JP4597886B2 - プラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路に関し、より詳しくは、負荷端でのプラズマ工程中に、負荷の異常現象であるアークが発生した時、アーク状態に対する微分要素である出力端リアクタの電圧を用いて、迅速にアークの発生を検知し、整流部の出力端であるＣ−Ｌフィルタに瞬間的に上昇したアークエネルギーを効果的に放電消耗させることを可能にするプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路に関する。

プラズマ電源装置は、物質の第４の状態と呼ばれるプラズマの発生及び保持のための電源装置として、その応用範囲は極めて多岐にわたっている。例えば、半導体工程等においては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ）、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、コーティング、スパッタリング、金属の窒化処理、炭化結晶成長、ダイヤモンド合成等の各種の処理に用いられている。

このようなプラズマ用電源装置では、負荷での特性上、ショートのような異常状態であるアーク現象が頻繁に発生する。この際、電源装置では、アーク状態を迅速に検知して、出力を遮断させる必要がある。これは、過度のアーク電流によるアークエネルギーが負荷端に流入されると、応用負荷の特性と品質を低下させる要因として作用するからである。

従来のプラズマ用電源装置は、図１に示すように、外部から交流電源が印加されると、ブリッジダイオードＢＤで整流され、コンデンサＣで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ１０と、インバータ１０の出力端に接続され、垂下特性を維持する交流リアクタＬｒと、インバータ１０からの高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧する変圧器２０と、整流部３０とを備えている。整流部３０は、変圧器２０にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する整流器３１と、整流器３１から出力された電圧を該整流器３１に並列接続されたコンデンサＣ１に蓄積し、その蓄積された電圧を直列接続されたリアクタＬから負荷端に出力するＣ−Ｌフィルタ３２とで構成されている。このようなプラズマ電源装置は、特に、製品の表面処理のための工程に電力を供給する装置として用いられている。

プラズマ用電源装置の重要な性能としては、表面処理中にアークが発生した場合、そのアークエネルギーを最小化することである。これは、上述したように、過度のアークエネルギーは、表面処理の均一性を低下させて、品質を悪くするからである。

このような状況下で、アーク状態を迅速に検知するための方法が研究されており、一般的な従来のアーク検知方法としては、図１のＣ−Ｌフィルタ３２でコンデンサＣ１の電圧を測定し、コンデンサＣ１の電圧が特定値よりも小さいとき、アークと判断する方式と、リアクタＬの後端の出力電圧と電流を測定して、電圧が特定値以下となるか、または電流が特定値以上となるとき、アークと判断する方式とが用いられている。

しかしながら、上述したような従来のアーク検知方式は、各素子が有するタイムディレーと、アーク発生によるリアクタ電圧の勾配とによって、時間遅延が発生するため、迅速なアーク検知が困難であり、過度のアークエネルギーの負荷端への流入を迅速に遮断することができず、応用負荷の特性と品質を低下させるという問題点があった。

また、上述したアーク検知以外にも、アークの発生時、電源装置で発生したアークエネルギーの伝達を迅速に遮断するための方法が多く研究されているが、アークの検知後、前記インバータ１０のスイッチングをオフしても、整流部３０のＣ−Ｌフィルタ３２に蓄積されていたエネルギーが負荷端にそのままアークエネルギーとして伝達されるという問題があった。

このような問題を解決するために、大きなコンデンサＣ１とリアクタＬを有するプラズマ用電源装置では、出力側にスイッチング半導体素子を用いて、エネルギーの伝達を防止するという方法もあるが、アークの状態及び負荷の変化時、出力側に過度の電流と電圧が発生するため、スイッチング半導体素子の使用は、他のシステムの信頼性低下を引き起こすといった問題がある。

上述したような従来のプラズマ用電源装置の使用中、負荷端からアークが発生した場合、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２でのコンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーのリアクタＬへの転移区間の動作をみると、リアクタＬでは、コンデンサＣ１に蓄積された電圧が印加されると、電流が瞬間的に上昇するようになり、この上昇した電流が大きい場合、負荷装置に悪影響を及ぼすこととなる。

この際、前記コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーは、一部が負荷端に伝達されることもあるが、殆どリアクタＬに転移される。
また、リアクタＬに蓄積されたエネルギーの負荷端（例えば、プラズマ発生部）（図示せず）への転移区間の動作をみると、上昇した電流は、負荷端の小さなインピーダンスにより、逆バイアスとなり徐々に減少するようになる。

この際、負荷端に伝達されるエネルギーは、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２のコンデンサＣとリアクタＬに蓄積されたエネルギーであるＣＶ^２／２とＬＩ^２／２である。
上述したように、負荷端からアークが発生した場合、インバータ１０の出力を理想的に遮断するようにしても、Ｃ−Ｌフィルタ３２に蓄積されたエネルギーは負荷端にそのまま伝達される。従って、過度のアークエネルギーが発生する問題点は依然として解消されていない。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、負荷の異常現象であるアークを検知するにあたって、リアクタの補助巻線から誘導された電流の微分値によって、電圧が増加する並列抵抗の電圧測定を行って、迅速にアーク発生を検出することにより、アーク検出による時間遅延の問題を解決し、リアクタ出力端に設置された放電回路を通じて、整流部の出力端であるＣ−Ｌフィルタに瞬間的に上昇したアークエネルギーが効果的に放電消耗されるようにするプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を提供することを目的とする。

また、プラズマ発生のための電力を供給するプラズマ電源装置を構成するにあたって、負荷端でのアーク発生時、整流部の出力端Ｃ−Ｌフィルタに瞬間的に上昇したエネルギーのうち、一部を別途のスイッチング半導体素子を使用することなく、放電消耗させることにより、負荷端に伝達されるエネルギーを減少させて、エネルギーの瞬間的な上昇幅を抑制し、ディレー時間を短縮させて、システムの安定化を図るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を提供することを他の目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明によるプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路は、ブリッジダイオードで整流され、コンデンサで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータと、前記インバータの出力端に接続された交流リアクタと、前記高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧する変圧器と、前記変圧器の出力端に連結された整流部とを備え、前記整流部は、前記変圧器にて変圧された交流電圧出力を直流電圧に整流する整流器と、前記整流器に連結されたコンデンサ及びリアクタの組合せのＣ−Ｌフィルタとからなり、前記Ｃ−Ｌフィルタのコンデンサは、前記整流器に並列連結され、前記Ｃ−Ｌフィルタのリアクタは、前記整流器に直列連結されている。このアークエネルギー制御回路において、前記Ｃ−Ｌフィルタのリアクタは、主巻線と補助巻線に分離されており、前記補助巻線側には、前記補助巻線に接続された抵抗と、その抵抗の両端電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるとき、アークと判断するアーク検知部とが連結されており、当該プラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路が、前記主巻線の出力端に直列連結された第１のスイッチと、該第１のスイッチに並列連結され、かつ互いに並列連結された抵抗及びコンデンサと、を含む放電回路部をさらに備えることを要旨とする。

上述したような本発明のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路によれば、負荷端でのプラズマ工程中に負荷の異常現象であるアークが発生した場合、アーク状態に対する微分要素である出力端リアクタの電圧を用いて、迅速にアーク発生を検知し、整流部の出力端であるＣ−Ｌフィルタに瞬間的に上昇したアークエネルギーを効果的に放電消耗させることが可能であるので、過度のアークエネルギーの負荷端への流入を迅速に遮って、応用負荷の特性と品質の低下現象を抑制する効果がある。

また、放電回路部による効果的なアークエネルギーの放電消耗を通じて、アークエネルギーの瞬間的な上昇幅を好適に抑制し、ディレー時間を短縮させることにより、システムの安定化が一層図られる効果がある。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳しく説明する。
＜第１の実施の形態＞
図２は、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。本実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路は、インバータ１０と、交流リアクタＬｒと、変圧器２０と、整流器３１及びＣ−Ｌフィルタ３２からなる整流部３０とを備えている。このアークエネルギー制御回路において、Ｃ−Ｌフィルタ３２のリアクタＬは、主巻線１０１と補助巻線１０２に分けて構成されており、前記補助巻線１０２には、補助巻線１０２から誘導されたエネルギーを消耗させるための抵抗Ｒｃが同補助巻線１０２に対して並列に接続されているとともに、抵抗Ｒｃの両端の電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるときアークと判断するアーク検知部２００が接続されている。抵抗Ｒｃは、補助巻線１０２に対する並列抵抗として機能する。

前記インバータ１０は、ブリッジダイオードＢＤで整流され、コンデンサＣで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換して前記変圧器２０に出力する。ブリッジダイオードＢＤには、交流電源が外部の電圧源から供給される。

また、前記変圧器２０は、インバータ１０から供給された高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧して、前記整流器３０に出力する。ここで、前記インバータ１０と変圧器２０との間には、垂下特性を維持するための交流リアクタＬｒが直列接続されている。

前記整流部３０内の整流器３１は、前記変圧器２０にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する役割を果たし、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２は、前記整流器３１から出力された電圧を、同整流器３１に並列接続されたコンデンサＣ１と同整流器３１に直列接続されたリアクタＬで蓄積する。整流部３０は、そのＣ−Ｌフィルタ３２を介して、プラズマ発生のための電力を負荷端（例えば、プラズマ発生部）（図示せず）に出力する。そして、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２を介して電力（エネルギー）が供給された負荷端、すなわち、プラズマ発生部では、発生したプラズマを用いて、該当工程を行うようになる。

前記Ｃ−Ｌフィルタ３２のリアクタＬは、図２に示すように、前記負荷端でのアークの発生時、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２に蓄積されたエネルギーが一時に負荷端に急激に伝達されることを防止し、また、アークを迅速に検知するために、主巻線１０１と補助巻線１０２とに分けて構成されている。前記補助巻線１０２には、前記補助巻線１０２に接続され、前記補助巻線１０２から誘導されたエネルギーを消耗させる並列抵抗Ｒｃが接続されている。

この際、前記リアクタＬに印加される電圧ＶＬは、以下の式で表される。

前記アーク検知部２００は、前記並列抵抗Ｒｃの両端電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上である場合、アークと判断する。

以下、上記した構成を有する本実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路でのアーク検出回路の動作過程について、図２及び図３を参照して説明する。
先ず、本実施の形態に係るプラズマ発生用電源装置の動作中、負荷端にてアーク（ショート状態）が発生すると、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２のリアクタＬの両端には、コンデンサＣに蓄積された電圧が印加され、電流が急上昇するようになり、前記リアクタＬの主巻線１０１に印加される電圧が急激に増加する。

次いで、前記リアクタＬの補助巻線１０２には、図３に示すように、急上昇を示すパルス形態の電圧シグナルが誘導され、前記並列抵抗Ｒｃには、前記補助巻線１０２に誘導された電流がそのまま印加される。したがって、前記並列抵抗Ｒｃに印加される電圧が変化する。この際、前記リアクタＬの補助巻線１０２に誘導されたパルス形態の電圧シグナルは、リアクタ電圧ＶＬの電流微分値である。

したがって、前記アーク検知部２００は、前記並列抵抗Ｒｃの両端電圧を測定し、その測定電圧が、予め設定された基準値以上であることを検知すると、これをアークと判断する。

また、前記リアクタＬに印加された急上昇電流は、前記リアクタＬの補助巻線１０２から一部が誘導された後、前記並列抵抗Ｒｃにそのまま印加されることにより、Ｖ^２／Ｒ^２だけのエネルギーが抵抗で消耗されるため、前記リアクタＬでの電流の急上昇は抑制される。

したがって、本実施の形態に係るアークエネルギー制御回路によると、アーク発生時、補助巻線１０２に誘導されたリアクタ電圧の電流微分値がそのまま並列抵抗Ｒｃに印加され、電圧変化を示す並列抵抗Ｒｃの両端電圧が測定され、基準値以上である場合、アークと判断されることにより、アーク検知による遅延時間が短縮される。これによって、負荷端に伝達されるアークエネルギーを減少させるための制御動作を迅速に行うことができるようになる。

＜第２の実施の形態＞
図４は、本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。このプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路は、インバータ１０と、交流リアクタＬｒと、変圧器２０と、整流器３０及びＣ−Ｌフィルタ３２からなる整流部３０とを備え、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２のリアクタＬは、主巻線１０１と補助巻線１０２に分けて構成されている。

また、このアークエネルギー制御回路には、アーク発生時、前記主巻線１０１の出力側にオフ（短絡）される第１のスイッチＳＷ１と、この第１のスイッチＳＷ１に並列連結され、かつ互いに並列接続された抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２と、を含む放電回路部１００が備えられている。

更に、このアークエネルギー制御回路には、前記補助巻線１０２に接続された並列抵抗Ｒｃと、前記並列抵抗Ｒｃの両端電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるときアークと判断するアーク検知部２００とが備えられている。

このような本実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路において、インバータ１０と、交流リアクタＬｒと、変圧器２０と、整流器３１及びＣ−Ｌフィルタ３２からなる整流部３０との構成及び動作は、上述した本発明の第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。

以下、上記した構成を有する本実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路の動作過程について、図４及び図５を参照して説明する。
先ず、プラズマ発生用電源装置の動作中、負荷端からアークが発生すると、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２のリアクタＬの両端には、コンデンサＣ１に蓄積された電流が印加され、前記リアクタＬの主巻線１０１に印加される電圧が急激に増加する。

これによって、前記リアクタＬの補助巻線１０２に、図３に示すようなパルス形態の電圧シグナルが誘導され、前記並列抵抗Ｒｃに、前記補助巻線１０２に誘導された電流がそのまま印加され、前記並列抵抗Ｒｃに印加される電圧が増加する。この際、前記補助巻線１０２に誘導されたパルス形態の電圧シグナルは、アーク状態に対するリアクタＬ電圧の電流の微分値で検出された信号である。

以降、アーク検知部２００は、前記並列抵抗Ｒｃの両端電圧を測定し、その測定電圧が予め設定された基準値以上であることを検知すると、これをアークと判断する。このようなアーク検知信号は、制御部（図示せず）で制御され、前記インバータ１０の動作を迅速にオフさせることにより、アーク発生以降、プラズマ用電源装置に供給される電源が迅速に遮断される。

また、前記インバータ１０がオフされても、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２に蓄積されていた電流−電圧は、アークエネルギーとして負荷端にそのまま印加されるが、図４に示すようにＲ−Ｃ放電回路（Ｒ１，Ｃ２）が第１のスイッチＳＷ１と並列連結されていることにより、第１のスイッチＳＷ１が開放されると、負荷端に伝達されるアークエネルギーの一部がＲ−Ｃ放電回路を通じて放電される。その結果、負荷端のアーク電流をより迅速に減衰させることができるようになる。

以下、図４及び図５を参照して、このような放電回路部１００の動作について詳述する。
先ず、アーク発生時、動作中である第１のスイッチＳＷ１がオフされると同時に、第１のスイッチＳＷ１に流れる電流ｉ_S1がコンデンサＣ２に充電される。この際、第１のスイッチＳＷ１に流れる電流ｉ_S1は、図５に示すように、アークの発生によってコンデンサＣ１から伝達される電流により急上昇を示し、急上昇した電流ｉ_S1は、コンデンサＣ２の容量によって、一定の時間の間、充電及び放電される。そして、前記コンデンサＣ２に充電された電流が放電され、抵抗Ｒ１を通じて放電消耗される。この際、アークの発生によって、放電回路部１００を通じて消耗されるアークエネルギーＰは、Ｐ＝ｉ_S1 ^２×Ｒ１だけ放電消耗される。

なお、前記第１のスイッチＳＷ１のオン／オフ動作は、過電流または低電圧の発生時、オフされるスイッチング素子で構成されてもよいし、或いは、アーク検知部２００のアーク検出を用いた制御信号を通じてスイッチングされるように構成されてもよい。

＜第３の実施の形態＞
図６は、本発明の第３の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。このプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路は、インバータ１０と、交流リアクタＬｒと、変圧器２０と、整流器３０及びＣ−Ｌフィルタ３２からなる整流部３０とを備え、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２のリアクタＬは、主巻線１０１と補助巻線１０２に分けて構成されている。

また、このアークエネルギー制御回路には、アーク発生時、前記主巻線１０１の出力側にオフ（短絡）される第１のスイッチＳＷ２と、第１のスイッチＳＷ２に並列連結され、かつ互いに直列接続されたコンデンサＣ３、Ｃ４と、第１のスイッチＳＷ２に並列連結され、かつ互いに直列連結された抵抗Ｒ２、Ｒ３と、その一端がコンデンサＣ３、Ｃ４間のノードと抵抗Ｒ２、Ｒ３間のノードに連結されるとともに、他端が当該プラズマ電源装置のマイナス側負荷端（−）に連結され、アーク発生から予め設定された所定時間の経過後にオンされる第２のスイッチＳＷ３と、を含む放電回路部３００が備えられている。

更に、このアークエネルギー制御回路には、前記補助巻線１０２に接続された並列抵抗Ｒｃと、前記並列抵抗Ｒｃの両端電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるときアークと判断するアーク検知部２００とが備えられている。

このような本実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路において、インバータ１０と、交流リアクタＬｒと、変圧器２０と、整流器３１及びＣ−Ｌフィルタ３２からなる整流部３０と、補助巻線１０２に連結された並列抵抗Ｒｃと、アーク検知部２００との構成及び動作過程は、上述した本発明の第２の実施の形態と同様であるので省略する。本実施の形態の放電回路部３００の動作は以下のとおりである。

図７は、図６のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路のアーク発生時における、アークエネルギーの遷移状態を示す波形図であって、アーク発生時、放電回路部３００に構成された各素子の電圧−電流特性を示す。

以下、図６及び図７を参照して、前記放電回路部３００の動作について詳述する。
先ず、アークが発生すると、第１のスイッチＳＷ２が開放され、第１のスイッチＳＷ２に流れていたアーク電流は、Ｒ−Ｃ放電回路に迂回して、コンデンサＣ３、Ｃ４を充電させ、抵抗Ｒ２、Ｒ３において放電される。

前記コンデンサＣ３、Ｃ４は、Ｃ３＜Ｃ４で構成され、抵抗Ｒ２、Ｒ３は、Ｒ２＜Ｒ３で構成されている。
前記Ｒ−Ｃ放電回路に流れるアーク電流ｉ_S2は、図７に示すようなカーブを示すが、アークの発生によって、コンデンサＣ１から伝達される電流によって急上昇を示し、急上昇した電流ｉ_S2は、コンデンサＣ３、Ｃ４の容量に応じて一定の時間の間充電される。

この際、コンデンサＣ３、Ｃ４にそれぞれ充電された電圧Ｖ１，Ｖ２は、図７に示すように、充電及び放電曲線が異なるが、コンデンサＣ３、Ｃ４の時定数値に応じて、コンデンサＣ３の電圧Ｖ１が多く充電されて速く放電され、前記抵抗Ｒ２、Ｒ３を通じて一部が先に消耗される。

また、前記コンデンサＣ４に充電された電圧Ｖ２は、図７に示すように、コンデンサＣ３に充電された電圧Ｖ１よりは少なく充電されて遅く放電され、前記抵抗Ｒ２、Ｒ３を通じて放電消耗される。

この際、アークの発生によって、放電回路部３００を通じて消耗されるアークエネルギーＰは、Ｐ＝ｉ_S2 ^２×(Ｒ２＋Ｒ３)だけ消耗される。
次いで、図７に示すように、抵抗Ｒ２、Ｒ３を通じたコンデンサＣ４の蓄積電圧Ｖ２の放電消耗時、設定された一定の時間が経過した任意の時点に、第２のスイッチＳＷ３が駆動されてオンされることにより、コンデンサＣ４の放電消耗中である電圧Ｖ２がマイナス側負荷端（−）に逆電圧として印加される。その結果、アークエネルギーが完全にクリアされる。

なお、前記第１のスイッチＳＷ２のオン／オフ動作は、過電流または低電圧の発生時にオフされるスイッチング素子で構成されてもよいし、或いは、アーク検知部２００のアーク検出を用いた制御信号を通じてスイッチングされるように構成されてもよい。

また、前記第２のスイッチＳＷ３は、アーク検知部２００のアーク検出を用いた制御信号によって設定された一定の時間の経過後、動作するように切換え制御される。
＜第４の実施の形態＞
図８は、本発明の第４の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。このプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路は、インバータ１０と、交流リアクタＬｒと、変圧器２０と、整流器３１およびコンデンサＣ１，リアクタＬの組み合わせによるＣ−Ｌフィルタ３２からなる整流部３０とを備え、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２のリアクタＬは、主巻線１０１と補助巻線１０２に分けて構成されている。

また、このアークエネルギー制御回路には、前記補助巻線１０２に接続された並列抵抗Ｒｃと、その並列抵抗Ｒｃに並列連結され、かつ互いに直列連結されたリアクタＬｄ１０３と抵抗Ｒｄ１０４と単方向性のダイオード１０５と、を含む放電回路部４００が備えられている。

前記インバータ１０は、ブリッジダイオードＢＤで整流され、コンデンサＣで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換して前記変圧器２０に出力し、前記変圧器２０は、前記高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧して、整流器３０に出力する。ここで、前記インバータ１０と変圧器２０との間には、垂下特性を維持するための交流リアクタＬｒが直列接続されている。

前記整流部３０内の整流器３１は、前記変圧器２０にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する役割を果たし、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２は、前記整流器３１から出力された電圧を、同整流器３１に並列接続されたコンデンサＣ１と同整流器３１に直列接続されたリアクタＬで蓄積する。整流部３０は、そのＣ−Ｌフィルタ３２を介して、プラズマ発生のための電力を負荷端に出力する。そして、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２を介して電力（エネルギー）を供給された負荷端、すなわち、プラズマ発生部では、発生したプラズマを用いて、該当工程を行うようになる。

この際、前記放電回路部４００は、前記負荷端でのアーク発生時、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２で蓄積されたエネルギーが瞬間的に上昇し、その瞬間的に上昇したエネルギーが負荷端に急激に伝達されることを防止するために、Ｃ−Ｌフィルタ３２のリアクタＬに補助巻線１０２の電磁気誘導を用いて、伝達されるエネルギーを誘導した後、放電によって一部のエネルギーを消耗させる。

ここで、前記放電回路部４００において、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２のリアクタＬは、主巻線１０１と電磁気誘導のための補助巻線１０２に分けて構成されており、前記補助巻線１０２に連結された並列抵抗Ｒｃは、補助巻線１０２から誘導されたエネルギーを消耗させる。

なお、前記放電回路部４００では、リアクタＬｄ１０３と抵抗Ｒｄ１０４と単方向性のダイオード１０５を、半導体スイッチング素子（図示せず）と抵抗（図示せず）に代替して構成してもよい。

図９は、図８による本発明の負荷端でのアーク発生時、アークエネルギーの遷移状態を示す波形図である。
この際のアークエネルギーは、次式で表される。

以下、上記した構成を有するプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路におけるアーク低減回路の動作について、添付図面を参照して説明する。

先ず、プラズマ用電源装置の使用中、前記負荷端からアークが発生した場合、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２でのコンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーのリアクタＬへの転移区間の動作をみると、前記リアクタＬの両端には、コンデンサＣ１に蓄積された電圧が印加されて、電流が急上昇するようになり、コンデンサＣ１の電圧は減少するようになる。

この場合、従来の電源装置とは異なり、前記リアクタＬの両端の電圧は、前記放電回路部４００の補助巻線１０２から一部が誘導された後、前記並列抵抗Ｒｃにそのまま印加されることにより、Ｖ^２／Ｒ^２のエネルギーが、抵抗で消耗される。これによって、リアクタＬでの電流上昇の大きさは、図９に示すように、従来に比べて減少するようになる。

また、前記リアクタＬに蓄積されたエネルギーの負荷端への転移区間の動作をみると、上昇した電流は、インピーダンスが減少された前記補助巻線１０２を介して電磁気誘導され、前記リアクタＬに蓄積されたエネルギーは、前記補助巻線１０２、リアクタＬｄ１０３、抵抗Ｒｄ１０４、ダイオード１０５を介して一部放電されることにより、負荷端に伝達されるアークエネルギーが減少するようになる。

このような前記放電回路部４００の構成によって、アーク発生時、負荷端へ伝達されるエネルギーが減少され、図５に示すように、アークエネルギーの瞬間的な上昇幅が大きく抑制され、ディレー時間を従来に比べてさらに短縮することができる。

また、本発明は、前記補助巻線１０２出力のインピーダンスを減少させて、蓄積されたエネルギーを負荷端ではなく、補助巻線１０２にフリーホイーリング（free-wheeling）させるためのものであって、前記ダイオード１０５を用いて単方向性を付与し、放電時にのみ動作するように構成され、また、放電用の小さな抵抗を用いる。

また、抵抗のみで構成する場合、システムの電流制御性が低下するので、リアクタＬｄを直列で接続することにより、システムの電流制御性の低下を防止することができる。
＜第５の実施の形態＞
図１０は、本発明の第５の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。このアークエネルギー制御回路は、インバータ１０と、変圧器２０と、整流器３１と、コンデンサＣ及びリアクタＬで構成されたＣ−Ｌフィルタ３２からなる整流部３０とを備え、前記Ｃ−Ｌフィルタ３２のリアクタＬは、主巻線１０１と補助巻線１０２に分けて構成されている。

また、このアークエネルギー制御回路には、前記補助巻線１０２に接続された並列抵抗Ｒｃと、その並列抵抗Ｒｃと並列連結され、かつ互いに直列連結されたリアクタＬｄ１０３と抵抗Ｒｄ１０４と単方向性のダイオード１０５と、を含む放電回路部５００が備えられている。

更に、このアークエネルギー制御回路には、前記並列抵抗Ｒｃの両端電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるときアークと判断するアーク検知部２００が備えられている。

図１０に示すような本発明のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路におけるアーク検出及びアークエネルギー低減の各構成及び動作は、上述した図８に示す本発明の第４の実施の形態における構成連結及び動作原理と同様であるため、その詳細な説明は省略する。

以上、種々の実施の形態を挙げて本発明をより詳細に説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で、様々な変形が可能である。

従来のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。 図２のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路におけるアーク検知に用いられるリアクタ補助巻線に誘導されたパルス信号を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。 図４のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路のアーク発生時における、アークエネルギーの遷移状態を示す波形図である。 本発明の第３の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。 図６のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路のアーク発生時における、アークエネルギーの遷移状態を示す波形図である。 本発明の第４の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。 図８による本発明の負荷端でのアーク発生時における、アークエネルギーの遷移状態を示す波形図である。 本発明の第５の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。

符号の説明

１０ インバータ
２０ 変圧器
Ｌｒ 交流インバータ
３０ 整流部
３１ 整流器
３２ Ｃ−Ｌフィルタ
１００，３００，４００，５００ 放電回路部
１０１ 主巻線
１０２ 補助巻線
１０３ リアクタＬｄ
１０４ 抵抗Ｒｄ
１０５ ダイオード
Ｒｃ 並列抵抗
２００ アーク検知部
ＳＷ１、ＳＷ２ 第１のスイッチ
ＳＷ３ 第２のスイッチ

Claims (7)

1. ブリッジダイオードで整流され、コンデンサで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータと、前記インバータの出力端に接続された交流リアクタと、前記高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧する変圧器と、前記変圧器の出力端に連結される整流部とを備え、前記整流部が、前記変圧器にて変圧された前記交流電圧出力を直流電圧に整流する整流器と、前記整流器に連結されたコンデンサ及びリアクタの組み合わせによるＣ−Ｌフィルタとを含み、前記Ｃ−Ｌフィルタのコンデンサが前記整流器に並列連結され、前記Ｃ−Ｌフィルタのリアクタが前記整流器に直列連結されたプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路において、
   前記Ｃ−ＬフィルタのリアクタＬは、主巻線と補助巻線に分離されており、
   前記補助巻線には、前記補助巻線の両端間に接続された抵抗と、その抵抗の両端の電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるとき、アークと判断するアーク検知部とが連結されており、
   当該プラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路が、
   前記主巻線の出力端に直列連結された第１のスイッチと、該第１のスイッチに並列連結され、かつ互いに並列連結された抵抗及びコンデンサと、を含む放電回路部をさらに備えることを特徴とするプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路。
2. ブリッジダイオードで整流され、コンデンサで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータと、前記インバータの出力端に接続された交流リアクタと、前記高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧する変圧器と、前記変圧器の出力端に連結される整流部とを備え、前記整流部が、前記変圧器にて変圧された前記交流電圧出力を直流電圧に整流する整流器と、前記整流器に連結されたコンデンサ及びリアクタの組み合わせによるＣ−Ｌフィルタとを含み、前記Ｃ−Ｌフィルタのコンデンサが前記整流器に並列連結され、前記Ｃ−Ｌフィルタのリアクタが前記整流器に直列連結されたプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路において、
   前記Ｃ−ＬフィルタのリアクタＬは、主巻線と補助巻線に分離されており、
   前記補助巻線には、前記補助巻線の両端間に接続された抵抗と、その抵抗の両端の電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるとき、アークと判断するアーク検知部とが連結されており、当該プラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路は、
   前記主巻線の出力端に直列連結された第１のスイッチと、該第１のスイッチに並列連結され、かつ互いに直列連結された二つのコンデンサと、該第１のスイッチに並列連結され、かつ互いに直列連結された二つの抵抗と、その一端が前記二つの抵抗間のノードと前記二つのコンデンサ間のノードとに連結され、その他端が当該プラズマ電源装置のマイナス側負荷端に連結された第２のスイッチと、を含む放電回路部をさらに備えることを特徴とするプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路。
3. 前記第２のスイッチが、アーク発生から予め設定された所定時間の経過後にオンされることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路。
4. 前記第１のスイッチが、低電圧または過電流時にオフされることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路。
5. 前記第１のスイッチが、前記アーク検知部においてアークが発生したと判断されたことを条件にオフされることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路。
6. ブリッジダイオードで整流され、コンデンサで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータと、前記インバータの出力端に接続された交流リアクタと、前記高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧する変圧器と、前記変圧器の出力端に連結される整流部とを備え、前記整流部が、前記変圧器にて変圧された前記交流電圧出力を直流電圧に整流する整流器と、前記整流器に連結されたコンデンサ及びリアクタの組み合わせによるＣ−Ｌフィルタとを含み、前記Ｃ−Ｌフィルタのコンデンサが前記整流器に並列連結され、前記Ｃ−Ｌフィルタのリアクタが前記整流器に直列連結されたプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路において、
   前記Ｃ−ＬフィルタのリアクタＬは、主巻線と補助巻線に分離されており、
   前記補助巻線には、前記補助巻線の両端間に接続された抵抗と、その抵抗の両端の電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるとき、アークと判断するアーク検知部とが連結されており、当該プラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路は、
   前記補助巻線の両端間に接続された前記抵抗と、該抵抗に並列連結され、かつ互いに直列連結されたリアクタと抵抗と単方向性のダイオードと、を含む放電回路部をさらに備えることを特徴とするプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路。
7. 前記互いに直列連結されたリアクタと抵抗と単方向性のダイオードを、半導体スイッチング素子と抵抗に代替して構成したことを特徴とする請求項６に記載のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路。

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