缓冲器系统、装置和方法
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及电源。具体地，但不以限制的方式，本公开涉及用于限制电源中的电压尖脉冲和电流尖脉冲的系统、方法和装置。
【背景技术】
[0002]图1图示了用于等离子体处理的典型电源系统100的一个范例。电源系统100包括DC电源102，所述DC电源102为开关电路104提供DC电力，所述开关电路104将DC电力转换成脉冲DC并为等离子体负载106提供脉冲DC。当切换时，节点C与D之间的电势经过零的电势，并且在该转变之后的短时间内，等离子体能够消亡或能够暗淡到它变得高电阻并且像未流通的电感器或断路一样起作用的程度。紧接在该转变之后，DC电源102继续为开关电路104提供电力，但是该电力的大部分能够不再被递送到等离子体负载106 ο替代地，电力主要经过开关电路104，这潜在地对开关电路104造成损坏。
[0003]缓冲器108能够用于通过在开关电路104转变通过OV之后的时期期间吸收来自DC电源102的电力来减轻对开关电路104的损坏。然而，现有缓冲器通常是耗能缓冲器和/或消耗显著电力。
[0004]对已知电源系统的额外挑战包括缓慢的处理吞吐量和由于电力消耗的进一步低效率。例如并且如在图2A中所见，虽然节点C与D之间的电压能够以可忽略的斜坡时间切换，但是电流以缓慢得多的速度斜坡变化，因此提供比来自DC电源102的电力输出显著更低的平均电力。这导致更长的处理时期和降低的吞吐量，这是因为许多处理只能够在预定的总电力已经被递送时结束。
[0005]还存在对增加向等离子体负载106提供的DC脉冲频率的期望，这是因为这会减少电弧发生。然而，以上提及的问题在更高的频率下变得更加严重，如在图2B中所图示的。此夕卜，由于每个脉冲在更高的频率下更短，因此在高频率下的电流可以比在更低的频率下最终变得更大(在电力调整的系统中)。由于电力消耗与I2成比例，因此这些更大的电流导致更大的电力损耗。额外地，在切换的时刻处与电流成比例的切换损耗在更高的频率下被加重，这是因为切换电流更大。
【发明内容】
[0006]下面总结在附图中示出的本发明的示例性实施例。这些实施例和其他实施例在【具体实施方式】章节中被更加详细地描述。然而，应当理解，不存在将本发明限制于该
【发明内容】
中或在【具体实施方式】中描述的形式的意图。本领域技术人员能够认识到，存在落在本发明的如在权利要求中所表述的精神和范围之内的许多修改、等价方案或备选方案。
[0007]本公开的一些实施例能够被表征为一种电力系统，所述电力系统包括DC电源、开关电路、以及缓冲器电路。所述DC电源能够向第一轨道和第二轨道供应DC电力，所述第一轨道和所述第二轨道在所述第一轨道与所述第二轨道之间具有电压。所述开关电路能够经由所述第一轨道和所述第二轨道接收所述DC电力，并且将所述DC电力转换为脉冲DC电压，所述脉冲DC电压被配置为施加到等离子体负载。所述缓冲器电路能够耦合到所述第一轨道和所述第二轨道，使得在所述第一轨道与所述第二轨道之间的电压落在所述缓冲器电路两端。此外，所述缓冲器电路能够包括第一单向开关、电压倍增器、电气节点、以及电流限制器。所述第一单向开关能够被配置为允许来自所述第一轨道的电流通过。所述电压倍增器能够耦合在所述第一单向开关与所述第二轨道之间。所述电压倍增器能够被配置为当所述开关电路观察到的阻抗增加时经由所述第一单向开关吸收并存储来自所述DC电源的能量。所述电压倍增器还能够被配置为借助于吸收并存储来自所述DC电源的所述能量来升高在所述第一轨道与所述第二轨道之间的电压。所述电压倍增器能够被进一步配置为然后当所述开关电路观察到的阻抗降低时将存储的能量的至少部分施加到所述开关电路，并且从而降低在所述第一轨道与所述第二轨道之间的电压。所述电气节点能够被布置在所述第一单向开关与所述电压倍增器之间。所述电流限制器能够耦合在所述电气节点与所述第一轨道之间，并且能够对所述电压倍增器释放到所述开关电路的电流的上升进行限制。
[0008]本公开的其他实施例还能够被表征为一种缓冲器电路，所述缓冲器电路包含电压倍增器、第一单向开关、以及第一电流限制器。所述电压倍增器能够耦合在第一电力轨道与第二电力轨道之间，并且所述电压倍增器能够吸收并存储来自所述第一轨道的能量，并且因此升高在所述第一轨道与所述第二轨道之间的电压，并且然后对能量中的至少一些进行释放，并且因降低在所述第一轨道与所述第二轨道之间的电压。所述第一单向开关能够允许来自所述第一电力轨道的电流通到所述电压倍增器，但是能够阻碍电流试图通过所述第一单向开关回到所述第一电力轨道。所述第一电流限制器能够耦合在所述第一电力轨道与所述电压倍增器之间。所述第一电流限制器能够提供从所述电压倍增器到所述第一电力轨道的低电阻电流路径，并且能够对所述电压倍增器释放到所述第一电力轨道的电流的变化速率进行限制。
[0009]本公开的其他实施例能够被表征为一种方法，所述方法包括使来自电源的电力通到具有阻抗的负载。所述方法还能够包括当所述负载的阻抗大幅增加时吸收所述电力中的至少一些，并且从而增加到达所述负载的电压和电流。所述方法最后包括当所述负载的阻抗降低时将所吸收的电力中的至少一些释放到所述负载中，使得所述释放基本上不耗能。
[0010]本公开的一些实施例可以被表征为一种电力系统，所述电力系统包括DC电源、开关电路、以及缓冲器电路。所述DC电源能够向第一轨道和第二轨道供应DC电力，所述第一轨道和所述第二轨道在所述第一轨道与所述第二轨道之间具有电压。所述开关电路能够经由所述第一轨道和所述第二轨道接收所述DC电力，并且将所述DC电力转换为脉冲DC电压，所述脉冲DC电压被配置为施加到等离子体负载。所述缓冲器电路能够耦合到所述第一轨道和所述第二轨道，使得在所述第一轨道与所述第二轨道之间的电压落在所述缓冲器电路两端。此外，所述缓冲器电路能够包括第一单向开关、电压倍增器、电气节点、以及电流限制器。所述第一单向开关能够被配置为允许来自所述第一轨道的电流通过。所述电压倍增器能够耦合在所述第一单向开关与所述第二轨道之间。所述电压倍增器能够被配置为当所述开关电路观察到的阻抗增加时经由所述第一单向开关吸收并存储来自所述DC电源的能量。所述电压倍增器还能够被配置为借助于吸收并存储来自所述DC电源的能量来升高所述第一轨道所述与第二轨道之间的电压。所述电压倍增器能够被进一步配置为然后当所述开关电路观察到的阻抗降低时将所存储的能量的至少部分施加到所述开关电路，并且从而降低在所述第一轨道与所述第二轨道之间的电压。所述电气节点能够被布置在所述第一单向开关与所述电压倍增器之间。所述电流限制器能够耦合在所述电气节点与所述第一轨道之间，并且能够对所述电压倍增器释放到所述开关电路的电流的上升进行限制。
[0011]本公开的其他实施例还可以被表征为一种缓冲器电路，所述缓冲器电路包括电压倍增器、第一单向开关、以及第一电流限制器。所述电压倍增器能够耦合在第一电力轨道与第二电力轨道之间，并且所述电压倍增器能够吸收并存储来自所述第一轨道的能量，并且因此升高在所述第一轨道与所述第二轨道之间的电压，并且然后对所述能量中的至少一些进行释放，并且因此降低在所述第一轨道与所述第二轨道之间的电压。所述第一单向开关能够允许来自所述第一轨道的电流通到所述电压倍增器，但是能够阻碍电流试图通过所述第一单向开关回到所述第一电力轨道。所述第一电流限制器能够耦合在所述第一电力轨道与所述电压倍增器之间。所述第一电流限制器能够提供从所述电压倍增器到所述第一电力轨道的低电阻电流路径，并且能够对所述电压倍增器释放到所述第一电力轨道的电流的变化速率进行限制。
[0012]本公开的其他实施例能够被表征为一种方法，所述方法包括使来自电源的电力通到具有阻抗的负载。所述方法还能够包括当所述负载的阻抗大幅增加时吸收所述电力中的至少一些，并且从而增加到达所述负载的电压和电流。所述方法最后包括当所述负载的阻抗降低时将所吸收的电力中的至少一些释放到所述负载中，使得所述释放基本上不耗能。
【附图说明】
[0013]当结合附图考虑时，参考以下【具体实施方式】和权利要求，本发明的各种目的和优点以及更加完整的理解是明显的且更加容易意识到，在附图中:
[0014]图1图示了用于等离子体处理的典型电源系统的一个范例；
[0015]图2图示了常规电源系统的电压和电流的曲线；
[0016]图3图示了包括DC电源、开关电路、等离子体负载、以及非耗能缓冲器电路的实施例的电源系统；
[0017]图4图示了包括DC电源、开关电路、等离子体负载、以及耗能缓冲器电路的另一实施例的电源系统；
[0018]图5图示了包括DC电源、开关电路、等离子体负载、以及非耗能缓冲器电路的又另一实施例的电源系统；
[0019]图6图示了包括DC电源、开关电路、等离子体负载、以及非耗能缓冲器电路的又另一实施例的电源系统；
[0020]图7图示了包括DC电源、开关电路、等离子体负载、以及非耗能缓冲器电路的又另一实施例的电源系统；
[0021]图8A和图8B图示了根据本公开的一个实施例的电源系统的电压和电流的曲线；
[0022]图9图示了示出电压倍增器的细节的电源系统的实施例；
[0023]图10图示了缓冲器的电压倍增器为电压三倍器的实施例；
[0024]图11图示了包括DC电源、开关电路、等离子体负载、缓冲器电路的又另一实施例、以及电压倍增器调节器的电源系统；
[0025]图12图示了根据本公开的一个实施例的电源系统的电压和电流的曲线；
[0026]图13图示了示出电压倍增器调节器的一个实施例的细节的电源系统；
[0027]图14图示了示出电压倍增器的和电压倍增器调节器的一个实施例的细节的电源系统；
[0028]图15图示了包括DC电源的电源系统，所述DC电源为开关电路提供电力，所述开关电路然后为等离子体负载提供脉冲DC电力；
[0029]图16图示了包括DC电源的电源系统，所述DC电源为开关电路提供电力，所述开关电路提然后为等离子体负载提供脉冲DC电力；
[0030]图17图示了包括DC电源的电源系统，所述DC电源为开关电路提供电力，所述开关电路提然后为等离子体负载提供脉冲DC电力；
[0031]图18图示了刚好在开关电路的OV转变之后的图14的电源系统；
[0032]图19图示了在来自缓冲器的电压升高的下降沿期间的图14的电源系统；
[0033]图20图示了图14的电源系统在单个电弧事件期间的电流路径和二极管偏置；
[0034]图21图不了图14的电源系统在一连串尚频电弧期间的电流路径和一■极管偏置；
[0035]图22图示了电源系统的另一实施例；
[0036]图23图示了又另一电源系统；
[0037]图24图示了又其他电源系统；
[0038]图25A和图25B图示了根据本公开的一个实施例的电源系统的电压和电流的曲线；
[0039]图26图示了控制电源系统中的电力的方法；并且
[0040]图27示出了以计算机系统的示例性形式的机器的一个实施例的图解表示；
[0041]图28图示了电压升高电路的备选拓扑；
[0042]图29图示了具有缓冲器功能的电压升高电路的另一实施例；并且
[0043]图30图示了包括为等离子体处理室中的四个或更多个非阳极电极提供脉冲DC电力的两个或更多个脉冲DC电源系统的电源系统的实施例。
【具体实施方式】
[0044]本公开总体上涉及电源系统。更具体地，但不进行限制，本公开涉及一种用于在电源系统中使用的非耗能缓冲器。
[0045]词语“示例性”在本文中用于意指“充当范例、实例或图示”。在本文中作为“示例性”描述的任何实施例不必被解释为优选于或优于其他实施例。
[0046]为了本公开的目的，电流限制器是限制能够经过电流限制器的电流或限制经过电流限制器的电流能够以其上升或下降的速率的任何设备或电路。在一些实施例中，电流限制器能够限制经过电流限制器的电流的增加速率和上边界。电感器、电阻器、JFET、MOSFET、以及IGBT都是电流限制元件的范例，这是因为每个均能够限制电流的变化速率和量。
[0047]为了本公开的目的，开关包括当处于关闭或断开状态时停止电流经过的任何电路或设备。例如，晶体管(例如，MOSFET、BJT、IGBT)能够是开关，并且在电流限制器被如此操作以便使电流减小至OA的一些情况下，电流限制器能够是开关。
[0048]为了本公开的目的，单向开关包括仅使电流在单个方向经过的任何设备或电路。例如，二极管和晶体管二者能够被考虑为单向开关，取决于操作。
[0049]在【背景技术】中提及的挑战能够经由对在图24中图示的非耗能缓冲器2460的使用来处理，所述非耗能缓冲器2460包括第一单向开关2410、电压倍增器2418、以及第一电流限制器2412。缓冲器2460能够被布置在第一电力轨道2450与第二电力轨道2452之间，其中，电力轨道2450和2452将来自电源2402的电力转移到负载2406 (例如，等离子体处理室的等离子体)，并且任选地将所述电力转移通过易损电路2404(例如，开关电路)。第一单向开关2410能够被布置在第一电力轨道2450与电压倍增器2418之间，并且允许来自第一电力轨道2