[發明專利]可變電壓發生器電路、電容器和方法

有效

• 申請號: 201780073043.4
• 申請日: 2017-11-29
• 公開（公告）號: CN110291707B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 托馬斯·芬克;拉爾夫·奈格勒
• 申請（專利權）人: 康姆艾德公司
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335;H02M1/00;H02M1/42;H01G7/06
• 代理公司: 北京金恒聯合知識產權代理事務所 11324
• 代理人: 李強

描述了一種可變電壓發生器電路，用于從基本恒定的電源電壓V_S產生用于具有可變介電常數電介質的可變功率電容器(1)的可變高壓控制電壓V_C。控制電壓發生器電路包括：充電電路(10)，用于將輸入電容器(12)上的電壓V_Cin至少保持在電源電壓V_S；以及，雙向DC?DC轉換器電路(20)，其具有由控制輸入信號(27)控制的可變電壓轉換因子G。雙向DC?DC轉換器(20)用于以電壓轉換因子G在輸入電容器電壓V_Cin和輸出電壓V_C之間進行電壓轉換。當V_CG×V_Cin時，DC?DC轉換器電路(20)使用存儲在輸入電容器(12)中的電荷對電容性負載(1)充電。當V_CG×V_Cin時，DC?DC轉換器電路(20)使用存儲在負載電容(1)中的電荷對輸入電容器(12)充電。

技術領域

本發明涉及高壓、快速可變直流電壓源領域。特別但非排他地，本發明涉及向呈現電容性負載但耗能很小或無耗能的裝置提供快速動態高壓DC控制電壓的領域。

背景技術

國際申請WO2016034241A1描述了一種非常快速的可變功率電容器，其可用于提供高動態RF電源，例如，用于等離子蝕刻或沉積的等離子室可能需要的高動態RF電源。可變功率電容器包括具有可變介電常數的順電介電材料，其介電常數可通過在介電材料上施加大電場或大DC電壓而改變。為此目的提供了控制電極。通過改變控制電極上的電壓，可以非常快速和精確地改變可變電容器的電容。這又允許射頻(RF)電源對等離子處理室的高響應阻抗匹配，這又改善了等離子過程(例如蝕刻或沉積處理)的控制和特征分辨率。

已經確定，在實現快速可變功率電容器的益處時，所施加的DC電壓應該有利地能夠在高電壓(例如大于1kV，大于3kV或大于5kV)和低電壓(例如0V)之間非常快地(例如在10ms內，或1ms或100ps，或10ps或更小的時間里)變化，即以高達10⁵V/s或更高，或10⁶V/s或更高，或10⁷V/s或更大，或10⁸V/s或更大的速率變化。控制電極和它們之間的電介質形成用于所施加的DC電壓的負載電容，因此控制電壓源應該優選地能夠在這么短的時間內在整個電壓范圍內(例如從0V到5kV，反之亦然)對負載電容充電或放電。

類似地，壓電致動器可用于諸如高速切換的應用中。如果施加的驅動電壓可以足夠快地變化，則可以實現10000g或更大的加速度。為此，驅動器電壓可能需要在非常短的時間(例如1ms或更短，或0.1ms或更短，或0.01ms或更短)內在大電壓范圍(例如1kV或更高)內進行改變。

例如由壓電致動器或由上述可變功率電容器的控制電極之間的電介質提供的電容性負載的電容可以是10pF到100nF的量級，或者大于100nF。當充電/放電時間非常短時，在大電壓范圍內對這種電容性負載進行充電和放電是不容易的任務。控制電壓發生器電路中的任何有損元件進一步加劇了該問題。在諸如用于等離子體產生的快速可變電容器或上述壓電致動器的應用中，有利的是不僅能夠非常快速地改變輸出電壓，而且還能夠以高精度進行這種改變。

由此確定了，所需要的是快速可變高電壓源，該快速可變高電壓源可以從基本穩定的輸入電壓產生快速變化的輸出電壓，但不會影響精度和效率。

現有技術