JP4979996B2 - 放電判定機能を有する増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、エキシマランプ等の放電負荷が、放電したか否かを判定する機能を有する増幅器に関するものである。

例えば、エキシマランプのように、増幅器５０から供給される高周波電力によって放電が生じる負荷２（以下、放電負荷２という）がある。このような放電負荷２は、正常時には、増幅器５０から高周波電力が供給されると放電する。しかし、増幅器５０から高周波電力が供給されていても放電しない場合がある。放電しない場合には、電力供給を停止させる等の異常処理を行う必要があるので、増幅器５０から高周波電力が供給された後に、放電負荷２が放電したか否かを判定する必要がある。

ところで、増幅器５０から高周波電力が放電負荷２に供給されて、放電負荷２において放電が生じると、放電負荷２の入力端には、増幅器５０から出力する高周波の周波数よりも高い高調波成分（例えば、第３調波以上）が、放電前に比べて多く表れることが知られている。そこで、従来では、図４のような構成で、放電したか否かを判定していた。

図４は、従来の放電判定を行うための増幅器５０等の構成を示すブロック図である。この図４を参照して、従来の放電判定の仕組みを説明する。

従来では、下記の（１）〜（４）のようにして放電判定を行っていた。
（１）増幅器５０から高周波電力が放電負荷２に供給されているときに、放電負荷２の入力端における電圧を電圧検出部５１によって検出する。
（２）電圧検出部５１によって検出した電圧をハイパスフィルタ５２に入力させることによって高調波成分（例えば、第３調波以上）を抽出する。
（３）ハイパスフィルタ５２の出力を整流部５３によって整流し、整流後の電圧を放電判定部５４に入力する。
（４）放電判定部５４では、予め定められた基準電圧と比較することによって、負荷の放電判定を行う。前述したように、放電が生じると、例えば、第３調波以上の高調波成分が、放電前に比べて多くなる。そのために、放電判定部５４に入力された電圧が、基準電圧よりも大きいときに放電したと判定できる。また、反対に放電判定部５４に入力された電圧が、基準電圧以下であれば、放電がされていないと判定できる。

特開平７−３２６４９０号公報

前述したように、従来では、負荷の入力端において検出した電圧に基づいて、放電判定をしていた。しかし、負荷の入力端では、高電圧、高電流になる場合が多いので、それに耐え得る検出器にする必要がある。そのために、検出器が大型化するとともに、高価なものとなっていた。

本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、上記のような大型で高価な検出器を必要とせずに、放電判定を可能とする増幅器を提供することを目的としている。

第１の発明は、負荷に高周波電力を供給する増幅器において、
直流電圧供給手段と、
可変周波数で正弦波状の交流信号を出力する正弦波信号発生手段と、
前記正弦波信号発生手段から出力する信号を、スイッチングに適した信号に変換して出力する信号変換手段と、
前記信号変換手段から出力された信号を用いて、前記直流電圧供給手段から出力する直流電圧を矩形波状の交流電圧に変換して出力するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段の後段に接続されたトランスと、
前記スイッチ手段と前記トランスとの間に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記スイッチ手段の出力電圧に相当する前記正弦波信号発生手段の出力信号と前記電流検出手段によって検出した電流との位相差が、予め定めた位相差になるように、前記スイッチ手段の出力周波数を制御する周波数制御手段と、
前記スイッチ手段の出力周波数に相当する前記正弦波信号発生手段の出力信号の周波数または前記周波数制御手段から出力する目標周波数と、予め定められた周波数とを比較することによって、負荷が放電したか否かを判定する放電判定手段と、
を備えたものである。

第２の発明は、前記放電判定手段に関するものである。この放電判定手段は、前記スイッチ手段の出力周波数または前記スイッチ手段の出力周波数に相当する周波数が、予め定められた基準周波数よりも低くなったときに放電したと判定するものである。

第３の発明は、前記正弦波信号発生手段を、ＤＤＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）にしたものである。

本発明によれば、増幅器内部で検出可能な情報に基づいて放電判定が可能となる。そのために、従来のように、負荷の入力端における電圧を検出するような大型の検出器を必要としない。しかも、増幅器の構成に、少し追加するだけで、放電負荷２の放電判定が可能になる。

また、前記正弦波信号発生手段を、ＤＤＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）にすれば、ディジタル制御によって、可変範囲内で任意の周波数を出力することができるので、制御が容易になる。

以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかる増幅器１の概略構成図である。
図１に示すように、増幅器１は、直流電源部１１、スイッチ部１２、電流検出手部１３、トランス１４、インダクタ１５、正弦波信号発生部１６、信号変換部１７、位相差検出部１８、周波数制御部１９、放電判定部２０から構成されており、増幅器１の出力を放電負荷２に供給するようになっている。

なお、直流電源部１１は、本発明の直流電圧供給手段の一例であり、スイッチ部１２は、本発明のスイッチ手段の一例であり、電流検出手部１３は、本発明の電流検出手段の一例であり、トランス１４は、本発明のトランスの一例であり、インダクタ１５は、本発明のインダクタの一例であり、正弦波信号発生部１６は、本発明の正弦波信号発生手段の一例であり、信号変換部１７は、本発明の信号変換手段の一例であり、周波数制御部１９は、本発明の周波数制御手段の一例であり、放電判定部２０は、放電判定手段の一例である。

放電負荷２は、前述したように、放電を伴う負荷である。このような放電負荷２の場合、通常は、容量性の電気的特性になるという特性がある。すなわち、図示は省略するが、等価回路として表すと、放電負荷２はコンデンサの成分を含んでいるということである。なお、本明細書では、コンデンサの成分を容量成分と表現する。また、等価回路として表すと、放電負荷２は抵抗成分も有する。

直流電源部１１は、直流電力をスイッチ部１２に供給するためのものである。

スイッチ部１２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子をスイッチ素子として用い、信号変換部１７から出力するスイッチ信号に基づいて、スイッチ素子をスイッチングさせることによって、直流電源部１１から供給される直流電圧を矩形波状の信号として出力するものである。さらに詳細には、スイッチ部１２は、信号変換部１７から出力された第１スイッチ信号Ｖ１によってスイッチングする少なくとも１つのスイッチ素子と、第２スイッチ信号Ｖ２によってスイッチングする少なくとも１つのスイッチ素子とを有し、第１スイッチ信号Ｖ１および第２スイッチ信号Ｖ２に基づいて、これらのスイッチ素子を交互にスイッチングさせ、直流電源部１１から出力する直流電圧を矩形波状の交流電圧Ｖｉｎｖに変換して出力するものである。

図２は、直流電源部１１およびスイッチ部１２の回路構成例である。
この図２において、直流電源部１１の出力電圧は、直流電圧Ｖｄｃで表している。また、スイッチ部１２は、第１スイッチ素子Ｓ１〜第４スイッチ素子Ｓ４、および第１スイッチ素子Ｓ１〜第４スイッチ素子Ｓ４にそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ４によって構成されている。

また、第１スイッチ素子Ｓ１〜第４スイッチ素子Ｓ４は、信号変換部１７から出力される第１スイッチ信号Ｖ１および第２スイッチ信号Ｖ２によってスイッチングされる。このようなスイッチ部１２は、公知であるため、その動作説明は省略する。なお、スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる場合は、スイッチ素子に並列に接続されたダイオードをＭＯＳＦＥＴのボディダイオードで代用することができる。

再度、図１を参照して説明する。
トランス１４は、負荷との絶縁およびインピーダンス変換を行うものである。

電流検出手部１３は、スイッチ部１２とトランス１４との間に流れる電流Ｉｉｎｖを検出するものである。この電流検出手部１３には、例えば、カレントトランスを用いることができる。

インダクタ１５は、前述した放電負荷２の容量成分と対となって共振回路を構成する。この共振回路によって、スイッチ部１２から出力された矩形波状の信号を正弦波状の信号に変換することができる。

正弦波信号発生部１６は、可変周波数で正弦波状の交流信号（以下、正弦波信号という）を出力するものであり、本発明では、正弦波信号発生部１６は、ＤＤＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）と呼ばれるものを用いている。このＤＤＳは、ディジタル制御によって、可変範囲内で任意の周波数の正弦波信号を出力することができるものである。よって、制御が容易であるという利点がある。

信号変換部１７は、正弦波信号発生部１６から出力する正弦波信号を正方向の信号と負方向の信号に分け、それぞれに対して正方向の矩形波状の信号に変換し、正方向の信号に対応する第１スイッチ信号Ｖ１および負方向の信号に対応する第２スイッチ信号Ｖ２として出力するものである。すなわち、正弦波信号発生部１６から出力する正弦波信号をスイッチングに適した信号に変換することができる。

位相差検出部１８は、正弦波信号発生部１６から出力された正弦波信号および電流検出手部１３によって検出した電流Ｉｉｎｖを入力とし、正弦波信号に対する電流Ｉｉｎｖの位相差を求めて出力するものである。

周波数制御部１９は、位相差検出部１８から出力された位相差が、予め定めた目標位相差になるように、正弦波信号発生部１６から出力する正弦波信号の周波数を制御するものであり、上記のＤＤＳに対応したものである。
なお、正弦波信号発生部１６から出力する正弦波信号によって、スイッチ部１２の出力周波数が定まるので、周波数制御部１９は、スイッチ部１２の出力周波数を制御していることになる。
また、位相差検出部１８から出力された位相差が、予め定めた目標位相差になるための周波数を目標周波数としたときに、周波数制御部１９は、後述する放電判定部２０に対して目標周波数を出力する機能を有する。

このような増幅器においては、スイッチング損失を低減させるために、スイッチ部１２の出力電圧Ｖｉｎｖと、スイッチ部１２とトランス１４との間に流れる電流Ｉｉｎｖとの位相差を可能な限り小さくさせる必要がある。
なお、電流位相が電圧位相に対して進み位相になると、望ましくない動作になるために、実用上は、電圧位相に対する電流位相は、少し遅れ気味になった方が好ましい。そのために、電圧および電流を検出する必要があるが、図１に示した例では、スイッチ部１２の出力電圧Ｖｉｎｖの代わりに、この出力電圧Ｖｉｎｖと同じ周波数の正弦波信号を用いている。このようにすることで、スイッチ部１２の出力電圧Ｖｉｎｖを検出しなくても、電圧と電流との位相差を最適に制御することが可能となり、高効率の増幅器を実現することができる。また、図１のように、周波数制御部１９によって正弦波信号発生部１６から出力する正弦波信号の周波数を制御する際には、スイッチ部１２、電流検出手部１３、信号処理等で発生する遅延時間を考慮すればよい。また、もちろん、スイッチ部１２の出力電圧Ｖｉｎｖを検出する検出器を設けてもよい。

次に放電判定を行うための放電判定部２０について説明する。

放電負荷２において放電が生じると、放電前に比べて、負荷の容量成分が増加する傾向がある。また、共振回路の共振周波数をｆ、インダクタ１５のインダクタンスをＬ、放電負荷２の容量成分のキャパシタンスをＣで表すと、共振周波数ｆは、式（１）で表される。
ｆ＝１／（２π・√（Ｌ・Ｃ）） ・・・・・・・・・・（１）

そのために、負荷の容量成分が増加した場合、この容量成分およびインダクタ１５によって構成される共振回路の共振周波数が低くなる。そのために、放電前に比べて低い周波数において、電圧と電流との位相差が予め定めた目標位相差となるように制御する必要が生じる。
この場合、放電に伴って電圧と電流の状態が変化するので、電圧と電流との位相差も変化することになる。そのため、周波数制御部１９によって、電圧と電流との位相差が予め定めた目標位相差になるように、正弦波信号発生部１６が制御される。

ところで、前述したように、目標位相差は、可能な限り小さいか、電圧位相に対する電流位相が少し遅れ気味になっている程度である。すなわち、電圧と電流との位相差が予め定めた目標位相差になるということは、ほぼ共振周波数になるということである。
したがって、放電負荷２において放電が生じると、正弦波信号発生部１６から出力される正弦波信号の周波数が低くなるように制御される。そのために、スイッチ部１２の出力周波数も、放電前に比べて低くなる。本発明では、この現象を利用して放電判定を行う。具体的には、下記の（１）〜（２）のようにして放電判定を行う。

（１）周波数制御部１９が、放電判定部２０に対して目標周波数を出力する。
（２）放電判定部２０が、目標周波数と予め定めた基準周波数とを比較する。前述したように、放電負荷２において放電が生じると、放電前に比べて、正弦波信号発生部１６から出力する正弦波信号の周波数が低くなる。そのために、適切な基準周波数を予め実験等によって求めておけば、負荷が放電したか否かを判定することができる。すなわち、目標周波数が、基準周波数よりも低くなったときに放電したと判定できる。また、反対に目標周波数が、基準周波数以上であれば、放電がされていないと判定できる。

なお、図３に示すように、正弦波信号発生部１６に、正弦波信号の周波数を出力する機能を持たせ、周波数制御部１９が、放電判定部２０に対して目標周波数を出力する代わりに、正弦波信号発生部１６から出力する正弦波信号の周波数を、放電判定部２０に対して出力するようにしてもよい。そして、放電判定部２０が、正弦波信号発生部１６から出力された正弦波信号の周波数と予め定めた基準周波数とを比較することによっても、上記と同様に放電判定を行うことができる。すなわち、正弦波信号の周波数が、基準周波数よりも低くなったときに放電したと判定できる。また、反対に正弦波信号の周波数が、基準周波数以上であれば、放電がされていないと判定できる。

また、これまでの説明から分かるように、スイッチ部１２の出力電圧Ｖｉｎｖと電流Ｉｉｎｖとの位相差が、予め定めた目標位相差になるように、正弦波信号発生部１６から出力する正弦波信号の周波数を制御する際には、正弦波信号発生部１６の出力信号（正弦波信号）を、スイッチ部１２の出力電圧に相当するものと見なすことができる。

また、スイッチ部１２の出力周波数と、予め定められた周波数とを比較することによって、負荷が放電したか否かを判定する際には、正弦波信号発生部１６から出力する正弦波信号の周波数および周波数制御部１９から出力する目標周波数を、スイッチ部１２の出力周波数に相当するものと見なすことができる。

前述したように増幅器を構成すると、従来のように、負荷の入力端における電圧を検出するような大型化の検出器を必要とせず、増幅器の構成に少し追加するだけで、放電負荷２の放電判定が可能になる。

もちろん、この発明の範囲は前述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、前述した実施の形態では、増幅器を構成する回路として、フルブリッジ方式の増幅回路例を示したが、ハーフブリッジ方式の増幅回路等にも適用できる。

図１は、本発明の実施形態にかかる増幅器１の概略構成図である。 図２は、直流電源部１１およびスイッチ部１２の回路構成例である。 図３は、本発明の他の実施形態にかかる増幅器１の概略構成図である。 図４は、従来の放電判定を行うための増幅器５０等の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 本発明の実施形態にかかる増幅器
２ 負荷
１１ 直流電源部
１２ スイッチ部
１３ 電流検出部
１４ トランス
１５ インダクタ
１６ 正弦波信号発生部
１７ 信号変換部
１８ 位相差検出部
１９ 周波数制御部
２０ 放電判定部

Claims (3)

1. 負荷に高周波電力を供給する増幅器において、
   直流電圧供給手段と、
   可変周波数で正弦波状の交流信号を出力する正弦波信号発生手段と、
   前記正弦波信号発生手段から出力する信号を、スイッチングに適した信号に変換して出力する信号変換手段と、
   前記信号変換手段から出力された信号を用いて、前記直流電圧供給手段から出力する直流電圧を矩形波状の交流電圧に変換して出力するスイッチ手段と、
   前記スイッチ手段の後段に接続されたトランスと、
   前記スイッチ手段と前記トランスとの間に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記スイッチ手段の出力電圧に相当する前記正弦波信号発生手段の出力信号と前記電流検出手段によって検出した電流との位相差が、予め定めた位相差になるように、前記スイッチ手段の出力周波数を制御する周波数制御手段と、
   前記スイッチ手段の出力周波数に相当する前記正弦波信号発生手段の出力信号の周波数または前記周波数制御手段から出力する目標周波数と、予め定められた周波数とを比較することによって、負荷が放電したか否かを判定する放電判定手段と、
   を備えた放電判定機能を有する増幅器。
2. 前記放電判定手段は、前記スイッチ手段の出力周波数または前記スイッチ手段の出力周波数に相当する周波数が、予め定められた基準周波数よりも低くなったときに放電したと判定する請求項１に記載の放電判定機能を有する増幅器。
3. 前記正弦波信号発生手段は、ＤＤＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）である請求項１又は２に記載の放電判定機能を有する増幅器。

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