用于射频电源的阻抗匹配系统及阻抗匹配调节方法与流程

1.本发明涉及射频应用技术领域，具体涉及用于射频电源的阻抗匹配系统及阻抗匹配调节方法。


背景技术：

2.在等离子体设备中，射频电源向反应腔室提供射频信号能量以产生等离子体。为了使射频电源的输出阻抗和反应腔室的阻抗相匹配，需要在射频电源和反应腔室之间设置一个阻抗匹配系统，射频电源通过阻抗匹配系统向反应腔室提供射频信号能量。但现有的阻抗匹配系统中，阻抗的自由调整度较低。


技术实现要素：

3.本发明针对现有的阻抗匹配系统中，阻抗的自由调整度较低的问题，提供一种用于射频电源的阻抗匹配系统及其控制方法。
4.第一方面，提供一种用于射频电源的阻抗匹配系统，包括匹配模块和输出模块；匹配模块包括多个lc单元，多个lc单元中有n-1个lc单元ⅰ，n为大于1的整数，每个lc单元ⅰ的结构相同；lc单元ⅰ包括第一匹配电感、第一匹配电容和匹配开关，匹配开关为单刀双掷开关；第一匹配电感的第一端与匹配开关的不动端连接，第一匹配电感的第二端与第一匹配电容的第一端连接；第一匹配电容的第二端与射频电源的第二端连接，匹配开关的第一触点与射频电源的第一端连接；第i个lc单元ⅰ的匹配开关的第二触点与第i 1个lc单元ⅰ的第一匹配电容的第一端连接，i∈{1，2，
……
，n-2}；第1个lc单元ⅰ与输出模块连接。
5.可选的，所述输出模块包括第一输出电感、第一输出电容和第一开关，第一开关为单刀双掷开关；第一输出电感的第一端与第一开关的不动端连接，第一开关的第一触点与射频电源的第一端连接，第一开关的第二触点与第1个lc单元ⅰ的第一匹配电容的第一端连接。
6.可选的，所述输出模块包括第二输出电感和第二输出电容；第二输出电感的第一端与第一输出电感的第二端连接，第二输出电感的第二端与第二输出电容的第一端连接；第二输出电容的第二端与第一输出电容的第二端为阻抗匹配系统的输出端。
7.可选的，多个lc单元中有1个lc单元ⅱ，所述lc单元ⅱ包括第二匹配电感和第二匹配电容；第二匹配电感的第一端与射频电源的第一端连接，第二匹配电感的第二端与第二匹配电容的第一端连接，第二匹配电容的第二端与射频电源的第二端连接；第n-1个lc单元ⅰ的匹配开关的第二触点与第二匹配电容的第一端连接。
8.可选的，所述射频电源为低频电源。
9.第二方面，提供一种用于第一方面的一种用于射频电源的阻抗匹配系统的阻抗匹配调节方法，包括以下步骤：s1、对阻抗匹配系统的输出功率进行检测；s2、依据检测的阻抗匹配系统的输出功率，选择第一开关的动端连接的触点和多个lc单元ⅰ中匹配开关的动端连接的触点。
10.可选的，在步骤s1之前，还包括：s0、将第一开关的动端与其第一触点连接，将多个lc单元ⅰ的匹配开关分别与各自的第一触点连接。
11.可选的，步骤s2包括：若阻抗匹配系统的输出功率达到预设功率，则阻抗匹配调节结束；若阻抗匹配系统的输出功率未达到预设功率，则依次切换第一开关的动端的连接触点和多个lc单元ⅰ的匹配开关的动端的连接触点，将第一开关和多个lc单元ⅰ的匹配开关的动端与各自的第二触点连接；每切换一个匹配开关的动端的连接触点后，执行步骤s1，直至阻抗匹配系统的输出功率达到预设功率。
12.有益效果：本发明提供的一种用于射频电源的阻抗匹配系统，lc单元ⅰ的个数可根据实际情况进行设置，根据实际情况通过单刀双掷开关依次投掷，使多个lc单元ⅰ和/或lc单元ⅱ依次加入到匹配网络中，从而调节匹配网络的阻抗，阻抗匹配系统设计自由度大，系统效率的调整范围远远大于传统的拓扑，控制方法简单、易于调节，所有开关均为单刀双掷开关，所有单刀双掷开关分别与各自的第一触点或第二触点连接，不会处于中间状态，提高器件的利用率。同时，阻抗匹配系统还具有成本低和抗偏移能力强的优点。
13.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1示出了本实施例提供的一种用于射频电源的阻抗匹配系统的结构示意图。
16.图2示出了本实施例提供的一种用于射频电源的阻抗匹配系统的匹配网络未接入lc单元的结构示意图。
17.图3示出了本实施例提供的一种用于射频电源的阻抗匹配系统的匹配网络未接入lc单元的等效电路图。
18.图4示出了本实施例提供的一种用于射频电源的阻抗匹配系统的匹配网络接入1个lc单元的结构示意图。
19.图5示出了本实施例提供的一种用于射频电源的阻抗匹配系统的匹配网络接入1个lc单元的等效电路图。
20.图6示出了本实施例提供的一种用于射频电源的阻抗匹配系统的匹配网络接入n个lc单元的结构示意图。
21.图7示出了本实施例提供的一种用于射频电源的阻抗匹配系统的匹配网络接入n个lc单元的等效电路图。
22.图8示出了本实施例提供的一种用于射频电源的阻抗匹配系统的原理图。
23.附图标记：lp、第一输出电感；lr、第二输出电感；l1、第一匹配电感；l2、第二匹配电感；cp、第一输出电容；cr、第二输出电容；c1、第一匹配电容；c2、第二匹配电容；s1、第一开关；s2、匹配开关；uin、射频电源；r、负载。
具体实施方式
24.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
25.实施例1如图1所示，本发明公开实施例所提供的一种用于射频电源uin的阻抗匹配系统，包括匹配模块和输出模块；匹配模块包括多个lc单元，多个lc单元中有n-1个lc单元ⅰ，n为大于1的整数，每个lc单元ⅰ的结构相同；lc单元ⅰ包括第一匹配电感l1、第一匹配电容c1和匹配开关s2，匹配开关s2为单刀双掷开关；第一匹配电感l1的第一端与匹配开关s2的不动端连接，第一匹配电感l1的第二端与第一匹配电容c1的第一端连接；第一匹配电容c1的第二端与射频电源uin的第二端连接，匹配开关s2的第一触点与射频电源uin的第一端连接；第i个lc单元ⅰ的匹配开关s2的第二触点与第i 1个lc单元ⅰ的第一匹配电容c1的第一端连接，i∈{1，2，
……
，n-2}；第1个lc单元ⅰ与输出模块连接。
26.所述输出模块包括第一输出电感lp、第一输出电容cp和第一开关s1，第一开关s1为单刀双掷开关；第一输出电感lp的第一端与第一开关s1的不动端连接，第一开关s1的第一触点与射频电源uin的第一端连接，第一开关s1的第二触点与第1个lc单元ⅰ的第一匹配电容c1的第一端连接。
27.所述输出模块包括第二输出电感lr和第二输出电容cr；第二输出电感lr的第一端与第一输出电感lp的第二端连接，第二输出电感lr的第二端与第二输出电容cr的第一端连接；第二输出电容cr的第二端与第一输出电容cp的第二端为阻抗匹配系统的输出端。
28.多个lc单元中有1个lc单元ⅱ，所述lc单元ⅱ包括第二匹配电感l2和第二匹配电容c2；
第二匹配电感l2的第一端与射频电源uin的第一端连接，第二匹配电感l2的第二端与第二匹配电容c2的第一端连接，第二匹配电容c2的第二端与射频电源uin的第二端连接；第n-1个lc单元ⅰ的匹配开关s2的第二触点与第二匹配电容c2的第一端连接。
29.所述射频电源uin为低频电源。
30.所述输出模块包括第一输出电感lp、第一输出电容cp和第一开关s1，第一开关s1为单刀双掷开关；第一输出电感lp的第一端与第一开关s1的不动端连接，第一开关s1的第一触点与射频电源uin的第一端连接，第一开关s1的第二触点与第1个lc单元ⅰ的第一匹配电容c1的第一端连接。
31.所述输出模块包括第二输出电感lr和第二输出电容cr；第二输出电感lr的第一端与第一输出电感lp的第二端连接，第二输出电感lr的第二端与第二输出电容cr的第一端连接；第二输出电容cr的第二端与第一输出电容cp的第二端为阻抗匹配系统的输出端。
32.所述匹配模块还包括lc单元ⅱ，所述lc单元ⅱ包括第二匹配电感l2和第二匹配电容c2；第二匹配电感l2的第一端与射频电源uin的第一端连接，第二匹配电感l2的第二端与第二匹配电容c2的第一端连接，第二匹配电容c2的第二端与射频电源uin的第二端连接；第n个lc单元ⅰ的匹配开关s2的第二触点与第二匹配电容c2的第一端连接。
33.所述射频电源uin为低频电源。
34.实施例 2如图1所示，本发明公开实施例所提供的一种用于射频电源uin的阻抗匹配系统，包括匹配模块和输出模块。
35.所述输出模块包括第一输出电感lp、第二输出电感lr、第一输出电容cp、第二输出电容cr和第一开关s1。第一输出电感lp的第一端与第一开关s1的不动端连接，第一开关s1的第一触点与射频电源uin的第一端连接，第一开关s1的第二触点与lc单元ⅰ连接。第二输出电感lr的第一端与第一输出电感lp的第二端连接，第二输出电感lr的第二端与第二输出电容cr的第一端连接；第二输出电容cr的第二端与第一输出电容cp的第二端为阻抗匹配系统的输出端，阻抗匹配系统的输出端与负载r连接。
36.所述射频电源uin为低频电源。
37.所述匹配模块包括n个lc单元，n为大于1的整数，n个lc单元中有n-1个lc单元ⅰ和1个lc单元ⅱ；多个lc单元ⅰ结构相同且依次排列；lc单元ⅱ与射频电源uin连接。
38.具体来说，lc单元ⅰ包括第一匹配电感l1、第一匹配电容c1和匹配开关s2，第一匹配电感l1的第一端与匹配开关s2的不动端连接，第一匹配电感l1的第二端与第一匹配电容c1的第一端连接；第一匹配电容c1的第二端与射频电源uin的第二端连接，匹配开关s2的第一触点与射频电源uin的第一端连接；具体来说，所述lc单元ⅱ包括第二匹配电感l2和第二匹配电容c2；第二匹配电感l2的第一端与射频电源uin的第一端连接，第二匹配电感l2的第二端与第二匹配电容c2的第一端连接，第二匹配电容c2的第二端与射频电源uin的第二端连接。
39.第i个lc单元ⅰ的匹配开关s2的第二触点与第i 1个lc单元ⅰ的第一匹配电容c1的第一端连接，i∈{1，2，
……
，n-2}；第n-1个lc单元ⅰ的匹配开关s2的第二触点与第二匹配电容c2的第一端连接。第1个lc单元ⅰ的第一匹配电容c1的第二端与第一开关s1的第二触点连接。
40.本实施例提供的一种用于射频电源uin的阻抗匹配系统的原理图如8所示，图中，z
gen
为阻抗匹配系统的输入电阻，z
match
为阻抗匹配系统中输出模块和影响输出电流的lc单元的总阻抗，z
ch
为腔体负载r的阻抗，通过z
gen
、z
match
和z
ch
调节阻抗网络的阻抗，使射频电源uin达到最佳性能。
41.使用时，检测阻抗匹配系统的输出功率，确定接入阻抗网络中lc单元的个数，阻抗网络包括射频电源uin、负载r、输出模块和影响输出电流的lc单元；当接入阻抗网络中lc单元的个数为0时，将第一开关s1的动端与第一开关s1的第一触点连接，将多个lc单元ⅰ中的匹配开关s2的动端分别与各自的第一触点连接；当接入阻抗网络中lc单元ⅰ的个数为1时，将第一开关s1的动端与第一开关s1的第二触点连接，多个lc单元ⅰ的匹配开关s2的动端分别与各自的第一触点连接；当接入阻抗网络中lc单元ⅰ的个数为m时，1＜m≤n，将第一开关s1的动端与第一开关s1的第二触点连接，第i个lc单元ⅰ的匹配开关s2的动端分别与各自的第二触点连接，i∈{1，2，
……
，m}；其余lc单元ⅰ的匹配开关s2的动端分别与各自的第一触点连接。
42.如图2所示，接入阻抗网络的lc单元为0个时，所有单刀双掷开关都与各自的第一触点连接，此时阻抗网络的等效电路如图3所示，阻抗网络中存在两个电流回路，列出此时阻抗网络的kvl方程：式中，u
in
为射频电源uin两端的电压 ，z
lp
为第一输出电感lp的阻抗，z
cp
为第一输出电容cp的阻抗，z
lr
为第二输出电感lr的阻抗，z
cr
为第二输出电容cr的阻抗，iin为输入电流，io为输出电流，r
l
为负载r的阻值。
43.如图4所示，接入阻抗网络的lc单元为1个时，第一开关s1与其第二触点连接，所有匹配开关s2均与各自的第一触点连接；此时阻抗网络的等效电路如图5所示，阻抗网络中存在三个电流回路，列出此时阻抗网络的kvl方程：式中，u
in
为射频电源uin两端的电压 ，z
l1-1
为第1个lc单元ⅰ的第一匹配电感l1的阻抗 ，z
c1-1
为第1个lc单元ⅰ的第一匹配电容c1的阻抗 ，z
lp
为第一输出电感lp的阻抗，z
cp
为第一输出电容cp的阻抗，z
lr
为第二输出电感lr的阻抗，z
cr
为第二输出电容cr的阻抗，iin为输入电流，ip为第一输出电感lp的电流，io为输出电流，r
l
为负载r的阻值。
44.如图6所示，接入阻抗网络的lc单元为n个时，第一开关s1与其第二触点连接，所有匹配开关s2均与各自的第二触点连接；此时阻抗网络的等效电路如图7所示，阻抗网络中存在n 2个电流回路，列出此时阻抗网络的kvl方程：
式中，u
in
为射频电源uin两端的电压 ，z
l2
为第二匹配电感l2的阻抗，z
c2
为第二匹配电容c2的阻抗，z
l1-(n-1)
为第n-1个lc单元ⅰ的第一匹配电感l1的阻抗 ，z
c1-(n-1)
为第n-1个lc单元ⅰ的第一匹配电容c1的阻抗，z
c1-1
为第1个lc单元ⅰ的第一匹配电容c1的阻抗 ，z
lp
为第一输出电感lp的阻抗，z
cp
为第一输出电容cp的阻抗，z
lr
为第二输出电感lr的阻抗，z
cr
为第二输出电容cr的阻抗，iin为输入电流，为第n-1个lc单元ⅰ的第一匹配电感l1的电流，为第n-2个lc单元ⅰ的第一匹配电感l1的电流，ip为第一输出电感lp的电流，io为输出电流，r
l
为负载r的阻值。
45.z
l1-k
和z
c1-k
的表达式为：式中，z
l1-k
为第k个lc单元ⅰ的第一匹配电感l1的阻抗，z
c1-k
为第k个lc单元ⅰ的第一匹配电容c1的阻抗，j为虚数单位，1/（ωc
1-k
）为第k个lc单元ⅰ的第一匹配电容c1的容抗，ωl
1-k
为第k个lc单元ⅰ的第一匹配电感l1的感抗。
46.z
l2zc2
的表达式为：z
l2
为第二匹配电感l2的阻抗，z
c2
为第二匹配电容c2的阻抗，j为虚数单位，1/（ωc2）为第二匹配电容c2的容抗，ωl2为第二匹配电感l2的感抗。
47.由公式（1）、公式（2）和公式（3）可知，通过各个单刀双掷开关，可控制接入匹配网络中lc单元的个数，接入阻抗网络的lc单元的个数会影响输出电流的大小，从而影响阻抗匹配系统的输出负载r。
48.匹配模块中的各个电感的取值可相同，也可不同；匹配模块中的各个电容的取值可相同，也可不同；当匹配模块中的各个电感的取值相同、各个电容的取值相同时，可实现阻抗网络的阻抗的虚部的等差调节，即阻抗网络中每加入一个lc单元，阻抗网络的阻抗的虚部的增加值相同；匹配模块中n个lc单元中的电容、电感的取值也可以是：从第1个lc单元到第n个lc单元电容的取值逐级减少，从第1个lc单元到第n个lc单元电感的取值逐级减少，实现阻抗匹配网络“先粗调再微调”功能。
49.当阻抗网络中的负载r、电容和电感的取值不同时，阻抗网络可呈现不同的rlc特性，即阻抗匹配网络可能为阻性、感性或容性。
50.若阻抗网络中接入两个lc单元ⅰ，射频电源uin的电压为10v，射频电源uin的频率
为50hz，负载r为10ω，第一输出电感lp的阻抗为j8ω，第二输出电感lr的阻抗为j8ω，第1个lc单元ⅰ的第一匹配电感l1的阻抗为j4ω，第2个lc单元ⅰ的第一匹配电感l1的阻抗为j2ω，第一输出电容cp的阻抗为-j4ω，第二输出电容cr的阻抗为-j4ω，第1个lc单元ⅰ的第一匹配电容c1的阻抗为-j2ω，第2个lc单元ⅰ的第一匹配电容c1的阻抗为-j1ω，可以求得此时阻抗网络的总阻抗：时阻抗网络的总阻抗：因此，此时阻抗网络呈感性状态。
51.本实施例提供的一种用于射频电源uin的阻抗匹配系统，lc单元ⅰ的个数可根据实际情况进行设置，根据实际情况通过单刀双掷开关依次投掷，使多个lc单元ⅰ和/或lc单元ⅱ依次加入到匹配网络中，从而调节匹配网络的阻抗，阻抗匹配系统设计自由度大，系统效率的调整范围远远大于传统的拓扑，阻抗匹配调节方法简单、易于调节，所有开关均为单刀双掷开关，所有单刀双掷开关分别与各自的第一触点或第二触点连接，不会处于中间状态，提高器件的利用率。同时，阻抗匹配系统还具有成本低和抗偏移能力强的优点。
52.实施例3本实施例提供一种用于射频电源uin的阻抗匹配系统的阻抗匹配调节方法，包括以下步骤：s0、将第一开关s1的动端与其第一触点连接，将多个lc单元ⅰ的匹配开关s2分别与各自的第一触点连接。
53.s1、对阻抗匹配系统的输出功率进行检测；s2、依据检测的阻抗匹配系统的输出功率，选择第一开关s1的动端连接的触点和多个lc单元ⅰ中匹配开关s2的动端连接的触点。
54.步骤s2包括：若阻抗匹配系统的输出功率达到预设功率，则阻抗匹配调节结束；若阻抗匹配系统的输出功率未达到预设功率，则依次投掷第一开关s1和多个lc单元ⅰ的匹配开关s2，将第一开关s1和多个lc单元ⅰ的匹配开关s2的动端与各自的第二触点连接；每投掷一个匹配开关s2后，执行步骤s1，直至阻抗匹配系统的输出功率达到预设功率。
55.此实施例中，按照第一开关s1、第1个lc单元ⅰ的匹配开关s2、第2个lc单元ⅰ的匹配开关s2，
……
，第n-1个lc单元ⅰ的匹配开关s2的顺序依次对各个开关进行切换，直至阻抗匹配系统的输出功率达到预设功率，各个开关的切换速度可由快变慢。
56.可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
57.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
58.应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下
列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（pga），现场可编程门阵列（fpga）等。
59.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
60.此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
61.上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
62.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
63.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。