Untersuchungen von Leistungsverstärkern für hochdynamische Plasmalasten - Maier, Florian,Ambacher, Oliver (Universität, 2021)
Abstract: Aus der modernen Hochtechnologie sind vergütete, beschichtete und strukturierte Oberflächen nicht wegzudenken. Funktionsbeschichtungen auf Architektur- und Brillengläsern dienen der Ver- oder Entspiegelung, Flachdisplays und Halbleiter bestehen aus einer großen Anzahl unterschiedlichster, fein strukturierter Schichten und selbst optische und magnetische Speichermedien benötigen präzise gefertigte Oberflächenbeschichtungen. Für die Prozessierung dienen industrielle Bearbeitungsplasmen, bei denen die physikalischen und chemischen Eigenschaften ionisierter inerter oder reaktiver Gase oder Gasgemische genutzt werden, um Werkstücke zu bearbeiten. Die für die Anregung der Plasmen benötigte Energie liefern häufig Hochfrequenzgeneratoren mit Arbeitsfrequenzen zwischen 1 und 160 MHz und Ausgangsleistungen von einigen hundert Watt bis zu hundert Kilowatt. Für diese Generatoren stellen Plasmen hochgradig nichtlineare und mit der eingekoppelten Leistung stark variierende Lasten dar. Sowohl vorhersagbare als auch stochastische Prozesse innerhalb der Plasmalast führen dazu, dass Stehwellenverhältnisse von bis zu 1:100 auftreten, an denen der Betrieb des Generators zerstörungsfrei möglich sein muss. Erstmals wurde in dieser Arbeit nachgewiesen, dass bei der Verwendung von mehreren Anregungsfrequenzen für den höherfrequenten Generator transiente, periodisch modulierte Impedanzverläufe auftreten, deren Periodizität der niederfrequenteren Anregungsfrequenz entspricht und Reflexionsfaktoren von mehr als |r| = 0.8 annehmen kann. Die Interaktion einer solchen variablen Last mit der Leistungscharakteristik des im Ausgang des Generators befindlichen Verstärkers birgt die Gefahr von instabilem Verhalten des Gesamtsystems. Dies stellt an den Leistungsverstärker völlig neue Anforderungen, die sich stark von denen der klassischen Hochfrequenztechnik unterscheiden und bislang in der Literatur keine Beachtung finden. Es wird aufgezeigt, dass es für die Stabilität des Gesamtsystems unerlässlich ist, eine Überhöhung der Ausgangsleistung abseits der Nennimpedanz – wie sie die meisten Verstärkertopologien aufweisen – zu vermeiden. Das Konzept des balancierten Verstärkers verspricht diesbezüglich ein ideales Verhalten, da dieser eine Signalquelle mit definierter Quellenimpedanz darstellen soll. Diese Arbeit zeigt jedoch erstmalig, dass sich das für den Betrieb von Plasmaprozessen wesentliche lastwinkelunabhängige Leistungsprofil keineswegs bedingungslos ausbildet, sondern von Designparametern und Betriebsfällen des balancierten Verstärkers abhängt. Die grundsätzlichen Randbedingungen und Ursachen für nicht-ideales Verhalten werden erstmalig offenbart und die bislang nicht bekannten Anforderungen für das Design von Verstärkern für hochdynamische Lastfälle erarbeitet. Für die Auslegung von Verstärkern unter Berücksichtigung dieser strengen Anforderungen sind exakte Informationen über die verwendeten Leistungshalbleiter notwendig, deren Ausgangsleistung bis zu 2000 Watt beträgt. Messplätze zur Charakterisierung von Bauteilen im betrachteten Frequenz- und Leistungsbereich existierten bislang nicht. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb damit ein aktives, multiharmonisches Open-Loop-Load-Pull-System zu konzipieren, zu entwickeln und zu verifizieren, das es ermöglicht Bauteilparameter in diesen Betriebsfällen mit der benötigten Präzision und Leistung zu Erfassen. Die instantane Bandbreite des realisierten Messplatzes beträgt 500 MHz, sodass multiharmonische Messungen mit beliebigen Fundamentalfequenzen bis 160 MHz und einer Leistung von bis zu 300 Watt ohne Rekalibration möglich sind. %Eine Erweiterung des Leistungsbereichs ist durch entsprechende Dimensionierung der Komponenten erzielbar. Aus den aktuellen Entwicklungen im Bereich der AlGaN/GaN-on-Si-Technologie gehen Leistungsbauteile hervor, die einen Betrieb im für Plasmaanwendungen benötigten Arbeitsbereich erlauben, jedoch hierfür bislang mangels entsprechender Messmethoden nicht untersucht wurden. In dieser Arbeit wird dies zum Anlass genommen entsprechende Bauteile erstmals im entsprechenden Arbeitsbereich zu charakterisieren, Leistungsverstärker (300 Watt bei 10,1 MHz und 100 Watt bei 40,68 MHz) auf deren Basis zu entwickeln und mit dem Stand der Technik auf Basis der Si-LDMOS-Technik zu vergleichen. Sowohl kommerziell erhältliche Bauteile der 50-Volt-Klasse (Durchbruchspannung U_br ca. 150 Volt), wie auch Entwicklungsmuster neuartiger Hochvolt-Transistoren mit U_br ca. 600 Volt kommen zum Einsatz. Diese Analyse offenbart Vor- und Nachteile dieser vielversprechenden Technologie. Eine Einschätzung über den aktuellen technischen Stand sowie die Definition von Zielen für die weitere Entwicklung bilden den Abschluss der Arbeit Abstract: Coated and structured surfaces are essential to modern high technology. Functional coatings on architectural glass and lenses are used to create selective mirrors and anti-reflective properties. Flat-panel displays and semiconductors feature a large number of finely structured layers with largely differing materials and functions. Even optical and magnetic data storage media need precisely engineered and manufactured surface coatings. For the treatment of the workpieces, industrial-scale plasma processes are being used, making use of the special physical and chemical properties of ionized inert and reactive gases or gas mixtures. Radio-Frequency generators, with operating frequencies between 1 and 160 MHz and output powers between several hundred watts and up to 100 kW, are often used to supply the energy needed for plasma excitation. The plasma represents a highly non-linear load for the generator, which varies strongly with the supplied power level. Both predictable and stochastic processes within the plasma load lead to short-term and sometimes permanent voltage standing wave ratios (VSWR) of up to 1:100 at the generator output. The operation under these conditions must be possible without damaging or destroying the generator or any other part of the system. In this work it has been proven for the first time that, when using two excitation frequencies, the generator with the higher operating frequency is presented with a transient, periodically modulated impedance trajectory. Its periodicity is corresponding to the lower operating frequency and the reflection coefficient can reach values of more than |r| = 0.8. The interaction of such a load with the characteristic power profile of the amplifier at the output of the generator involves the danger of unstable behavior of the plasma system. This creates whole new requirements for the power amplifier, which strongly differ from traditional high frequency applications and therefore were not covered in literature before. It is demonstrated that, for guaranteeing stability of the complete system, it is vital to avoid peaking of the output power beyond the nominal impedance point, which most power amplifier topologies show. The balanced amplifier concept promises ideal behavior on this account, because it ought to be representing a signal source with defined impedance. This work proves for the first time, though, that the load angle independent behavior of the power profile – which is essential for the operation of plasma processes – by no means forms unconditionally but is dependent on design parameters and operating conditions of the balanced amplifier. The basic boundary conditions and reasons for non-ideal behavior are revealed, and previously unknown requirements for the design of amplifiers for highly dynamic loads are elaborated. To engineer amplifiers under consideration of these tight requirements, precise information of the power devices is needed, which can provide output power levels of up to 2000 Watt. Measurement setups to characterize devices in the considered frequency and power range did not exist up to now. Therefore in this work a concept for an active, multiharmonic open-loop-load-pull-system is created, developed and verified, which allows for deriving device parameters in these operating conditions with the needed precision and power level. The instantaneous bandwidth of the realized setup is 1 to 500 MHz, making it possible to have multiharmonic measurements with an arbitrary fundamental frequency of up to 160 MHz and power levels of up to 300 W, without the need for recalibration when changing the operation points. The current developments in the area of AlGaN/GaN-on-Si-technology result in power devices which are suitable for operation in the working conditions needed for plasma applications. However, they have not been examined in this area before, because of the lack of appropriate measurement methods. This work takes this as an opportunity to characterize according devices for the first time in the corresponding working conditions, to develop two power amplifiers (300 W at 10.1 MHz and 100 W at 40.68 MHz) based on these devices and to compare them with the state-of-the-art based on the Si-LDMOS-technology. Commercially available devices of the 50-V-class (breakdown voltage U_br approx. 150 V) as well as development samples of novel high-voltage transistors with U_br approx. 600 V are being used. This analysis reveals advantages and disadvantages of this promising technology. An assessment of the current state of technology and the definition of targets for future developments conclude this work
10.6094/UNIFR/193627
Keywords: Load-pull; Radio frequency; RF; Power amplifier; Balanced amplifier; Balancierter Verstärker; Characterization; (local)doctoralThesis; Plasma; Galliumnitrid; Hochfrequenztechnik; Fehlanpassung; Hochfrequenz; Verstärker; Impedanz; Charakterisierung