JP2006006053A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時の動作を安定させることができる直流電源装置を提供すること。
【解決手段】直流電源装置１０は、主スイッチ素子１２の断続により得られる直流電圧パルスをチョークコイル１３に印加させると共に主スイッチ素子１２のＯＦＦ時にチョークコイル１３の電流をダイオード１４で環流させるチョッパ回路１０Ａと、４つの第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなるフルブリッジ回路を有し且つチョッパ回路１０Ａのチョークコイル１３から出力される直流電圧パルスを交流電圧に変換して出力するインバータ部２０と、インバータ部２０から出力される交流電圧を直流電圧に変換してプラズマ発生装置１に印加する電圧変換回路１０Ｂを備えている。しかも、起動時にはインバータ部２０を作動させた後にチョッパ回路１０Ａから出力される直流電圧パルスのパルス幅を徐々に広げるコントローラ４０を設けている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えばプラズマ発生装置等の負荷に使用される直流電源装置に関する。

一般に、スパッタリング装置に使用されるプラズマ発生用電源には、アーク発生時に過大な電流を流さないような特性が要求される。また、アークが発生した場合に高速にアークを消弧する必要がある。

このような電源に電圧型電源を使用した場合は、出力に大きなコンデンサが接続されることが多く、出力にアークが発生すると、このコンデンサからの放電電流が流れる。

また、アークの発生により出力電圧が低下した場合は、電圧を一定の値に維持しようとし、さらに出力を出すように動作する。このため、アーク発生時に過電流が流れたり、アークが長時間続いたりして負荷に悪影響を及ぼす虞がある。

以上の問題点を解消するため、電源として動作し、出力過度時の電流制御のし易いインバータ回路を用いた直流電源装置が知られている（特許文献１参照）。

かかる直流電源装置は、通常、入力平滑回路（入力平滑部）、インバータ回路（インバータ部）、トランス、出力整流平滑回路（出力整流平滑部）を備えている。このインバータ回路は、４つの第１〜第４スイッチング素子からなるフルブリッジ回路を形成するとともに、第１，第４スイッチング素子と第２，第３スイッチング素子とを交互にＯＮ・ＯＦＦすることにより直流電圧を交流電圧に変換する。この交流電圧はトランスで昇圧され、この昇圧された交流電圧は整流回路により整流されて直流電圧として出力される。
特開２００４−４０９６２号公報

ところで、上述した直流電源装置においては、インバータ部のスイッチング素子駆動パルスの幅を可変とすることにより出力を所定の値に制御している。一方、この直流電源装置においては、出力電圧範囲は数Ｖから数百Ｖ（プラズマ起動時には１０００Ｖ以上）が必要であることから、制御範囲が広く前記駆動パルスの幅を大きく可変する必要があり、負荷状態により出力リプルが大きく変化することになる。

また、この直流電源装置は電流型であるために、起動・停止時に低電流用リアクトルに蓄えられた（または蓄えるべき）エネルギーを適切に処理するための特別な動作が必要である。

この直流電源装置の負荷をプラズマ発生装置とした場合、負荷でのアークが頻繁に発生することから、上記の起動・停止の動作も頻繁に発生し、高速な起動・停止が困難であったり動作が不安定になったりすることがある。

そこで、この発明の目的は、起動時の動作が安定な直流電源装置を提供することにある。

また、この発明の他の目的は、負荷の高速な起動・停止を行うことができる直流電源装置を提供することにある。

この目的を達成するため、請求項１の発明は、主スイッチ素子の断続により得られる直流電圧パルスをインダクタに印加させると共に前記主スイッチ素子のＯＦＦ時にインダクタ電流をダイオードで環流させるチョッパ回路と、４つの第１〜第４スイッチング素子からなるフルブリッジ回路を有し且つ前記チョッパ回路の前記インダクタから出力される直流電圧パルスを交流電圧に変換して出力するインバータと、前記インバータから出力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷に印加する電圧変換回路を備える直流電源装置であって、起動時には前記インバータを作動させた後に前記チョッパ回路から出力される前記直流電圧パルスのパルス幅を徐々に広げる制御回路を設けたことを特徴とする。

また、請求項２の発明の直流電源装置の前記制御回路は、停止時に前記チョッパ回路の動作を停止させることを特徴とする。

更に、請求項３の発明の直流電源装置の前記制御回路は、停止時に前記４つの第１〜第４スイッチング素子の全てをＯＮさせることを特徴とする。

また、請求項４の発明の直流電源装置の前記制御回路は、起動時には前記インバータを作動させた後に前記チョッパ回路から出力される前記直流電圧パルスのパルス幅を徐々に広げる一方、停止時に前記チョッパ回路の動作を停止させると共に前記４つの第１〜第４スイッチング素子の全てをＯＮさせることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、起動時の直流電源装置及び負荷の動作を安定させることができる。また、請求項２〜４の発明によれば、負荷の高速な起動・停止を行うことができる

以下、この発明に係る直流電源装置の実施例を図面に基づいて説明する。

［第１実施例］
図１はプラズマ発生装置１に使用される直流電源装置１０の構成を示した回路図である。この直流電源装置１０は、整流回路１１，チョッパ（チョッパ回路）１０Ａ，インバータ２０，電圧変換回路１０Ｂを有する。この電圧変換回路１０Ｂはトランス１５，整流回路３０を有する。

図１において、整流回路１１は、三相交流の交流電圧を全波整流して平滑するようになっている。この整流回路１１は６つのダイオードＤ１〜Ｄ６とコンデンサＣ１とから構成されている。

また、チョッパ（チョッパ回路）１０Ａは、主スイッチ素子１２，チョークコイル（インダクタ）１３，ダイオード１４を備えていて、電流源として機能する電流型降圧チョッパを構成している。

そして、スイッチ素子１２は、整流回路１１の出力電圧（直流電圧）を断続することにより、直流電圧パルスを出力する。チョークコイル１３は、主スイッチ素子１２からの断続した直流電圧パルスを受けて電流源として動作する。また、ダイオード１４は、主スイッチ素子１２のＯＦＦ時にチョークコイル１３へ電流（インダクタ電流）を流すことにより、電流を還流させるようになっている。

なお、ここではチョッパ１０Ａは、電流型降圧チョッパを構成しているが、必ずしもこれに限るものではなく、昇圧チョッパ（昇圧チョッパ回路）や昇降圧チョッパ（昇降圧チョッパ回路）を構成するものでもよい。

２０は主スイッチ素子１２から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータであり、このインバータ２０は４つの第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなるフルブリッジ回路を形成している。すなわち、直列接続された第１，第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、直列接続された第３，第４スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４とが並列接続されている。

１５はトランスであり、このトランス１５の一次側にはインバータ２０から出力される交流電圧が入力される。トランス１５の二次側には整流回路３０が接続されている。

整流回路３０は、トランス１５の二次側から出力される交流電圧を整流する４つのダイオードＤ７〜Ｄ１０と、整流された電圧を平滑する平滑コンデンサ３１と、チョークコイル３２とから構成されている。

４０は主スイッチ素子１２の断続とインバータ２０の第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ・ＯＦＦを制御するコントローラであり、このコントローラ４０は図示しない操作部の入力に応じて主スイッチ素子１２および第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ・ＯＦＦタイミングを制御する。
［動 作］
次に、上記のように構成される直流電源装置１０の動作を図２に示すタイムチャートを参照しながら説明する。
（１）起動時
コントローラ４０は、先ず直流電源装置１０の起動時にインバータ部２０を制御して、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３は交互にＯＮ・ＯＦＦ制御する。

この後、コントローラ４０は、チョッパ１０Ａの主スイッチ素子１２から出力される直流電圧パルスの幅を徐々に広げ、インバータ部２０へ大電流が流れないように制御する。
（２）出力電圧が低い場合のコントローラ４０による制御動作
また、コントローラ４０は、図示しない操作部を操作して例えば出力電圧を「低」に設定すると、図２（Ａ）に示すように主スイッチ素子１２をＴ１周期毎にＴ２期間だけＯＮさせる。

このようにすることで、スイッチ素子１２がＯＮ・ＯＦＦし、このＯＮ・ＯＦＦによりチョークコイル１３へ断続した直流電圧パルスが印加される。また、これに伴い、ダイオード１４は、主スイッチ素子１２のＯＦＦ時にチョークコイル１３へ電流（インダクタ電流）を流すことにより、電流を還流させるようになっている。この結果、チョッパ１０Ａの出力電圧は、図２（Ａ）に示すようにＶａとなって、インバータ２０に印加される。

他方、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３はコントローラ４０により交互にＯＮ・ＯＦＦが繰り返されていき、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３はコントローラ４０によりそれぞれＴａ周期毎にＴｂ期間だけＯＮされていく。

しかも、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３とが同時にＯＮしている期間、すなわちオーバラップしている期間Ｔｃに設定されている。このオーバラップしている期間Ｔｃは非常に短く設定されている。

なお、降圧チョッパは電流型で動作するので、インバータ２０は常に電流経路が形成されるように制御される。

また、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３とが交互にＯＮ・ＯＦＦされることにより、インバータ２０から周期Ｔｓの交流電圧が出力されてトランス１５の一次側に入力される。そして、トランス１５の二次側に交流電圧が出力される。

ところで、主スイッチ素子１２がＯＮしている期間Ｔ２が短いことにより、インバータ２０に入力される直流電圧は低いものとなる。すなわち、降圧チョッパにより、整流回路１１から出力される直流電圧は低い電圧に降圧される。

このため、トランス１５の一次側に入力される交流電圧は低く、トランス１５の二次側に出力される交流電圧は低い。この結果、整流回路３０から出力される直流の出力電圧は低いものとなる。
（３）出力電圧が高い場合のコントローラ４０による制御動作
コントローラ４０は、出力電圧が「高」に設定されると、図２（Ｂ）に示すように主スイッチ素子１２がＴ１周期毎にＴ３（Ｔ３＞＞Ｔ２）期間だけＯＮされように制御する。この際も、チョッパ１０Ａの主スイッチ素子１２から出力される直流電圧パルスの幅を徐々に広げて、最終的に主スイッチ素子１２がＴ１周期毎にＴ３期間だけＯＮされように制御すると良い。

このようにすることで、スイッチ素子１２がＯＮ・ＯＦＦし、このＯＮ・ＯＦＦによりチョークコイル１３へ断続した直流電圧パルスが印加される。

また、これに伴い、ダイオード１４は、主スイッチ素子１２のＯＦＦ時にチョークコイル１３へ電流（インダクタ電流）を流すことにより、電流を還流させるようになっている。この結果、チョッパ１０Ａの出力電圧は、図２（Ｂ）に示すようにＶｂ（Ｖｂ＞＞Ｖａ）となって、インバータ２０に印加される。

そして、図２（Ｂ）に示すように、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３は、コントローラ４０によりそれぞれＴａ周期毎にＴｂ期間だけＯＮされていく。

しかも、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３とが同時にＯＮしている期間、すなわちオーバラップしている期間がＴｃとなるように各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ・ＯＦＦがコントローラ４０により制御される。

そして、このようにインバータ２０のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３とが交互にＯＮ・ＯＦＦされることにより、インバータ２０から周期Ｔｓの交流電圧が出力されてトランス１５の一次側に入力される。そして、トランス１５の二次側に交流電圧が出力される。

ここで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の制御条件は出力電圧の大小に拘わらず常に一定であると共に、主スイッチ素子１２のＯＮしている期間Ｔ３は上述した出力電圧が低いの場合の期間Ｔ２よりも充分に大きく、チョッパ１０Ａの出力電圧Ｖｂも出力電圧が低いの場合の出力電圧Ｖａよりも充分に大きいので、インバータ２０からトランス１５の一次側に入力される周期Ｔｓの交流電圧も大きくなる。

この結果、トランス１５の二次側から出力される交流電圧は、図２（Ａ）の場合に比較して大きくなり、整流回路３０から出力される直流の出力電圧は図２（Ａ）より高くなる。すなわち、整流回路３０の出力電圧は「高」となる。

このようにチョッパ１０Ａのスイッチ素子１２から出力される直流電圧パルスの幅を広げるだけで、インバータ部２０に大電流を流すことなく、直流電源装置１０はスムーズな動作をすることができる。

また、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３とが同時にＯＮしているオーバラップ期間を制御して、トランス１５の昇圧量を変えるようにしたものであるから、トランス１５の巻数比を大きくしなくても、トランス１５の二次側の出力電圧を大きくすることができる。このため、トランス１５の巻数比を小さく、すなわち最適なものにすることができ、直流電源装置１０の低電圧出力時にトランス１５の一次側に流れる電流を小さくすることができる。

このため、トランス１５の一次側に接続されるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４等の素子の容量は小さくて済み、安価な直流電源装置１０を提供することができる。

なお、図２（Ａ），（Ｂ）でも、オーバラップ期間が発生してインバータ２０は昇圧型として動作するが、そのオーバラップ期間が短いことにより、その影響は僅かである。
（４）直流電源装置１０の停止操作１
また、コントローラ４０は、図示しない操作部の操作でＯＦＦされると、チョッパ１０の主スイッチ素子１２の直流電圧パルスの出力を停止させる。この場合、インバータ部２０は動作したままである。尚、チョークコイル１３に蓄積されたエネルギーが放出されるまでは負荷に電力が出力されるが、非常に短いので、動作の安定性には問題が生ぜず、プラズマ発生装置（スパッタリング装置）１の動作を直ちに停止させることができる。

この場合、インバータ部２０が動作しているので、チョッパ１０Ａの主スイッチ素子１２の直流電圧パルスの出力を開始させれば、迅速にプラズマ発生装置１を動作制御することができる。
（５）直流電源装置１０の停止操作２
しかし、直流電源装置１０は、アーク発生時に負荷であるプラズマ発生装置１への影響を極力小さくするために急速に停止させる必要がある。これを行うためには、チョッパ１０Ａが動作した状態で、インバータ部２０のトランジスタＱ１〜Ｑ４を全てＯＮさせればよい。このときチョッパ（降圧チョッパ）１０Ａは定電流動作をしているためインバータ部２０へ過電流が流れることはない。

また、チョッパ１０Ａが動作しているので、インバータ部２０の制御を開始することで、プラズマ発生装置１の再起動も迅速且つ安定した状態で実行できる。
（６）直流電源装置１０の停止操作３
このようにチョッパ（降圧チョッパ）１０ＡをＯＦＦにするか、又はインバータ部２０のトランジスタＱ１〜Ｑ４を全てＯＮにするかによって、プラズマ発生装置１の高速な動作制御が可能となる。

しかし、チョッパ（降圧チョッパ）１０ＡをＯＦＦにすると共に、インバータ部２０のトランジスタＱ１〜Ｑ４を全てＯＮにするようにしても、プラズマ発生装置（スパッタリング装置）１の動作を直ちに停止させることができる。

また、インバータ部２０の制御を開始させた後、チョッパ１０Ａを動作制御することで、プラズマ発生装置１の再起動も迅速且つ安定した状態で実行できる。

これにより、高速な動作が可能となりプラズマ発生装置（スパッタリング装置）１に使用されるプラズマ発生用電源として最適なものが実現できる。
[変形例１]
以上説明した実施例では、チョッパ１０Ａを電流型降圧チョッパとした例を示したが、チョッパ１０Ａを図３に示したような反転チョッパ１０Ａ１とすることもできる。

この反転チョッパ１０Ａ１は、スイッチ素子１２と、スイッチ素子１２の出力側とダイオード１４の入力側との間に介装されたダイオード１４Ａと、スイッチ素子１２の出力側とダイオード１４の出力側及びチョークコイル１３に接続されたチョークコイル１３Ａを有する。

この構成ではスイッチ素子１２の出力に対してインバータ部２０の出力が上述した実施例と逆になるのみで、作用は上述した実施例と実質的に同じである。従って、この構成でもコントローラ４０は上述した実施例と同様な制御を行うように設定できる。
[変形例２]
また、チョッパ１０Ａは電流型降圧チョッパを構成しているが、必ずしもこれに限るものではなく、図４に示したような昇圧チョッパ（昇圧チョッパ回路）１０Ａ２としても良い。

この昇圧チョッパ１０Ａ２は、整流回路１１の出力側とインバータ部２０の入力側との間に直列に接続されたスイッチ素子１２，チョークコイル１３Ｂ，ダイオード１４Ｂ，チョークコイル１３を有すると共に、チョークコイル１３Ｂとダイオード１４の入力側の間に接続されたスイッチ素子１２Ａを有する。

この構成でもコントローラ４０は上述した実施例と同様な制御を行うように設定できる。

以上説明したように、この発明の実施の形態の直流電源装置１０は、主スイッチ素子１２の断続により得られる直流電圧パルスをインダクタ（チョークコイル１３）に印加させると共に前記主スイッチ素子１２のＯＦＦ時にインダクタ（チョークコイル１３）電流をダイオード１４で環流させるチョッパ回路（１０Ａ，１０Ａ１，１０Ａ２）と、４つの第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなるフルブリッジ回路を有し且つ前記チョッパ回路（１０Ａ，１０Ａ１，１０Ａ２）の前記インダクタ（チョークコイル１３）から出力される直流電圧パルスを交流電圧に変換して出力するインバータ（インバータ部２０）と、前記インバータ（インバータ部２０）から出力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷（プラズマ発生装置１）に印加する電圧変換回路１０Ｂを備えている。

しかも、起動時には前記インバータ（インバータ部２０）を作動させた後に前記チョッパ回路（１０Ａ，１０Ａ１，１０Ａ２）から出力される前記直流電圧パルスのパルス幅を徐々に広げる制御回路（コントローラ４０）を設けている。

この構成によれば、起動時における直流電源装置１０及び負荷の動作を安定させることができる。

また、起動時には前記インバータ（インバータ部２０）を作動させた後に前記チョッパ回路（１０Ａ，１０Ａ１，１０Ａ２）から出力される前記直流電圧パルスのパルス幅を徐々に広げる一方、停止時に前記チョッパ回路（１０Ａ，１０Ａ１，１０Ａ２）の動作を停止させる制御回路（コントローラ４０）を設けている。

この構成によれば、チョッパ回路（１０Ａ，１０Ａ１，１０Ａ２）の動作制御により負荷の高速な起動・停止を行うことができると共に、起動時における直流電源装置１０及び負荷の動作を安定させることができる。

また、この発明の実施の形態の直流電源装置１０は、起動時には前記インバータ（インバータ部２０）を作動させた後に前記チョッパ回路（１０Ａ，１０Ａ１，１０Ａ２）から出力される前記直流電圧パルスのパルス幅を徐々に広げる一方、停止時に前記チョッパ回路（１０Ａ，１０Ａ１，１０Ａ２）の動作を停止させると共に前記４つの第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の全てをＯＮさせる制御回路（コントローラ４０）を設けている。

この構成によれば、第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の制御により負荷の高速な起動・停止を行うことができると共に、起動時における直流電源装置１０及び負荷の動作を安定させることができる。

更に、この発明の実施の形態の直流電源装置１０は、起動時には前記インバータ（インバータ部２０）を作動させた後に前記チョッパ回路（１０Ａ，１０Ａ１，１０Ａ２）から出力される前記直流電圧パルスのパルス幅を徐々に広げる一方、停止時に前記チョッパ回路（１０Ａ，１０Ａ１，１０Ａ２）の動作を停止させると共に前記４つの第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の全てをＯＮさせる制御回路（コントローラ４０）を設けている。

この構成によれば、チョッパ回路（１０Ａ，１０Ａ１，１０Ａ２）の動作制御及び第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の動作制御により負荷の高速な起動・停止を行うことができると共に、起動時における直流電源装置１０及び負荷の動作を安定させることができる。

この発明に係る直流電源装置の構成を示した回路図である。 直流電源装置の動作を示したタイムチャートである。 この発明の直流電源装置の変形例を示した回路図である。 この発明の直流電源装置の更に他の変形例を示した回路図である。

符号の説明

１…プラズマ発生装置（負荷）
１０…直流電源装置
１２…主スイッチ素子
１３…チョークコイル（インダクタ）
１４…ダイオード
１０Ａ…チョッパ回路
１０Ａ１…チョッパ回路
１０Ａ２…チョッパ回路
Ｑ１〜Ｑ４…スイッチング素子
２０…インバータ部（インバータ）
１０Ｂ…電圧変換回路
４０…コントローラ（制御回路）

Claims (4)

1. 主スイッチ素子の断続により得られる直流電圧パルスをインダクタに印加させると共に前記主スイッチ素子のＯＦＦ時にインダクタ電流をダイオードで環流させるチョッパ回路と、４つの第１〜第４スイッチング素子からなるフルブリッジ回路を有し且つ前記チョッパ回路の前記インダクタから出力される直流電圧パルスを交流電圧に変換して出力するインバータと、前記インバータから出力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷に印加する電圧変換回路を備える直流電源装置であって、
   起動時には前記インバータを作動させた後に前記チョッパ回路から出力される前記直流電圧パルスのパルス幅を徐々に広げる制御回路を設けたことを特徴とする直流電源装置。
2. 前記制御回路は停止時に前記チョッパ回路の動作を停止させることを特徴とする直流電源装置。
3. 前記制御回路は停止時に前記４つの第１〜第４スイッチング素子の全てをＯＮさせることを特徴とする直流電源装置。
4. 前記制御回路は起動時には前記インバータを作動させた後に前記チョッパ回路から出力される前記直流電圧パルスのパルス幅を徐々に広げる一方、停止時に前記チョッパ回路の動作を停止させると共に前記４つの第１〜第４スイッチング素子の全てをＯＮさせることを特徴とする直流電源装置。
   

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