[发明专利]包含用于组合功率放大器输出和隔离负载电压箝位电路的变压器的供电电路

说明书

技术领域

本公开总体涉及用于供应交流电的电源，更具体地，涉及用于保护电源的功率放大器的电路。

背景技术

射频(RF)能量通过感应加热、电介质加热和等离子体激发(excite)，在各种工业领域中用于材料处理。等离子体激发可采用感性(inductive)、容性(capacitive)的方式，或采用精确的电磁(EM)波、微波、耦合。提供这种RF能量的发生器可采用多种电路布局，这些电路布局涵盖了从提供几十瓦的单个A类晶体管放大器到提供几千瓦的自振荡管(阀)发生器的范围。

半导体制造业使用RF等离子体来沉积和蚀刻微米尺寸和次微米尺寸的膜。针对这种应用的典型电源可包含行变频器/整流器/电容器DC电源和高频功率放大器。典型的功率值和频率值可以是，频率值在400KHz～100.0MHz的范围之内而功率值达到20KW，但不限于此。电源或发生器可在100:1的输出负载范围内将功率控制在1％或2％的精度。通常该发生器被具体地配置为输出到预定负载，通常为50欧姆的负载，但其实该发生器可驱动任何负载，即使配置失当也不会出现故障。如果出现匹配失当状况(例如负载阻抗增大)和/或其他状况使得从功率放大器引出的并且供给至负载的电流超过特定阈值，则可能随时间发生对功率放大器的损坏。典型的保护措施是降低功率。例如，降低对线性放大器的驱动电平以相应地降低电流或功率消耗。在50欧姆系统中，从典型的50欧姆上的偏离可被测量为反射功率。降低驱动电平以限制反射功率。

图1示出了典型的具有由反相的正弦波驱动的开关器或晶体管S1、S2的变压器耦合推挽RF功率放大器。五元谐波抑制滤波器包含电感器L1、L2以及电容器C1、C2和C4。该谐波抑制滤波器典型地确保得到高纯度或一致的正弦波输出。图中未示出的偏压电路可以是AB类或B类。典型地使用双级结晶体管(BJT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。变压器T1的变压比选择为使所需功率匹配到给定的DC电源电压，该给定的DC电源电压通常为28V或50V。详细的电路遵循用于通信的宽带HF/VHF功率放大器设计的标准工业惯例。

图1的放大器有一个优点，但是也有几个缺点。其优点是在在宽带设计中，通过改变驱动频率或输入频率可轻松地改变输出频率。对于给定的输出频率而言，只需改变输出滤波器。如果放大器的基本线性/纯度足够好，则同时执行这些过程。图1的电路的缺点在于效率较低以及晶体管的功率消耗较大。效率在理论上不会超过70％，但典型地不会超过50％。为解决高功率消耗问题，许多应用使用通常采用了铍氧化物(BEo)低热阻技术的昂贵的、特制的RF晶体管。它们通常需要巨大的空冷散热器或水冷散热器。有关RF线性放大器的设计已经出版了大量的文献。任何想要设计该发生器的电源制造商，都可放心地使用晶体管制造商的应用电路。

如图2所示，图2的电路采用了一种可提高效率并降低功率消耗的不同工作模式。图2电路中的驱动信号固定为方波，这样晶体管就处于开关工作模式而不是线性工作模式。即图1的开关或晶体管S1、S2在位于全关和全开之间的区域上进行工作。图2的开关或晶体管S1、S2通过从全开切换到全关进行工作。变压器T1的输出现在是方波。包含电感器L1、L2和电容器C1、C2的四元滤波器滤除所需基本频率以产生正弦曲线输出。为抑制谐波电流，去除电容器C4以使该滤波器提供感性输入。虽然晶体管电压和变压器电压为方形，但是电流为正弦曲线。效率现在为100％，并且典型地落在80％～90％的范围内。这种电路通常称为谐振转换器或逆变器，而非放大器。

图2的电路因一些缺点而受损。由于针对特定的输出频率对滤波器进行充分地选择，所以仅能实现固定的或窄的工作频率范围或频段。此外，无法直接控制输出功率。不像图1，图2的电路无法直接连接到线电压或输出口电压。相反地，需要利用附加的功率转换器对输入到图2的DC进行调整，典型地利用开关模式逆变器实现。进一步，负载失当会导致滤波器和晶体管之间的高环流。环流无法通过限制DC输入电流进行必要地限制。

特别是对于E类放大器来说，E类放大器采用提供高效率的开关模式放大器布局。由于该布局，E类放大器的开关元件，典型地为晶体管，在出现最大功率消耗的作用区消耗很短时间或者不消耗时间。在这种配置下，E类放大器的开关元件在工作中更象是开关而非晶体管。亦即，开关元件将其大部分时间消耗在截至区或饱和区。