(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気発生器と該電気発生器の出力に接続される非線形負荷との相互作用を修正する方法であって、
該方法は、
該電気発生器のエンジンの制御入力でメイン制御信号を受け取ることであって、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該非線形負荷に伝達される、出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つである、ことと、
該非線形負荷のインピーダンスを測定することであって、該非線形負荷のインピーダンスは、該出力電力の振幅に依存する、ことと、
該電気発生器に該測定されたインピーダンスに対応する補償信号を与えることであって、該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該電気発生器の該出力電力を安定させる、ことと
を含む、方法。
【請求項２】
前記メイン制御信号と前記補償信号との和は前記制御入力に与えられる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記補償信号は、前記非線形負荷のインピーダンスが前記測定されたインピーダンスであるときに前記電気発生器に特定の出力電力を生成させ得る制御信号と、該電気発生器にリファレンスインピーダンスへの該特定の出力電力を生成させ得る制御信号との差分である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記補償信号は、前記制御入力から独立した、前記エンジンの二次制御入力に与えられる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記二次制御入力はバイアス電圧の入力である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記補償信号は、前記メイン制御信号に対する前記電気発生器の前記出力電力の前記伝達関数を、前記非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにすることに加えて、ユーザ入力に基づいて、該電気発生器に、該非線形負荷のインピーダンスと相互に作用させる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記電気発生器は無線周波数発生器である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記非線形負荷はプラズマを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
電気発生器と該電気発生器の出力に接続される非線形負荷との相互作用を修正する方法であって、
該方法は、
該非線形負荷のインピーダンスを測定することであって、該非線形負荷のインピーダンスは、出力電力の振幅に依存する、ことと、
該電気発生器のエンジンの制御入力にメイン制御信号と補償信号との和を与えることであって、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つであり、
該メイン制御信号は、該電気発生器によって該非線形負荷に伝達される、該出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、
該補償信号は該測定されたインピーダンスに依存し、該補償信号は、該非線形負荷のインピーダンスが該測定されたインピーダンスであるときに該電気発生器に特定の出力電力を生成させ得る制御信号と、該電気発生器にリファレンスインピーダンスへの該特定の出力電力を生成させ得る制御信号との差分であり、
該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該出力電力の不安定性を防ぎ、そうでなければ、該出力電力の不安定性が該電気発生器と該非線形負荷のインピーダンスとの相互作用により起きる、ことと
を含む、方法。
【請求項１０】
電気発生器と該電気発生器の出力に接続される非線形負荷との相互作用を修正する方法であって、
該方法は、
該電気発生器のエンジンの一次制御入力でメイン制御信号を受け取ることであって、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該非線形負荷に伝達される、出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つである、ことと、
該非線形負荷のインピーダンスを測定することであって、該非線形負荷のインピーダンスは、該出力電力の振幅に依存する、ことと、
該一次制御入力から独立した、該エンジンの二次制御入力に、該測定されたインピーダンスに依存する補償信号が与えられ、該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該出力電力の不安定性を防ぎ、そうでなければ、該出力電力の不安定性が該電気発生器と該非線形負荷のインピーダンスとの相互作用により起きる、ことと
を含む、方法。
【請求項１１】
エンジンと補償サブシステムとを含む電気発生器であって、
該エンジンは、メイン制御信号を受け取るように構成された制御入力を含み、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該電気発生器の出力に接続される非線形負荷に伝達される、出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つであり、
該補償サブシステムは、
該非線形負荷のインピーダンスを測定するインピーダンス測定回路であって、該非線形負荷のインピーダンスは、該出力電力の振幅に依存する、インピーダンス測定回路と、
該電気発生器に該測定されたインピーダンスに対応する補償信号を与える補償信号生成回路であって、該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該電気発生器の該出力電力を安定させる、補償信号生成回路と
を含む、電気発生器。
【請求項１２】
少なくとも第１の入力、第２の入力および出力を有する加算回路をさらに含み、
該第１の入力は前記メイン制御信号を受け取り、該第２の入力は前記補償信号を受け取り、該加算回路の出力は前記制御入力に接続され、該加算回路は該加算回路の出力で該メイン制御信号と該補償信号との和を生成する、請求項１１に記載の電気発生器。
【請求項１３】
前記補償信号は、前記非線形負荷のインピーダンスが前記測定されたインピーダンスであるときに前記電気発生器に特定の出力電力を生成させ得る制御信号と、該電気発生器にリファレンスインピーダンスへの該特定の出力電力を生成させ得る制御信号との差分である、請求項１２に記載の電気発生器。
【請求項１４】
前記エンジンは、前記制御入力から独立した二次制御入力をさらに含み、該二次制御入力は前記補償信号を受け取る、請求項１１に記載の電気発生器。
【請求項１５】
前記二次制御入力はバイアス電圧の入力である、請求項１４に記載の電気発生器。
【請求項１６】
前記補償信号は、前記メイン制御信号に対する前記電気発生器の前記出力電力の前記伝達関数を、前記非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにすることに加えて、ユーザ入力に基づいて、該電気発生器に該非線形負荷のインピーダンスと相互に作用させる、請求項１１に記載の電気発生器。
【請求項１７】
前記電気発生器は無線周波数発生器である、請求項１１に記載の電気発生器。
【請求項１８】
前記非線形負荷はプラズマを含む、請求項１１に記載の電気発生器。
【請求項１９】
前記補償信号生成回路は、複数の出力電力レベルのそれぞれに対して、前記測定されたインピーダンスの一組の離散値を、前記補償信号の対応する一組の離散値にマッピングするルックアップテーブルを含む、請求項１１に記載の電気発生器。
【請求項２０】
前記電気発生器のソースインピーダンスは、リファレンス負荷インピーダンスの複素共役とは実質的に異なる、請求項１１に記載の電気発生器。
【請求項２１】
前記リファレンス負荷インピーダンスは５０オームである、請求項２０に記載の電気発生器。
【請求項２２】
エンジンと補償サブシステムと加算回路とを含む電気発生器であって、
該エンジンは、制御入力を含み、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つであり、
該補償サブシステムは、
該電気発生器の出力に接続される非線形負荷のインピーダンスを測定するインピーダンス測定回路であって、該非線形負荷のインピーダンスは、出力電力の振幅に依存する、インピーダンス測定回路と、
該測定されたインピーダンスに依存する補償信号を生成する補償信号生成回路と
を含み、
該加算回路は、少なくとも第１の入力、第２の入力および出力を有し、該第１の入力はメイン制御信号を受け取り、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該非線形負荷に伝達される、該出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該第２の入力は該補償信号を受け取り、該加算回路の出力は該制御入力に接続され、該加算回路は該加算回路の出力で該メイン制御信号と該補償信号との和を生成し、
該補償信号は、該非線形負荷のインピーダンスが該測定されたインピーダンスであるときに該電気発生器に特定の出力電力を生成させ得る制御信号と、該電気発生器にリファレンスインピーダンスへの該特定の出力電力を生成させ得る制御信号との差分であり、
該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該出力電力の不安定性を防ぎ、そうでなければ、該出力電力の不安定性が該電気発生器と該非線形負荷のインピーダンスとの相互作用により起きる、電気発生器。
【請求項２３】
エンジンと補償サブシステムとを含む電気発生器であって、
該エンジンは、一次制御入力および二次制御入力を含み、該一次制御入力はメイン制御信号を受け取り、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該電気発生器の出力に接続される非線形負荷に伝達される、出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つであり、
該補償サブシステムは、
該非線形負荷のインピーダンスを測定するインピーダンス測定回路であって、該非線形負荷のインピーダンスは、該出力電力の振幅に依存する、インピーダンス測定回路と、
該二次制御入力に該測定されたインピーダンスに依存する補償信号を与える補償信号生成回路であって、該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該出力電力の不安定性を防ぎ、そうでなければ、該出力電力の不安定性が該電気発生器と該非線形負荷のインピーダンスとの相互作用により起きる、補償信号生成回路と
を含む、電気発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電気発生器に関する。特に、限定を意図するわけではないが、本発明は、電気発生器と非線形負荷との相互作用を修正する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一部の用途において、負荷へ最大電力の伝達をもたらし得るソースインピーダンスとは非常に異なるソースインピーダンスを有する電気発生器を用いることは、有利である。例えば、無線周波数（ＲＦ）発生器に関連して、ソースインピーダンスは、しばしば負荷インピーダンスの複素共役とは非常に異なる。スミスチャート（反射係数チャート、Ｐｈｉｌｉｐ  Ｈ．  Ｓｍｉｔｈ、１９３９年）によって、そのような発生器におけるソースインピーダンスは、チャートの端に向かって負荷インピーダンス（例えば、標準のＲＦ用途に対しては５０オーム）に正規化される。一部の無線周波数（ＲＦ）発生器は、そのようなソースインピーダンスを用いて設計され、それにより発生器を、抵抗性のあるソースインピーダンス（例えば、５０オーム）を有する発生器よりも高価でなく、かつ粗大でなくする。
【０００３】
しかし、そのような設計の一つの不利益は、負荷インピーダンスが発生器が動作するように設計される公称負荷インピーダンス（例えば、５０オーム）に近い場合、発生器は、負荷インピーダンスに整合された抵抗性のあるソースインピーダンスを有する発生器よりも、負荷インピーダンスの変化に対して大きく反応することである。プラズマのような非線形負荷への動作がなされる場合、そのようなシステムにおける特定の問題は、発生器の出力電力の変化が負荷インピーダンスの変化をもたらし得、負荷インピーダンスの変化が発生器の出力電力の変化をもたらし得ることである。一部の状態において、発生器および非線形負荷は、出力電力の不安定性をもたらす方法で相互に作用し得る。
【０００４】
このように、当該技術において、電気発生器と非線形負荷との相互作用を修正する、改良された方法および改良された装置に対するニーズがあることは、明らかである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
図面で示された本発明の例示的な実施形態は、下記に要約されている。これらの実施形態および他の実施形態は、より十分に、発明を実施するための形態の部分において述べられる。しかし、この課題を解決するための手段または発明を実施するための形態において述べられる態様に本発明を限定することを、意図していないことは理解されるべきである。当業者は、特許請求の範囲で表現される通り、発明の精神および発明の範囲の内に入る、多数の改変、多数の均等物および多数の代替構成が存在することを認識し得る。
【０００６】
本発明は、電気発生器と非線形負荷との相互作用を修正する方法および装置を提供し得る。一つの例示的な実施形態は、電気発生器と該電気発生器の出力に接続される非線形負荷との相互作用を修正する方法であって、該方法は、該電気発生器のエンジンの制御入力でメイン制御信号を受け取ることであって、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該非線形負荷に伝達される、出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つである、ことと、該非線形負荷のインピーダンスを測定することと、該電気発生器に該測定されたインピーダンスに対応する補償信号を与えることであって、該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該電気発生器の該出力電力を安定させる、こととを含む、方法である。
【０００７】
別の例示的な実施形態は、エンジンと補償サブシステムとを含む電気発生器であって、該エンジンは、メイン制御信号を受け取るように構成された制御入力を含み、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該電気発生器の出力に接続される非線形負荷に伝達される、出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つであり、該補償サブシステムは、該非線形負荷のインピーダンスを測定するインピーダンス測定回路と、該電気発生器に該測定されたインピーダンスに対応する補償信号を与える補償信号生成回路であって、該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該電気発生器の該出力電力を安定させる、補償信号生成回路とを含む、電気発生器である。
【０００８】
これらの実施形態および他の実施形態は、本明細書においてより詳細に述べられる。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
電気発生器と該電気発生器の出力に接続される非線形負荷との相互作用を修正する方法であって、
該方法は、
該電気発生器のエンジンの制御入力でメイン制御信号を受け取ることであって、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該非線形負荷に伝達される、出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つである、ことと、
該非線形負荷のインピーダンスを測定することと、
該電気発生器に該測定されたインピーダンスに対応する補償信号を与えることであって、該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該電気発生器の該出力電力を安定させる、ことと
を含む、方法。
（項目２）
上記メイン制御信号と上記補償信号との和は上記制御入力に与えられる、項目１に記載の方法。
（項目３）
上記補償信号は、上記非線形負荷のインピーダンスが上記測定されたインピーダンスであるときに上記電気発生器に特定の出力電力を生成させ得る制御信号と、該電気発生器にリファレンスインピーダンスへの該特定の出力電力を生成させ得る制御信号との差分である、項目２に記載の方法。
（項目４）
上記補償信号は、上記制御入力から独立した、上記エンジンの二次制御入力に与えられる、項目１に記載の方法。
（項目５）
上記二次制御入力はバイアス電圧の入力である、項目４に記載の方法。
（項目６）
上記補償信号は、上記メイン制御信号に対する上記電気発生器の上記出力電力の上記伝達関数を、上記非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにすることに加えて、ユーザーによって指定される方法で該電気発生器に、該非線形負荷のインピーダンスと相互に作用させる、項目１に記載の方法。
（項目７）
上記電気発生器は無線周波数発生器である、項目１に記載の方法。
（項目８）
上記非線形負荷はプラズマを含む、項目１に記載の方法。
（項目９）
電気発生器と該電気発生器の出力に接続される非線形負荷との相互作用を修正する方法であって、
該方法は、
該非線形負荷のインピーダンスを測定することと、
該電気発生器のエンジンの制御入力にメイン制御信号と補償信号との和を与えることであって、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つであり、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該非線形負荷に伝達される、出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該補償信号は該測定されたインピーダンスに依存し、該補償信号は、該非線形負荷のインピーダンスが該測定されたインピーダンスであるときに該電気発生器に特定の出力電力を生成させ得る制御信号と、該電気発生器にリファレンスインピーダンスへの該特定の出力電力を生成させ得る制御信号との差分であり、該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該出力電力の不安定性を防ぎ、そうでなければ、該出力電力の不安定性が該電気発生器と該非線形負荷のインピーダンスとの相互作用により起きる、ことと
を含む、方法。
（項目１０）
電気発生器と該電気発生器の出力に接続される非線形負荷との相互作用を修正する方法であって、
該方法は、
該電気発生器のエンジンの一次制御入力でメイン制御信号を受け取ることであって、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該非線形負荷に伝達される、出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つである、ことと、
該非線形負荷のインピーダンスを測定することと、
該一次制御入力から独立した、該エンジンの二次制御入力に、該測定されたインピーダンスに依存する補償信号が与えられ、該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該出力電力の不安定性を防ぎ、そうでなければ、該出力電力の不安定性が該電気発生器と該非線形負荷のインピーダンスとの相互作用により起きる、ことと
を含む、方法。
（項目１１）
エンジンと補償サブシステムとを含む電気発生器であって、
該エンジンは、メイン制御信号を受け取るように構成された制御入力を含み、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該電気発生器の出力に接続される非線形負荷に伝達される、出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つであり、
該補償サブシステムは、
該非線形負荷のインピーダンスを測定するインピーダンス測定回路と、
該電気発生器に該測定されたインピーダンスに対応する補償信号を与える補償信号生成回路であって、該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該電気発生器の該出力電力を安定させる、補償信号生成回路と
を含む、電気発生器。
（項目１２）
少なくとも第１の入力、第２の入力および出力を有する加算回路をさらに含み、
該第１の入力は上記メイン制御信号を受け取り、該第２の入力は上記補償信号を受け取り、該加算回路の出力は上記制御入力に接続され、該加算回路は該加算回路の出力で該メイン制御信号と該補償信号との和を生成する、項目１１に記載の電気発生器。
（項目１３）
上記補償信号は、上記非線形負荷のインピーダンスが上記測定されたインピーダンスであるときに上記電気発生器に特定の出力電力を生成させ得る制御信号と、該電気発生器にリファレンスインピーダンスへの該特定の出力電力を生成させ得る制御信号との差分である、項目１２に記載の電気発生器。
（項目１４）
上記エンジンは、上記制御入力から独立した二次制御入力をさらに含み、該二次制御入力は上記補償信号を受け取る、項目１１に記載の電気発生器。
（項目１５）
上記二次制御入力はバイアス電圧の入力である、項目１４に記載の電気発生器。
（項目１６）
上記補償信号は、上記メイン制御信号に対する上記電気発生器の上記出力電力の上記伝達関数を、上記非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにすることに加えて、該電気発生器に該非線形負荷のインピーダンスと、ユーザーによって指定される方法で相互に作用させる、項目１１に記載の電気発生器。
（項目１７）
上記電気発生器は無線周波数発生器である、項目１１に記載の電気発生器。
（項目１８）
上記非線形負荷はプラズマを含む、項目１１に記載の電気発生器。
（項目１９）
上記補償信号生成回路は、複数の出力電力レベルのそれぞれに対して、上記測定されたインピーダンスの一組の離散値を、上記補償信号の対応する一組の離散値にマッピングするルックアップテーブルを含む、項目１１に記載の電気発生器。
（項目２０）
上記電気発生器のソースインピーダンスは、リファレンス負荷インピーダンスの複素共役とは実質的に異なる、項目１１に記載の電気発生器。
（項目２１）
上記リファレンス負荷インピーダンスは５０オームである、項目２０に記載の電気発生器。
（項目２２）
エンジンと補償サブシステムと加算回路とを含む電気発生器であって、
該エンジンは、制御入力を含み、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つであり、
該補償サブシステムは、該電気発生器の出力に接続される非線形負荷のインピーダンスを測定するインピーダンス測定回路と、該測定されたインピーダンスに依存する補償信号を生成する補償信号生成回路とを含み、
該加算回路は、少なくとも第１の入力、第２の入力および出力を有し、該第１の入力はメイン制御信号を受け取り、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該非線形負荷に伝達される、出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該第２の入力は該補償信号を受け取り、該加算回路の出力は該制御入力に接続され、該加算回路は該加算回路の出力で該メイン制御信号と該補償信号との和を生成し、該補償信号は、該非線形負荷のインピーダンスが該測定されたインピーダンスであるときに該電気発生器に特定の出力電力を生成させ得る制御信号と、該電気発生器にリファレンスインピーダンスへの該特定の出力電力を生成させ得る制御信号との差分であり、該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該出力電力の不安定性を防ぎ、そうでなければ、該出力電力の不安定性が該電気発生器と該非線形負荷のインピーダンスとの相互作用により起きる、電気発生器。
（項目２３）
エンジンと補償サブシステムとを含む電気発生器であって、
該エンジンは、一次制御入力および二次制御入力を含み、該一次制御入力はメイン制御信号を受け取り、該メイン制御信号は、該電気発生器によって該電気発生器の出力に接続される非線形負荷に伝達される、出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも一つを制御し、該エンジンは、電力増幅器および変換器のうちの一つであり、
該補償サブシステムは、
該非線形負荷のインピーダンスを測定するインピーダンス測定回路と、
該二次制御入力に該測定されたインピーダンスに依存する補償信号を与える補償信号生成回路であって、該補償信号は、該メイン制御信号に対する該電気発生器の該出力電力の伝達関数を、該非線形負荷のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより該出力電力の不安定性を防ぎ、そうでなければ、該出力電力の不安定性が該電気発生器と該非線形負荷のインピーダンスとの相互作用により起きる、補償信号生成回路と
を含む、電気発生器。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
下記の発明を実施するための形態および添付の特許請求の範囲を参照することによって、それらが添付の図面と一緒に利用される場合に、本発明の様々な目的および本発明の様々な利点ならびに本発明のより完全な解釈が、明らかになり、かつ比較的容易に正しく理解される。
【図１Ａ】図１Ａは、非線形負荷に接続される発生器のブロック図であり、発生器の安定性の分析を助長する。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示される発生器の出力電力Ｐが不安定な状況における発生器制御信号Ｃの関数としてのＰのグラフである。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ｂと同じ状況における時間の関数としての図１Ａに示される発生器の出力電力Ｐのグラフである。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の例示的な実施形態に従った、非線形負荷に接続される発生器のブロック図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の例示的な実施形態に従った、発生器に対する補償サブシステムのブロック図である。
【図３】図３は、本発明の例示的な実施形態に従った、発生器と非線形負荷との相互作用を修正する方法のフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の別の例示的な実施形態に従った、非線形負荷に接続される発生器のブロック図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の例示的な実施形態に従った、簡略化されたスミスチャートの説明であり、特定の出力電力Ｐ０に対する一組の負荷インピーダンスのそれぞれに対して必要とされる発生器制御信号Ｃを示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の例示的な実施形態に従った、簡略化されたスミスチャートの説明であり、図５Ａと同一の出力電力Ｐ０に対する一組の負荷インピーダンスのそれぞれに対する補償信号Ｋを示す。
【図６】図６は、本発明の別の例示的な実施形態に従った、発生器と非線形負荷との相互作用を修正する方法のフローチャートである。
【図７】図７は、本発明のさらに別の例示的な実施形態に従った、非線形負荷に接続される発生器のブロック図である。
【図８】図８は、本発明の例示的な実施形態に従った、電力増幅器の回路図であり、電力増幅器は、一次制御入力および二次制御入力の両方を含む。
【図９】図９は、本発明のさらに別の例示的な実施形態に従った、発生器と非線形負荷との相互作用を修正する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明の様々な実施形態の理解は、電気発生器と電気発生器に接続される非線形負荷のインピーダンスとの相互作用の結果として電気発生器の出力電力の不安定性がどの程度生じ得るかの分析によって助長される。図１Ａは、非線形負荷１０５に接続される発生器１００のブロック図であり、そのような分析を助長する。発生器１００は電力増幅器１１０を含み、電力増幅器１１０は出力電力Ｐ１１５を非線形負荷１０５に伝達する。非線形負荷１０５は、次いでインピーダンスＺを電力増幅器１１０に与え、インピーダンスＺの実数成分および虚数成分は、それぞれ抵抗Ｒ１２０およびリアクタンスＸ１２５である。すなわち、Ｚ＝Ｒ＋ｊＸである。
【００１１】
電力増幅器１１０は制御入力１３０を含み、制御入力１３０は制御信号Ｃ１３５を受け取る。制御信号１３５は、電力増幅器１１０によって生成される出力電力１１５を制御することに用いられる。制御信号１３５は、メイン電力制御ループ（図１Ａには示されていない）によって生成される。
【００１２】
非線形負荷１０５のインピーダンスの変化に応答して発生器出力電力１１５の変化が即座に生じ、同様に、非線形負荷１０５への出力電力１１５が変更されたときに非線形負荷１０５のインピーダンスの変化が即座に生じると仮定すると、図１Ａに示されるシステムは下記の３つの数式によってモデル化され得る。
Ｐ＝ｆ（Ｃ，Ｒ，Ｘ）
Ｒ＝ｇ（Ｐ）
Ｘ＝ｈ（Ｐ）。
【００１３】
これらの関数が微分可能であると仮定し、一次導関数のみのテーラー級数展開を用いると、それらは動作基点のまわりで線形化され得、それにより
【００１４】
【数１】
0005414071.tif 000002
が得られ、そこで
【００１５】
【数２】
0005414071.tif 000003
は、ベクトル
【００１６】
【数３】
0005414071.tif 000004
およびベクトル
【００１７】
【数４】
0005414071.tif 000005
の内積である。これらのベクトルのうちの１番目のベクトルは、非線形負荷１０５のインピーダンスの変化に対する発生器１００の感度をモデル化し、２番目のベクトルは、発生器電力１１５の変化に対する非線形負荷１０５のインピーダンスの感度をモデル化する。
【００１８】
上記内積が１より小さい限り、発生器１００のメイン電力制御ループのゲインの低下は、制御信号１３５に対する出力電力１１５のゲインの増加を補償し得る。しかし、上記内積が１より大きいとき、制御信号１３５から出力電力１１５への伝達関数の符号は反転し、発生器のメイン電力制御ループのゲインのどのような修正も安定性を復元し得ない。不安定な状態において、発生器１００は要望どおりの一定の出力電力１１５を生成しない。
【００１９】
発生器１００と非線形負荷１０５との相互作用によって起き得る不安定性は、図１Ｂにおいて説明される。図１Ｂは、発生器１００の出力電力Ｐ１１５が不安定な状況における制御信号Ｃ１３５の関数としてのＰのグラフ１４０である。グラフ１４０は一対一ではない（すなわち、それは関係ではあるが関数ではない）ことに注意すべきである。すなわち、Ｃの一部の値に対してはＰの複数の値が存在する。Ｃ１（１４５）の制御信号１３５に対して、Ｐは最初に点１５０にあるが、Ｐはその後に点１５５へ低下する。制御信号１３５をＣ２（１６０）へ変更することによる、出力電力１１５の低下に対する補償は、最初は点１６５にＰを生じさせるが、Ｐはその後に点１７０へ上がる。点１５０から点１５５への推移または点１６５から点１７０への推移は、一部の応用例において２〜３マイクロ秒ほどで起こり得る。
【００２０】
時間の関数として、発生器１００の結果出力電力１１５が、図１Ｃにグラフ１７５としてかかれている。
【００２１】
次に図２Ａに言及すると、図２Ａは、本発明の例示的な実施形態に従った、非線形負荷２０５に接続される発生器２００のブロック図である。発生器２００は、ある種の「エンジン」を含む。「エンジン」の具体例は、限定されることなく、電力増幅器および変換器を含む。図２Ａに説明される特定の実施形態において、発生器２００は電力増幅器２１０を含み、電力増幅器２１０は非線形負荷２０５へ出力電力Ｐ２１５を伝達する。一実施形態において、発生器２００は、高いリアクタンスのソースインピーダンスを有する無線周波数（ＲＦ）発生器であり、非線形負荷２０５は、特に整合回路網およびケーブルなどや、プラズマを含む。そのようなシステムは、例えば、気相成長およびエッチング用途において用いられ得る。非線形負荷２０５は、電力増幅器２１０に、実数成分が抵抗Ｒ２２０で虚数成分がリアクタンスＸ２２５である複素インピーダンスＺ（Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ）を与える。
【００２２】
電力増幅器２１０は制御入力２３０を含み、制御入力２３０へメイン制御信号Ｃ２３５が与えられる。例えば、一実施形態においてメイン制御信号２３５は電圧である。一般に、メイン制御信号２３５は、発生器２００によって非線形負荷２０５へ伝達される、出力電力、出力電圧、出力電流またはそのいずれかの組み合わせの制御に用いられる。メイン制御信号２３５は、メイン電力制御ループ（図２Ａには示されていない）によって生成される。例えば、メイン電力制御ループの典型的な一インプリメンテーションにおいて、負荷で測定されるフィードバック電力および電力セットポイント（所望の出力電力２１５）は差動増幅器の入力へ与えられ、差動増幅器の出力（エラー信号）はメイン制御信号２３５である。
【００２３】
補償サブシステム２４０は非線形負荷２０５のインピーダンスを測定し、補償信号Ｋ２４５を生成し、補償信号Ｋ２４５は測定された負荷インピーダンスに対応する（依存する）。電力増幅器２１０へ与えられる補償信号２４５は、メイン制御信号２３５に対する発生器２００の出力電力２１５の伝達関数を、非線形負荷２０５のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにする。結果は、メイン制御信号２３５の関数として出力電力２１５を線形化することによってシステムが安定する。所与の測定された負荷インピーダンスに対する補償信号２４５は、特定の実施形態に依存して変化する。
【００２４】
図２Ｂは、本発明の例示的な実施形態に従った、補償サブシステム２４０のブロック図である。補償サブシステム２４０は、測定された負荷インピーダンス２５５を出力するインピーダンス測定回路２５０、および補償信号２４５を生成する補償信号生成回路２６０を含む。
【００２５】
補償信号２４５は、下記のような適当な校正によって予め決定され得る。第１に、発生器２００は、調整可能なインピーダンスを有する試験負荷（例えば、同調回路）に接続される。負荷は最初に、発生器２００が動作するように設計される公称リファレンスインピーダンス（例えば、５０オーム）に設定される。第２に、所望の電力セットポイントＰ０が発生器２００へ入力され、発生器２００は出力電力Ｐ０で安定することが可能になる。第３に、メイン制御信号２３５は、リファレンスインピーダンスへの出力電力Ｐ０を生成する電流値に凍結（固定）される。第４に、負荷インピーダンスが変更され、その負荷インピーダンスを用いてＰ０の出力電力２１５を維持するのに必要とされる補償信号２４５が記録される。第４のステップは次いで、所望される個数の負荷インピーダンスの値に対して繰り返される。全ての上記校正手順は、所望される個数の別個の出力電力セットポイントに対して繰り返される。
【００２６】
例示的な実施形態において、補償サブシステム２４０は、当業者によって「反射係数ドメイン」と称され得るものにおける高速デジタルアルゴリズムを用いてインプリメントされる。一実施形態において、例えば、補償サブシステム２４０は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）で発生器２００の他の機能と共にインプリメントされる。他の実施形態において、補償サブシステム２４０はプロセッサを用いてインプリメントされ、プロセッサはファームウェアまたはソフトウェアを実行する。一般に、補償サブシステム２４０の機能性は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアまたはその組み合わせでインプリメントされ得る。
【００２７】
この例示的な実施形態において、インピーダンス測定回路２５０は、１マイクロ秒ごとに約１回、非線形負荷２０５のインピーダンスを測定でき、約５００キロヘルツ以下で不安定性を伴う周波数の消去に備える。他の実施形態において、このサンプリングレートは、より低いかまたはより高い。
【００２８】
一実施形態において、補償信号生成回路２６０は、複数の出力電力レベル２１５のそれぞれに対してルックアップテーブルを含む。所与の出力電力２１５に対するそれぞれのルックアップテーブルは、測定された負荷インピーダンス２５５の一組の離散値のそれぞれを、補償信号２４５の対応する離散値にマッピングする。そのような実施形態において、補償信号生成回路２６０はデジタルアナログ（Ｄ／Ａ）変換器（図２Ｂには示されていない）を含み、それによりアナログの補償信号２４５を生成する。
【００２９】
一部の実施形態において、所与の出力電力レベルに対する校正手順は、数ポイント（例えば、スミスチャート上のリファレンスインピーダンスを取り囲む、リファレンスインピーダンス以外の４つの負荷インピーダンスの値）のみに対して行われる。測定された負荷インピーダンス２５５の別の値に対して、補償信号Ｋは、例えば、格納された負荷インピーダンス２５５の数個の値から、補間法によって得られ得る。一部の実施形態において、測定された負荷インピーダンス２５５の関数としての補償信号２４５の傾き（勾配）はルックアップテーブルに格納され、特定の測定された負荷インピーダンス２５５に対する補償信号２４５は、適切な傾きと、測定された負荷インピーダンス２５５とリファレンスインピーダンスとの差分とを乗算することによって補間される。また、一部の実施形態において、逐次近似のような速い数値アルゴリズムが用いられ、それにより除算のような数値演算を行い、補償サブシステム２４０のスピードを向上させる。
【００３０】
図３は、本発明の例示的な実施形態に従った、発生器と非線形負荷との相互作用を修正する方法のフローチャートである。３０５において、電力増幅器２１０は、制御入力２３０でメイン制御信号２３５を受け取る。３１０において、インピーダンス測定回路２５０は非線形負荷２０５のインピーダンス２５５を測定する。３１５において、補償信号生成回路２６０は、補償信号２４５を生成し、補償信号２４５は電力増幅器２１０に与えられる。補償信号２４５は、メイン制御信号２３５に対する発生器２００の出力電力２１５の伝達関数を、非線形負荷２０５のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにする。このように、補償信号２４５は、メイン制御信号２３５と組み合わせて、非線形負荷２０５のインピーダンスの変化にもかかわらず、発生器２００に所望のレベルＰ０で安定した（実質的に一定の）出力電力２１５を維持させる。３２０において、処理は終了する。
【００３１】
図４は、本発明の別の例示的な実施形態に従った、非線形負荷２０５に接続される発生器４００のブロック図である。発生器４００は、制御入力４１０を伴う電力増幅器４０５を含む。補償サブシステム４１５は補償信号Ｋ４２０を生成し、補償信号Ｋ４２０は、メイン制御信号４２５と共に加算回路４３０へ与えられる。加算回路４３０の出力は、制御入力４１０へ与えられる。図２Ａ〜３に関して上記で論述した実施形態の通り、補償信号４２０は、メイン制御信号４２５に対する発生器４００の出力電力２１５の伝達関数を、非線形負荷２０５のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより出力電力２１５の不安定性を防ぐ効果を有する。そうでなければ、出力電力２１５の不安定性が発生器４００と非線形負荷２０５のインピーダンスとの相互作用により起きる。
【００３２】
図５Ａは、本発明の例示的な実施形態に従った、簡略化されたスミスチャート５００の説明であり、特定の出力電力Ｐ０（２１５）に対する一組の負荷インピーダンスのそれぞれに対して制御入力４１０で必要とされる電力増幅器制御信号を示す。図５Ａの仮定的な例において、５０オーム（リファレンスインピーダンス）への１００ワット（Ｐ０）の所望の出力電力レベルを生成するのに必要とされるメイン制御信号４２５は２０ボルトである。リファレンスインピーダンスは、スミスチャート５００の中心のポイント５０５に対応する。ポイント５１０、５１５、５２０および５２５は、リファレンスインピーダンス５０５と異なる測定された負荷インピーダンス２５５に対応する。これらのインピーダンスのそれぞれに対する所望の出力電力Ｐ０を生成するのに必要とされるであろう制御入力４１０での制御信号は、簡略化されたスミスチャート５００上に示されている。負荷インピーダンスの関数として制御入力４１０で必要とされる制御信号のこの様々な値は、上記で述べられるような校正手順によって決定され得、ルックアップテーブルに格納され得、補償信号生成回路２６０はルックアップテーブルにアクセスできる。
【００３３】
図５Ｂは、本発明の例示的な実施形態に従った、簡略化されたスミスチャート５３０の説明であり、同一の所望の出力電力Ｐ０に対して図５Ａにプロットされた一組の負荷インピーダンス（５０５、５１０、５１５、５２０および５２５）のそれぞれに対応する補償信号Ｋ４２０を示す。この特定の実施形態において、補償信号４２０は、非線形負荷２０５のインピーダンスが測定されたインピーダンスであるときに発生器４００にＰ０の特定の出力電力２１５を生成させ得る制御信号と、発生器４００にリファレンスインピーダンスへのその同一の出力電力Ｐ０を生成させ得る制御信号との差分である。この差分は、簡略化されたスミスチャート５３０上のポイント５０５、５１０、５１５、５２０および５２５のそれぞれに対してプロットされる。
【００３４】
加算回路４３０によって生成される和―メイン制御信号４２５と補償信号４２０との和―は、それゆえに制御入力４１０の制御信号であり、制御入力４１０の制御信号は、電力増幅器４０５に、測定された負荷インピーダンス２５５への所望の出力電力Ｐ０を、本質的には同一のメイン制御信号値４２５に対して負荷インピーダンスに関係なく生成させ、こうしてメイン制御信号４２５を非線形負荷２０５のインピーダンスの変化に対して反応しないようにする。当然、測定された負荷インピーダンス２５５がリファレンスインピーダンス（図５Ｂ中のポイント５０５）であるとき、補償信号４２０はゼロである。
【００３５】
図６は、本発明の別の例示的な実施形態に従った、発生器と非線形負荷との相互作用を修正する方法のフローチャートである。３１０において、インピーダンス測定回路２５０は、非線形負荷２０５のインピーダンス２５５を測定する。６０５において、メイン制御信号４２５と補償信号４２０との和は、電力増幅器４０５の制御入力４１０に与えられ、補償信号４２０は、非線形負荷２０５のインピーダンスが測定されたインピーダンスであるときに発生器４００にＰ０の特定の出力電力２１５を生成させ得る制御信号と、発生器４００にリファレンスインピーダンスへの同一の出力電力Ｐ０を生成させ得る制御信号との差分である。結果は、出力電力２１５の不安定性が防がれる。そうでなければ、出力電力２１５の不安定性が、発生器４００と非線形負荷２０５のインピーダンスとの相互作用により生じる。６１０において、処理は終了する。
【００３６】
図７は、本発明のさらに別の例示的な実施形態に従った、非線形負荷２０５に接続される発生器７００のブロック図である。この実施形態において、電力増幅器７０５は、一次制御入力７１０および二次制御入力７１５の両方を含む。一次制御入力７１０は、メイン制御信号Ｃ７３０を受け取る。
【００３７】
補償サブシステム７２０は、二次制御入力７１５との接続に対して特別に調整された補償信号７２５を生成する。負荷インピーダンスの関数としての特定の補償信号７２５は電力増幅器７０５の設計に依存することに注意すべきである。しかし、電力増幅器７０５の設計にかかわらず、上記で述べられるような校正手順が行われ得、それにより所与の所望の出力電力Ｐ０に対する測定された負荷インピーダンス２５５の一組の値のそれぞれに対して補償信号７２５が決定される。
【００３８】
非線形負荷２０５のインピーダンスの変化にもかかわらず、メイン制御信号７３０と補償信号７２５との組み合わせは、電力増幅器７０５に所望の出力電力Ｐ０を生成させる。すなわち、補償信号７２５は、メイン制御信号７３０に対する発生器７００の出力電力２１５の伝達関数を、非線形負荷２０５のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それによりメイン制御信号７３０の関数として発生器７００の出力電力２１５を安定させる。
【００３９】
図８は、本発明の例示的な実施形態に従った、電力増幅器７０５の回路図であり、電力増幅器７０５は、一次制御入力７１０および二次制御入力７１５の両方を含む。図８において、一次制御入力７１０（この例においては電圧）は、チョーク８０５に接続される。インダクター８１０およびコンデンサー８１５を含む共振回路は、チョーク８０５の向かい側のノードと非線形負荷２０５との間に接続される。オシレータ８２０はコンデンサー８２５に接続され、コンデンサー８２５の向かい側のノードは金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）８３０のゲートと接続される。この特定の実施形態において、二次制御入力７１５はバイアス電圧であり、バイアス電圧はチョーク８３５に直列に接続され、チョーク８３５の向かい側のノードは、コンデンサー８２５のノードとＭＯＳＦＥＴ８３０のゲートとの間に接続される。図８は、二次制御信号７１５の単なる一例である。別の実施形態において、二次制御信号７１５は、図８に示されるバイアス電圧の例とは異なる。
【００４０】
図９は、本発明のさらに別の例示的な実施形態に従った、発生器と非線形負荷との相互作用を修正する方法のフローチャートである。９０５において、電力増幅器７０５は、電力増幅器７０５の一次制御入力７１０でメイン制御信号７３０を受け取る。３１０において、インピーダンス測定回路２５０は非線形負荷２０５のインピーダンス２５５を測定する。９１０において、補償サブシステム７２０は、補償信号７２５を電力増幅器７０５の二次入力７１５に与え、補償信号７２５は、メイン制御信号７３０に対する発生器７００の出力電力２１５の伝達関数を、非線形負荷２０５のインピーダンスの変化に対して実質的に反応しないようにし、それにより出力電力２１５の不安定性を防ぐ。そうでなければ、出力電力２１５の不安定性が発生器７００と非線形負荷２０５のインピーダンスとの相互作用により起きる。９１５において、処理は終了する。
【００４１】
一部の実施形態において、補償信号は、実質的に上記の数式１における内積をゼロにする。すなわち、補償信号は、非線形負荷のインピーダンスの変化に対する電力増幅器の感度を失わせる。他の実施形態において、更なる補償が、補償信号によって電力増幅器に印加され得、それにより数式１における内積をゼロ以外にし、電力増幅器および非線形負荷のインピーダンスに特定の望ましい方法で相互作用させる。一部の実施形態において、発生器と非線形負荷との所望の相互作用を達成するこの更なる補償は、発生器のユーザーによって指定され得る。この更なる補償は、例えば、負荷インピーダンスの変化に対する電力増幅器の感度を単に失わせることによって提供される安定性を超えて、更なる安定性を提供し得る。
【００４２】
結論として、本発明は特に、電気発生器と非線形負荷との相互作用を修正する方法および装置を提供する。当業者は、本発明、本発明の用途および本発明の設定において多数の変形および多数の代用がなされ得ることを容易に認識し得、それにより本明細書に述べられる実施形態によって達成されるのと実質的に同じ結果を達成する。それゆえに、本発明を開示された例示的な態様に限定することは意図していない。特許請求の範囲で表現される通り、多くの変形、多くの改変および多くの代替構成は、開示された発明の範囲および発明の精神の内に入る。
【図１Ａ】
0005414071.tif 000006
【図１Ｂ】
0005414071.tif 000007
【図１Ｃ】
0005414071.tif 000008
【図２Ａ】
0005414071.tif 000009
【図２Ｂ】
0005414071.tif 000010
【図３】
0005414071.tif 000011
【図４】
0005414071.tif 000012
【図５Ａ】
0005414071.tif 000013
【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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