SlA和開關(guān)SlB的信號之間的相位為反相或為180度時，輸出端12接收最小功率。相位控制器14通過向各個信號源13A、13B提供輸入信號來改變電路半部A和電路半部B之間的相對相位。電路半部A和電路半部B中形成諧波濾波器的電路元件必須匹配或相等以確保180度的輸出相位。例如，L1A、L2A、ClA和C2B必須與LIB、L2B、ClB和C2B的值相等。圖7的電路的特別優(yōu)勢是，在高頻工作期間在同一電路通路中交替地驅(qū)動開關(guān)變得更加困難。通過利用由電感器L3和相連的電容器C6形成的儲能電路，在特定的電路半部上進(jìn)行開關(guān)通常需要較低的精度。圖8示出了圖7的單端逆變器電路的三級實現(xiàn)。圖8包括一對電路半部，即電路半部A和電路半部B，其中每一電路半部都包括由分號(’)、妙號(")和1/10秒號("')標(biāo) 識的三級。參見電路半部A，每一級都包括接收來自信號源13A的AC信號的開關(guān)S1A。開關(guān)SlA連接到電感器L3A并與電容器C6A并聯(lián)地布置。電感器L3A和電容器C6A組合以形成儲能電路。來自電感器L3A和開關(guān)SlA的輸出被輸入至阻塞電容器C7A，阻塞電容器C7A從電感器L3A和開關(guān)SlA的輸出中濾除DC成分。電容器C5A與開關(guān)SlA和電感器L3A的串聯(lián)連接并聯(lián)地布置。各個開關(guān)S1A’、S1A"、S1A"'均從信號源13A接收模擬信號。電容器C5A’、C5A"、C5A"'為這三級去耦。各個電容器C5A’、C5A"、C5A" ’流過電流并阻塞AC，從而為每一級中的DC部分提供電流回路。電容器C7A’、C7A"、C7A"'將各級的輸出耦合到一起，并且在感興趣的頻率下具有可忽略不計的阻抗。因此，每一級的電壓近似相等。例如，如果由DC輸入源11輸出的電壓為300伏，則各個電容器上的電壓為100伏。因此，電路半部A的各級僅需處理由DC源輸出的電壓的1/3。類似地，電路半部B包括三級，每級都具有與電感器L3B串聯(lián)地連接的開關(guān)S1B。如上所述，開關(guān)SlB也與電容器C6B并聯(lián)地連接，而電容器C6B與電感器L3B形成儲能電路。阻塞電容器C7B濾除來自電感器L3B和開關(guān)SlB的輸出中的DC成分。每一級都與電容器C5B并聯(lián)地連接。這些元件按照針對電路半部A的說明進(jìn)行工作。各個開關(guān)SIB’、SlB"、SlB"'從信號發(fā)生器13B接收AC信號。來自電路半部A的三個級的輸出被組合并輸入到電感器L1A。電感器LlA與電感器L2以及電容器Cl、C2協(xié)作形成兩階諧波濾波器，以濾除從電路半部A輸出的諧波成分。類似地，電路半部B的每一級的輸出被組合并輸入到電感器L1B，電感器LlB也與電感器L2以及電容器C1、C2協(xié)作形成兩階諧波濾波器，以濾除從B電路半部B輸出的AC信號中的諧波成分。阻塞電容器C4連接在諧波濾波器的輸出上，以濾除提供給輸出12的信號中的DC成分。圖8還包括一對箝位二極管Dl，D2，它們串聯(lián)地布置在DC輸入源11的正電壓軌和負(fù)電壓軌之間。箝位二極管D1，D2協(xié)作以便在任一電路半部試圖驅(qū)動節(jié)點XZ超出由DC輸入源11的負(fù)軌和正軌電壓分別限定的閾值時，提供返回DC源11和電容器C3的電路通路。在工作中，當(dāng)任一電路半部試圖驅(qū)動節(jié)點XZ處的電壓高于DC輸入源11的正軌電壓時，二極管Dl選通，產(chǎn)生返回DC輸入源11和電容器C3的電路通路。類似地，當(dāng)電路半部A或電路半部B試圖驅(qū)動節(jié)點XZ處的電壓低于DC輸入源11的負(fù)軌電壓時，二極管D2選通，產(chǎn)生返回DC輸入源11和電容器C3的電路通路。在工作中，電路半部A和電路半部B之間的相對相位決定了提供給輸出端12的功率。當(dāng)電路半部A和電路半部B之間的相對相位為O度或為同相時，輸出端12接收到最大功率。相反地，當(dāng)驅(qū)動電路半部A和電路半部B的開關(guān)的AC信號之間的相對相位為180度或反相時，輸出12接收最小功率。圖8的電路的特別優(yōu)勢是，通過將三個電路串聯(lián)地布置在電壓電源11的負(fù)軌和正軌之間，各級都僅需處理DC源11的負(fù)軌和正軌之間總電壓的三分之一。這使得可將400 500伏的器件用于具有接近300伏的DC輸入的電源，這是因為每ー級僅處理輸入電壓的三分之一，而不是在ー級執(zhí)行中處理全部電壓。這種400 500伏的器件很常見，并且為300伏的輸入系統(tǒng)提供了最佳特性。 圖9示出了具有保護(hù)電路的逆變器的電路圖。300伏的DC電壓施加到圖9的電路的電壓軌。第一電容器C3-1由400伏電容的2. 2微法(μ F)電容器實現(xiàn)，第二電容器C3-2由具有380伏電容的220 μ F電容器實現(xiàn)，該第一電容器C3-1和該第二電容器C3-2并聯(lián)地布置在電壓軌之間。第一 AC信號由信號源(未示出)施加到隔離變壓器Τ3的端子上。來自信號源(未不出)的第二 AC信號施加到變壓器Τ4的輸入端。來自變壓器Τ3的輸出通過22歐姆(Ω )的電阻輸入到一對開關(guān)Sl_l、Sl_2。類似地，來自變壓器T4的輸出也通過22歐姆(Ω )的電阻輸入到一對開關(guān)S2-l、S2-2。這些開關(guān)從IRF740標(biāo)準(zhǔn)件中選擇。開關(guān)對Sl-I和S1-2并聯(lián)地布置，開關(guān)對S2-1和S2-2同樣并聯(lián)地布置。這種單開關(guān)對的雙開關(guān)的并聯(lián)布置，降低了各個開關(guān)的電流處理要求。來自開關(guān)對SI、S2的輸出被輸入到10. 3微亨(μ H)的電感器LI，該電感器與13. 2 μ H的電感器L2以及30納法(iiF)的電容器Cl和IOiiF的電容器C2協(xié)作，以提供用于濾除來自開關(guān)SI、S2的輸出中的諧波的四元諧波濾波器。阻塞電容器C4具體為具有400伏的電容的
2.2μ F電容器。箝位ニ極管Dl和D2串聯(lián)地布置在DC源11的正軌和負(fù)軌之間。箝位ニ極管Dl、D2優(yōu)選地從HFAT660標(biāo)準(zhǔn)件中選擇。上述電路典型地在有限的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行工作。由于LC網(wǎng)絡(luò)通常是低通濾波器，所以其最大功率通過量與頻率成反比。此外，隨著頻率降低，諧波中的失真開始出現(xiàn)。已知在30 %的帶寬內(nèi)工作是滿意的。存在其他具有饋給多LC網(wǎng)絡(luò)的電壓電源逆變器的電路，其中箝位ニ極管可連接在網(wǎng)絡(luò)和DC電壓電源之間。雖然僅示出了半橋逆變器電路，但是應(yīng)理解也包括全橋逆變器和單端逆變器。這里所述的LC網(wǎng)絡(luò)值和箝位點，優(yōu)選地使過大的環(huán)流能量能被返回至電源，避免形成過大的電流和電壓，從而保護(hù)器件。另外這種選擇可確保在電源逆變器看來電流總是感性的，解決ニ極管恢復(fù)考慮的事項。變壓器可包括在這種網(wǎng)絡(luò)中以協(xié)助匹配輸出、箝位點和逆變器晶體管，或者提供隔離。進(jìn)ー步，可將兩個電壓電源逆變器連接到所述網(wǎng)絡(luò)，以使功率級可由相位關(guān)系進(jìn)行控制。除了這里說明的相位關(guān)系之外，非對稱網(wǎng)絡(luò)會導(dǎo)致更復(fù)雜的相位關(guān)系。對稱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢在于最大功率相位和最小功率相位與頻率無關(guān)。上述類型的相位調(diào)制電路提出了三個潛在的設(shè)計考慮事項。首先，在特定的有限條件下，DC電源從ー個橋側(cè)環(huán)流到另ー橋側(cè)。在出現(xiàn)這種情況時，盡管FET仍可看作被感性地關(guān)斷，但是在整個周期內(nèi)平均來看的話，F(xiàn)ET并不在整流。即，更多電荷沿反向而非正向流經(jīng)FET。因此，如果電流在反相足夠高以至選通本體ニ極管，則當(dāng)晶體管關(guān)斷時，本體ニ極管不能完全恢復(fù)，這將導(dǎo)致高功率消耗。隨著器件加熱，這種效果通過本體ニ極管電壓降的負(fù)溫度系數(shù)得以擴(kuò)大，潛在地導(dǎo)致熱耗散。該第一事項在低頻下可通過接受損失或使用反向隔離ニ極管來解決。在較高頻下，應(yīng)選擇使FET具有足夠低的電阻，以使反向電流總是由溝道來處理。采用低壓器件比較容易解決，這是因為導(dǎo)通電阻與提高到功率的2. 5th的電壓成正比，而ニ極管壓降與電壓無關(guān)。第二，當(dāng)LC網(wǎng)絡(luò)在低相位下變得諧振且在達(dá)到振幅之前未被箝位時，出現(xiàn)高增益狀態(tài)，并因此使得輸出的正向功率相對較高時。這種狀態(tài)不會損壞器件，但是會影響控制精 度。該第二事項可利用以下方法來解決，即使用非常精確穩(wěn)定的相位控制器或調(diào)制器設(shè)計或在輸出網(wǎng)絡(luò)中置入可降低Q并可擴(kuò)寬相位特性的電阻?？瓷先H要求50歐姆功率的1%或2%的電阻就已足夠。該事項僅在負(fù)載不消耗功率時出現(xiàn)，例如在負(fù)載的輕度人工條件為純抗性期間出現(xiàn)。通常等離子體腔、電纜和匹配網(wǎng)絡(luò)可有效地降低Q。第三，在各種較差的匹配條件下，相位的功率控制特性顯現(xiàn)出變形或改變。例如，隨著相位從零平滑地變化到最大值，功率從零増大、稍微減小、而后繼續(xù)増大。這將導(dǎo)致結(jié)上的振蕩具有非線性等離子體阻抗/功率功能。該事項本質(zhì)上僅為理論性的，并且無需實際考慮?？刂扑惴珊唵蔚奶^變形，這典型地在匹配優(yōu)于3:1電壓駐波比(VSWR)時消失。此外，在無限的VSWR環(huán)的至少一半中，功率控制特性不會有變形，所以可利用電纜長度、派形網(wǎng)絡(luò)等將負(fù)載放置在VSWR環(huán)中的某個位置。實際中，圖6的電路優(yōu)于圖4的電路，這是因為變形不太明顯且出現(xiàn)在實際中典型地不會用到的最大功率附近。這里所述的電路使用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET)。在感興趣的頻率超過I兆赫(MHz)的情況下，MOSFET通常優(yōu)于雙極結(jié)晶體管(BJT)或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。圖10 圖12示出了利用M0SFET、BJT或IGBT晶體管之一在上述電路中實現(xiàn)開關(guān)的架構(gòu)。圖10示出了用在上述電路中的M0SFET。該MOSFET包括在MOSFET的設(shè)計中固有的阻塞ニ極管。圖11示出了 BJT 20和反平行ニ極管22。在上述電路中，當(dāng)利用BJT 20實現(xiàn)開關(guān)時，必須包括反平行ニ極管22以便在箝位ニ極管D1、D2啟動時提供電路通路。類似地，圖12示出了利用IGBT實現(xiàn)本發(fā)明的開關(guān)時的優(yōu)選架構(gòu)。圖12示出了IGBT 24和反平行ニ極管26，該反平行ニ極管26提供了與圖11中的反平行ニ極管22類似的功能。應(yīng)指出，在不改變發(fā)明原理的前提下，其它提供了合適的開關(guān)和電路通路功能的開關(guān)器件或電路組合可代替MOSFET使用。圖13 圖15示出了所述與D1、D2相關(guān)的可替換的ニ極管箝位電路。圖13示出了包括ニ極管D1、D2和電容器Cl的ニ極管箝位電路。該電路已在前文進(jìn)行了說明。圖14和圖15示出了利用ニ極管D1、D2和電容器Cl的可替換架構(gòu)的實現(xiàn)。在各個電路中，電容器Cl可由布置在各個ニ極管上的兩個半值的相同電容器來實現(xiàn)，如圖14所示。電容器C1/2通過去耦電容器C3 (未在圖14中示出)有效地并聯(lián)耦合。去耦電容器C3相對工作頻率來說較大，使其阻抗可忽略，從而有助于電路實際布置和部件功率分配。如圖15所示，在較高的頻率下，使用兩個串聯(lián)的ニ極管可能優(yōu)于使用單個ニ極管D1、D2。通常較低電壓的ニ極管具有較低的反向恢復(fù)負(fù)荷。兩個ニ極管串聯(lián)時，相同的電荷流經(jīng)每個ニ極管。將Cl分割為在各個ニ極管上，可確保AC電壓的平均分配。如圖16所示，在箝位電路的進(jìn)ー步變體中，電感器L6與濾波器電容器Cl相串聯(lián)地布置在箝位ニ極管D1、D2的交叉點與濾波器電容器Cl之間。電感器L6優(yōu)選具有較小的值。這能夠使ニ極管的選通和關(guān)斷變得和緩，從而提高整流的效率。在ニ極管D1、D2關(guān)斷時，需要由電容器C7和電阻Rl形成的緩沖電路來抑制高頻振鈴。選擇得當(dāng)?shù)脑?，有助于在LC網(wǎng)絡(luò)在低功功率輸出下變得諧振時降低高Q系數(shù)的情況，例如在兩個并聯(lián)的橋電路之間存在低相位角。如上所述，如果LC濾波器網(wǎng)絡(luò)在低相位時變得諧振且在達(dá)到幅度之前未被箝位， 則功率控制精度因高増益狀態(tài)的出現(xiàn)而受損，并且使得相位的輸出功率増大。這可通過非常精確穩(wěn)定的相位調(diào)制器設(shè)計或通過連接在輸出網(wǎng)絡(luò)上且其值足以降低Q和擴(kuò)寬相位特性的電阻來解決?？瓷先ハ?0歐姆功率的約I 2%就足以解決這一事項。這通常僅發(fā)生在負(fù)載消耗低功率的情況下，例如在處于時延條件下的純抗性負(fù)載的人工條件下。實際中，電纜、匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載足以降低Q。在較大的相位偏移下，箝位ニ極管避免了諧振?？商鎿Q地，僅在相位為低時，才可通過開關(guān)箝位點上的晶體管來選擇性地降低Q系數(shù)。這可利用基于相位調(diào)制器需求的、設(shè)置為較低值的比較器來實現(xiàn)。這可在隨后驅(qū)動繼電器，該繼電器可采用在相位差相對較小，例如低功率需求時被啟動的MOSFET開關(guān)的形式。圖17示出了在箝位點選擇性地置入電阻的電路圖。如圖17所示，由于箝位ニ極管限制了電壓擺動且MOSFET在兩個方向上都能導(dǎo)電，所以可有利地使用MOSFET SR。偏壓電阻R3、R4可將電壓擺動集中到SR的范圍之內(nèi)。選擇電阻R2以提供足夠的抑制，并且CS阻塞DC流經(jīng)R2和MOSFET SR。到SR的輸入典型地通過控制電路來提供。來自C8的輸出被連接到ニ極管D1、D2的連接處。隨著工作頻率的増大，典型地實現(xiàn)開關(guān)的FET的電容對于電路工作具有更顯著的影響。圖18示出了對半橋電路的改進(jìn)。在圖18中，電容器C5與電容器C3 (未示出)并聯(lián)地布置。電感器L3置入電容器C5的互接處與開關(guān)S1、S2的輸出的互接處之間。電感器L3確保總有足夠的感性電流流過，以便對輸出和FET S1、S2的密勒電容器進(jìn)行充電和放電。如果輸出和箝位網(wǎng)絡(luò)允許容性負(fù)載電流流過的話，電感器L3還確保電流顯示為感性。如上所述，DC功率在特定條件下可從橋ー側(cè)循環(huán)到橋另ー側(cè)。因此，盡管FETS1、S2仍顯示為感性關(guān)斷，但是在整個周期內(nèi)平均吋，F(xiàn)ET SI、S2并非在整流。即，更多的電荷反向流動而非正向流動。因此，如果電流高到足以反轉(zhuǎn)并選通FET中包含的本體ニ極管，則當(dāng)FET的ニ極管關(guān)斷時FET的開關(guān)不會完全地恢復(fù)，并將產(chǎn)生高功率消耗。隨著FET器件溫度上升，這種效果在本體ニ極管的壓降的負(fù)溫度系數(shù)作用下變得夸大，并有可能導(dǎo)致熱耗散。如上所述，在低頻下這種情況可通過接受損失或使用反向隔離ニ極管來解決。在較高頻下，應(yīng)選擇FET使得導(dǎo)通電阻具有足夠低的電阻，以使反向電流總是由溝道來處理。采用低壓器件比較容易解決，這是因為導(dǎo)通電阻與提高到功率的2. 5th的電壓成正比，而ニ極管壓降與電壓無關(guān)。如圖19所示，兩個較低電壓FET Sl-l、Sl-2和S2-l、S2-2可串聯(lián)地連接。與并聯(lián)的兩個FET器件相比，這些FET典型地具有導(dǎo)通電阻的四分之一，并降低電壓的一半。因此，用于ニ極管架構(gòu)的閾值電流將變?yōu)閮杀?。在圖19中，電容器C6可與各個開關(guān)S1-US1-2、S2-l、S2-2并聯(lián)地放置。電容器C6需確保均等的電壓分配，但增加到有效的器件電容。電容器C7進(jìn)ー步促進(jìn)均等的電壓分配并僅通過不均衡的電流。在這種架構(gòu)中，快速恢復(fù)外延型ニ極管(FREDFET)開關(guān)憑借其降低的反向恢復(fù)電荷可擁有更多優(yōu)勢。圖20示出了圖18電路的另ー種改進(jìn)。兩個箝位ニ極管D11、D12與各個電容器C5并聯(lián)地置入。選擇ニ極管D11、D12以調(diào)整在用于返回到電源的結(jié)點上的電流或電壓。這使得如圖18所示的感性電流循環(huán)以轉(zhuǎn)換FET SI、S2的電容，并從FET SI、S2中吸收DC且將DC返回至電源軌。這還可處理任何從橋ー側(cè)流到橋另ー側(cè)的DC，并以此解決FET本體ニ極管恢復(fù)問題。電容器C5和ニ極管Dll、D12可與主箝位配置類似地按照串聯(lián)和并聯(lián)組合進(jìn) 行架構(gòu)，但通常需要低功率處理能力。如果需要工作頻率的變化，圖20的電路還具有另外的優(yōu)勢，即關(guān)斷電流基本保持相同而與頻率無關(guān)，只要選擇L3和C5以使ニ極管D11、D12總是導(dǎo)電。圖21示出了圖20電路的改進(jìn)，包括含有電感器L5和電容器C5的附加LC串聯(lián)電路。通過適當(dāng)選擇電感器L5和電容器C5的值以使諧振頻率在電源的主頻率和其三次諧波之間，從而使流經(jīng)電感器L3的電流隨著頻率增大且使DC電流幾乎維持恒定。雖然負(fù)軌和正軌為箝位到對失配作用敏感的預(yù)定點提供了方便的基準(zhǔn)電壓，且還允許將電壓和/或電流反饋到逆變器，還可能將箝位ニ極管跨接到其它的預(yù)定電壓電源上以產(chǎn)生箝位。由于該電路有時需要消耗過大的電壓和電流，所以以可替代的電壓電源為基準(zhǔn)優(yōu)選地包括以恒定電壓接收器為基準(zhǔn)。圖22示出了除負(fù)電壓軌和正電壓軌之外的基準(zhǔn)電壓電路。阻塞電容器C4置入電感器LI和逆變器開關(guān)S1、S2之間，以使齊納ニ極管Z1、Z2設(shè)置用于箝位的高電壓基準(zhǔn)和低電壓基準(zhǔn)。齊納ニ極管Zl、Z2背對背地串聯(lián)在點A和點B之間，以便在點X處的電壓被驅(qū)動為正時，其中一個齊納ニ極管導(dǎo)電并通過發(fā)熱消耗能量，并在點X處的電壓被驅(qū)動為負(fù)時，其中另ー個齊納ニ極管導(dǎo)通并消耗能量。其中一個ニ極管工作在整流模式而另一二極管工作在齊納模式。實際中，齊納ニ極管Z1、Z2在高速下開關(guān)不良?？赏ㄟ^以圖23所示架構(gòu)代替齊納ニ極管D1、D2來補(bǔ)償這種狀況。圖23包括分別與與傳統(tǒng)ニ極管DZ1、DZ2背靠背地串聯(lián)布置的齊納ニ極管Z1、Z2。隨后將齊納/傳統(tǒng)ニ極管的串聯(lián)連接并聯(lián)地布置。在這種架構(gòu)中，齊納ニ極管Zl、Z2無需工作在整流模式下。更進(jìn)ー步考慮，穩(wěn)壓ニ極管并非立即可用，尤其是在高的額定功率下?，F(xiàn)有齊納ニ極管的最大額定功率約為70瓦。進(jìn)ー步，具有相對高功率的齊納ニ極管通常昂貴。然而，晶體管相對便宜且便于得到極高額定功率的?？朔R納ニ極管的限制的方法之ー是使用如圖24所示的主動齊納電路。在圖24中，齊納ニ極管ZA主要起到選通晶體管TA的作用，晶體管TA被配置為在約為齊納ニ極管ZA的100倍的高功率級別下耗散。晶體管TA的功率消耗使主動齊納電路的增益的函數(shù)。參見圖24，當(dāng)ニ極管ZA處于齊納模式下吋，下式成立
V=V2+VBE，其中 Vbe ^ O. 6VI=I2+IQ，其中 Iq ^ HFEXI2, HFE=IOO從而IQ》I2，PQ P2。由上式可知，流過晶體管TA的電流遠(yuǎn)大于流經(jīng)齊納ニ極管ZA的電流，晶體管TA的功率消耗也遠(yuǎn)大于齊納ニ極管ZA的功率消耗。 圖25示出了除逆變器的負(fù)軌和正軌之外用于設(shè)置電壓基準(zhǔn)的其它可替代設(shè)置。特別地，圖25示出了包含DB1A、DB2A、DB1B、DB2B的ニ極管橋。齊納ニ極管ZB跨接ニ極管橋的兩個半部。因此，不管是負(fù)波還是正波，當(dāng)電壓超出閾值電壓時齊納ニ極管ZB進(jìn)入齊納模式。圖26示出了類似于圖25的ニ極管橋配置，但其包含與圖24類似的晶體管TA和齊納ニ極管ZA，從而提供了増大的功率消耗。圖24 圖26的ニ極管橋電路擁有多種優(yōu)勢。首先，該設(shè)計降低了成本，因為僅需用到一個齊納ニ極管而不是兩個齊納ニ極管。其次，因為僅用到ー個齊納ニ極管，所以可獲得恒定箝位電壓，而非使用兩個齊納ニ極管時可能產(chǎn)生的不恒定箝位電壓。第三，傳統(tǒng)ニ極管比齊納ニ極管更易匹配。圖27示出了具有保護(hù)電路的示例性電路配置的波形。在匹配和失配條件下記錄300伏DC輸入的工作波形和功率級別。利用開路、短路和既為感抗性又為容抗性的12、25、50、100和200歐姆的匹配到50歐姆和失配的負(fù)載阻抗。參見圖27a 圖27m，各個附圖都包含四個波形，各個圖中都標(biāo)識為I 4。波形I表示MOSFET的漏極電壓，例如電感器LI的輸出輸入，其中每分刻線為200伏特。波形2表示經(jīng)過LI的電流，其中每分刻線為10安培。波形3表示箝位電壓或ニ極管D1、D2之間的節(jié)點處的電壓，其中每分刻線為200伏特。波形4為箝位ニ極管電流，其中毎分刻線為10安培。這些規(guī)則同樣適用于圖27和圖28中的各條輸出波形。所選擇的值在無限VSWR上提供了 12個單獨的點，以確?？砂l(fā)現(xiàn)最差的工作狀態(tài)。下表列出關(guān)鍵參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種用于向負(fù)載供應(yīng)交流電的電源電路，包括 具有正軌和負(fù)軌的直流DC電壓電源； 具有連接至所述DC電壓電源的所述負(fù)軌的第一端子的開關(guān)，以及連接在所述開關(guān)的第二端子與所述DC電壓電源的所述正軌之間的電感器，所述開關(guān)和所述電感器協(xié)作以提供E類工作模式，接收DC輸入電壓并產(chǎn)生交流AC輸出信號； 位于該放大器的輸出端上的第一諧 波濾波器，其用于濾除AC信號的預(yù)定諧波成分以產(chǎn)生經(jīng)濾波的AC信號；以及 位于該第一諧波濾波器的輸出端上的輸出電路，其用于接收經(jīng)濾波的AC信號并將經(jīng)濾波的AC信號饋給到負(fù)載，其中該輸出電路僅包括單個整流器，該單個整流器與該負(fù)載并聯(lián)連接并相對于該輸出電路中的點連接，以便在該點處的電壓超出預(yù)定閾值時，該單個整流器導(dǎo)電以使電壓和電流中的至少一個返回到DC電壓電源并將該點箝位到預(yù)定電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述第一諧波濾波器包括串聯(lián)的電感器和電容器，并且所述第一諧波濾波器與所述放大器的開關(guān)并聯(lián)地布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述第一諧波濾波器包括電感器和電容器，并且該電感器布置在所述開關(guān)的輸出端和所述單個整流器的端子之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述單個整流器進(jìn)一步包括二極管，并且所述第一諧波濾波器包括電感器和電容器，并且該電感器布置在所述放大器的輸出端和該二極管的陰極之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，進(jìn)一步包括具有連接至所述DC電壓電源的所述負(fù)軌的第一端子的第二開關(guān)，以及連接在所述第二開關(guān)的第二端子與所述DC電壓電源的所述正軌之間的第二電感器，所述第二開關(guān)和所述第二電感器協(xié)作以提供一對E類放大器工作模式，用于接收所述DC輸入電壓并產(chǎn)生交流AC輸出信號,所述第一開關(guān)和所述第一電感器與所述第二開關(guān)和所述第二電感器并聯(lián)配置。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，進(jìn)一步包括與所述負(fù)載并聯(lián)地配置的第二諧波濾波器，該第二諧波濾波器進(jìn)一步從所述經(jīng)濾波的AC信號中濾除預(yù)定諧波成分。
7.一種用于向負(fù)載供應(yīng)交流電的電源電路，包括 具有正軌和負(fù)軌的DC電壓電源； 具有連接至所述DC電壓電源的所述負(fù)軌的第一端子的第一開關(guān)，以及連接在所述第一開關(guān)的第二端子與所述DC電壓電源的所述正軌之間的第一電感器，所述第一開關(guān)和所述第一電感器協(xié)作以提供E類工作模式，接收DC輸入電壓并產(chǎn)生交流AC輸出信號； 具有連接至所述DC電壓電源的所述負(fù)軌的第一端子的第二開關(guān)，以及連接在所述第二開關(guān)的第二端子與所述DC電壓電源的所述正軌之間的第二電感器，所述第二開關(guān)和所述第二電感器協(xié)作以提供E類工作模式，用于接收DC輸入電壓并用于產(chǎn)生交流AC輸出信號; 其中所述第一開關(guān)和所述第一電感器與所述第二開關(guān)和所述第二電感器以推挽架構(gòu)配置； 位于各個放大器的輸出端上的第一諧波濾波器，其濾除AC信號的預(yù)定諧波成分以產(chǎn)生經(jīng)濾波的AC信號；以及 位于各個第一諧波濾波器的輸出端上的輸出電路，其用于接收經(jīng)濾波的AC信號并將經(jīng)濾波的AC信號饋給到負(fù)載，其中該輸出電路僅包括單個整流器，該單個整流器與該負(fù)載并聯(lián)連接并相對于該輸出電路中的點連接，以便在該點處的電壓超出預(yù)定閾值時，該單個整流器導(dǎo)電以使電壓和電流中的至少一個返回到DC電壓電源并將該點箝位到預(yù)定電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述第一開關(guān)和所述第一電感器形成連接在所述DC電壓電源的所述正軌和所述負(fù)軌之間的諧振電路，其中所述第一開關(guān)的工作激勵該諧振電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述諧振電路進(jìn)一步包括與所述開關(guān)并聯(lián)的電容器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，進(jìn)一步包括位于所述第一諧波濾波器的輸出端上的第二諧波濾波器，該第二諧波濾波器從所述經(jīng)濾波的AC信號中濾除諧波成分以產(chǎn)生輸出信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述第二諧波濾波器包括與所述負(fù)載并聯(lián)地配置的電感器。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，進(jìn)一步包括位于所述第二諧波濾波器的輸出端上的阻塞電容器，該阻塞電容器用于從所述第二諧波濾波器的輸出中去除DC成分。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述第一諧波濾波器包括串聯(lián)的電感器和電容器，并且所述第一諧波濾波器與所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)并聯(lián)地配置。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述第一諧波濾波器包括電感器和電容器，并且該電感器配置在所述第一開關(guān)的輸出端和所述單個整流器的端子之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述第二諧波濾波器包括電感器，并且該電感器與所述負(fù)載并聯(lián)地配置。
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述放大器進(jìn)一步包括多個與所述負(fù)載并聯(lián)地配置的開關(guān)和電感器。
17.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中每對開關(guān)和電感器形成電路半部并且各個電路半部由變壓器相互連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中第二變壓器將所述各個電路半部的輸出與所述負(fù)載相互連接，從而提供平衡的負(fù)載。
19.一種用于向負(fù)載供應(yīng)交流電的電源電路，包括 DC電壓電源； 具有連接至所述DC電壓電源的所述負(fù)軌的第一端子的第一開關(guān)，以及連接在所述第一開關(guān)的第二端子與所述DC電壓電源的所述正軌之間的第一電感器，所述第一開關(guān)和所述第一電感器協(xié)作以提供E類工作模式，接收DC輸入電壓并產(chǎn)生交流AC輸出信號； 具有連接至所述DC電壓電源的所述負(fù)軌的第一端子的第二開關(guān)，以及連接在所述第二開關(guān)的第二端子與所述DC電壓電源的所述正軌之間的第二電感器，所述第二開關(guān)和所述第二電感器協(xié)作以提供E類工作模式，用于接收DC輸入電壓并用于產(chǎn)生交流AC輸出信號; 其中所述第一開關(guān)和所述第一電感器與所述第二開關(guān)和所述第二電感器并聯(lián)配置；位于放大器的輸出端上的第一諧波濾波器，其濾除AC信號的預(yù)定諧波成分以產(chǎn)生經(jīng)濾波的AC信號；以及位于各個第一諧波濾波器的輸出端上的輸出電路，其用于接收經(jīng)濾波的AC信號并將經(jīng)濾波的AC信號饋給到負(fù)載，其中該輸出電路僅包括單個整流器，該單個整流器與該負(fù)載并聯(lián)連接并相對于該輸出電路中的點連接，以便在該點處的電壓超出預(yù)定閾值時，該單個整流器導(dǎo)電以使電壓和電流中的至少一個返回到DC電壓電源并將該點箝位到預(yù)定電壓。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述第一開關(guān)和所述第一電感器形成連接在所述DC電壓電源的所述正軌和所述負(fù)軌之間的諧振電路，其中所述第一開關(guān)的工作激勵該諧振電路。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述諧振電路進(jìn)一步包括與所述開關(guān)并聯(lián)的電容器。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，進(jìn)一步包括位于所述第一諧波濾波器的輸出端上的第二諧波濾波器，該第二諧波濾波器從所述經(jīng)濾波的AC信號中濾除諧波成分以產(chǎn)生輸出信號。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述第二諧波濾波器包括與所述負(fù)載并聯(lián)地配置的電感器。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，進(jìn)一步包括位于所述第二諧波濾波器的輸出端上的阻塞電容器，該阻塞電容器用于從所述第二諧波濾波器的輸出中去除DC成分。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述第一諧波濾波器包括串聯(lián)的電感器和電容器，并且所述第一諧波濾波器與所述開關(guān)并聯(lián)地配置。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述第一諧波濾波器包括電感器和電容器，并且該電感器配置在所述開關(guān)的輸出端和所述單個整流器的端子之間。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述第二諧波濾波器包括電感器，并且該電感器與所述負(fù)載并聯(lián)地配置。
28.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，進(jìn)一步包括 具有連接至所述DC電壓電源的所述負(fù)軌的第一端子的第三開關(guān)，以及連接在所述第三開關(guān)的第二端子與所述DC電壓電源的所述正軌之間的第三電感器，所述第三開關(guān)和所述第三電感器協(xié)作以提供E類工作模式，接收DC輸入電壓并產(chǎn)生交流AC輸出信號； 具有連接至所述DC電壓電源的所述負(fù)軌的第一端子的第四開關(guān)，以及連接在所述第四開關(guān)的第二端子與所述DC電壓電源的所述正軌之間的第四電感器，所述第四開關(guān)和所述第四電感器協(xié)作以提供E類工作模式，用于接收DC輸入電壓并用于產(chǎn)生交流AC輸出信號; 其中所述第一開關(guān)和所述第一電感器以及第二開關(guān)和所述第二電感器與所述第三開關(guān)和所述第三電感器以及所述第四開關(guān)和所述第四電感器并聯(lián)配置。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中由變壓器將所述第一開關(guān)和所述第一電感器以及所述第二開關(guān)和所述第二電感器與所述第三開關(guān)和所述第三電感器以及所述第四開關(guān)和所述第四電感器相互連接。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，進(jìn)一步包括第二變壓器，該第二變壓器將所述輸出電路與所述負(fù)載相互連接，從而提供平衡的負(fù)載。
31.一種等離子體控制系統(tǒng)，包括 由射頻RF信號激發(fā)的等離子體腔；等離子體控制器，其用于測量等離子體腔的工作狀態(tài)并產(chǎn)生用以改變等離子體腔內(nèi)的狀態(tài)的控制信號；以及 RF發(fā)生器，用于產(chǎn)生RF信號給等離子體腔，該RF發(fā)生器包括 RF控制器，其從等離子體控制器接收控制信號并產(chǎn)生電源控制信號，以及 電源，其用于接收電源控制信號并根據(jù)電源控制信號產(chǎn)生RF信號，該電源包括 具有正軌和負(fù)軌的DC電壓電源； 具有連接至所述DC電壓電源的所述負(fù)軌的第一端子的開關(guān)，以及連接在所述開關(guān)的第二端子與所述DC電壓電源的所述正軌之間的電感器，所述開關(guān)和所述電感器協(xié)作以提供E類工作模式，接收DC輸入電壓并產(chǎn)生AC輸出信號；以及 位于該放大器的輸出端上的第一諧波濾波器，其用于濾除AC信號的預(yù)定諧波成分以產(chǎn)生經(jīng)濾波的AC信號； 其中，該電源包括保護(hù)電路，該保護(hù)電路僅包括單個整流器，該單個整流器與該負(fù)載并聯(lián)連接并相對于預(yù)定點連接，以便在該點處的電壓超出預(yù)定閾值時，該單個整流器導(dǎo)電以便將該點處的電壓箝位到預(yù)定電壓。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，其中所述輸出電路將電壓和電流中的至少一個返回到所述放大器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電源，包括用于從DC輸入源(11)接收DC輸入信號的逆變器。該逆變器由單端逆變器實現(xiàn)。各個逆變器均由信號源(13A，13B)驅(qū)動并輸出AC信號。各個逆變器的輸出進(jìn)入第一階諧波濾波器。該電源包括輸出電路，該輸出電路包括配置在點上的整流器(D1)，該整流器在逆變器試圖驅(qū)動該點超過預(yù)定電壓時導(dǎo)電，以使電壓和電流中的至少一個返回到DC輸入源。第一諧波濾波器(L1A，C1；L1B，C1)的輸出進(jìn)入第二諧波濾波器(L2，C2)最后從該電源輸出。
文檔編號H02H7/122GK102684164SQ201210189198
公開日2012年9月19日 申請日期2004年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月16日
發(fā)明者丹尼爾·林肯, 保羅·班尼特 申請人:Mks儀器有限公司