進歩した周波数同調のための方法および装置

专利摘要:
時間的に変化する負荷に連結される発電機の動作周波数を同調させるための方法および装置を説明する。１つの例証的な実施形態は、発電機の現在の動作周波数での誤差（反射係数の大きさ）を迅速に計算し、発電機の周波数を初期ステップサイズによって調節し、第２の誤差を迅速に計算し、そのため、第２の誤差の大きさが第１の誤差の大きさより小さい場合は、ステップサイズが増加させられ、周波数が増加したステップサイズによって調節される。
公开号:JP2011515823A
申请号:JP2011501896
申请日:2009-03-12
公开日:2011-05-19
发明作者:ギデオン；ジェイ． バンジル，；ジェフ ロバーグ，
申请人:アドバンスト・エナジー・インダストリーズ・インコーポレイテッドＡｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ， Ｉｎｃ．；
IPC主号:H01J37-00

专利说明:

[0001] （関連出願）
本願は、２００８年３月２３日に出願された米国仮出願第６１／０３８，７７４号（発明の名称「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｔｕｎｉｎｇ」）の優先権の利益を主張し、この仮出願は、その全体が本明細書において参照により援用される。]
[0002] （発明の分野）
本発明は、概して、発電機に関する。具体的に、制限としてではないが、本発明は、発電機の動作周波数を同調させる（調節する）ための方法および装置に関する。]
背景技術

[0003] （発明の背景）
電力発生器は、最適性能のために、典型的に、特定の負荷インピーダンス、典型的に５０オームに設計される。設計値に近い負荷インピーダンスで動作することは、典型的に、最高出力電力能力および発電機の内部のコンポーネントへの最低応力をもたらす。負荷を発電機に整合させるために、常にではないが、典型的に、いくつかの種類の整合ネットワークが使用される。整合ネットワーク（発電機の内部または外部のいずれか）の設計を修正することによって、発電機が生成することができる周波数の範囲内のいくつかの周波数で、負荷のインピーダンスを所望の負荷インピーダンスに近い値に変換することができる。]
課題を解決するための手段

[0004] （発明の概要）
本発明の例証的な実施形態を、図面に示し、以下に概要する。これらおよび他の実施形態を、「発明を実施するための形態」項により完全に説明する。しかしながら、本発明を、この「発明の概要」または「発明を実施するための形態」に説明される形態に制限することは意図されないことが理解される。当業者は、特許請求の範囲に説明される、本発明の趣旨および範囲内の多数の修正、同等物、ならびに代替構成が存在することを認識することができる。]
[0005] 本発明の多くの実施形態は、発電機に連結される、非線形の負荷および／または時間的に変化する負荷の負荷インピーダンスの変化に応じて、発電機（例えば、ＲＦ発生器）の動作周波数を迅速に同調させるための方法および装置を提供する。]
[0006] １つの例証的な実施形態は、周波数同調の方法であって、負荷反射係数を計算し、次いで、１つ以上の以前に計算された負荷反射係数と比較した時の計算された負荷反射係数の相対的な大きさに基づき、発電機の動作周波数を調節するステップを含む、方法を含む。]
[0007] 別の例証的な実施形態は、周波数同調の方法であって、負荷反射係数を計算し、次いで、１つ以上の以前に計算された負荷反射係数と比較した時の計算された負荷反射係数の相対的な大きさに基づき、周波数ステップサイズを調節するステップを含む、方法を含む。]
[0008] さらに別の例証的な実施形態は、発電機に連結される、時間的に変化する負荷の変化性と比較して短い時間フレーム内で、負荷反射係数（または他の数的指標）を計算する方法を含む。]
[0009] これらおよび他の実施形態を、本明細書により詳細に説明する。]
[0010] 本発明の様々な目的および利点、ならびにより完全な理解は、以下の「発明を実施するための形態」および添付の特許請求の範囲を添付の図面と併せて参照することによって明らかとなり、より容易に理解され、図面は、以下の通りである。]
図面の簡単な説明

[0011] 図１は、本発明の実施形態が実現され得るシステムを示す、システムレベルのブロック図である。
図２は、図１に示されるシステムの、周波数の関数としての負荷反射係数の一般挙動のグラフ図（スミスチャート）である。
図３は、図２に対応する、周波数の関数としての誤差（ここでは、単に反射係数の大きさ）のグラフ図である。
図４は、図１に示されるシステムに関連して実現され得る機能コンポーネントを示す、ブロック図である。
図５は、誤差が周波数の単調関数である場合の、時間の関数としての誤差および周波数のグラフ図である。
図６は、本発明の実施形態に係る方法が有益である場合の、時間の関数としての誤差および周波数のグラフ図である。
図７は、時間的に不変の（線形または非線形）負荷の周波数の関数としての誤差関数のグラフ図である。
図８は、時間的に変化する（線形または非線形）負荷の周波数の関数としての別の誤差関数のグラフ図である。
図９は、開示される周波数同調方法のさらに別の例証的な実施形態に従って、望ましい周波数を見つけるための方法のフローチャートである。
図１０は、開示される周波数同調方法のさらに別の例証的な実施形態に従って、望ましい周波数を見つけるための方法のフローチャートである。
図１０は、開示される周波数同調方法のさらに別の例証的な実施形態に従って、望ましい周波数を見つけるための方法のフローチャートである。
図１１は、実施形態と関連して実施される、例示的な方法のノイズに暴露されるシミュレーションを示すグラフである。
図１２は、実施形態と関連して実施される、例示的な方法のノイズに暴露されるシミュレーションを示すグラフである。
図１３は、実施形態と関連して実施される、例示的な方法のノイズの不在下でのシミュレーションを示すグラフである。
図１４は、実施形態と関連して実施される、例示的な方法のノイズの不在下でのシミュレーションを示すグラフである。
図１５は、実施形態と関連して実施される、追加の例示的な方法のノイズの不在下でのシミュレーションを示すグラフである。
図１６は、実施形態と関連して実施される、追加の例示的な方法のノイズの不在下でのシミュレーションを示すグラフである。
図１７は、安定化された方法のノイズの存在下での同調の失敗を図示するグラフである。
図１８は、安定化された方法のノイズの存在下での同調の失敗を図示するグラフである。
図１９は、開示される周波数同調方法の１つ以上の実施形態に従う、パルス間周波数同調をグラフで図示するグラフである。
図２０は、開示される周波数同調方法の１つ以上の実施形態に従う、パルス間周波数同調をグラフで図示するグラフである。
図２１は、開示される周波数同調方法の１つ以上の実施形態に従う、パルス間周波数同調をグラフで図示するグラフである。
図２２は、大域的最適周波数を検索するために、持続時間の最大タイムスロットＴを伴う時間のうちの小比率の時間を使用する、例示的な周波数同調方法をグラフで図示する。] 図１ 図１１ 図１２ 図１３ 図１４ 図１５ 図１６ 図１７ 図１８ 図１９
実施例

[0012] いくつかの図を通して、同様の、または類似する要素に同一の参照番号が割り当てられる、図面を参照する。]
[0013] 発電機（例えば、ＲＦ発生器）における周波数同調は、多くの場合、反射電力を低減し、それによって効率的な動作を得るために使用される。図１を参照すると、典型的な発電システム１００のブロック図が示される。発電機１０２は、負荷１０６に電気的に連結される。負荷を発電機に整合させるために、常にではないが、典型的に、いくつかの種類の整合ネットワーク１０４が使用される。整合ネットワーク（図１に示されるように発電機の内部または外部のいずれか）の設計を修正することによって、発電機が生成することができる周波数の範囲内のいくつかの周波数で、負荷のインピーダンスを発電機の所望の負荷インピーダンス（出力コネクタで、典型的に５０Ω、または発電機の内部の能動素子で、典型的に、８＋ｊ３Ωのようなある低い複素インピーダンスのいずれか）に近い値に変換することができる。] 図１
[0014] 負荷インピーダンスが所望のインピーダンスにどれだけ近いかの測度は、多くの形態をとることができるが、典型的に、反射係数]
[0015] として表現され、式中、ρは、所望のインピーダンスＺ０に対するインピーダンスＺの反射係数である。反射係数（｜ρ｜）の大きさは、インピーダンスＺが所望のインピーダンスＺ０にどれだけ近いかを表現すのに、非常に便利な方法である。ＺおよびＺ０の両方は、一般に、複素数である。]
[0016] 周波数同調方法およびアルゴリズムは、最適または望ましい動作周波数を見つけることを試みる。最適点は、所望のインピーダンスに対する反射係数の大きさが最も小さい周波数として定義されてもよいが、この目的のために、他の測度が使用されてもよい。そのような他の測度には、例えば、最小反射電力または最大送達電力が挙げられる。]
[0017] 時間的に不変の線形負荷上では、多くの同調方法がうまく機能するであろう。しかし、時間的に変化する負荷および／または非線形負荷上では、同調アルゴリズムの信頼性のある動作を保証するために、特別な技術が必要とされることが発見された。負荷インピーダンスに変化が生じる時（例えば、負荷に送達される電力、ガスの化学的性質、圧力等の変化の結果として）、多くの場合、発電機が連結される、時間的に変化する負荷および／または非線形負荷の動力学に対応する時間フレーム内で、発電機を、所望の（例えば、最適）周波数に現在対応する周波数で動作するように動的に同調させる必要がある。]
[0018] 制御問題の状況において、誤差を、望ましくない（例えば、非最適）動作状態の指標として見ることが有用である。古典的な制御理論では、誤差をゼロにすることは理論上可能であるが、周波数同調方法論においては、これはまれである。]
[0019] 望ましい動作周波数が、負荷反射係数の大きさがその最小である、または最小に実質的に近い周波数であると仮定すると、被制御変数（周波数）と誤差との間の関係は、必ずしも単調ではないことに気付く。さらに、動作の最適点は、利得（誤差の変化を周波数の変化で除算したものとして定義される）がゼロである、点である。]
[0020] 課題に加えて、また、制御方法が陥る可能性のある領域内に極小値が存在する場合があり得る。例証的な一例として、図２は、負荷反射係数の負荷反射係数チャート（スミスチャート）上へのプロットを示し、図３は、周波数の関数として、誤差として使用される負荷反射係数の対応する大きさを示す。] 図２ 図３
[0021] 負荷に関する先験的情報が既知である、いくつかの特別な場合では、単純な線形コントローラが使用され得るように、誤差関数を、周波数の単調関数となるように調整することができる。例えば、そのようなシステムは、２００２年１０月２９日にＣｈｅｎらに対して発行された、名称が「Ｐｕｌｓｅｄ ＲＦ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｆｏｒ Ｐｌａｓｍａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」の米国特許第６，４７２，８２２号に開示される。]
[0022] 図５を参照すると、これは、両方とも単調である、誤差および周波数を示す、グラフである。そのような線形制御は、周波数と誤差との間の非単調な関係のため、負荷に関する先験的情報が入手可能な特別な場合を除き、ほとんど適用可能ではない。] 図５
[0023] プラズマ負荷に関連する２つの共通する問題は、（１）プラズマ負荷インピーダンスが、電力レベルの関数であることによる、負荷の非線形性質、ならびに（２）化学的性質、圧力、温度、および非線形プラズマ負荷の他の物理的特性の変化のため、負荷インピーダンスが経時的に変化すること、であることが発見された。プラズマ（またはプラズマのような）負荷特有の別の問題は、プラズマへの送達電力が、十分に長い時間、最小値未満に下がる場合、プラズマは、消滅する可能性があるということである。したがって、プラズマ負荷に不十分な電力が送達される周波数は、それほど長い間印加することはできず、そうでなければ、プラズマは消滅する。]
[0024] プラズマ負荷が時間と共に変化する場合、既知の同調技術は、多くの場合、十分ではなく、図７および図８が説明するのを助長するように、問題がある。図７を参照すると、例えば、誤差、例えば、周波数の関数としての負荷反射係数の大きさは、固定されたままであると見なされる。この状況では、時間ｔ０に周波数ｆ０で動作し、および続いて時間ｔ１に周波数ｆ１で動作する周波数同調アルゴリズムは、ｆ１が、動作するのにより優れた周波数であると正確に決定し、ｆｏｐｔｉｍａｌでの最小誤差が到達されるまで、より高い周波数に同調させ続ける。] 図７ 図８
[0025] しかしながら、図８では、誤差、例えば、周波数の関数としての負荷反射係数の大きさは、経時的に変化する。この状況では、時間ｔ０に周波数ｆ０で動作し、および続いて時間ｔ１に周波数ｆ１で動作する、典型的な周波数同調アルゴリズムは、ｆ１が、動作するのにより悪い周波数であると不正確に決定し、最適周波数から離れるように同調させる。この不正確な結果は、誤差関数自体が経時的に変化したためである。] 図８
[0026] さらに、負荷への電力（例えば、ＲＦ電力）がパルスされる時、周波数同調は、さらにより問題のあるものとなる。インピーダンス整合ネットワークが採用する、負荷の非線形性質および比較的高い品質係数（貯蔵エネルギー対１サイクル当たり（例えば、ＲＦサイクル）に送達されるエネルギーの比、多くの場合、「Ｑ」で示される）のため、負荷インピーダンスは、印加されるパルス（例えば、ＲＦパルス）の最初の数マイクロ秒の間に、非常に迅速に変化する。]
[0027] 最初に、図４を参照すると、これは、図１に示される実施形態に関連して実現され得る、例示的な実施形態の機能コンポーネントを示すブロック図である。これらのコンポーネントの図示される配設は、論理的なものであり、実際のハードウェア図であることは意味されないことが認識されるべきである。したがって、コンポーネントは、実際の実現において、組み合わせる、またはさらに分離することができる。さらに、本明細書が考慮される場合、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、およびこれらの組み合わせを含み得る、それぞれの個々のコンポーネントの構成は、当業者に周知である。] 図１ 図４
[0028] 図４に示されるコントローラのいくつかの変形は、誤差と周波数との間に非単調な関係が存在する状況（例えば、負荷に関する先験的情報が既知ではない時）に適合する（例えば、本明細書にさらに説明される制御方法論を実施することによって）ように構成される。図４に示される誤差関数は、多くの変形では、望ましくない動作を示し、多くの実施形態では、非最適動作を示す。] 図４
[0029] 本発明のいくつかの実施形態は、時間的に変化する負荷に対応するために必要とされる速度に対処する。多くの実施形態では、解決策は、２つの要素からなる。第１は、従来的に使用されるものより実質的に早い（最大千倍早い）速度での負荷反射係数の計算を可能にする、非常に高速の除算方法論の開発である。これらの実施形態における解決策の第２の部分は、周波数ステップサイズを、誤差がステップを越えるにつれて減少する場合に増加させ、誤差がステップを越えるにつれて増加する場合に減少させる（または一定のままにする）ことである。これらをもとに、時間的に変化する負荷に対応する問題が解決される。しかしながら、本明細書に開示される特定の高速除算方法論の代替が、上記に特定される解決策の第２の部分に関連して利用され得る（十分に早い場合）ことが、もちろん熟考される。]
[0030] 図９は、本発明に係る、少なくとも部分的に、図４に示されるコントローラによって実施され得る、周波数同調方法の一実施形態を図示する、フロー図９００を示す。方法は、ブロック９０２、常にではないが、典型的に、電源を入れるステップで開始する。次に、ブロック９０４で、方法は、負荷反射係数を迅速に計算する（例えば、従来的に使用されるものより実質的に早い（例えば、最大千倍早い）速度での負荷反射係数の計算を可能にする、非常に高速な除算方法を使用して）。この状況における計算は、典型的に約ミリ秒である、負荷が変化する時間の速度と比較して短い、約マイクロ秒（特定の実現によって）であり得る。負荷反射係数に達するための特定の方法が本明細書に詳細に説明されるが、負荷反射係数を計算するための他の方法論が、もちろん熟考される。] 図４ 図９
[0031] 分岐９０６で、方法は、誤差が、以前の計算された誤差と比較して減少しているかどうかを決定する。当業者は、現在の計算された誤差を以前に計算された誤差と比較するための代替手法（例えば、アンサンブル平均化）は、本実施形態の範囲内であることを容易に理解するであろう。現在の誤差が以前の計算された誤差と比較して減少している場合、周波数ステップサイズ（それによって、周波数が調節される）は、ブロック９０８に示されるように、増加される。一方、現在の誤差が以前の計算された誤差と比較して減少していない場合、方法は、周波数ステップサイズが減少される（または現在の値のままにされる）、ブロック９１０に分岐する。最後に、方法は、新しい周波数が設定される（適用可能なステップサイズに基づいて）、ブロック９１２に進み、方法は、再び繰り返す。]
[0032] 本明細書に開示される短時間除算方法は、反射係数が０〜１の大きさを有する複素数であるという事実を利用する。反射係数の実部および虚部を別々に取り扱い、分子および分母の符号から結果の符号を決定することによって、または反射係数の大きさ（もしくは、より典型的には、反射電力を順方向電力で除算することによる、反射係数の大きさの２乗）のみを計算する時、課題は、２つの正の実数の比の計算に低減される。答えが必ず０〜１であることが既知である場合、これは、決して乗算演算を実施する必要なく、反復解法を可能にする。特定の用途では、この計算が要求される時、分母は、一般に、動作中は決してゼロではない順方向電力の平方根に比例するため、分母は決してゼロではないと見なすことができることに留意する。]
[0033] 高速除算方法は、Ｒ＝Ｎ／Ｄであり、式中、Ｒは計算される比であり、Ｎは分子であり、Ｄは分母であることに留意することによって、理解することができる。計算される比Ｒは、Ｎ＝Ｒ×Ｄと同一である。計算は、固定小数点演算で実施され、したがって、１の比を表すために、２の累乗、例えば、２ｎを割り当てる。この割り当てによって、
２ｎ×Ｎ＝Ｒ×Ｄ
が与えられ、式中、Ｎ、Ｒ、およびＤは、整数である。２ｎ×Ｎの計算は、Ｎの２進表現上での左シフト演算のように、安価に（コンピューティング資源の点から見て）実施することができる。]
[0034] 計算は、Ｒの下限推定値、中間推定値、および上限推定値を計算することによって開始する。初期下限推定値は、単に０であり、初期上限推定値２ｎは、１の比を表し、初期中間推定値は、２（ｎ−１）である。同時に、積Ｒ×Ｄの下限推定値、中間推定値、および上限推定値は、それぞれ、０、２（ｎ−１）×Ｄ、および２ｎ×Ｄとして計算される。積の中間推定値および上限推定値は、この場合も同様に、Ｄの２進表現を、それぞれ、ｎ−１およびｎだけ左にシフトしたものとして、効率的に計算されることに留意する。]
[0035] 計算は、積の中間推定値を、必要値２ｎ×Ｎと比較することによって、反復して適用される。中間推定値が２ｎ×Ｎより大きい場合、中間推定値は新しい上限推定値となり、そうでなければ、中間推定値は新しい下限推定値となる。新しい中間推定値は、新しい下限推定値および上限推定値の合計の半分として計算される。この計算は、この場合も同様に、コンピュータ的に非集中的な数値処理技術を使用して、合計を続いて右シフトしたものとして実施される。余分な少数ビットを維持することによって、誤差を丸めるステップを回避することができる。]
[0036] ｎ回の反復の後、計算は、上限推定値と下限推定値との間の差が、それらが固定小数点演算で１だけ離れた状態まで小さくなる時に完了する。次いで、下限推定値または上限推定値のいずれか近い方を選択するために、中間推定値を使用することができる。]
[0037] 当業者は、本明細書に開示される高速除算方法が、制限無く、ハードウェア、ファームウェア、およびソフトウェアを含む、数多くの方法で実現され得ることを理解するであろう。]
[0038] この高速なコンピュータ的に効率的な除算方法を使用することによって、周波数同調方法は、順方向信号および反射信号の新しい値が得られた後、わずかマイクロ秒内に、十分な精度の反射係数（またはその大きさ）を使用することができ、非常に高速な同調が可能となる。例えば、比の８ビット推定値、および６４ＭＨｚクロックを使用する時、比は、１２５ナノ秒で計算される。典型的に、プラズマ負荷のノイズ性質は、最大周波数更新速度を数マイクロ秒に制限し、したがって、この方法は、高速かつ効率的な周波数同調能力を実現させるのに適切な時間内に、必要とされる計算を効率的に提供する。]
[0039] いくつかの実施形態と関連して実施される本発明の周波数同調方法論の多くの変形は、方法論が、所望の方向（減少する誤差によって検出される）に向かっている時、周波数ステップを増加させるという点において、使用されている従来の段階２分アルゴリズムから逸脱する。この特徴は、これらの方法が、時間的に変化する負荷をずっとより正確に追跡できるようにする。これらの方法は、不安定である傾向があり得るが、安定性は、方向の変化後の固定数のステップ（以下に記載される漸増利得および漸減利得に複雑に依存して、典型的に２〜４）の後、ステップサイズを増加させることによって、向上され得る。しかしながら、この不安定性は、リミットサイクルの形態をとり、このリミットサイクルを排除することは、同調方法自体の正確な動作のために必ずしも必要ではない。周波数同調方法論の安定化に関連するノイズ考慮を以下に記載する。]
[0040] 本明細書に説明される、周波数同調方法の方法論のさらなる説明を容易にするために、以下の変数を定義する。
ｆｓｔａｒｔは、開始周波数であり、ｆｍｉｎは、最小周波数であり、ｆｍａｘは、最大周波数であり、ｆｓｔｅｐｍｉｎｉは、最小周波数ステップサイズであり、ｆｓｔｅｐｍａｘは、最大周波数ステップサイズであり、ｇｕは、漸増利得であり、ｇｄは、漸減利得であり、ｆｓｔｅｐｓｔａｒｔは、開始周波数ステップであり、ｆｓｔｅｐは、周波数ステップであり、ｅ０は、以前の誤差であり、ｅは、現在の誤差である。]
[0041] 図１０は、開示される周波数同調方法論の別の変形を図示する、フロー図１０００を示す。ブロック１００２で、方法は、最初の発電機システム１００の電源を入れるステップで、または周波数同調が可能な場合に開始する。ブロック１００４で、方法は、周波数をｆｓｔａｒｔに設定し、周波数ステップをｆｓｔｅｐｓｔａｒｔに設定する。ブロック１００６で、方法は、ＲＦがオンになるまで待つ。]
[0042] プラズマシステムでは、多くの場合、周波数同調方法の開始をプラズマが点火されるまで遅延させることが必要である。この種類の遅延の多くの可能な実現のうちの１つを、ブロック１００８およびブロック１０１０に示す。ブロック１０１２で、方法は、誤差を測定し、測定された誤差を以前の誤差ｅ０に割り当て、同調タイマを起動する。次に、ブロック１０１４で、現在の周波数が開始周波数ｆｓｔｅｐｓｔａｒｔによって変更される。ブロック１０１８で、新しい周波数での誤差が測定される。ブロック１０２０で、誤差ｅは、以前の誤差ｅ０と比較される。]
[0043] ブロック１０２０で誤差ｅが以前の誤差ｅ０以下であると決定される場合、方法は、周波数ステップｆｓｔｅｐが漸増利得ｇｕで乗算される、ブロック１０２２に進む。周波数ステップの大きさが最大周波数ステップサイズｆｓｔｅｐｍａｘより大きい場合、ブロック１０２２で、周波数ステップの大きさは、最大周波数ステップｆｓｔｅｐｍａｘに変更される。ブロック１０２４で、周波数は、周波数ステップｆｓｔｅｐによって変更され、最小周波数から最大周波数［ｆｍｉｎ、ｆｍａｘ］の範囲に制限される。]
[0044] ブロック１０２０で誤差ｅが以前の誤差ｅ０より大きいと決定される場合、方法は、周波数が現在のステップサイズの半分に変更される、すなわち、最後のステップの半分が実施されない、ブロック１０２６に進む。ブロック１０２８で、周波数ステップｆｓｔｅｐは、負のｇｄで乗算される。ブロック１０３０で、周波数ステップの大きさが最小周波数ステップサイズｆｓｔｅｐｍｉｎ未満である場合、周波数ステップの大きさは、最小周波数ステップサイズｆｓｔｅｐｍｉｎに変更される。]
[0045] ブロック１０３２で、以前の誤差ｅ０に、現在の誤差ｅの値が割り当てられる。ブロック１０３４およびブロック１０３６で、同調が進行中の間にＲＦがオフになる場合が取り扱われる。ブロック１０３８で、誤差は、下限閾値と比較される。誤差が閾値未満である場合、方法は、ブロック１０４２、ブロック１０４４、ブロック１０４６、およびブロック１０５２によって作り出されるループに入り、ブロック１０４２で誤差が上限閾値を超過することが検出されるまで、またはブロック１０４６でＲＦがオフになったことが検出されるまで、この状態のままである。一方、ブロック１０３８で誤差が下限閾値より大きいと決定される場合、方法は、同調時間を超過しているかどうかについての決定が行われる、ブロック１０４０に進む。同調時間を超過していない場合、ブロック１０１８に示されるように、誤差ｅの新しい測定値が取得されるまで、発電機を新しい周波数で動作させる。新しい周波数で費やされる時間は、負荷および測定システム特性の関数であるが、一般に、約１０マイクロ秒である。]
[0046] ブロック１０４０で同調時間を超過していると決定される場合、ブロック１０４２で、誤差が上限閾値未満であるかの決定が行われる。誤差が上限閾値未満である場合、方法は、ブロック１０４２、ブロック１０４４、ブロック１０４６、およびブロック１０５２によって作り出されるループに入り、ブロック１０４２で誤差が上限閾値を超過することが検出されるまで、またはブロック１０４６でＲＦがオフになったことが検出されるまで、この状態のままである。同調時間を超過しており、かつブロック１０４２で誤差が上限閾値より大きいと決定される場合、同調失敗タイマが開始され、方法に、ブロック１０５４でこの同調失敗時間を超過していると決定されるまで、上限閾値を同調させることを試み続けさせる。方法が同調させるのに失敗した場合、エラーが宣言され、ユーザ設定によって、ＲＦがオフになってもよい。]
[0047] 図１０に示される例示的な方法は、同調方法を開始および停止する条件によって拡張される。例えば、分岐１０３８および分岐１０４２に図示されるように、誤差の下限目標および上限目標、ならびに下限目標に達する時間は、典型的に、設定される。次いで、同調方法は、与えられた時間内に下限目標に達することを試みる。下限目標に到達する場合、ブロック１０３８に図示されるように、方法は停止する。与えられた時間を超過する場合、方法は、ブロック１０４２に図示されるように、誤差が上限目標未満である場合に停止する。いったん方法が停止されると、これは、一般に、上限目標を超過する時に再開される。方法が、上限目標または下限目標に到達するのに失敗する場合、システムコントローラに、エラーおよび警告が発行されてもよい。]
[0048] 方法は、周波数同調方法を開始する前に、ある程度の精度で最適動作点を見つけるために、電源（例えば、ＲＦ電源）が最初にオンになる時に、初期周波数掃引を行うことによって、さらに拡張することができる。一般に、掃引は、点火の影響、または点火の失敗が真の最小を隠し得るため、双方向に実施される。例えば、プラズマは、１つの周波数で点火し得るが、いったん点火されると、プラズマは、異なる、より高い最適周波数で動作し得る。プラズマは、より高い最適周波数が精査される時に点火されないため、周波数が低いものから高いものに掃引される場合は、最適周波数は見つかるが、高いものから低いものに掃引される場合は、最適周波数は見つからない。]
[0049] さらなる向上には、望ましい動作周波数を検索するのとは別に、望ましい点火周波数を検索することが挙げられる。望ましい点火周波数は、負荷反射係数が最小化され、プラズマが点火されない、周波数に対応することがある。プラズマが点火することができない、非常に低い電力での掃引は、しばしば生じる、そのような状況下で最善点火周波数を決定することができる。]
[0050] さらなる向上には、特定のシステムおよびプロセスのウェイポイントが挙げられる。そのようなウェイポイントには、点火の開始周波数、点火周波数のままである時間、次いで、通常の周波数同調方法が開始する前の第２の周波数およびその周波数のままである時間（およびさらにより多くの周波数、持続時間点）が挙げられ得る。点火の周波数および持続時間を使用する代わりに、また、点火は、負荷反射係数、送達される順方向電力もしくは反射電力、またはこれらの組み合わせの突然変化を探すことによって検出されてもよい。]
[0051] 本明細書に説明される、本発明の同調方法論の多くの変形と関連して、漸減利得ｇｄは、安定性の理由のため、一般に、０．５未満であってもよく、例示的な値は、０．１２５である。漸増利得ｇｕは、一般に、２または４に設定される。最小周波数は、一般に、２つの周波数を比較する時に、誤差が実質的に異なり、ノイズが方法の決定プロセスにそれ程影響を及ぼさないように、十分に大きく設定される。最も小さい周波数ステップを正確に設定することは、方法を最適化するのを助長する。最大周波数ステップは、一般に、方法が最小を飛び越えない、またはプラズマ（プラズマ負荷の場合）を消滅させないように設定される。変数は、一般に、事前設定されるが、ユーザは、特定の用途における方法を最適化するために、設定を変更する能力を有してもよい。]
[0052] 同時パルシングおよび周波数同調のための一解決策は、インピーダンスが依然として迅速に変化している間、パルスの開始時の情報を破棄し、いったん負荷インピーダンスが安定した情報のみを使用して、効率的に制御することである。この手法は、パルス内での同調の必要性を回避するが、良好な平均動作周波数を取得することができる。]
[0053] エイリアシング効果を回避するために、測定および制御は、パルスの立ち上がりと同期されてもよい。測定および制御サイクルをパルスの開始から遅延させることによって、プラズマ型負荷上で合理的に動作することが可能となる。典型的に、パルスの開始後の最初の１０マイクロ秒を破棄することが、合理的な結果を得るのに十分である。]
[0054] 共に見られる図１１および図１２は、開示される周波数同調方法論のノイズの存在下でのシミュレーションを図示する。この図では、最初の２４ミリ秒の理想的な周波数（誤差が最小である）は、１３ＭＨｚであり、その後、理想的な周波数は、１４ＭＨｚに変化する。シミュレーションにおいて、各周波数で費やされる時間は、１６マイクロ秒である。] 図１１ 図１２
[0055] 共に見られる図１３および図１４は、不安定なリミットサイクル挙動を示す、開示される周波数同調方法論のノイズの不在下でのシミュレーションを図示する。最初の２４ミリ秒の理想的な周波数（誤差が最小である）は、１３ＭＨｚであり、その後、理想的な周波数は、１４ＭＨｚに変化する。シミュレーションにおいて、各周波数で費やされる時間は、１６マイクロ秒である。] 図１３ 図１４
[0056] 共に見られる図１５および図１６は、方向を変化した後、ステップサイズを、［１／（２×ｇｄ）］ステップ後にのみ増加させる追加制約であって、安定性を向上する、追加制約を有する、開示される周波数同調方法論の一変形のノイズの不在下でのシミュレーションを図示する。最初の２４ミリ秒の理想的な周波数（誤差が最小である）は、１３ＭＨｚであり、その後、理想的な周波数は、１４ＭＨｚに変化する。シミュレーションにおいて、各周波数で費やされる時間は、１６マイクロ秒である。] 図１５ 図１６
[0057] 共に見られる図１７および図１８は、方向を変化した後、ステップサイズを、［１／（２×ｇｄ）］ステップ後にのみ増加させる追加制約であって、安定性を向上するが、ノイズの存在下での同調を失敗させる、追加制約を有する、開示される周波数同調方法論のノイズの存在下でのシミュレーションを図示する。最初の２４ミリ秒の理想的な周波数（誤差が最小である）は、１３ＭＨｚであり、その後、理想的な周波数は、１４ＭＨｚに変化する。シミュレーションにおいて、各周波数で費やされる時間は、１６マイクロ秒である。] 図１７ 図１８
[0058] 場合によっては、パルスの開始時に情報を完全に破棄することは不可能であるが、エイリアシング効果の危険のため、もしくは不十分な制御帯域幅のため、または周波数制御システムに課される広帯域幅要件による不安定な動作の危険性のため、パルス内情報を使用することは望ましくない。メモリを使用することによって、真のパルス内制御システムと類似する性能を有するシステムを設計することが可能となるが、これは、パルス間情報で制御する、より低い速度で安定なコントローラを使用して実現される。測定および制御サイクルが、パルスと同期され得るため、連続するパルスで同一のタイムスロットを使用すること、およびパルス間基準で周波数を制御するために、より低速な（パルス内コントローラより）制御システムを使用することが可能である。典型的に、周波数だけではなく、また、他の制御パラメータも記憶され、例えば、負荷への送達電力を制御するために、制御システムによって使用される。そのような他の制御パラメータには、電源デバイスによって供給されるＤＣ電圧、ＭＯＳＦＥＴの場合、ゲートバイアス電圧（バイポーラデバイスの場合、ベースエミッタ）、およびＲＦ駆動レベルが挙げられ得る。高パルス繰り返し周波数のためのパルス間制御システムの動作を示すグラフを、図１９、図２０、および図２１に示す。パルスのオン時間が非常に長くなる場合、最初の数タイムスロットの情報を単に無視する、またはパルス内のより後の時点でパルス内制御に切り替えることがより有利であり得る。] 図１９ 図２０ 図２１
[0059] 共に見られる図１９、図２０、および図２１は、開示されるパルス間周波数同調を図示する。このスキームでは、ｆａ２は、ｅａ０、ｅａ１、およびｆａ１のみ（または、隣接するタイムスロットもまた、ある影響力を有すると見なされる場合は、主に）の関数である。同様に、ｆｂ２は、ｅｂ０、ｅｂ１、およびｆｂ１のみ（または主に）の関数である等である。] 図１９ 図２０ 図２１
[0060] 最後の問題は、非最適極小値に陥るという問題であり、この解決策が説明される。プラズマが、消滅することなく、実質的に低減した電力で動作することができる、一定時間が存在するという事実を使用して、現在の動作点とは完全に異なる周波数での動作に関する情報をサンプリングし、記憶することが可能である。十分に短い時間Ｔの間、電力が実質的に低減される場合、プラズマは消滅しないと仮定すると、方法は、例えば、９９％の時間を最適周波数（周波数同調方法によって決定される）で動作し、残りの１％の時間を、持続時間がＴを超過しないタイムスロット内で、他の周波数での動作を検討するために使用することによって、機能する。]
[0061] 多くの変形が可能であるが、以下の方法は、例示的かつ例証的なものである。最適周波数で９９Ｔと等しい時間動作し、次いで、Ｔの時間、異なる周波数に切り替わることを熟考する。ｆｍｉｎからｆｍａｘまでの周波数範囲全体を、例えば、１６個の等間隔の周波数ｆ０〜ｆ１５に分割することができる。周波数範囲全体が分割される周波数の数は、採用される整合回路の既知の品質係数の関数である。１６は、最適周波数の続く検索において、真の最適点が決して見逃されないようにする、典型的な数である。]
[0062] 方法は、概略の最適条件を見つけるために、持続時間のタイムスロットＴ内で、ｆ０からｆ１５を連続して検索することによって開始してもよい。電力制御システムが、時間Ｔ内に電力を正確に調整することができない場合があるため、空間を数回検索する必要があり得る。遭遇される典型的な負荷の非線形性質のため、所望の電力レベルで、またはその付近で負荷反射係数（または方法によって使用される他の誤差の数的指標）を測定することが有益である。周波数が訪問される度に、毎回制御値および電力レベルを記憶することによって、同一の周波数を数回訪問した後、正確な電力レベルを達成することができる。]
[0063] いったん概略の最適条件が、例えば、ｋが０〜１５の整数である、ｆｋで見つかると、次いで、方法は、長さＴのタイムスロットを使用して、最適条件を見つけるのを開始してもよい。一選択肢は、ｋ＞０であるという条件で、ｆ１６＝０．５（ｆｋ−ｌ＋ｆｋ）に進み、ｋ＜１５であるという条件で、ｆ１７＝０．５（ｆｋ＋ｆｋ＋ｌ）に進むということである。次いで、ｆ１６と、ｆｋと、ｆ１７との間で誤差が最小である周波数は、新しい所望の周波数となる。新しい最適条件の左から右への区間は、この場合も同様に、２つに分割され、以前の最小の中の最小、および２つの新しく試験された周波数が選択される。そして、最小周波数が偶然ｆｍｉｎまたはｆｍａｘとなる時、新しい周波数が１つのみ生成される。毎回区間が半分に分割されるという事実のため、たった数回の反復内に、十分な精度の最適周波数が見つかる。そして、負荷が一般に時間的に変化するため、いったん最適周波数が見つかると、条件が変化していないこと、および新しい大域的最適条件が作成されていないことを確認するために、一般に、方法をやり直す必要がある。]
[0064] 大域的最適条件を見つけるためのこの方法が実施されている間、現在の極小値での動作を維持するために、９９Ｔタイムスロットの間、上述の局所同調方法を実行することができる。時間の９９％が現在の最適周波数のままであることで、負荷への平均送達電力が依然として事実上変化していない状態であることが保証される。図２２は、大域的最適周波数を検索するために、最大タイムスロットＴを伴う時間のうちの小比率の時間を使用する方法と関連付けられ得る、例示的な動作特性をグラフで図示する。] 図２２
[0065] 結論として、本発明のいくつかの実施形態は、特に、発電機ならびに非線形負荷および／またはプラズマ等の時間的に変化する負荷を備えるシステムの動作周波数を動的に同調させるための方法および装置を提供する。当業者は、本明細書に説明される実施形態と実質的に同一の結果を達成するために、本発明の実施形態、その用途、およびその構成において、多数の変形および置換が行われ得ることを容易に認識することができる。したがって、本発明を開示される例示的な形態に制限することは意図されない。多くの変形、修正、および代替構成は、特許請求の範囲に説明される、開示される本発明の範囲および趣旨内である。]

权利要求:

請求項1
時間的に変化する負荷に連結される発電機の動作周波数を同調させるための方法であって、該発電機の初期動作周波数で、第１の誤差を計算することであって、該第１の誤差は、該時間的に変化する負荷が変化する時間フレームより実質的に短い時間フレーム内で計算される、ことと、該発電機の該初期動作周波数を初期ステップサイズによって調節することと、第２の誤差を計算することであって、該第２の誤差は、該時間的に変化する負荷が変化する該時間フレームより実質的に短い時間フレーム内で計算される、ことと、該第２の計算された誤差の大きさが、該第１の計算された誤差の大きさより小さい場合、該発電機の以前に調節された動作周波数を、該初期ステップサイズより大きさが大きい、増加したステップサイズによって調節することとを含む、方法。
請求項2
前記第２の計算された誤差の大きさが、前記第１の計算された誤差の大きさより大きい場合、前記発電機の前記以前に調節された動作周波数を、前記初期ステップサイズより大きさが小さい、減少したステップサイズによって調節することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
請求項3
前記発電機が、最小誤差に対応する周波数またはその周波数付近で動作するまで、請求項２に記載の方法を繰り返すことをさらに含む、請求項２に記載の方法。
請求項4
前記計算された誤差が下限閾値未満であるかどうかを決定することと、該計算された誤差が該下限閾値未満である場合に停止することと、該下限閾値に到達していない場合、制限時間を超過しているかどうかを決定することと、該制限時間を超過するか、または該計算された誤差が該下限閾値未満となるまで、前記方法を繰り返すことと、該計算された誤差の大きさが上限閾値未満であるかどうかを決定することと、該計算された誤差の大きさが該上限閾値未満である場合に停止することと、該計算された誤差の大きさが該上限閾値の大きさ以上である場合、該計算された誤差が該上限閾値未満となるか、または第２の制限時間を超過するまで、該方法を繰り返すこととをさらに含む、請求項２に記載の方法。
請求項5
前記第１の誤差および第２の誤差を計算することは、高速除算方法を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項6
前記高速除算方法を使用することは、固定小数点演算を使用して、２つの正の実数の比を計算することを含む、請求項５に記載の方法。
請求項7
前記高速除算方法を使用することは、比の初期下限推定値を設定することと、該比の初期上限推定値を設定することと、該比の初期中間推定値を計算することと、必要値を計算することと、該比の該初期中間推定値を該必要値と比較することと、該初期中間推定値が該必要値より大きい場合は、該比の新しい上限推定値を該初期中間推定値に設定し、該初期中間推定値が該必要値未満である場合は、該比の新しい下限推定値を該初期中間推定値に設定することと、各動作を所定の反復回数で繰り返すこととをさらに含む、請求項５に記載の方法。
請求項8
前記高速除算方法は、計算を実施するために固定小数点演算を使用することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
請求項9
前記発電機は無線周波数発生器である、請求項１に記載の方法。
請求項10
前記時間的に変化する負荷はプラズマを含む、請求項１に記載の方法。
請求項11
前記時間的に変化する負荷は非線形負荷を含む、請求項１に記載の方法。
請求項12
発電機であって、主制御信号を受信するように構成された制御入力を含むエンジンであって、該主制御信号は、該発電機によって送達される出力電力、出力電流および出力電圧のうちの少なくとも１つを制御し、該エンジンは、複数の周波数で複数の出力電力を発生させ、時間的に変化するインピーダンス負荷を駆動するように構成される、エンジンと、該時間的に変化するインピーダンス負荷と該エンジンとに連結されるインピーダンス測定回路であって、該インピーダンス測定回路は、該時間的に変化するインピーダンス負荷のインピーダンスを測定する、インピーダンス測定回路と、該エンジンと、該インピーダンス測定回路とに連結される周波数同調回路であって、該周波数同調回路は、該発電機の動作周波数を調節するように構成され、該動作周波数の調節は、該時間的に変化する負荷の測定されたインピーダンスに基づき、該周波数同調回路は、該発電機の該動作周波数での誤差を計算し、該周波数同調回路は、該発電機の該動作周波数を、最小誤差の領域により近づくように調節する、周波数同調回路とを備える、発電機。
請求項13
前記周波数同調回路は、複数の離散動作周波数のそれぞれと、複数の離散測定インピーダンスのそれぞれとについて、最小誤差の対応領域をマッピングするルックアップテーブルを含む、請求項１２に記載の発電機。
請求項14
前記発電機は無線周波数発生器である、請求項１２に記載の発電機。
請求項15
前記時間的に変化するインピーダンス負荷はプラズマを含む、請求項１２に記載の発電機。
請求項16
前記時間的に変化するインピーダンス負荷は非線形負荷をさらに含む、請求項１２に記載の発電機。