WO2016050685A1 - Method for operating an mf power generator, and an mf power generator - Google Patents

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WO2016050685A1
WO2016050685A1 PCT/EP2015/072239 EP2015072239W WO2016050685A1 WO 2016050685 A1 WO2016050685 A1 WO 2016050685A1 EP 2015072239 W EP2015072239 W EP 2015072239W WO 2016050685 A1 WO2016050685 A1 WO 2016050685A1
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output signal
control
power generator
switching stage
controlled
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PCT/EP2015/072239
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Peter Wiedemuth
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TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007Plural converter units in cascade

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a MF power generator in which an output signal is regulated or controlled. Furthermore, the invention relates to a MF power generator with a DC source that feeds a DC link capacitor.
  • DC is a common abbreviation for “Direct Current” and is used for DC and / or DC.
  • a DC source in the sense of the present invention, can be a DC voltage source or a DC source.
  • MF is a common abbreviation for "medium frequency”.
  • MF is understood as meaning a frequency in the range between 1 kHz and 100 kHz, in particular in the range between 10 kHz and 70 kHz Act output power.
  • Previously known power generators for plasma processes have a control dynamics for the output signal in the range of a few 100 ps down to the ms range. Due to this relatively sluggish control dynamics instabilities can occur, which lead to reduced deposition rate or interruptions in the plasma process. A control or regulation of the output signal to produce optimal process results is not possible with known MF power generators.
  • the object of the present invention is therefore to further develop a method for operating an MF power generator and to provide an MF power generator with which the waveform of the output signal can be controlled and / or controlled to achieve optimum process results.
  • This object is achieved according to the invention by a method for operating a MF power generator, in which an output signal, such. Output voltage, output current and / or output power is controlled or controlled, wherein the output signal is controlled or controlled in each case to a predetermined setpoint curve.
  • the desired value for the output signal changes within a half, in particular within, more preferably within each period of the output signal.
  • a desired value curve can influence the output signal in its course within one, in particular within, more preferably within each half-wave.
  • any waveforms are actively generated, ie they are no longer exclusively dependent on the source impedance of the generator, eg MF sine or bipolar pulse and the load, eg plasma impedance. It is thus not controlled or controlled to a constant setpoint.
  • the setpoint curve may change within a period of the MF frequency of the output signal and in particular affect the output signal within that period of the MF frequency.
  • a free parametrizability of frequency, pulse shape, symmetry and amplitude for high flexibility in the application for different processes is possible.
  • the many times higher control dynamics compared to known MF power generators enables better process stability.
  • Ares in the plasma process can be very flexible depending on the specific requirements.
  • a very low or programmable Arcenergy be set.
  • the freely controllable waveform of the output signal allows both a pulse soft start and high-current pulse superpositions.
  • the method of operating a MF power generator is suitable for use in plasma processes.
  • the regulation or control can be done with a control or control signal having a higher frequency than the output signal.
  • a control or regulation of the amplitude of the output signal with high dynamics is possible.
  • control or control signal may have a frequency greater than 0.5 MHz, in particular greater than 1 MHz. That's the rule or control signal has a higher frequency than the output signal, it is possible, regardless of the frequency of the output signal set a low pulse or Umpolfrequenz for the unipolar or bipolar plasma excitation.
  • the amplitude of the output signal can be regulated or controlled.
  • Amplitude here means the waveform shape changing over time within a period. It does not mean a value averaged over one or more periods, nor an RMS value, nor a value approximated over several vertices.
  • the high dynamics of the control or regulation can be achieved by modulating the output signal within a half-wave of the output signal.
  • the output signal can be generated by two switching stages, wherein the switching stages are operated at different frequencies.
  • a load side arranged switching stage can be operated with the output of an upstream switching stage as an input, wherein the control or control signal of the upstream switching stage has a higher frequency than the control or control signal of the load closer switching stage.
  • the scope of the invention also includes an MF power generator with a DC source, in particular a DC voltage source, which feeds a DC circuit capacitor and at least one switching stage, which is driven by a signal having a higher frequency than the output signal of the power generator.
  • the DC source can generate a constant or variable output voltage as well as a grid potential. have tentialtrennung.
  • the switching stage may be a full-bridge fed with current, which serves to change the polarity.
  • the first switching stage may be formed as a full bridge with at least one switching element in each bridge branch and the second switching stage as a buck converter.
  • the buck converter can be operated at a higher frequency than the full bridge.
  • the buck converter can be driven with a frequency greater than 0.5 MHz, in particular greater than 1 MHz.
  • the first switching stage may be arranged downstream of the second switching stage.
  • the second switching stage can supply the first switching stage with a power that is voltage, current or power-controlled.
  • an output filter group can be provided.
  • the output filter group is used to avoid electromagnetic interference and to adapt to the Zu effetsindukt technically a plasma chamber.
  • a single switching stage may be provided which is driven at a high frequency.
  • a filter in particular an inductance may be provided to produce an output signal of a desired frequency.
  • the filter or the inductance serves to smooth the output signal, ie to filter out the higher-frequency components.
  • the higher frequency of the reference signal can be reduced with this filter or inductance so far that it makes up less than 1% of the output signal in the output signal.
  • Such a filter also has the advantage that the power supply behaves like a power source.
  • control or regulation for generating a control or regulating signal for the first and / or second switching stage taking into account a stored in the control or regulation predetermined setpoint curve.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an MF power generator with two switching stages.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of an MF power generator with only one switching stage
  • FIG. 3a shows representations of output signals for different to 3c setpoint curves obtained with a MF power generator according to Fig. 1;
  • Fig. 4a representations of output signals for different to 4c setpoint curves, which were obtained with an MF power generator according to the figure 2.
  • FIG. 1 shows an MF power generator 1, which has a DC source 2, which feeds a DC link capacitor C1.
  • the DC source 2 can be connected to a mains voltage supply, not shown here.
  • the DC source 2 has no direct connection to ground 9. However, it has a reference to ground 9, which results mainly from parasitic capacitances. These parasitic capacitances are indicated by the capacitor 8.
  • a switching stage 3 Connected to the intermediate circuit voltage provided by the intermediate circuit capacitor C 1 is a switching stage 3 designed as a step-down converter in the present exemplary embodiment.
  • the switching stage 3 comprises a switching element 4, a diode 5 and an inductor 6.
  • the switching element 4 is controlled by a controller and / or controller 7.
  • the switching stage 3 is followed by a further switching stage 10, which is formed in the embodiment as a full bridge with four switching elements 11, 12, 13, 14. Each switching element 11-14 is connected in parallel with a respective diode D1-D4. Thus, each bridge branch of the full bridge 10 has a switching element 11-14.
  • the switching elements 11-14 are also controlled by the controller and / or controller 7.
  • the control of the switching elements 4, 11 - 14 by the control and / or control 7 is carried out such that the output signal at the point 15 to a setpoint curve, which is stored in the control and / or control 7, is regulated or controlled.
  • the switching element 4 is driven at a higher frequency than the switching elements 11 - 14.
  • the frequency of the output signal at position 15 preferably corresponds to the frequency of the drive signals, each representing a control signal, the switching elements 11-14.
  • an output filter group 17 is provided to avoid electromagnetic interference and the
  • control and / or control 7 is designed as a control, there is a control to a setpoint curve (closed-loop control).
  • setpoint curve closed-loop control
  • current, voltage, power can be measured as actual values at the point 15 by means of measuring sensors 18, which are connected to the control and / or control 7.
  • the control and / or control 7 is designed as a controller, the output signal is controlled to a setpoint curve (open-loop control).
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of an MF power generator 100. Elements corresponding to those of FIG. 1 are identified by the same reference number.
  • the embodiment according to FIG. 2 has only one switching stage 10. In particular, it has no buck converter.
  • the switching stage O designed as a full bridge is thus activated.
  • the one or more control signals representing control or control signals, the switching elements 11 - 14 have a higher frequency than the output signal at the point 15. This is achieved in that before the point 15, ie at the output of the MF power generator 100th .
  • the switching elements 4, 11-14 may be designed as a MOSFET.
  • the diodes D1-D4 may be intrinsic diodes of the switching elements 11-14.
  • the switching element 4 of the switching stage 3 may also have an intrinsic diode (not shown).
  • Each switching element can be designed as a SiC transistor, for example as a SiC JFET or as a GaN power switch. These are particularly suitable for driving in the frequency range greater than 0.5 MHz, in particular greater than 1 MHz.
  • a setpoint curve 101 is shown.
  • the corresponding output signal generated by the MF power generator 1 according to FIG. 1 at the point 15 is identified by the reference numeral 102.
  • the output signal 102 was generated by the switching stage 3 was driven with a control or control signal having a higher frequency than the one or more driving signals of the switching elements 11-14 of the designed in this embodiment as a full bridge switching stage 10th
  • a sinusoidal setpoint curve 104 is shown.
  • the reference numeral 105 shows the output signal at the point 15 of the MF power generator 1, which arises when the setpoint curve 104 is controlled and / or controlled.
  • a sawtooth setpoint curve 106 is shown.
  • the associated output signal at the location 15 generated by the MF power generator 1 is designated 107.
  • FIG. 4a shows a setpoint curve 110.
  • the output signal 111 was generated with the MF power generator according to FIG.
  • the high-frequency oscillations (the ripple) at the point 112 are obtained since the control signal has a higher frequency than the output signal 111.
  • the high-frequency oscillation Conditions should actually be adequately damped by the inductors 20, 21. In this case, however, the inductances have not been sufficiently designed so that the high-frequency oscillations can be recognized.
  • FIG. 4b shows a nominal value curve 113. With the MF power generator 100 according to FIG. 2, the corresponding output signal 114 was generated at location 15.
  • output signal 116 was generated at setpoint 15 for setpoint curve 115 of FIG. 4c with MF power generator 100 according to FIG.
  • FIGS. 3a-3c and 4a to 4c voltages are shown by way of example as output signals (102, 105, 107, 111, 114, 116).
  • the tip at point 103 shows the ignition voltage needed to ignite the plasma. It can also be seen in the output signals (105, 107, 114) in FIGS. 3b, 3c, 4b, 4c. It can look like it is shown, but it can look different depending on the load connected.

Abstract

A method for operating an MF power generator (1, 100) in which an output signal (102, 105, 107, 111, 114, 116) is controlled in closed-loop or open-loop mode is characterized in that the output signal (102, 105, 107, 111, 114, 116) is controlled in closed-loop or open-loop mode according to a predefined target value curve (101, 104, 106, 110, 113, 115), the target value curve influencing the output signal in its progression within one, in particular within a plurality of, particularly preferably within each half-wave.

Description

Verfahren zum Betrieb eines MF-Leistungsgenerators und  Method for operating an MF power generator and
MF-Leistungsgenerator MF power generator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines MF-Leistungsgenerators, bei dem ein Ausgangssignal geregelt oder gesteuert wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen MF-Leistungsgenerator mit einer DC- Quelle, die einen Zwischenkreiskondensator speist. The invention relates to a method for operating a MF power generator in which an output signal is regulated or controlled. Furthermore, the invention relates to a MF power generator with a DC source that feeds a DC link capacitor.
„DC" ist eine gebräuchliche Abkürzung für„Direct Current" und wird für Gleichspannung und/oder Gleichstrom verwendet. Eine DC-Quelle, kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Gleichspannungsquelle oder eine Gleichstromquelle sein. „MF" ist eine gebräuchliche Abkürzung für„Mittelfrequenz". Unter„MF" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Frequenz im Bereich zwischen 1 kHz und 100 kHz, insbesondere im Bereich zwischen 10 kHz und 70 kHz verstanden. Bei einem Ausgangssignal des MF-Leistungsgenerators kann es sich um eine Ausgangsspannung, einen Ausgangsstrom oder eine Ausgangsleistung handeln. Bisher bekannte Leistungsgeneratoren für Plasmaprozesse weisen eine Regeldynamik für das Ausgangssignal im Bereich von einigen 100 ps bis in den ms-Bereich auf. Aufgrund dieser relativ trägen Regeldynamik können Instabilitäten auftreten, die zu reduzierter Abscheidrate oder Unterbrechungen im Plasmaprozess führen. Eine Steuerung bzw. Regelung des Ausgangssignals zur Erzeugung optimaler Prozessergebnisse ist mit bekannten MF-Leistungsgeneratoren nicht möglich. "DC" is a common abbreviation for "Direct Current" and is used for DC and / or DC. A DC source, in the sense of the present invention, can be a DC voltage source or a DC source. "MF" is a common abbreviation for "medium frequency". For the purposes of the present invention, "MF" is understood as meaning a frequency in the range between 1 kHz and 100 kHz, in particular in the range between 10 kHz and 70 kHz Act output power. Previously known power generators for plasma processes have a control dynamics for the output signal in the range of a few 100 ps down to the ms range. Due to this relatively sluggish control dynamics instabilities can occur, which lead to reduced deposition rate or interruptions in the plasma process. A control or regulation of the output signal to produce optimal process results is not possible with known MF power generators.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrieb eines MF-Leistungsgenerators weiter zu bilden und einen MF- Leistungsgenerator zur Verfügung zu stellen, mit denen die Kurvenform des Ausgangssignals zur Erzielung optimaler Prozessergebnisse geregelt und/oder gesteuert werden kann. The object of the present invention is therefore to further develop a method for operating an MF power generator and to provide an MF power generator with which the waveform of the output signal can be controlled and / or controlled to achieve optimum process results.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb eines MF-Leistungsgenerators, bei dem ein Ausgangssignal, wie z.B. Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und/oder Ausgangsleistung, geregelt oder gesteuert wird, wobei das Ausgangssignal jeweils auf eine vorgegebene Sollwertkurve geregelt oder gesteuert wird. This object is achieved according to the invention by a method for operating a MF power generator, in which an output signal, such. Output voltage, output current and / or output power is controlled or controlled, wherein the output signal is controlled or controlled in each case to a predetermined setpoint curve.
Für das Ausgangssignal wird somit nicht nur ein einziger Sollwert vorgegeben, sondern eine Sollwertkurve. Dies bedeutet, dass sich der Sollwert ändert. Insbesondere kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass sich der Sollwert für das Ausgangssignal innerhalb einer halben, insbesondere innerhalb mehrerer, besonders bevorzugt innerhalb jeder Periode des Ausgangssignals ändert. Insbesondere kann eine Sollwertkurve das Ausgangssignal in seinem Verlauf innerhalb einer, insbesondere innerhalb mehrerer, besonders bevorzugt innerhalb jeder Halbwelle beeinflussen. Zuvor wurde lediglich ein Sollwert für einen Mittel-, einen Scheitel- oder einen Effektivwert vorgegeben. Damit wurde das Ausgangssignal innerhalb einer Halbwelle nicht bewusst beeinflusst. Erfindungsgemäß können durch die Vorgabe einer Sollwertkurve nahezu beliebige Signalformen aktiv erzeugt werden, d.h. diese sind nicht mehr ausschließlich von der Quell-Impedanz des Generators, z.B. MF-Sinus oder bipolarer Pulser und der Last-, z.B. Plasma-Impedanz abhängig. Es wird somit nicht auf einen konstanten Sollwert geregelt oder gesteuert. Durch die Steuerung bzw. Regelung des Ausgangssignals nach vorgegebenen Sollwertkurven ist es möglich, optimale Prozessergebnisse zu erzielen. Insbesondere kann sich die Sollwertkurve innerhalb einer Periode der MF-Frequenz des Ausgangssignals ändern und insbesondere das Ausgangssignal innerhalb dieser Periode der MF-Frequenz beeinflussen. Somit ist eine optimale Steuerung bzw. Regelung der Ausgangssignalform für Single- und Dual-Magnetron- Plasmaprozesse zur Erzielung hoher Abscheidraten möglich. Weiterhin ist eine freie Parametrierbarkeit von Frequenz, Pulsform, Symmetrie und Amplitude für hohe Flexibilität in der Anwendung für unterschiedliche Prozesse möglich. Die um ein Vielfaches höhere Regelungsdynamik im Vergleich zu bekannten MF-Leistungsgeneratoren ermöglicht eine bessere Prozessstabilitiät. Auf Ares im Plasmaprozess kann je nach spezifischen Anforderungen sehr flexibel reagiert werden. Somit kann eine sehr niedrige oder auch programmierbare Arcenergie eingestellt werden. Die frei steuerbare Kurvenform des Ausgangssignals ermöglicht sowohl einen Puls-Softstart als auch Hochstrom-Pulsüberlagerungen. Somit ist das Verfahren zum Betrieb eines MF-Leistungsgenerators geeignet, bei Plasmaprozessen eingesetzt zu werden. For the output signal thus not only a single setpoint is specified, but a setpoint curve. This means that the setpoint changes. In particular, it can be provided according to the invention that the desired value for the output signal changes within a half, in particular within, more preferably within each period of the output signal. In particular, a desired value curve can influence the output signal in its course within one, in particular within, more preferably within each half-wave. Previously, only a setpoint for a mean, a peak or an effective value was specified. Thus, the output signal within a half-wave was not consciously influenced. According to the invention By specifying a setpoint curve almost any waveforms are actively generated, ie they are no longer exclusively dependent on the source impedance of the generator, eg MF sine or bipolar pulse and the load, eg plasma impedance. It is thus not controlled or controlled to a constant setpoint. By controlling the output signal according to predetermined setpoint curves, it is possible to achieve optimal process results. In particular, the setpoint curve may change within a period of the MF frequency of the output signal and in particular affect the output signal within that period of the MF frequency. Thus, optimal control of the output waveform for single and dual magnetron plasma processes to achieve high Abscheidraten is possible. Furthermore, a free parametrizability of frequency, pulse shape, symmetry and amplitude for high flexibility in the application for different processes is possible. The many times higher control dynamics compared to known MF power generators enables better process stability. Ares in the plasma process can be very flexible depending on the specific requirements. Thus, a very low or programmable Arcenergie be set. The freely controllable waveform of the output signal allows both a pulse soft start and high-current pulse superpositions. Thus, the method of operating a MF power generator is suitable for use in plasma processes.
Die Regelung oder Steuerung kann mit einem Regel- oder Steuersignal erfolgen, das eine höhere Frequenz aufweist als das Ausgangssignal. Hier durch ist eine Steuerung oder Regelung der Amplitude des Ausgangssignals mit einer hohen Dynamik möglich. The regulation or control can be done with a control or control signal having a higher frequency than the output signal. Here by a control or regulation of the amplitude of the output signal with high dynamics is possible.
Insbesondere kann das Regel- oder Steuersignal eine Frequenz größer 0,5 MHz, insbesondere größer 1 MHz aufweisen. Dadurch, dass das Regel oder Steuersignal eine höhere Frequenz aufweist als das Ausgangssignal, ist es möglich, unabhängig von der Frequenz des Ausgangssignals eine niedrige Puls- oder Umpolfrequenz für die unipolare oder bipolare Plasmaanregung einzustellen. In particular, the control or control signal may have a frequency greater than 0.5 MHz, in particular greater than 1 MHz. That's the rule or control signal has a higher frequency than the output signal, it is possible, regardless of the frequency of the output signal set a low pulse or Umpolfrequenz for the unipolar or bipolar plasma excitation.
Um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erzielen, kann die Amplitude des Ausgangssignals geregelt oder gesteuert werden. Mit Amplitude ist hier die sich innerhalb einer Periode verändernde Kurvenform über der Zeit gemeint. Es ist nicht ein Wert gemeint, der über eine oder mehrere Perioden gemittelt wurde, auch kein Effektivwert und auch kein über mehrere Scheitelpunkte approximierter Wert. In order to achieve the advantages according to the invention, the amplitude of the output signal can be regulated or controlled. Amplitude here means the waveform shape changing over time within a period. It does not mean a value averaged over one or more periods, nor an RMS value, nor a value approximated over several vertices.
Die hohe Dynamik der Regelung oder Steuerung kann dadurch erreicht werden, dass eine Modulation des Ausgangssignals innerhalb einer Halbwelle des Ausgangssignals erfolgt. The high dynamics of the control or regulation can be achieved by modulating the output signal within a half-wave of the output signal.
Das Ausgangssignal kann durch zwei Schaltstufen erzeugt werden, wobei die Schaltstufen bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. Dabei kann eine lastseitig angeordnete Schaltstufe mit dem Ausgangssignal einer vorgeschalteten Schaltstufe als Eingangsgröße betrieben werden, wobei das Steuer- oder Regelsignal der vorgeschalteten Schaltstufe eine höhere Frequenz aufweist als das Steuer- oder Regelsignal der lastnäheren Schaltstufe. The output signal can be generated by two switching stages, wherein the switching stages are operated at different frequencies. In this case, a load side arranged switching stage can be operated with the output of an upstream switching stage as an input, wherein the control or control signal of the upstream switching stage has a higher frequency than the control or control signal of the load closer switching stage.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein MF-Leistungsgenerator mit einer DC-Quelle, insbesondere Gleichspannungsquelle, die einen Zwi- schenkreiskondensator speist sowie zumindest einer Schaltstufe, die mit einem Signal angesteuert ist, das eine höhere Frequenz aufweist als das Ausgangssignal des Leistungsgenerators. Die DC-Quelle kann dabei eine konstante oder variable Ausgangsspannung erzeugen sowie eine Netzpo- tentialtrennung aufweisen. Bei der Schaltstufe kann es sich um eine stromgespeiste Vollbrücke handeln, welche zum Polaritätswechsel dient. The scope of the invention also includes an MF power generator with a DC source, in particular a DC voltage source, which feeds a DC circuit capacitor and at least one switching stage, which is driven by a signal having a higher frequency than the output signal of the power generator. The DC source can generate a constant or variable output voltage as well as a grid potential. have tentialtrennung. The switching stage may be a full-bridge fed with current, which serves to change the polarity.
Es kann eine zweite Schaltstufe vorgesehen sein, die bei einer höheren Frequenz betrieben wird als die erste Schaltstufe. Beispielsweise kann die erste Schaltstufe als Vollbrücke mit mindestens einem schaltenden Element in jedem Brückenzweig und die zweite Schaltstufe als Tiefsetzsteller ausgebildet sein. Dabei kann der Tiefsetzsteller mit einer höheren Frequenz betrieben werden als die Vollbrücke. Insbesondere kann der Tiefsetzsteller mit einer Frequenz größer 0,5 MHz, insbesondere größer 1 MHz angesteuert werden. It may be provided a second switching stage, which is operated at a higher frequency than the first switching stage. For example, the first switching stage may be formed as a full bridge with at least one switching element in each bridge branch and the second switching stage as a buck converter. The buck converter can be operated at a higher frequency than the full bridge. In particular, the buck converter can be driven with a frequency greater than 0.5 MHz, in particular greater than 1 MHz.
Die erste Schaltstufe kann der zweiten Schaltstufe nachgeordnet sein. Die zweite Schaltstufe kann die erste Schaltstufe mit einer Leistung versorgen, die spannungs-, ström- oder leistungsgeregelt ist. The first switching stage may be arranged downstream of the second switching stage. The second switching stage can supply the first switching stage with a power that is voltage, current or power-controlled.
Weiterhin kann eine Ausgangsfiltergruppe vorgesehen sein. Die Ausgangsfiltergruppe dient der Vermeidung elektromagnetischer Störungen sowie der Anpassung an die Zuleitungsinduktivität einer Plasmakammer. Furthermore, an output filter group can be provided. The output filter group is used to avoid electromagnetic interference and to adapt to the Zuleitungsinduktivität a plasma chamber.
Bei einer Ausführungsform des MF-Leistungsgenerators kann nur eine einzige Schaltstufe vorgesehen sein, die mit einer hohen Frequenz angesteuert wird. Am Ausgang der Schaltstufe kann ein Filter, insbesondere eine Induktivität vorgesehen sein, um ein Ausgangssignal einer gewünschten Frequenz zu erzeugen. Der Filter bzw. die Induktivität dient zur Glättung des Ausgangssignals, d.h. zum Herausfiltern der höherfrequenten Anteile. Die höhere Frequenz des Sollwertsignals kann mit diesem Filter bzw. Induktivität soweit reduziert werden, dass sie im Ausgangssignal weniger als 1% des Ausgangssignals ausmacht. Ein solcher Filter hat zudem den Vorteil, dass sich die Leistungsversorgung wie eine Stromquelle verhält. Außerdem kann der Stromanstieg bei Fehlern in der Last, z. B. bei Ares im Plasma, begrenzt werden. So können die Leistungsversorgung und die Last geschützt werden. In one embodiment of the MF power generator, only a single switching stage may be provided which is driven at a high frequency. At the output of the switching stage, a filter, in particular an inductance may be provided to produce an output signal of a desired frequency. The filter or the inductance serves to smooth the output signal, ie to filter out the higher-frequency components. The higher frequency of the reference signal can be reduced with this filter or inductance so far that it makes up less than 1% of the output signal in the output signal. Such a filter also has the advantage that the power supply behaves like a power source. In addition, the current increase in case of errors in the load, z. B. at Ares in the plasma, to be limited. This protects the power supply and the load.
Es kann eine Steuerung oder Regelung zur Erzeugung eines Steuer- oder Regelsignals für die erste und/oder zweite Schaltstufe unter Berücksichtigung einer in der Steuerung oder Regelung abgelegten vorgegebenen Sollwertkurve vorgesehen sein. There may be provided a control or regulation for generating a control or regulating signal for the first and / or second switching stage taking into account a stored in the control or regulation predetermined setpoint curve.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein. Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawing, which shows details essential to the invention and from the claims. The features shown there are not necessarily to scale and presented in such a way that the features of the invention can be made clearly visible. The various features may be implemented individually for themselves or for a plurality of combinations in variants of the invention.
In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In the schematic drawing embodiments of the invention are illustrated and explained in more detail in the following description.
Es zeigen : Show it :
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines MF-Leistungsgenerators mit zwei Schaltstufen; 1 shows a first embodiment of an MF power generator with two switching stages.
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines MF-Leistungsgenerators mit nur einer Schaltstufe; FIG. 2 shows a further embodiment of an MF power generator with only one switching stage; FIG.
Fig. 3a Darstellungen von Ausgangssignalen für unterschiedliche bis 3c Sollwertkurven, die mit einem MF-Leistungsgenerator entsprechend der Figur 1 erzielt wurden; Fig. 4a Darstellungen von Ausgangssignalen für unterschiedliche bis 4c Sollwertkurven, die mit einem MF-Leistungsgenerator entsprechend der Figur 2 erzielt wurden. Fig. 3a shows representations of output signals for different to 3c setpoint curves obtained with a MF power generator according to Fig. 1; Fig. 4a representations of output signals for different to 4c setpoint curves, which were obtained with an MF power generator according to the figure 2.
Die Figur 1 zeigt einen MF-Leistungsgenerator 1, der eine DC-Quelle 2 aufweist, die einen Zwischenkreiskondensator Cl speist. Die DC-Quelle 2 kann an eine hier nicht dargestellte Netzspannungsversorgung angeschlossen sein. Die DC-Quelle 2 hat keine direkte Verbindung zu Masse 9. Sie weist aber einen Bezug zur Masse 9 auf, der sich vor allem durch parasitäre Kapazitäten ergibt. Diese parasitären Kapazitäten sind durch den Kondensator 8 angedeutet. An die durch den Zwischenkreiskondensator Cl zur Verfügung gestellte Zwischenkreisspannung ist eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Tiefsetzsteller ausgebildete Schaltstufe 3 angeschlossen. Die Schaltstufe 3 umfasst ein schaltendes Element 4, eine Diode 5 und eine Induktivität 6. Das schaltende Element 4 wird durch eine Regelung und/oder Steuerung 7 angesteuert. FIG. 1 shows an MF power generator 1, which has a DC source 2, which feeds a DC link capacitor C1. The DC source 2 can be connected to a mains voltage supply, not shown here. The DC source 2 has no direct connection to ground 9. However, it has a reference to ground 9, which results mainly from parasitic capacitances. These parasitic capacitances are indicated by the capacitor 8. Connected to the intermediate circuit voltage provided by the intermediate circuit capacitor C 1 is a switching stage 3 designed as a step-down converter in the present exemplary embodiment. The switching stage 3 comprises a switching element 4, a diode 5 and an inductor 6. The switching element 4 is controlled by a controller and / or controller 7.
Der Schaltstufe 3 nachgeschaltet ist eine weitere Schaltstufe 10, die im Ausführungsbeispiel als Vollbrücke mit vier schaltenden Elementen 11, 12, 13, 14 ausgebildet ist. Jedem schaltenden Element 11 - 14 ist jeweils eine Diode Dl -D4 parallel geschaltet. Somit weist jeder Brückenzweig der Vollbrücke 10 ein schaltendes Element 11 - 14 auf. Die schaltenden Elemente 11 - 14 werden ebenfalls durch die Regelung und/oder Steuerung 7 angesteuert. Die Ansteuerung der schaltenden Elemente 4, 11 - 14 durch die Regelung und/oder Steuerung 7 erfolgt derart, dass das Ausgangssignal an der Stelle 15 auf eine Sollwertkurve, die in der Regelung und/oder Steuerung 7 abgelegt ist, geregelt oder gesteuert wird. Dabei wird das schaltende Element 4 mit einer höheren Frequenz angesteuert als die schaltenden Elemente 11 - 14. Die Frequenz des Ausgangssignals an Stelle 15 entspricht vorzugsweise der Frequenz der Ansteuersignale, die jeweils ein Regel- oder Steuersignal darstellen, der schaltenden Elemente 11 - 14. The switching stage 3 is followed by a further switching stage 10, which is formed in the embodiment as a full bridge with four switching elements 11, 12, 13, 14. Each switching element 11-14 is connected in parallel with a respective diode D1-D4. Thus, each bridge branch of the full bridge 10 has a switching element 11-14. The switching elements 11-14 are also controlled by the controller and / or controller 7. The control of the switching elements 4, 11 - 14 by the control and / or control 7 is carried out such that the output signal at the point 15 to a setpoint curve, which is stored in the control and / or control 7, is regulated or controlled. In this case, the switching element 4 is driven at a higher frequency than the switching elements 11 - 14. The frequency of the output signal at position 15 preferably corresponds to the frequency of the drive signals, each representing a control signal, the switching elements 11-14.
Zwischen dem MF-Leistungsgenerator 1 und einer Last, die hier als Plasmalast ausgebildet ist und zu deren Verdeutlichung eine Plasmakammer 16 schematisch dargestellt ist, ist eine Ausgangsfiltergruppe 17 vorgesehen, zur Vermeidung elektromagnetischer Störungen sowie zur Between the MF power generator 1 and a load, which is designed here as a plasma load and for the clarification of a plasma chamber 16 is shown schematically, an output filter group 17 is provided to avoid electromagnetic interference and the
Impedanzanpassung. Impedance matching.
Wenn die Regelung und/oder Steuerung 7 als Regelung ausgebildet ist, erfolgt eine Regelung auf eine Sollwertkurve (closed-loop control). Dazu können Strom, Spannung, Leistung als Istwerte an der Stelle 15 mittels Messaufnehmer 18 gemessen werden, die mit der Regelung und/oder Steuerung 7 verbunden sind. Wenn die Regelung und/oder Steuerung 7 als Steuerung ausgelegt ist, erfolgt eine Steuerung des Ausgangssignals auf eine Sollwertkurve (open-loop control). If the control and / or control 7 is designed as a control, there is a control to a setpoint curve (closed-loop control). For this purpose, current, voltage, power can be measured as actual values at the point 15 by means of measuring sensors 18, which are connected to the control and / or control 7. If the control and / or control 7 is designed as a controller, the output signal is controlled to a setpoint curve (open-loop control).
Die Figur 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines MF- Leistungsgenerators 100. Elemente, die denen der Figur 1 entsprechen, sind mit derselben Bezugsziffer gekennzeichnet. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß der Figur 1 weist die Ausführungsform gemäß der Figur 2 nur eine Schaltstufe 10 auf. Insbesondere weist sie keinen Tiefsetzsteller auf. Durch die Regelung und/oder Steuerung 7 wird somit lediglich die als Vollbrücke ausgestaltete SchaltstufelO angesteuert. Dabei haben das oder die Ansteuersignale, die Regel- oder Steuersignale darstellen, der schaltenden Elemente 11 - 14 eine höhere Frequenz als das Ausgangssignal an der Stelle 15. Dies wird dadurch erreicht, dass vor der Stelle 15, also am Ausgang des MF-Leistungsgenerators 100, FIG. 2 shows an alternative embodiment of an MF power generator 100. Elements corresponding to those of FIG. 1 are identified by the same reference number. In contrast to the embodiment according to FIG. 1, the embodiment according to FIG. 2 has only one switching stage 10. In particular, it has no buck converter. As a result of the regulation and / or control 7, only the switching stage O designed as a full bridge is thus activated. In this case, the one or more control signals representing control or control signals, the switching elements 11 - 14 have a higher frequency than the output signal at the point 15. This is achieved in that before the point 15, ie at the output of the MF power generator 100th .
Induktivitäten 20, 21 vorgesehen sind. Die schaltenden Elemente 4, 11 - 14 können als MOSFET ausgelegt sein. Die Dioden Dl - D4 können intrinsische Dioden der schaltenden Elemente 11 - 14 sein. Auch das schaltende Element 4 der Schaltstufe 3 kann eine intrinsische Diode (nicht gezeigt) aufweisen. Jedes schaltende Element kann als SiC Transistor, z.B. als SiC JFET oder als GaN Leistungsschalter ausgelegt sein. Diese eignen sich besonders zur Ansteuerung im Frequenzbereich größer 0,5 MHz, insbesondere größer 1 MHz. Inductors 20, 21 are provided. The switching elements 4, 11-14 may be designed as a MOSFET. The diodes D1-D4 may be intrinsic diodes of the switching elements 11-14. The switching element 4 of the switching stage 3 may also have an intrinsic diode (not shown). Each switching element can be designed as a SiC transistor, for example as a SiC JFET or as a GaN power switch. These are particularly suitable for driving in the frequency range greater than 0.5 MHz, in particular greater than 1 MHz.
In der Figur 3a ist eine Sollwertkurve 101 dargestellt. Das entsprechende durch den MF-Leistungsgenerator 1 gemäß der Figur 1 an der Stelle 15 erzeugte Ausgangssignal ist mit der Bezugsziffer 102 gekennzeichnet. Das Ausgangssignal 102 wurde erzeugt, indem die Schaltstufe 3 mit einem Regel- oder Steuersignal angesteuert wurde, das eine höhere Frequenz hat als das oder die Ansteuersignale der schaltenden Elemente 11 - 14 der in diesem Ausführungsbeispiel als Vollbrücke ausgestalteten Schaltstufe 10. In the figure 3a, a setpoint curve 101 is shown. The corresponding output signal generated by the MF power generator 1 according to FIG. 1 at the point 15 is identified by the reference numeral 102. The output signal 102 was generated by the switching stage 3 was driven with a control or control signal having a higher frequency than the one or more driving signals of the switching elements 11-14 of the designed in this embodiment as a full bridge switching stage 10th
In der Figur 3b ist eine sinusförmige Sollwertkurve 104 dargestellt. Mit der Bezugsziffer 105 ist das Ausgangssignal an der Stelle 15 des MF- Leistungsgenerators 1 gezeigt, das entsteht, wenn auf die Sollwertkurve 104 geregelt und/oder gesteuert wird. In the figure 3b a sinusoidal setpoint curve 104 is shown. The reference numeral 105 shows the output signal at the point 15 of the MF power generator 1, which arises when the setpoint curve 104 is controlled and / or controlled.
In der Figur 3c ist eine sägezahnförmige Sollwertkurve 106 dargestellt. Das zugeordnete Ausgangssignal an der Stelle 15, welches durch den MF- Leistungsgenerator 1 erzeugt wurde, trägt die Bezugsziffer 107. In the figure 3c a sawtooth setpoint curve 106 is shown. The associated output signal at the location 15 generated by the MF power generator 1 is designated 107.
Die Figur 4a zeigt eine Sollwertkurve 110. Für diese Sollwertkurve 110 wurde mit dem MF-Leistungsgenerator gemäß der Figur 2 das Ausgangssignal 111 erzeugt. Die hochfrequenten Schwingungen (den Rippel) an der Stelle 112 erhält man, da das Regel- oder Steuersignal eine höhere Frequenz aufweist als das Ausgangssignal 111. Die hochfrequenten Schwin- gungen sollten eigentlich durch die Induktivitäten 20, 21 ausreichend bedämpft sein. In diesem Fall sind die Induktivitäten aber nicht ausreichend ausgelegt worden, so dass die hochfrequenten Schwingungen zu erkennen sind. FIG. 4a shows a setpoint curve 110. For this setpoint curve 110, the output signal 111 was generated with the MF power generator according to FIG. The high-frequency oscillations (the ripple) at the point 112 are obtained since the control signal has a higher frequency than the output signal 111. The high-frequency oscillation Conditions should actually be adequately damped by the inductors 20, 21. In this case, however, the inductances have not been sufficiently designed so that the high-frequency oscillations can be recognized.
In der Figur 4b ist eine Sollwertkurve 113 gezeigt. Mit dem MF- Leistungsgenerator 100 gemäß der Figur 2 wurde das entsprechende Ausgangssignal 114 an der Stelle 15 erzeugt. FIG. 4b shows a nominal value curve 113. With the MF power generator 100 according to FIG. 2, the corresponding output signal 114 was generated at location 15.
Entsprechend wurde für die Sollwertkurve 115 der Figur 4c mit dem MF- Leistungsgenerator 100 gemäß der Figur 2 an der Stelle 15 das Ausgangssignal 116 erzeugt. Correspondingly, output signal 116 was generated at setpoint 15 for setpoint curve 115 of FIG. 4c with MF power generator 100 according to FIG.
In den Figuren 3a-3c und 4a bis 4c sind als Ausgangssignale (102, 105, 107, 111,114, 116) beispielhaft Spannungen gezeigt. Die Spitze an der Stelle 103 zeigt die Zündspannung, die zum Zünden des Plasmas benötigt wird. Sie ist vergleichbar auch in den Ausgangssignalen (105, 107, 114) in den Figuren 3b, 3c, 4b, 4c zu erkennen. Sie kann so aussehen, wie gezeigt, sie kann aber auch anders aussehen, je nach angeschlossener Last. In FIGS. 3a-3c and 4a to 4c, voltages are shown by way of example as output signals (102, 105, 107, 111, 114, 116). The tip at point 103 shows the ignition voltage needed to ignite the plasma. It can also be seen in the output signals (105, 107, 114) in FIGS. 3b, 3c, 4b, 4c. It can look like it is shown, but it can look different depending on the load connected.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betrieb eines MF-Leistungsgenerators (1, 100), bei dem ein Ausgangssignal (102, 105, 107, 111, 114, 116) geregelt oder gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (102, 105, 107, 111, 114, 116) auf eine vorgegebene Sollwertkurve (101, 104, 106, 110, 113, 115) geregelt oder gesteuert wird, wobei die Sollwertkurve (101, 104, 106, 110, 113, 115) das Ausgangssignal (102, 105, 107, 111, 114, 116) in seinem Verlauf innerhalb einer, insbesondere innerhalb mehrerer, besonders bevorzugt innerhalb jeder Halbwelle beeinflusst. Method for operating a MF power generator (1, 100), in which an output signal (102, 105, 107, 111, 114, 116) is regulated or controlled, characterized in that the output signal (102, 105, 107, 111, 114, 116) is controlled or controlled to a predetermined desired value curve (101, 104, 106, 110, 113, 115), wherein the reference value curve (101, 104, 106, 110, 113, 115) controls the output signal (102, 105 , 107, 111, 114, 116) in its course within one, in particular within, more preferably within each half-wave.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung oder Steuerung mit einem Regeloder Steuersignal erfolgt, das eine höhere Frequenz aufweist als das Ausgangssignal (102, 105, 107, 111, 114, 116). 2. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the control or control is carried out with a control or control signal having a higher frequency than the output signal (102, 105, 107, 111, 114, 116).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regel- oder Steuersignal eine Frequenz größer 0,5 MHz, insbesondere größer 1MHz aufweist. 3. The method according to claim 2, characterized in that the control signal has a frequency greater than 0.5 MHz, in particular greater than 1MHz.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Ausgangssignals (102, 105, 107, 111, 114, 116) geregelt oder gesteuert wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the amplitude of the output signal (102, 105, 107, 111, 114, 116) is regulated or controlled.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulation des Ausgangssignals (102, 105, 107, 111, 114, 116) innerhalb einer Halbwelle des Ausgangssignals (102, 105, 107, 111, 114, 116) erfolgt. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a modulation of the output signal (102, 105, 107, 111, 114, 116) within a half-wave of the output signal (102, 105, 107, 111, 114, 116) takes place.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (102, 105, 107) durch zwei Schaltstufen (3, 10) erzeugt wird, wobei die Schaltstufen (3, 10) bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the output signal (102, 105, 107) by two switching stages (3, 10) is generated, wherein the switching stages (3, 10) are operated at different frequencies.
7. MF-Leistungsgenerator mit einer DC-Quelle (2), die einen Zwischen- kreiskondensator (Cl) speist, sowie zumindest einer Schaltstufe (3, 10), die mit einem Signal angesteuert ist, das eine höhere Frequenz aufweist als das Ausgangssignal (102, 105, 107, 111, 114, 116) des MF-Leistungsgenerators (1, 100). 7. MF power generator with a DC source (2), which feeds an intermediate circuit capacitor (Cl), and at least one switching stage (3, 10), which is driven by a signal having a higher frequency than the output signal ( 102, 105, 107, 111, 114, 116) of the MF power generator (1, 100).
8. MF-Leistungsgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Schaltstufe (10) vorgesehen ist, die bei einer höheren Frequenz betrieben wird als die erste Schaltstufe (3). 8. MF power generator according to claim 7, characterized in that a second switching stage (10) is provided, which is operated at a higher frequency than the first switching stage (3).
9. MF-Leistungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltstufe (10) als Vollbrücke mit mindestens einem schaltenden Element (11 - 14) in jedem Brückenzweig und die zweite Schaltstufe (3) als Tiefsetzsteller ausgebildet sind. 9. MF power generator according to one of the preceding claims 7 or 8, characterized in that the first switching stage (10) are formed as a full bridge with at least one switching element (11 - 14) in each bridge branch and the second switching stage (3) as a buck converter ,
10. MF-Leistungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangsfiltergruppe (17) vorgesehen ist. 10. MF power generator according to one of the preceding claims 7 to 9, characterized in that an output filter group (17) is provided.
11. MF-Leistungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung oder Regelung (7) zur Erzeugung eines Steuer- oder Regelsignals für die erste und/oder zweite Schaltstufe (3, 10) unter Berücksichtigung einer in der Steuerung oder Regelung (7) abgelegten vorgegebenen Sollwertkurve (101, 104, 106, 110, 113, 115), wobei die Sollwertkurve (101, 104, 106, 110, 113, 115) das Ausgangssignal (102, 105, 107, 111, 114, 116) in seinem Verlauf innerhalb einer, insbesondere innerhalb mehrerer, besonders bevorzugt innerhalb jeder Halbwelle beeinflussen kann. 11. MF power generator according to one of the preceding claims 7 to 10, characterized in that a control or regulation (7) for generating a control or regulating signal for the first and / or second switching stage (3, 10) taking into account a in the Control or regulation (7) stored predetermined setpoint curve (101, 104, 106, 110, 113, 115), wherein the Setpoint curve (101, 104, 106, 110, 113, 115) can influence the output signal (102, 105, 107, 111, 114, 116) in its course within one, in particular within, more preferably within each half-wave.
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