知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-12-26
(54)【発明の名称】高周波電力変換用の制御可能転換ネットワーク
(51)【国際特許分類】
H03H 7/38 20060101AFI20241219BHJP
H05H 1/46 20060101ALI20241219BHJP
【ＦＩ】
H03H7/38 B
H05H1/46 R
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024533309
(86)(22)【出願日】2022-12-15
(85)【翻訳文提出日】2024-08-05
(86)【国際出願番号】 US2022052962
(87)【国際公開番号】W WO2023114367
(87)【国際公開日】2023-06-22
(31)【優先権主張番号】63/289,809
(32)【優先日】2021-12-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】596060697
【氏名又は名称】マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100138759
【弁理士】
【氏名又は名称】大房 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100201743
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 和真
(72)【発明者】
【氏名】ペロー，デービッド・ジェイ
(72)【発明者】
【氏名】ラファ・イスラム，カンドーカー・エヌ
【テーマコード（参考）】
2G084
【Ｆターム（参考）】
2G084AA02
2G084DD55
2G084HH08
2G084HH23
2G084HH24
2G084HH25
(57)【要約】
一態様において、ソースと負荷との間で高周波（ＲＦ）信号を転換するためのシステムは、ソースおよび負荷のそれぞれに接続された第１のポートおよび第２のポートと、第１のポートに接続された第１のフィルタと、第２のポートに接続された第２のフィルタであって、第１のフィルタおよび第２のフィルタのうちの少なくとも一方が、動的周波数チューニング（ＤＦＴ）を使用して可変リアクタンスを提供するよう動作可能である、第２のフィルタと、第１のフィルタと第２のフィルタとの間に接続された２ポートスイッチングネットワークであって、複数のスイッチを備える、スイッチングネットワークと、スイッチングネットワークおよびソースに結合されたコントローラであって、スイッチングパターンに従って複数のスイッチを動作させ、ＲＦ信号の周波数を動的に調整して、第１のポートと第２のポートとの間で制御可能なインピーダンス整合を行うよう構成される、コントローラとを具備することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ソースと負荷との間で高周波（ＲＦ）信号を転換するためのシステムであって、前記ソースおよび前記負荷のそれぞれに接続された第１のポートおよび第２のポートと、
前記第１のポートに接続された第１のフィルタと、
前記第２のポートに接続された第２のフィルタであって、前記第１のフィルタおよび前記第２のフィルタのうちの少なくとも一方が、動的周波数チューニング（ＤＦＴ）を使用して可変リアクタンスを提供するよう動作可能である、第２のフィルタと、
前記第１のフィルタと前記第２のフィルタとの間に接続され、複数のスイッチを備える２ポートスイッチングネットワークと、
前記スイッチングネットワークおよび前記ソースに結合されたコントローラであって、スイッチングパターンに従って前記複数のスイッチを動作させ、前記ＲＦ信号の周波数を動的に調整して、前記第１のポートと前記第２のポートとの間で制御可能なインピーダンス整合を行うよう構成されるコントローラと
を備える、システム。
【請求項2】
前記第１のフィルタが、前記ＲＦ信号の基本電圧を抽出するよう構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記第１のフィルタが、前記第１のポートの端子に亘って並列に接続されたキャパシタおよびインダクタを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項4】
前記第２のフィルタが、前記ＲＦ信号の基本電流を抽出するよう構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項5】
前記第２のフィルタが、前記第２のポートの一方の端子に直列に接続されたキャパシタおよびインダクタを備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項6】
前記コントローラが、前記ＲＦ信号と同期して、および前記ＲＦ信号に対して制御可能な位相ずれで、前記複数のスイッチを動作させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項7】
前記コントローラが、前記ＲＦ信号に対する角度βで定められたスイッチングパターンに従って、前記２つ以上のスイッチを動作させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項8】
前記コントローラが、負荷抵抗ＲＬおよびリアクタンスＸＬによってβを計算するよう構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項9】
前記コントローラが、負荷抵抗ＲＬおよびリアクタンスＸＬによってスイッチング周波数を選択するよう構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項10】
前記負荷が、プラズマ負荷を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項11】
前記コントローラが、１０マイクロ秒以下で行われる少なくとも２倍を超える電力ステップの際に、前記第１のポートと前記第２のポートとの間の制御可能なインピーダンス整合を行うよう構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項12】
前記スイッチングネットワークの前記複数のスイッチが、ブリッジに配置された４つのスイッチを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項13】
前記４つのスイッチが、前記第１のフィルタの第１の端子に接続された第１の端子を有し、前記第２のフィルタの第１の端子に接続された第２の端子を有する、第１のスイッチと、
前記第１のフィルタの第２の端子に接続された第１の端子を有し、前記第２のフィルタの第２の端子に接続された第２の端子を有する、第２のスイッチと、
前記第１のスイッチの前記第２の端子に、および前記第２のフィルタの前記第１の端子に接続された第１の端子を有する、第３のスイッチと、
前記第２のスイッチの前記第２の端子に、および前記第２のフィルタの前記第２の端子に接続された第１の端子を有し、前記第３のスイッチの第２の端子に接続された第２の端子を有する、第４のスイッチと
を含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項14】
前記４つのスイッチが、前記第１のフィルタの第１の端子に接続された第１の端子を有し、前記第２のフィルタの第１の端子に接続された第２の端子を有する、第１のスイッチと、
前記第２のフィルタの前記第１の端子に、および前記第１のスイッチの前記第２の端子に接続された第１の端子を有し、前記第１のフィルタの第２の端子に接続された第２の端子を有する、第２のスイッチと、
前記第１のフィルタの前記第２の端子に、および前記第２のスイッチの前記第２の端子に接続された第１の端子を有し、前記第２のフィルタの第２の端子に接続された第２の端子を有する、第３のスイッチと、
前記第２のフィルタの前記第２の端子に、および前記第３のスイッチの前記第２の端子に接続された第１の端子を有し、前記第１のフィルタの第３の端子に接続された第２の端子を有する、第４のスイッチと
を含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項15】
前記４つのスイッチが、単方向遮断の双方向通過スイッチを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項16】
ソースと負荷との間で高周波（ＲＦ）信号を転換する制御可能転換ネットワークであって、前記ソースおよび前記負荷のそれぞれに接続された第１のポートおよび第２のポートと、
前記第１のポートに接続され、前記ＲＦ信号の基本電圧を抽出するよう構成される第１のフィルタと、
前記第２のポートに接続され、前記ＲＦ信号の基本電流を抽出するよう構成される第２のフィルタであって、前記第１のフィルタおよび前記第２のフィルタのうちの少なくとも一方が、動的周波数チューニング（ＤＦＴ）を使用して可変リアクタンスを提供するよう動作可能である、第２のフィルタと、
前記第１のフィルタと前記第２のフィルタとの間に接続されたスイッチングネットワークであって、４つのスイッチを有するブリッジ回路を備えるスイッチングネットワークと
を備える、制御可能転換ネットワーク。
【請求項17】
前記第１のフィルタが、前記第１のポートの端子に亘って並列に接続されたキャパシタおよびインダクタを備える、請求項１６に記載の制御可能転換ネットワーク。
【請求項18】
前記第２のフィルタが、前記第２のポートの一方の端子に直列に接続されたキャパシタおよびインダクタを備える、請求項１６に記載の制御可能転換ネットワーク。
【請求項19】
前記４つのスイッチが、前記第１のフィルタの第１の端子に接続された第１の端子を有し、前記第２のフィルタの第１の端子に接続された第２の端子を有する、第１のスイッチと、
前記第１のフィルタの第２の端子に接続された第１の端子を有し、前記第２のフィルタの第２の端子に接続された第２の端子を有する、第２のスイッチと、
前記第１のスイッチの前記第２の端子に、および前記第２のフィルタの前記第１の端子に接続された第１の端子を有する、第３のスイッチと、
前記第２のスイッチの前記第２の端子に、および前記第２のフィルタの前記第２の端子に接続された第１の端子を有し、前記第３のスイッチの第２の端子に接続された第２の端子を有する、第４のスイッチと
を含む、請求項１６に記載の制御可能転換ネットワーク。
【請求項20】
前記４つのスイッチが、前記第１のフィルタの第１の端子に接続された第１の端子を有し、前記第２のフィルタの第１の端子に接続された第２の端子を有する、第１のスイッチと、
前記第２のフィルタの前記第１の端子に、および前記第１のスイッチの前記第２の端子に接続された第１の端子を有し、前記第１のフィルタの第２の端子に接続された第２の端子を有する、第２のスイッチと、
前記第１のフィルタの前記第２の端子に、および前記第２のスイッチの前記第２の端子に接続された第１の端子を有し、前記第２のフィルタの第２の端子に接続された第２の端子を有する、第３のスイッチと、
前記第２のフィルタの前記第２の端子に、および前記第３のスイッチの前記第２の端子に接続された第１の端子を有し、前記第１のフィルタの第３の端子に接続された第２の端子を有する、第４のスイッチと
を含む、請求項１６に記載の制御可能転換ネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
[0001]この出願は、２０２１年１２月１５日に出願された米国仮特許出願第６３／２８９，８０９号の、米国特許法第１１９条に基づく利益を主張し、参照により本明細書にその全体が組み入れられる。
[0001]この出願は、２０２１年１２月１５日に出願された米国仮特許出願第６３／２８９，８０９号の、米国特許法第１１９条に基づく利益を主張し、参照により本明細書にその全体が組み入れられる。
【背景技術】
【0002】
[0002]エッチングなどの多くの半導体処理用途では、プラズマ負荷に高周波（ＲＦ：ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力を伝送する必要がある。ＲＦ増幅器から必要な電力を高効率で効果的に供給するには、プラズマ負荷の可変インピーダンスを、ＲＦ増幅器またはＲＦ発生器に必要なインピーダンスに動的に整合させる必要がある。さらに、所望の機能性を実現させるには、この電力伝送が、プラズマの負荷インピーダンスが急激に変動しても、広い帯域幅で広い電力範囲にわたって正確に制御できる（たとえば、命令された電力の大きく急速なステップに対して制御できるようにする）必要がある。最後に、広い空間領域にわたる正確なプラズマ制御を行う必要があるので、（たとえば、多重に空間的に分散したアプリケータの）多重出力に対するＲＦ電力伝送を別々に制御できるＲＦ電力伝送システムが求められている。
【0003】
＜可変インピーダンス整合＞
[0003]ＲＦ電力増幅器／発生器／インバータの効果的な使用を容易にし、また負荷に対する電力制御を容易にするために、多くの場合、ＲＦソースとプラズマ負荷との間で、動的に調整可能なインピーダンス整合を行う必要がある。かかるシステムで適切に制御されたインピーダンス整合を維持することは、ＲＦ電力増幅器の高い効率を維持し、負荷への所望の電力伝送を可能にし、ＲＦ電力の制御精度を確保するために重要となる可能性がある。これは通常、「可変インピーダンス整合ネットワーク」と呼ばれることもある、可変整合ネットワーク（ＴＭＮ：Ｔｕｎａｂｌｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、「自動整合ユニット」（ＡＭＵ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、または「アンテナチューニングユニット」（ＡＴＵ：Ａｎｔｅｎｎａ Ｔｕｎｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を使用して実現され、指定された動作範囲にわたってＲＦソースと負荷との間のインピーダンス整合を感知して動的に調整することができる。
[0003]ＲＦ電力増幅器／発生器／インバータの効果的な使用を容易にし、また負荷に対する電力制御を容易にするために、多くの場合、ＲＦソースとプラズマ負荷との間で、動的に調整可能なインピーダンス整合を行う必要がある。かかるシステムで適切に制御されたインピーダンス整合を維持することは、ＲＦ電力増幅器の高い効率を維持し、負荷への所望の電力伝送を可能にし、ＲＦ電力の制御精度を確保するために重要となる可能性がある。これは通常、「可変インピーダンス整合ネットワーク」と呼ばれることもある、可変整合ネットワーク（ＴＭＮ：Ｔｕｎａｂｌｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、「自動整合ユニット」（ＡＭＵ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、または「アンテナチューニングユニット」（ＡＴＵ：Ａｎｔｅｎｎａ Ｔｕｎｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を使用して実現され、指定された動作範囲にわたってＲＦソースと負荷との間のインピーダンス整合を感知して動的に調整することができる。
【0004】
[0004]図１は、インピーダンスＺＳを有するソース１０２と、インピーダンスＺＬを有する負荷１０４との間に結合されたＴＭＮ１０６を備えた、ＲＦシステム１００を示している。デジタル回路および／またはアナログ回路を使用して実現され得るコントローラ１０８は、ＴＭＮ１０６の動作を制御するための制御信号を、ＴＭＮ１０６に供給するよう結合されている。ＴＭＮ１０６は、かかる制御信号に応じた、所望のインピーダンスの転換特性を有する。すなわち、ＴＭＮ１０６は、ＴＭＮ１０６によってソース１０２および／または負荷１０４に示されるインピーダンスを調整、チューニング、変更、またはさもなければ操作するよう制御され得る。ＴＭＮ１０６は、たとえば、ソース１０２からＴＭＮ１０６へ所望のインピーダンスＺＳ，ＩＮを示し、負荷１０４からＴＭＮ１０６へ所望のインピーダンスＺＬ，ＩＮを示すよう制御され得る。
【0005】
[0005]ソース１０２、ＴＭＮ１０６、コントローラ１０８、およびＲＦシステム１００の他の素子は、電源電圧（たとえば、ＶＤＣ）およびグランド（図示せず）に結合され得る。コントローラ１０８は、場合によっては、ソース１０２に結合された任意選択のフィードフォワード回路（図示せず）および／または負荷１０４に結合された任意選択のフィードバック回路（図示せず）から受信された情報に少なくとも部分的に基づいて、ＴＭＮ１０６の動作を制御してもよい。フィードフォワード情報は、ＴＭＮ１０６の実効入力インピーダンス、ＲＦ波形のタイミング、指定された信号レベルおよび／またはインピーダンスレベルなどに関する情報を含む場合がある。フィードバック情報は、実効負荷インピーダンスおよび／または負荷から反射された電力、ＲＦ波形のタイミングなどに関する測定情報を含む場合がある。
【0006】
[0006]動的なインピーダンス整合を実現する１つの方法は、受動部品の値が動的に調整され得る整合ネットワーク（Ｌ型ネットワーク、Ｔ型ネットワーク、またはΠ型ネットワークなど）を含む。図１Ａは、負荷１２４のインピーダンスをソース（入力）１２２のインピーダンスに整合させるステップアップＬ型整合トポロジに基づく、理想的に損失のない集中定数素子（ｌｕｍｐｅｄ－ｅｌｅｍｅｎｔ）ＴＭＮ１２０の例示的な実施態様を示している。ＴＭＮ１２０の実施態様は、「ステップアップ」インピーダンス整合を行うことができる調整可能な素子１２６ａ、１２６ｂを備える。かかる技術で整合され得るインピーダンスの範囲が、スミスチャート１４０を使用して図１Ｂに示されている。調整可能な素子１２６ａ、１２６ｂは、機械駆動式の調整可能なキャパシタ、スイッチトキャパシタおよび／またはインダクタバンク、バラクタ（静電容量を調節するために、バラクタのバイアス電圧が調整される）、ならびに実効インピーダンスを調節するために受動蓄エネルギー素子がＲＦ周波数で切り替えられる、位相切替インピーダンス変調、すなわちＰＳＩＭ：ｐｈａｓｅ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎなど、様々な相異なる調整メカニズムとして設けられ得る。この種の様々な手法は、整合させることが可能な負荷インピーダンスの範囲、整合が行われ得る分解能、および所望のインピーダンス整合が実現され得る速度（たとえば、部品の調整速度によって制限される）に基づいて特徴づけられる場合がある。
【0007】
[0007]プラズマ用途など、電力および負荷インピーダンスの広い範囲にわたって高速応答を必要とする用途で使用するための、改善されたインピーダンス制御技術および構造体が求められている。
【0008】
＜高速電力制御＞
[0008]もう１つの課題は、現代のＲＦプラズマ処理で使用されるプラズマ「パルス送り」で行われ得るような、大きな電力ステップの際にＲＦ電力を正確に制御することである。大きな電力ステップの際に、著しい短期間（たとえば、数十マイクロ秒）の、ＲＦ電力のオーバシュートが発生する可能性があり、これは、半導体処理用途において有害な影響をもたらす可能性がある。これは、インピーダンス整合を十分高速に適合させることで対処され得る可能性があるが、非常に高速な（たとえば、１０マイクロ秒）時間規模でのＲＦ電力伝送の短期間制御および制限は、それ自体に対処する価値のある現象と考えられる場合がある。これに対処する１つの可能性は、大きい命令ステップおよび大きい負荷インピーダンスの変化に直面しても十分広い帯域幅での電力制御能力を有する、ＲＦ電力増幅器またはＲＦ発生器の開発である。
[0008]もう１つの課題は、現代のＲＦプラズマ処理で使用されるプラズマ「パルス送り」で行われ得るような、大きな電力ステップの際にＲＦ電力を正確に制御することである。大きな電力ステップの際に、著しい短期間（たとえば、数十マイクロ秒）の、ＲＦ電力のオーバシュートが発生する可能性があり、これは、半導体処理用途において有害な影響をもたらす可能性がある。これは、インピーダンス整合を十分高速に適合させることで対処され得る可能性があるが、非常に高速な（たとえば、１０マイクロ秒）時間規模でのＲＦ電力伝送の短期間制御および制限は、それ自体に対処する価値のある現象と考えられる場合がある。これに対処する１つの可能性は、大きい命令ステップおよび大きい負荷インピーダンスの変化に直面しても十分広い帯域幅での電力制御能力を有する、ＲＦ電力増幅器またはＲＦ発生器の開発である。
【0009】
＜多重出力式電力分配制御＞
[0009]さらに興味深い領域は、（場合によっては単一のＲＦ電力ソースからの）多重出力に対するＲＦ電力を別々に制御できる、ＲＦ電力伝送システムの開発である。多重出力が、プラズマの空間制御および均一性の調整を可能にし得る。相互ロードプル効果に対処できる複数の「並列」伝送システムは１つの可能性であるが、単一のＲＦ発生器／電力増幅器ならびに／または単一のＲＦソースおよび整合システムからの多重出力（たとえば、２つ、３つ、またはさらに多くの出力）に拡張可能なシステムを開発するなら、それも望ましい。
[0009]さらに興味深い領域は、（場合によっては単一のＲＦ電力ソースからの）多重出力に対するＲＦ電力を別々に制御できる、ＲＦ電力伝送システムの開発である。多重出力が、プラズマの空間制御および均一性の調整を可能にし得る。相互ロードプル効果に対処できる複数の「並列」伝送システムは１つの可能性であるが、単一のＲＦ発生器／電力増幅器ならびに／または単一のＲＦソースおよび整合システムからの多重出力（たとえば、２つ、３つ、またはさらに多くの出力）に拡張可能なシステムを開発するなら、それも望ましい。
【発明の概要】
【0010】
＜制御可能転換ネットワーク＞
[0010]本明細書では、上記で説明された課題に対処するための、改善されたＲＦ電力変換構造体および技術について説明されている。ここで紹介される重要な手法は、ＲＦ入力からＲＦ出力への制御可能な電圧転換を実現させることができる、２ポートスイッチングネットワークの使用である。スイッチングネットワークは、転換されるべきＲＦ信号と同期して動作し、ほぼ、制御可能な変圧器として作用することができる。スイッチングネットワークは、すなわち、ＲＦ信号に対するスイッチングのタイミングに応じて、動的に可変な有効巻数比を有するよう作用することができる。
[0010]本明細書では、上記で説明された課題に対処するための、改善されたＲＦ電力変換構造体および技術について説明されている。ここで紹介される重要な手法は、ＲＦ入力からＲＦ出力への制御可能な電圧転換を実現させることができる、２ポートスイッチングネットワークの使用である。スイッチングネットワークは、転換されるべきＲＦ信号と同期して動作し、ほぼ、制御可能な変圧器として作用することができる。スイッチングネットワークは、すなわち、ＲＦ信号に対するスイッチングのタイミングに応じて、動的に可変な有効巻数比を有するよう作用することができる。
【0011】
[0011]本開示の一態様によれば、ソースと負荷との間で高周波（ＲＦ）信号を転換するためのシステムは、ソースおよび負荷のそれぞれに接続された第１のポートおよび第２のポートと、第１のポートに接続された第１のフィルタと、第２のポートに接続された第２のフィルタであって、第１のフィルタおよび第２のフィルタのうちの少なくとも一方が、動的周波数チューニング（ＤＦＴ：ｄｙｎａｍｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｉｎｇ）を使用して可変リアクタンスを提供するよう動作可能である、第２のフィルタと、第１のフィルタと第２のフィルタとの間に接続された２ポートスイッチングネットワークであって、複数のスイッチを備える、スイッチングネットワークと、スイッチングネットワークおよびソースに結合されたコントローラであって、スイッチングパターンに従って複数のスイッチを動作させ、ＲＦ信号の周波数を動的に調整して、第１のポートと第２のポートとの間で制御可能なインピーダンス整合を行うよう構成される、コントローラとを具備することができる。
【0012】
[0012]いくつかの実施形態では、第１のフィルタは、ＲＦ信号の基本電圧を抽出するよう構成されてもよい。いくつかの実施形態では、第１のフィルタは、第１のポートの端子に亘って並列に接続されたキャパシタおよびインダクタを備えてもよい。いくつかの実施形態では、第２のフィルタは、ＲＦ信号の基本電流を抽出するよう構成されてもよい。いくつかの実施形態では、第２のフィルタは、第２のポートの一方の端子に直列に接続されたキャパシタおよびインダクタを備えてもよい。いくつかの実施形態では、コントローラは、ＲＦ信号と同期して、およびＲＦ信号に対して制御可能な位相ずれで、複数のスイッチを動作させてもよい。いくつかの実施形態では、コントローラは、ＲＦ信号に対する角度βで定められたスイッチングパターンに従って、２つ以上のスイッチを動作させてもよい。いくつかの実施形態では、コントローラは、負荷抵抗ＲＬおよびリアクタンスＸＬによってβを計算するよう構成されてもよい。いくつかの実施形態では、コントローラは、負荷抵抗ＲＬおよびリアクタンスＸＬによってスイッチング周波数を選択するよう構成されてもよい。
【0013】
[0013]いくつかの実施形態では、負荷は、プラズマ負荷を含んでもよい。いくつかの実施形態では、コントローラは、１０マイクロ秒以下で行われる少なくとも２倍を超える電力ステップの際に、第１のポートと第２のポートとの間の制御可能なインピーダンス整合を行うよう構成されてもよい。
【0014】
[0014]いくつかの実施形態では、複数のスイッチは、ブリッジ回路に配置された４つのスイッチを含んでもよい。いくつかの実施形態では、４つのスイッチは、単方向遮断、双方向通過スイッチを含んでもよい。
【0015】
[0015]いくつかの実施形態では、４つのスイッチは、第１のフィルタの第１の端子に接続された第１の端子を有し、第２のフィルタの第１の端子に接続された第２の端子を有する、第１のスイッチと、第１のフィルタの第２の端子に接続された第１の端子を有し、第２のフィルタの第２の端子に接続された第２の端子を有する、第２のスイッチと、第１のスイッチの第２の端子に、および第２のフィルタの第１の端子に接続された第１の端子を有する、第３のスイッチと、第２のスイッチの第２の端子に、および第２のフィルタの第２の端子に接続された第１の端子を有し、第３のスイッチの第２の端子に接続された第２の端子を有する、第４のスイッチとを含んでもよい。
【0016】
[0016]いくつかの実施形態では、４つのスイッチは、第１のフィルタの第１の端子に接続された第１の端子を有し、第２のフィルタの第１の端子に接続された第２の端子を有する、第１のスイッチと、第２のフィルタの第１の端子に、および第１のスイッチの第２の端子に接続された第１の端子を有し、第１のフィルタの第２の端子に接続された第２の端子を有する、第２のスイッチと、第１のフィルタの第２の端子に、および第２のスイッチの第２の端子に接続された第１の端子を有し、第２のフィルタの第２の端子に接続された第２の端子を有する、第３のスイッチと、第２のフィルタの第２の端子に、および第３のスイッチの第２の端子に接続された第１の端子を有し、第１のフィルタの第３の端子に接続された第２の端子を有する、第４のスイッチとを含んでもよい。
【0017】
[0017]本開示の別の態様によれば、ソースと負荷との間で高周波（ＲＦ）信号を転換する制御可能転換ネットワークは、ソースおよび負荷のそれぞれに接続された第１のポートおよび第２のポートと、第１のポートに接続され、ＲＦ信号の基本電圧を抽出するよう構成される、第１のフィルタと、第２のポートに接続され、ＲＦ信号の基本電流を抽出するよう構成される、第２のフィルタであって、第１のフィルタおよび第２のフィルタのうちの少なくとも一方が、動的周波数チューニング（ＤＦＴ）を使用して可変リアクタンスを提供するよう動作可能である、第２のフィルタと、第１のフィルタと第２のフィルタとの間に接続されたスイッチングネットワークであって、４つのスイッチを有するブリッジ回路を備える、スイッチングネットワークとを備えてもよい。
【0018】
[0018]いくつかの実施形態では、第１のフィルタは、第１のポートの端子に亘って並列に接続されたキャパシタおよびインダクタを備えてもよい。いくつかの実施形態では、第２のフィルタは、第２のポートの一方の端子に直列に接続されたキャパシタおよびインダクタを備えてもよい。いくつかの実施形態では、４つのスイッチは、上記で説明された形で接続されてもよい。
【0019】
[0019]上記で具体的に記載されていない他の実施形態を形成するために、本明細書で説明されている様々な実施形態の個々の要素が組み合わされてもよいことを理解されたい。単一の実施形態の文脈で説明されている様々な要素が、別々に、または任意の好適な部分的組合せで設けられてもよい。また、本明細書で具体的には説明されていない他の実施形態も、添付の特許請求の範囲内にあることを理解されたい。
【0020】
[0020]開示されている主題を生み出し、使用するやり方は、詳細な説明を図面と共に参照することによって理解される可能性があり、図面では、同様の参照番号は同様の要素を特定するものである。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】[0021]可変インピーダンス整合ネットワーク（ＴＭＮ）を備えた、従来技術のＲＦシステムの構成図である。
【図1A】[0022]ステップアップＬ型整合トポロジに基づく、理想的に損失のない集中定数素子ＴＭＮの例示的な実施態様を示す、回路図である。
【図2】[0024]本開示の実施形態による、制御可能転換ネットワーク（ＣＴＮ：ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ）を備えるＲＦシステムの構成図である。
【図2A】[0025]いくつかの実施形態による、制御可能変圧器として作用する２ポートスイッチングネットワークおよび実効可変リアクタンスを使ってＣＴＮが実現され得る手法を示す回路図である。
【図2B】いくつかの実施形態による、制御可能変圧器として作用する２ポートスイッチングネットワークおよび実効可変リアクタンスを使ってＣＴＮが実現され得る手法を示す回路図である。
【図3】[0026]いくつかの実施形態による、入力側フィルタ、スイッチングネットワーク、および出力側フィルタを備えるＣＴＮアーキテクチャを示す構成図である。
【図9】[0034]いくつかの実施形態による、多重出力式ＣＴＮを示す回路図である。
【図10】[0035]いくつかの実施形態による、整合およびＲＦ電力分配が組み合わされた、多重出力式ＲＦ電力伝送システムの構成図である。
【図11】[0036]いくつかの実施形態による、制御可能転換電力増幅器（ＣＴＰＡ：ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の回路図である。
【図12】[0038]いくつかの実施形態による、別のＣＴＰＡの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
[0040]図面は、必ずしも縮尺通りではなく、またシステムのすべての要素を網羅しているわけではなくて、全般的に、本明細書で保護されることが求められる概念、構造体、および技術を示すことに重点が置かれている。
【0023】
＜制御可能な転換ネットワーク＞
[0041]図２は、インピーダンスＺＳを有するＲＦソース２０２と、インピーダンスＺＬを有する負荷２０４との間の、可変インピーダンス整合を行うために使用され得る、制御可能転換ネットワーク（ＣＴＮ）２０６を備えた、ＲＦシステム２００を示している。デジタル回路および／またはアナログ回路を使用して実現され得るコントローラ２０８は、ＣＴＮ２０６の動作を制御するために、制御信号２１０をＣＴＮ２０６に供給するよう結合されている。ＣＴＮ２０６は、かかる制御信号に応じて、所望のインピーダンス転換特性を有する。すなわち、ＣＴＮ２０６は、ＣＴＮ２０６からソース２０２および／または負荷２０４に示されるインピーダンスを調整、チューニング、変更、またはさもなければ操作するように制御され得る。ＣＴＮ２０６は、たとえば、負荷２０４から示されるインピーダンスＺＬの変動に直面しても、ＣＴＮ２０６のソース側ポートでソース２０２に所望のインピーダンスＺＳ，ＩＮを示し、またＣＴＮ２０６から負荷２０４に所望の出力インピーダンスＺＳを示すよう制御され得る。コントローラ２０８はまた、たとえば、ソースのＲＦ信号の周波数を動的に調整するために、ソース２０２へ、制御信号２１２を供給するよう結合されてもよい。コントローラ２０８は、いくつかの実施形態では、線２１１で表されるように、負荷を調べるインピーダンス測定値などの信号を、負荷２０４から受信してもよい。
[0041]図２は、インピーダンスＺＳを有するＲＦソース２０２と、インピーダンスＺＬを有する負荷２０４との間の、可変インピーダンス整合を行うために使用され得る、制御可能転換ネットワーク（ＣＴＮ）２０６を備えた、ＲＦシステム２００を示している。デジタル回路および／またはアナログ回路を使用して実現され得るコントローラ２０８は、ＣＴＮ２０６の動作を制御するために、制御信号２１０をＣＴＮ２０６に供給するよう結合されている。ＣＴＮ２０６は、かかる制御信号に応じて、所望のインピーダンス転換特性を有する。すなわち、ＣＴＮ２０６は、ＣＴＮ２０６からソース２０２および／または負荷２０４に示されるインピーダンスを調整、チューニング、変更、またはさもなければ操作するように制御され得る。ＣＴＮ２０６は、たとえば、負荷２０４から示されるインピーダンスＺＬの変動に直面しても、ＣＴＮ２０６のソース側ポートでソース２０２に所望のインピーダンスＺＳ，ＩＮを示し、またＣＴＮ２０６から負荷２０４に所望の出力インピーダンスＺＳを示すよう制御され得る。コントローラ２０８はまた、たとえば、ソースのＲＦ信号の周波数を動的に調整するために、ソース２０２へ、制御信号２１２を供給するよう結合されてもよい。コントローラ２０８は、いくつかの実施形態では、線２１１で表されるように、負荷を調べるインピーダンス測定値などの信号を、負荷２０４から受信してもよい。
【0024】
[0042]ソース２０２、ＣＴＮ２０６、コントローラ２０８、およびＲＦシステム２００の他の素子は、電源電圧（たとえば、ＶＤＣ）およびグランド（図示せず）に結合され得る。
【0025】
[0043]図２Ａに目を向けると、例示的なＣＴＮ２２０は、制御可能な電圧転換（たとえば、可変な整合）を実現させるよう構成された、２ポートスイッチングネットワーク２２２を備えることができる。２ポートスイッチングネットワーク２２２は、ＣＴＮ２２０の一方の側のＲＦインピーダンスレベルＺ１からＣＴＮ２２０の他方の側のＲＦインピーダンスレベルＺ２への転換を行う、主要な手段として作用する。この場合、ＲＦ入力は、ソースまたは負荷のいずれか一方に対応してもよく、ＲＦ出力は、他方に対応してもよい。スイッチングネットワーク２２２は、転換されるべきＲＦ信号と同期して動作してもよく、図２Ａに示されるように、ほぼ制御可能な変圧器として作用してもよい（具体的な実施態様については、後続の図に関連して下記で説明される）。すなわち、スイッチングネットワークは、ＲＦ信号に対するスイッチングのタイミングに応じて、動的に可変な有効巻数比（Ｎ１：Ｎ２）を有するよう作用することができる。
【0026】
[0044]２次チューニング手段２２４は、ＲＦソースと負荷との間の可変インピーダンス整合を行うために使用され得るＣＴＮを実現するために、スイッチングネットワーク２２２に結合されてもよい。図２Ａの２次チューニング手段２２４は、直列リアクタンスのチューニングを行ってもよい。２次チューニング手段２２４は、リアクタンス性インピーダンスｊＸを有する可変リアクタンスＸであってもよく、下記でさらに説明されるように、スイッチングネットワーク２２２に結合されたフィルタによって実現される。可変リアクタンスは、いくつかの実施形態では、高い品質係数「Ｑ」の共振タンクおよび動的周波数チューニング（ＤＦＴ）によって実現され得る。ＤＦＴは、周波数に敏感に反応するリアクタンス性またはサセプタンス性ネットワークにより提供されるインピーダンスまたはアドミタンスが、望ましい形で変更されるように、ＲＦ電源またはソースの周波数が調整される技術であり、プラズマおよび他の用途でのインピーダンスチューニングに使用されている。
【0027】
[0045]２次チューニング手段２２４は、図２Ａの例では、スイッチングネットワーク２２２の一方の出力端子に結合されている。
【0028】
[0046]図２ＢはＣＴＮ２４０の別の例を示しており、サセプタンス性アドミタンスＹ＝ｊＢなどの２次チューニング手段２４４は、２ポートスイッチングネットワーク２４２の両方の入力端子に亘って結合されている。図２Ｂの２次チューニング手段２４４は、シャントサセプタンスのチューニングを行ってもよい。
【0029】
[0047]図３は、いくつかの実施形態によるＣＴＮを実現するために使用され得るアーキテクチャを示している。例示的なＣＴＮアーキテクチャ３００は、図示のように結合された第１（または「入力」）ＲＦポート３０２、第１（または「入力側」）フィルタ３０４、スイッチングネットワーク３０６、第２（または「出力側」）フィルタ３０８、および第２（または「出力」）ＲＦポート３１０を備えることができる。第１のＲＦポート３０２は、ＲＦソースまたは負荷のいずれか一方に結合されてもよく、第２のＲＦポート３１０は、他方に結合されてもよい。
【0030】
[0048]第１のフィルタ３０４は、図３に示されているように、基本電圧選択フィルタを含んでもよく、第２のフィルタ３０８は、基本電流選択フィルタを含んでもよい。フィルタ３０４、３０８の一方または両方は、ＤＦＴと共に使用され、可変リアクタンスを有することができる。スイッチングネットワーク３０６は、第１のポート３０２で供給されるＲＦ信号と同期して切り替えられ、可変的な転換を行うことができる。スイッチングネットワーク３０６およびフィルタ３０４、３０８は、一体になって、第１のＲＦポート３０２と第２のＲＦポート３１０との間の、広い帯域幅での制御可能なインピーダンス整合を可能にする。
【0031】
【0032】
[0050]図３Ａに目を向けると、例示的な回路３２０は、基本電圧選択フィルタ３２４に結合された第１のＲＦポート３２２と、基本電流選択フィルタ３２８に結合された第２のＲＦポート３３０とを備える。スイッチ３２６ａ～３２６ｄを備えるスイッチングネットワークは、図示のように、フィルタ３２４と３２８との間に結合され得る。スイッチ３２６ａ～３２６ｄは、いくつかの例では、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：ｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：ｈｉｇｈ－ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ：ｂｉｐｏｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、またはヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ：ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）として備えられてもよいが、場合によっては、他の能動部品または受動部品が使用されてもよい。概して、任意のタイプの単方向遮断、双方向通過スイッチング素子が使用されてもよい。これは概ね、本明細書に示されるか、または説明されているＣＴＮの実施態様の、いずれにも当てはまる。
【0033】
[0051]基本電圧選択フィルタ３２４は、図示のように、第１のＲＦポート３２２の端子に亘って並列に結合された第１のキャパシタ３２４ａおよび第１のインダクタ３２４ｂを備えることができる。基本電流選択フィルタ３２８は、第２のＲＦポート３３０の一方の端子と、スイッチ３２６ｃおよび３２６ｄの中間点との間に直列に結合された、第２のキャパシタ３２８ａおよび第２インダクタ３２８ｂを備えることができる。
【0034】
[0052]フィルタ３２４および３２８は、それぞれ、転換されているＲＦ信号の基本電圧および基本電流を抽出するように設計されていてもよい。したがって、キャパシタ３２４ａ、３２８ａおよびインダクタ３２４ｂ、３２８ｂの値は、回路３２０が配置される所与のＲＦ用途での公称動作周波数に基づいて選択されてもよい。これらはまた、接続するそれぞれのインピーダンスレベルを考慮して、高い周波数選択性または正味の品質係数Ｑを提供するよう選択されてもよい。これは概ね、本明細書に示されるか、または説明されているＣＴＮの実施態様のいずれにも当てはまる。
【0035】
[0053]図３Ｂに目を向けると、別の例示的な回路３４０は、基本電圧選択フィルタ３４４に結合された第１のＲＦポート３４２と、基本電流選択フィルタ３４８に結合された第２のＲＦポート３５０とを備える。スイッチ３４６ａ、３４６ｂを備えるスイッチングネットワークは、図示のように、フィルタ３４４と３４８との間に結合され得る。基本電圧選択フィルタ３４４は、第１のＲＦポート３４２の端子に亘って並列に結合された第１のキャパシタ３４４ａおよび第１のインダクタ３４４ｂを備えることができる。基本電流選択フィルタ３４８は、第２のＲＦポート３５０の一方の端子と、スイッチ３４６ａおよび３４６ｂの中間点との間に直列に結合された、第２のキャパシタ３４８ａおよび第２インダクタ３４８ｂを備えることができる。図３Ｂでは、２つのスイッチ３４６ａ、３４６ｂしか示されていないが、スイッチは双方向遮断および双方向通過型であるため、図示のスイッチのそれぞれが、場合によっては、２つの単方向遮断双方向通過スイッチ（たとえば、「逆」直列において）または２つの双方向遮断単方向通過スイッチ（たとえば、「逆」並列において）として実現されてもよい。
【0036】
【0037】
[0055]例示的な回路４００は、図示のように、基本電圧選択フィルタ４０４に結合された第１のＲＦポート４０２、基本電流選択フィルタ４０８に結合された第２のＲＦポート４１０、およびフィルタ４０４と４０８との間に結合されたスイッチングネットワーク４０６を備える。図４の例では、ソース４１２（たとえば、電圧ソース）が第１のポート４０２に結合され、負荷４１３（たとえば、抵抗負荷）が第２のポート４１０に結合されている。他の例では、負荷が第１のポート４０２に結合されていてもよく、ソースが第２のポート４１０に結合されていてもよい。
【0038】
[0056]ソース４１２は、図に示されているように、入力インピーダンスＺＳを知り、入力として、電圧ＶＳおよび電流ＩＳを有するＲＦ信号を供給することができる。ソース４１２は、図示されていない、インピーダンスＺＳであってもよい、ある等価出力インピーダンス（またはテブナン（Ｔｈｅｖｅｎｉｎ）の出力インピーダンス）を有してもよい。負荷４１３は、インピーダンスＺＬを有し、電圧ＶＬおよび電流ＩＬを有する、転換／変換されたＲＦ信号（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ／ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ＲＦ ｓｉｇｎａｌ）を受信することができる。基本電圧選択フィルタ４０４は、入力ＲＦ信号をフィルタ処理して、フィルタ処理されたＲＦ信号をスイッチングネットワーク４０６の第１のポート４１４へ供給でき、フィルタ処理されたＲＦ信号は、電圧Ｖ１および電流Ｉ１を有し、Ｚ１は、ポート４１４でのインピーダンスを示す。インピーダンスＺ１とは、第１のポートでの基本複素電圧成分の基本複素電流成分との比を意味する。スイッチングネットワーク４０６は、図示のように配置され、１つまたは複数のスイッチングパターン（すなわち「スイッチング波形」）に従って動作できる、４つのスイッチ４０６ｗ～４０６ｚを備える。コントローラ（たとえば、図２のコントローラ２０８）は、より詳細には、スイッチングパターンに従って、その時々にスイッチをオンおよびオフするために、個々のスイッチ４０６ｗ～４０６ｚへ制御信号を供給することができる。スイッチングネットワーク４０６は、その結果、第２のポート４１６で転換されたＲＦ信号を出力することができ、転換されたＲＦ信号は、電圧Ｖ２および電流Ｉ２を有し、Ｚ２は、基本複素電圧成分Ｖ２の基本複素電流成分Ｉ２との比を表し、したがってポート４１６でのインピーダンスを示す。基本電流選択フィルタ４０８は、転換されたＲＦ信号をフィルタ処理して、出力信号を、インピーダンスＺＬを有する負荷４１３に供給でき、出力信号は、電圧ＶＬおよび電流ＩＬを有する。
【0039】
[0057]図４Ａに目を向けると、図４の回路４００では、第１のポート４１４から第２のポート４１６への基本電圧のステップダウン（すなわち、Ｖ１からＶ２）、およびこれらのポート間での基本電流のステップアップ（すなわち、Ｉ１からＩ２）は、スイッチング角度βに応じて制御され得、ここでβは、０とπとの間である。
【0040】
[0058]第１のプロット４２０は、角度（ωｔ）を表す水平軸４２０ｘと、電圧を表す垂直軸４２０ｙとを有する。第２のプロット４３０は、角度（ωｔ）を表す水平軸４３０ｘと、電流を表す垂直軸４３０ｙとを有する。４つのスイッチ４０６ｗ～４０６ｚのそれぞれが、ＲＦサイクルごとにβに応じて１回オンとオフとを切り替えられ得、ただ１つのサイクルだけが、図４Ａに示されている。たとえば、凡例４４０で示されているように、角度０とβとの間ではスイッチ４０６ｗ、４０６ｘ、４０６ｙがオン、スイッチ４０６ｚがオフであり得、角度βとπとの間ではスイッチ４０６ｘ、４０６ｙ、４０６ｚがオン、スイッチ４０６ｗがオフであり得、角度πとπ＋βとの間ではスイッチ４０６ｙ、４０６ｚ、４０６ｗがオン、スイッチ４０６ｘがオフであり得、π＋βと２πとの間ではスイッチ４０６ｚ、４０６ｗ、４０６ｘがオン、スイッチ４０６ｙがオフであり得る。実際には、スイッチングコンバータの技術分野で知られているように、ゼロ電圧スイッチングの遷移を可能にするために、スイッチＷおよびＺ、ならびにスイッチＸおよびＹなどの相補型スイッチ対間に、タイミング図には示されていない、いくらかの追加のデッドタイム（相補型の対の両方のスイッチがオフに保持されるとき）が存在する可能性があることを認識されたい。角度－φｘは、システムの所望の動作で生じる可能性のある、電圧Ｖ２の基本成分と電流Ｉ１の基本成分との間の位相のずれを表している。
【0041】
[0059]プロット４２０を参照すると、波形４２２はＶ１を表し、波形４２４はＶ２を表している。Ｖ２は、見て分かるように、スイッチ４０６ｘがオフのとき、βとπとの間でゼロであり、スイッチ４０６ｙがオフのとき、π＋βと２πとの間でゼロである。他のところでは、Ｖ２はＶ１と一致する（すなわち、波形４２２と４２４とは重なる）。
【0042】
[0060]プロット４３０を参照すると、波形４３２はＩ１を表し、波形４３４はＩ２を表している。Ｉ１は、見て分かるように、スイッチ４０６ｘがオフのとき、βとπとの間でゼロであり、スイッチ４０６ｙがオフのとき、π＋βと２πとの間でゼロである。他のところでは、Ｉ１はＩ２と一致する（すなわち、波形４３２と４３４とは重なる）。この理想化されたものは、前述のデッドタイムと共に、実際に生じる可能性のある電圧Ｖ２およびＩ１の遷移を無視している。
【0043】
[0061]スイッチングネットワーク４０６は、実際上、ポート４１４と４１６との間の電圧および電流波形の基本成分に対する、理想的でない変圧器のように作用する。スイッチングネットワーク４０６は、角度βに応じて、ポート４１４、４１６での電圧および／または電流の基本成分間に位相ずれが存在する可能性があるという点で、理想的ではない。スイッチングネットワークは、それにもかかわらず、実際上、第１のポート４１４から第２のポート４１６への、基本電圧のタイミング依存のステップダウンおよび基本電流のステップアップを提供するよう作用する。いくつかの実施形態では、スイッチングネットワークを通したどんな位相ずれの影響も、２次制御ハンドル（たとえば、入力および／または出力フィルタネットワークを使用するなど、アドミタンスｊＢおよび／またはインピーダンスｊＹに関連するＤＦＴ）を使用して補正され、これにより、ポート４１４と４１６との間の総合的なインピーダンス整合を実現させることができる。
【0044】
[0062]図４の回路トポロジで使用される、図４Ａのスイッチングパターンと組み合わされることの利点は、スイッチングパターンが、デバイスごとに、ＲＦサイクルごとに、ただ１種類のスイッチングサイクルしか必要とせず、スイッチングパターンに適切なデッドタイムが含まれているときに損失を低く抑えるために、すべてのスイッチング遷移がゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ：ｚｅｒｏ－ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）で行われ得ることである。もちろん、インピーダンス整合を提供するために、他の多くのトポロジおよびスイッチングパターンが、２ポートスイッチング構造体および関連する素子を使って実現されてもよい。
【0045】
[0063]図５Ａおよび図５Ｂは、本開示の実施形態による別のＣＴＮ回路の実施態様の、２つの相異なる図を示している。例示的な回路５００は、図４の回路４００に類似しており、両方とも図３のＣＴＮアーキテクチャに基づいている。ここで、基本電圧選択フィルタは、インダクタ５０２（ＬＰ）および２つのキャパシタ５０４ａ、５０４ｂ（ＣＰ）を備え、スイッチングネットワークは、４つのスイッチ５０６ｗ～５０６ｚを備え、基本電流選択フィルタは、インダクタ５０８およびキャパシタ５１０を備える。
【0046】
[0064]回路５００は、したがって、図４の実施態様とは異なり、図示のように、スイッチングネットワークの左半分のブリッジと右半分のブリッジとの間に、複製されたキャパシタＣＰを備える。各キャパシタ５０４ａ、５０４ｂ（ＣＰ）は、動作中、ＲＦサイクルの半分で使用され得る。すなわち、動作の各半サイクルにおいて、一方のブリッジレッグが短絡され得、他方が、制御可能な転換のためのスイッチングを行うことができ、したがって、キャパシタ５０４ａ、５０４ｂのうちの一方が各半サイクルで使用される。
【0047】
[0065]例示的な回路５００は、第２のポート５１４における負荷から第１のポート５１２におけるソースへ、インピーダンスをステップアップさせるものとして示されている。回路５００はまた、第１のポート５１２における負荷インピーダンスを、第２のポート５１４におけるソースインピーダンスへステップダウンさせることにより、逆方向に動作することもできる。
【0048】
[0066]図５の回路５００で使用されるスイッチングパターン／波形は、図４Ａに示されているものと同じか、または類似しており、切替えタイミングも同様であり得る。各デバイス（すなわち、スイッチ）は、したがって、サイクルごとに１回切り替わり、すべてのデバイスがＺＶＳで切り替わる。いくつかの実施形態では、基本電流選択フィルタ（すなわち、インダクタ５０８およびキャパシタ５１０、またはＬＳ－ＣＳ）が高い品質係数で実現されており、ＲＦ周波数の変更が、これにより（すなわち、ＤＦＴにより）示される実効インピーダンスを変化させるために使用され得る。すなわち、コントローラ（たとえば、図２のコントローラ２０８）は、制御信号を送信して、ＲＦ電源（たとえば、図２のソース２０２）の周波数を調整することができる。したがって、いくつかの実施形態によれば、ＤＦＴが、負荷インピーダンス、転換ネットワークおよび／または入力フィルタネットワークの影響の、リアクタンス補正を行うために使用され得る。適切なＤＦＴおよびスイッチング制御角度βを使って、負荷インピーダンスＲＬの実数部以上の、所望の抵抗性入力インピーダンスＺＳが実現され得る。
【0049】
[0067]可変実効リアクタンス（すなわち、単一ポートの素子）が使用される多くの整合システムに比べて、図４、図５Ａ、および図５Ｂの実施形態は、可変変圧器（すなわち、可変２ポートデバイス）として作用する、２ポートスイッチングネットワークを利用する。
【0050】
[0068]図６は、信号角度（ωｔ）を表す水平軸６００ｘ、および正規化された信号ｆ（ｔ）の値を表す垂直軸６００ｙを有する、プロット６００である。図４、図５Ａ、および図５Ｂの制御可能転換ネットワークによって行われる電圧、電流、およびインピーダンスの転換は、以下で定義される波形ｆ（ｔ）６０２の基本成分の振幅および位相に関する情報を使用して決定され得る。
【0051】
【数1】
【0052】
[0069]この波形の基本成分は、次式で表され得る。
【0053】
【数2】
【0054】
この式では、
【数3】
【0055】
[0070]図４Ａの波形を分析すると、入力インピーダンスＺＳを所望の値Ｚ０に一致させるための、２次側リアクタンスＸｃｏｍｐおよびスイッチング角度βの理想的な値を特定することができる。特定の理想的な制御変数は、次式を解くことにより求められ得る。
【0056】
【数4】
【0057】
[0071]上記の式を使用すると、図７に示されているような一連の曲線が生成され得る。第１のプロット７００は、スイッチング角度β（水平軸７００ｘ、度）に対してプロットされたＲＬ／Ｚ０（垂直軸７００ｙ）の曲線７０２を含む。第２のプロット７２０は、スイッチング角度β（水平軸７２０ｘ、度）に対してプロットされたＸｎｅｔ／ＲＬ（垂直軸７２０ｙ）の曲線７２２を含む。
【0058】
[0072]７０２、７０４と同様の曲線が、図４、図４Ａ、図５Ａ、および図５Ｂのものを含むがこれらに限定されるものではない、本明細書で開示される様々なＣＴＮ回路の実施態様およびスイッチングパターンについて、本明細書で開示されている全体的な概念および技術を使用して生成されてもよい。
【0059】
[0073]曲線７０２、７２２は、負荷抵抗ＲＬおよびリアクタンスＸＬによって、２次側リアクタンスＸｃｏｍｐおよびスイッチング角度βを選択／計算する（ならびに、場合によってはＸｃｏｍｐおよびβの理想的な選択／計算を行う）ために使用され得る（ここで、Ｘｃｏｍｐ＝Ｘｎｅｔ－ＸＬ）。Ｘｃｏｍｐおよびβを選択するために、具体的には、以下の手順に従ってもよい。
【0060】
１．既知の負荷抵抗ＲＬ、負荷リアクタンスＸＬ、および所望のインピーダンス値Ｚ０から始める。
２．曲線７０２を使用してβを求める。
３．曲線７２２を使用してＸｎｅｔ／ＲＬを求め、ひいてはＸｎｅｔを求める。
４．Ｘｎｅｔ／ＲＬからＸｃｏｍｐを決定する。ここで、ＸｃｏｍｐはＸｎｅｔとＸＬとの差である。
２．曲線７０２を使用してβを求める。
３．曲線７２２を使用してＸｎｅｔ／ＲＬを求め、ひいてはＸｎｅｔを求める。
４．Ｘｎｅｔ／ＲＬからＸｃｏｍｐを決定する。ここで、ＸｃｏｍｐはＸｎｅｔとＸＬとの差である。
【0061】
[0074]上記の手順は、ＲＦソースと負荷との間のインピーダンス整合を、位相ずれを最小限に抑えながら行うために、開示されている様々なＣＴＮシステムおよび回路内で実施され、および／または適用されてもよい。たとえば、図２のコントローラ２０８は、図７に示されている曲線と同様の曲線を生成し、上記の手順を使用してＲＦ周波数およびスイッチング角度βを迅速に選択および調整するよう構成された、ハードウェアおよび／またはソフトウェアを備えてもよく、ここで補正リアクタンスＸｃｏｍｐは、ＬＳおよびＣＳによってもたらされる正味のリアクタンスを用いた、動的周波数チューニングによって生成される。別の例として、選択されたスイッチング角度βは、図４、図５Ａ、および図５Ｂの回路のいずれにも適用され得る。
【0062】
[0075]上記のモデルでは、入力フィルタネットワークが共振状態にあり（すなわち、無限のシャントインピーダンスを示す）、出力側リアクタンスの所望の値が、ＤＦＴまたは他の何らかの手段によって達成可能であると想定されてもよい。さらに、入力フィルタおよび出力フィルタは、スイッチングネットワークによって生成される高調波に対処し、場合によっては図示されていない追加のフィルタ処理を含んでいると想定されてもよい。
【0063】
[0076]いくつかの実施形態では、広帯域幅システム内のコントローラは、図７の理想的な曲線に従うだけでなく、フィードバックとフィードフォワードとの何らかの組合せを使用して、Ｘｎｅｔから制御変数Ｘｃｏｍｐを選択することもできる。これは、動作条件が変化するにつれて制御ポイントを動的に決定するための、デジタルプリディストーション、適応型フィードフォワードなどの使用を含んでもよい。
【0064】
[0077]図７の曲線は、出力フィルタネットワークを使用して、整合のための可変リアクタンスを生成することを想定しているが、いくつかの実施形態では、高いＱ値の入力側タンクも同様に使用され得、インピーダンス整合を実現させるために、入力側シャントフィルタのサセプタンスВ（アドミタンスＹの虚数部）が、スイッチングネットワークの動作と併せてＤＦＴによってチューニングされ得る。整合を実現するために、場合によっては、入力側と出力側との両方のサセプタンス／リアクタンスが一緒に使用されてもよい。出力（スイッチングネットワークによって扱われる無効電力を削減する）または入力（下記で説明される多重出力の場合に、整合を容易にする）において、より高いＱ値のフィルタネットワークを使用することが、利点をもたらす場合がある。本開示の実施形態によれば、一方または両方が、可変リアクタンスを生成するために、ＤＦＴまたは他の何らかの手段（たとえばスイッチトリアクタンスバンク、ＰＳＩＭネットワーク、バラクタ、機械的に可変なリアクタンスなど）を通じて活用されてもよい。
【0065】
[0078]図８Ａおよび図８Ｂは、図２のＲＦシステム、図３のＣＴＮアーキテクチャ、および／または図４、図５Ａ、および図５ＢのＣＴＮ回路の実施態様などのＣＴＮベースのＲＦ整合システム、アーキテクチャ、および回路内で使用され得る、他のスイッチングパターンを示している。これらのパターンは、固定周波数動作で整合を行う機能を含み、場合によっては制御能力を向上させる可能性がある。
【0066】
[0079]図８Ａは、角度（ωｔ）を表す水平軸８００ｘ、電圧を表す垂直軸８００ｙ、Ｖ１を表す第１の波形８０２、およびＶ２を表す第２の波形８０４を有するプロット８００を示している（ここで、Ｖ１およびＶ２は、以前に論じられたように、スイッチングネットワークの相異なるポートでの電圧に対応する）。この例では、各半サイクルで相異なるスイッチング角度β１およびβ２を使用する。スイッチング遷移は、より詳細には、角度０、β１、π、およびβ２＋πで行われ得る。この場合も、相補型スイッチ対間に起こり得るデッドタイムが存在する可能性がある。これは、基本的な電圧転換と、スイッチングネットワークを通したある程度の位相ずれとの両方を、制御可能にすることができる。これは、さらなるチューニングのために、またはある範囲にわたる固定周波数動作（たとえば、ＤＦＴなし）を可能にするのに、有益な場合がある。
【0067】
[0080]図８Ｂは、角度（ωｔ）を表す水平軸８２０ｘ、電圧を表す垂直軸８２０ｙ、Ｖ１を表す第１の波形８２２、およびＶ２を表す第２の波形８２４を有するプロット８２０を示している（ここで、Ｖ１およびＶ２は、以前に論じられたように、スイッチングネットワークの相異なるポートにおける電圧に対応する）。この例では、スイッチング角度αおよびβで定められる、半サイクルあたり２回のスイッチング遷移を利用する。スイッチング遷移は、より詳細には、角度α、β、α＋π、およびβ＋πで行われ得る。この場合も、本発明の属する技術分野で知られているように、示されていない相補型スイッチ対間の追加のデッドタイムが存在する可能性がある。追加のスイッチング遷移が、スイッチングネットワークを通した位相ずれの制御において、さらなる自由度をもたらすが、本明細書では、追加された遷移は、ＺＶＳでのスイッチングにあまり適さない可能性があることを理解されたい。したがって、いくつかの実施形態では、図８Ｂのスイッチングパターンを使用しながらもＺＶＳでのスイッチングを容易にするために、さらなる回路が追加されてもよい。注目すべきは、スイッチング角度α＝π－βを選択した場合、スイッチングネットワークによる転換は位相ずれを示さず、基本成分の「理想的な変圧器」のように作用することである。別法として、スイッチング角度αおよびβが、一緒に選択され、転換比と位相ずれとの両方を制御し、固定周波数でのインピーダンス整合を可能にすることができる。
【0068】
[0081]図９に目を向けると、上記で開示された構造体および技術は、多重出力（たとえば、Ｎ＝２つ、３つ、５つの出力など）を扱うＣＴＮベースのインピーダンス整合システムを実現するために拡張され得る。多重出力式ＣＴＮ回路９００は、図示のように、ソース９０２をＮ個の負荷９０４ａ～９０４ｎに整合させることができる。例示的な回路９００は、入力側フィルタ９０６（たとえば、基本電圧選択フィルタ）、Ｎ個のスイッチングネットワーク９０８ａ～９０８ｎ、およびＮ個の出力側フィルタ９１０ａ～９１０ｎ（たとえば、基本電流選択フィルタ）を備える。
【0069】
[0082]ＤＦＴが、図９のシステムを制御するために使用され、（たとえば、Ｑ値の高い入力側フィルタネットワーク、およびＱ値の低い共振に近い出力側フィルタを使用する）１つのチューニングハンドルを提供することができる。各スイッチングネットワークは、別個の制御角度β（または図８に示されているような１組の制御角度）を有することができる。これらの組合せで、１組の負荷インピーダンスがソースに所望の入力ポートインピーダンスＺＳを提示することを可能にし、一方で、複数の負荷インピーダンスＺＬ１からＺＬＮの間で電力がどのように分配されるかを制御可能にすることができる。これは、したがって、図１０のＲＦ電力伝送システム１０００で示されているように、広い帯域幅の可変な整合ネットワークと、制御可能なＲＦ電力分配器との組合せを表している。
【0070】
＜制御可能転換電力増幅器＞
[0083]図１１に目を向けると、上記で説明されたように、広い帯域幅で高度に可変な負荷インピーダンスへのＲＦ電力の生成、および制御された伝送を実現させることができる、ＲＦインバータ（または電力増幅器もしくはＲＦ発生器）が求められている。いくつかの実施形態によれば、上記で説明されたスイッチングネットワーク、ＣＴＮ、および関連技術が、まさにこれらの特性を有する電力増幅器システムを実現するために活用され得る。１つの手法は、従来の（たとえば、スイッチトモード）ＲＦ増幅器を、ＣＴＮとカスケード接続することである。もう１つの手法は、制御可能転換電力増幅器（ＣＴＰＡ）を実現することである。
[0083]図１１に目を向けると、上記で説明されたように、広い帯域幅で高度に可変な負荷インピーダンスへのＲＦ電力の生成、および制御された伝送を実現させることができる、ＲＦインバータ（または電力増幅器もしくはＲＦ発生器）が求められている。いくつかの実施形態によれば、上記で説明されたスイッチングネットワーク、ＣＴＮ、および関連技術が、まさにこれらの特性を有する電力増幅器システムを実現するために活用され得る。１つの手法は、従来の（たとえば、スイッチトモード）ＲＦ増幅器を、ＣＴＮとカスケード接続することである。もう１つの手法は、制御可能転換電力増幅器（ＣＴＰＡ）を実現することである。
【0071】
[0084]図１１は、いくつかの実施形態によるＣＴＰＡの例を示している。例示的なＣＴＰＡ１１００は、図示のように、電圧ソース１１０２、入力ポート１１０４、入力側フィルタ１１０６、４つのスイッチ１１０８ｗ～１１０８ｚを備えたスイッチングネットワーク１１０８、出力ポート１１１０、出力側フィルタ１１１２、および負荷１１１６に接続され得る別のポート１１１４を備える。ＣＴＰＡ１１００は、入力側では、「逆Ｄ級」または「電流モードＤ級」スイッチング電力増幅器と同様のやり方で動作できるが、制御可能な電圧転換（およびしたがって電力制御）を実現させるために、組込みスイッチングネットワーク１１０８のスイッチング角度が制御される。
【0072】
【0073】
[0086]スイッチングパターンおよび関連する波形１１２０によれば、角度０とβとの間では、スイッチ１１０８ｗ、１１０８ｘ、１１０８ｙがオンで、スイッチ１１０８ｚがオフであり、角度βとπとの間では、スイッチ１１０８ｘ、１１０８ｙ、１１０８ｚがオンで、スイッチ１１０８ｗがオフであり、角度πとπ＋βとの間では、スイッチ１１０８ｙ、１１０８ｚ、１１０８ｗがオンで、スイッチ１１０８ｘがオフであり、角度π＋βと２πとの間では、スイッチ１１０８ｚ、１１０８ｗ、１１０８ｘがオンで、スイッチ１１０８ｙがオフである。
【0074】
[0087]スイッチングパターンおよび関連する波形１１４０によれば、角度０（おおよそ）とβとの間では、スイッチ１１０８ｚを除くすべてのスイッチがオンであり、角度βとπ（おおよそ）との間では、スイッチ１１０８ｗを除くすべてのスイッチがオンであり、角度π（おおよそ）とπ＋βとの間では、スイッチ１１０８ｘを除くすべてのスイッチがオンであり、角度π＋βと２π（おおよそ）との間では、スイッチ１１０８ｙを除くすべてのスイッチがオンである。
【0075】
[0088]図１１Ａに示されているスイッチング波形の重なりは、デバイスのＺＶＳでのスイッチングを行いながらＤＦＴを使用可能にするなど、高いＱ値の入力側共振を有するすべてのデバイスのＺＶＳでのスイッチングを維持する一方で、スイッチング周波数の変更を可能にするために使用されてもよい。（制御範囲は、入力側共振周波数以下のスイッチング周波数に最適である可能性がある。）高いＱ値の出力ネットワークを使ったスイッチング周波数のＤＦＴは、負荷リアクタンスの変動の管理を可能にする。
【0076】
[0089]図１１の回路および図１１Ａの対応するスイッチングパターンは、広範囲で急速に変化する負荷インピーダンスへの高速電力制御を扱うことができる、電力増幅器を提供することができる。スイッチング角度βおよびスイッチング周波数ｆｓｗの制御が、負荷リアクタンスおよび抵抗値の広い範囲に必要な制御ハンドルを提供する。また、たとえば図９の手法と同様の手法を使用して、提案された電力増幅器システムの多重出力版を実現できることも理解されたい。
【0077】
[0090]さらに、他の電力増幅器のトポロジが、かかるスイッチングネットワーク／制御可能転換ネットワークおよびそれに関連する制御部と統合されてもよいことが理解されよう。たとえば、図１２は、多重出力を提供する選択肢を含む、電圧モードＤ級の構成をベースとして実現された回路１２００を示している。図１２Ａは、図１２の回路で使用され得るスイッチングパターン１２２０を示している。
【0078】
[0091]本明細書で使用されている用語「プロセッサ」および「コントローラ」は、機能、動作、または一連の動作を実行する電子回路を説明するために使用される。機能、動作、または一連の動作は、電子回路にハードコーディングされるか、またはメモリデバイスに保持されている命令によってソフトコーディングされる場合もある。機能、動作、または一連の動作は、デジタル値を使用して、またはアナログ信号を使用して実行され得る。プロセッサまたはコントローラは、いくつかの実施形態では、アナログＡＳＩＣもしくはデジタルＡＳＩＣであり得る特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、関連するプログラムメモリを備えたマイクロプロセッサ、および／またはアナログもしくはデジタルであり得る個別の電子回路で具現化され得る。プロセッサまたはコントローラは、機能、動作、または一連の動作の一部を実行する、内部プロセッサまたはモジュールを内蔵することができる。モジュールは、同様に、モジュールの機能、機能、動作、または一連の動作の一部を実行する、内部プロセッサまたは内部モジュールを内蔵することができる。
【0079】
[0092]本明細書で使用されている用語「予め設定された」は、値または信号を指す場合、製造時に工場で、またはその後に外部手段、たとえばプログラミングによって設定または固定される値または信号を指すために使用される。本明細書で使用されている用語「所定の」は、値または信号を指す場合、製造後、動作中に回路によって特定される値または信号を指すために使用される。
【0080】
[0093]本明細書の図に示されている電子回路は、アナログブロックまたはデジタルブロックの形で示されている場合があるが、アナログブロックは、同じまたは同様の機能を実行するデジタルブロックで置き換えられ得、デジタルブロックは、同じまたは同様の機能を実行するアナログブロックに置き換えられ得ることが理解されよう。アナログからデジタルへの変換またはデジタルからアナログへの変換は、図に明示的に示されていない場合があるが、理解されたい。
【0081】
[0094]前述の詳細な説明において、様々な機能が、本開示を合理化する目的で、１つまたは複数の個々の実施形態にまとめられている。この開示方法は、各請求項が、そこに明示的に列挙されているものよりも多くの機能を必要とするという意図を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、開示されている各実施形態のすべてよりも少ない機能で、発明の態様が存在する場合がある。
【0082】
[0095]本開示における「一実施形態」、「実施形態」、「いくつかの実施形態」、またはかかる句の変形への言及は、説明されている実施形態が、特定の機能、構造、または特性を有することができ、すべての実施形態が、特定の機能、構造、または特性を有することができることを示している。さらに、かかる句は、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らない。さらに、特定の機能、構造、または特性が、明示的に説明されているかどうかに関わらず、他の実施形態に関連するかかる機能、構造、または特性に影響を与えるように、本発明の属する分野の技術者の知識に関連して説明されている場合。
【0083】
[0096]開示された主題は、その適用において、以下の説明に記載されたか、または図面に示された、構成の詳細および構成要素の配置に限定されるものではない。開示された主題は、他の実施形態が可能であり、および様々なやり方で実践され、実行され得る。したがって、本発明の属する分野の技術者は、この開示が基づく概念が、開示されている主題の複数の目的を実行するために、他の構造、方法、およびシステムの設計の基礎として、容易に利用されてもよいことを理解されよう。したがって、特許請求の範囲は、開示された主題の精神および範囲から逸脱しない限り、かかる同等の構造物を含むものとみなされるべきである。
【0084】
[0097]開示されている主題は、前述の例示的な実施形態において説明され、例示されてきたが、本開示は、ただ単に例として著わされており、開示されている主題の実施態様の詳細において、多くの変更が、開示されている主題の精神および範囲から逸脱することなく、行われてもよいことを理解されたい。
【0085】
[0098]本明細書で引用されたすべての刊行物および参考文献は、その全体が参照により本明細書に明示的に組み入れられる。
【図1】
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図4A】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図11A】
【図12】
【図12A】
【手続補正書】
【提出日】2024-08-05
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図1】
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図4A】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図11A】
【図12】
【図12A】
【手続補正書】
【提出日】2024-08-06
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図1】
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図4A】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図11A】
【図12】
【図12A】
【国際調査報告】