[发明专利]可变电压发生器电路、电容器和方法

说明书

描述了一种可变电压发生器电路，用于从基本恒定的电源电压V_S产生用于具有可变介电常数电介质的可变功率电容器(1)的可变高压控制电压V_C。控制电压发生器电路包括：充电电路(10)，用于将输入电容器(12)上的电压V_Cin至少保持在电源电压V_S；以及，双向DC‑DC转换器电路(20)，其具有由控制输入信号(27)控制的可变电压转换因子G。双向DC‑DC转换器(20)用于以电压转换因子G在输入电容器电压V_Cin和输出电压V_C之间进行电压转换。当V_CG×V_Cin时，DC‑DC转换器电路(20)使用存储在输入电容器(12)中的电荷对电容性负载(1)充电。当V_CG×V_Cin时，DC‑DC转换器电路(20)使用存储在负载电容(1)中的电荷对输入电容器(12)充电。

技术领域

本发明涉及高压、快速可变直流电压源领域。特别但非排他地，本发明涉及向呈现电容性负载但耗能很小或无耗能的装置提供快速动态高压DC控制电压的领域。

背景技术

国际申请WO2016034241A1描述了一种非常快速的可变功率电容器，其可用于提供高动态RF电源，例如，用于等离子蚀刻或沉积的等离子室可能需要的高动态RF电源。可变功率电容器包括具有可变介电常数的顺电介电材料，其介电常数可通过在介电材料上施加大电场或大DC电压而改变。为此目的提供了控制电极。通过改变控制电极上的电压，可以非常快速和精确地改变可变电容器的电容。这又允许射频(RF)电源对等离子处理室的高响应阻抗匹配，这又改善了等离子过程(例如蚀刻或沉积处理)的控制和特征分辨率。

已经确定，在实现快速可变功率电容器的益处时，所施加的DC电压应该有利地能够在高电压(例如大于1kV，大于3kV或大于5kV)和低电压(例如0V)之间非常快地(例如在10ms内，或1ms或100ps，或10ps或更小的时间里)变化，即以高达10⁵V/s或更高，或10⁶V/s或更高，或10⁷V/s或更大，或10⁸V/s或更大的速率变化。控制电极和它们之间的电介质形成用于所施加的DC电压的负载电容，因此控制电压源应该优选地能够在这么短的时间内在整个电压范围内(例如从0V到5kV，反之亦然)对负载电容充电或放电。

类似地，压电致动器可用于诸如高速切换的应用中。如果施加的驱动电压可以足够快地变化，则可以实现10000g或更大的加速度。为此，驱动器电压可能需要在非常短的时间(例如1ms或更短，或0.1ms或更短，或0.01ms或更短)内在大电压范围(例如1kV或更高)内进行改变。

例如由压电致动器或由上述可变功率电容器的控制电极之间的电介质提供的电容性负载的电容可以是10pF到100nF的量级，或者大于100nF。当充电/放电时间非常短时，在大电压范围内对这种电容性负载进行充电和放电是不容易的任务。控制电压发生器电路中的任何有损元件进一步加剧了该问题。在诸如用于等离子体产生的快速可变电容器或上述压电致动器的应用中，有利的是不仅能够非常快速地改变输出电压，而且还能够以高精度进行这种改变。

由此确定了，所需要的是快速可变高电压源，该快速可变高电压源可以从基本稳定的输入电压产生快速变化的输出电压，但不会影响精度和效率。

现有技术