JP5253718B2 - 放電判定機能を有する増幅器 - Google Patents
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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３のような構成で、放電したか否かを判定していた。
図３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３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。
（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。
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、
直流電力を供給する電源であって、出力端から直流電圧を出力する直流電力供給手段と、
前記直流電力供給手段から出力する直流電圧を交流電圧に変換して出力するスイッチ手段と、
前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間に設けられて、前記直流電力供給手段の出力電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間に設けられて、前記直流電力供給手段の出力電流を検出する直流電流検出手段と、
負荷の抵抗分の増減に伴って変化する前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間の箇所における抵抗値を、前記直流電圧検出手段で検出した電圧を前記直流電流検出手段で検出した電流で除算することによって演算する抵抗値演算手段と、
前記抵抗値演算手段によって演算された抵抗値と予め定められた抵抗値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。
直流電力を供給する電源であって、出力端から直流電圧を出力する直流電力供給手段と、
前記直流電力供給手段から出力する直流電圧を交流電圧に変換して出力するスイッチ手段と、
前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間に設けられて、前記直流電力供給手段の出力電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間に設けられて、前記直流電力供給手段の出力電流を検出する直流電流検出手段と、
負荷の抵抗分の増減に伴って変化する前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間の箇所における抵抗値を、前記直流電圧検出手段で検出した電圧を前記直流電流検出手段で検出した電流で除算することによって演算する抵抗値演算手段と、
前記抵抗値演算手段によって演算された抵抗値と予め定められた抵抗値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、負荷に高周波電力を供給する増幅器において、
直流電力を供給する電源であって、出力端から直流電圧を出力する直流電力供給手段と、
前記直流電力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、
前記トランスと前記負荷との間に設けられたインダクタと、
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中間電流検出手段と、
前記スイッチ手段の出力電圧と前記中間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、
前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間に設けられて、前記直流電力供給手段の出力電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間に設けられて、前記
直流電力供給手段の出力電流を検出する直流電流検出手段と、
負荷の抵抗分の増減に伴って変化する前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間の箇所における抵抗値を、前記直流電圧検出手段で検出した電圧を前記直流電流検出手段で検出した電流で除算することによって演算する抵抗値演算手段と、
前記抵抗値演算手段によって演算された抵抗値と予め定められた抵抗値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。
直流電力を供給する電源であって、出力端から直流電圧を出力する直流電力供給手段と、
前記直流電力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、
前記トランスと前記負荷との間に設けられたインダクタと、
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中間電流検出手段と、
前記スイッチ手段の出力電圧と前記中間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、
前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間に設けられて、前記直流電力供給手段の出力電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間に設けられて、前記
直流電力供給手段の出力電流を検出する直流電流検出手段と、
負荷の抵抗分の増減に伴って変化する前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間の箇所における抵抗値を、前記直流電圧検出手段で検出した電圧を前記直流電流検出手段で検出した電流で除算することによって演算する抵抗値演算手段と、
前記抵抗値演算手段によって演算された抵抗値と予め定められた抵抗値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３の発明は、前記放電判定手段に関するものである。この前記放電判定手段は、前記抵抗値演算手段によって演算された抵抗値が、予め定められた抵抗値よりも大きいときに放電したと判定するものである。
本発明によれば、増幅器内部の電圧と電流に基づいて放電判定が可能となる。この電圧と電流は、電圧値や電流値が低いので、検出がし易い。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、直流電圧検出手段および直流電流検出手段は、電力制御を行うためや、素子の保護のために、増幅器に既に設けられていることが多い。そのために、既にある部品をそのまま本発明でも利用することができる場合もある。したがって、従来よりも検出器の構成を簡略化できる。
しかも、直流電圧検出手段および直流電流検出手段は、電力制御を行うためや、素子の保護のために、増幅器に既に設けられていることが多い。そのために、既にある部品をそのまま本発明でも利用することができる場合もある。したがって、従来よりも検出器の構成を簡略化できる。
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、中間電流検出部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、直流電圧検出部２１、直流電流検出部２２、抵抗演算部２３、放電判定部２４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。
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、中間電流検出部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、直流電圧検出部２１、直流電流検出部２２、抵抗演算部２３、放電判定部２４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、本発明の直流電力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、中間電流検出部１３は、本発明の中間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、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、直流電圧検出部２１は、直流電圧検出手段の一例であり、直流電流検出部２２は、直流電流検出手段の一例であり、抵抗演算部２３は、抵抗値演算手段の一例であり、放電判定部２４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。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。なお、図１に示した直流電圧検出部２１、直流電流検出部２２等の図示は省略している。
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。
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。
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。
中間電流検出部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。この中間電流検出部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のコンデンサ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の出力信号および中間電流検出部１３によって検出した電流Ｉｉｎｖを入力とし、正弦波信号発生部１６の出力信号に対する中間電流検出部１３によって検出した電流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、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の出力電圧の代わりに、この出力電圧Ｖｉｎｖと同じ周波数の正弦波信号発生手段の出力信号を用いている。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から出力する信号の周波数を制御する際には、スイッチ部１２、中間電流検出部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。
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の出力電圧の代わりに、この出力電圧Ｖｉｎｖと同じ周波数の正弦波信号発生手段の出力信号を用いている。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から出力する信号の周波数を制御する際には、スイッチ部１２、中間電流検出部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、直流電圧検出部２１、直流電流検出部２２、抵抗演算部２３、放電判定部２４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、負荷の抵抗分が増加する傾向がある。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）抵抗演算部２３が、直流電圧検出部２１で検出した直流電圧Ｖｄｃおよび直流電流検出部２２で検出した直流電流Ｉｄｃに基づいて抵抗値Ｒｄｃを求める。なお、抵抗値Ｒｄｃは、式（１）によって求めることができる。
Ｒｄｃ＝Ｖｄｃ／Ｉｄｃ ・・・・・・・（１）
（２）放電判定部２４が、抵抗演算部２３で求めた抵抗値Ｒｄｃと予め定めた基準抵抗値とを比較する。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、負荷の抵抗分が増加する傾向がある。そのために、抵抗演算部２３で求めた抵抗値Ｒｄｃが、基準抵抗値よりも大きいときに放電したと判定できる。また、反対に抵抗演算部２３で求めた抵抗値Ｒｄｃが、基準抵抗値以下であれば、放電がされていないと判定できる。
Ｒｄｃ＝Ｖｄｃ／Ｉｄｃ ・・・・・・・（１）
（２）放電判定部２４が、抵抗演算部２３で求めた抵抗値Ｒｄｃと予め定めた基準抵抗値とを比較する。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、負荷の抵抗分が増加する傾向がある。そのために、抵抗演算部２３で求めた抵抗値Ｒｄｃが、基準抵抗値よりも大きいときに放電したと判定できる。また、反対に抵抗演算部２３で求めた抵抗値Ｒｄｃが、基準抵抗値以下であれば、放電がされていないと判定できる。
したがって、適切な基準抵抗値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。
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。
しかも、直流電源部１１の出力電圧を検出する直流電圧検出部２１と出力電流を検出する直流電流検出部２２は、電力制御を行うため、素子の保護のために既に設けられていることが多い。そのために、既にある部品をそのまま本発明でも利用することができる場合もある。
しかも、直流電源部１１の出力電圧を検出する直流電圧検出部２１と出力電流を検出する直流電流検出部２２は、電力制御を行うため、素子の保護のために既に設けられていることが多い。そのために、既にある部品をそのまま本発明でも利用することができる場合もある。
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。
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 中間電流検出部
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
２１ 直流電圧検出部
２２ 直流電流検出部
２３ 抵抗演算部
２４ 放電判定部
２ 負荷
１１ 直流電源部
１２ スイッチ部
１３ 中間電流検出部
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
２１ 直流電圧検出部
２２ 直流電流検出部
２３ 抵抗演算部
２４ 放電判定部
Claims (3)
- 負荷に高周波電力を供給する増幅器において、
直流電力を供給する電源であって、出力端から直流電圧を出力する直流電力供給手段と、
前記直流電力供給手段から出力する直流電圧を交流電圧に変換して出力するスイッチ手段と、
前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間に設けられて、前記直流電力供給手段の出力電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間に設けられて、前記直流電力供給手段の出力電流を検出する直流電流検出手段と、
負荷の抵抗分の増減に伴って変化する前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間の箇所における抵抗値を、前記直流電圧検出手段で検出した電圧を前記直流電流検出手段で検出した電流で除算することによって演算する抵抗値演算手段と、
前記抵抗値演算手段によって演算された抵抗値と予め定められた抵抗値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。 - 負荷に高周波電力を供給する増幅器において、
直流電力を供給する電源であって、出力端から直流電圧を出力する直流電力供給手段と、
前記直流電力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、
前記トランスと前記負荷との間に設けられたインダクタと、
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中間電流検出手段と、
前記スイッチ手段の出力電圧と前記中間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、
前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間に設けられて、前記直流電力供給手段の出力電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間に設けられて、前記直流電力供給手段の出力電流を検出する直流電流検出手段と、
負荷の抵抗分の増減に伴って変化する前記直流電力供給手段と前記スイッチ手段との間の箇所における抵抗値を、前記直流電圧検出手段で検出した電圧を前記直流電流検出手段で検出した電流で除算することによって演算する抵抗値演算手段と、
前記抵抗値演算手段によって演算された抵抗値と予め定められた抵抗値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。 - 前記放電判定手段は、前記抵抗値演算手段によって演算された抵抗値が、予め定められた抵抗値よりも大きいときに放電したと判定する請求項１または２に記載の放電判定機能を有する増幅器。
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