JP5476294B2 - 高周波加熱装置のための電源 - Google Patents
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Description
本発明は、高周波加熱装置のための電源に関する。
本明細書では、「ＲＦエネルギ」という用語をＬＦからマイクロ波までを包含的に含むスペクトルのあらゆる部分における電磁エネルギに対して用いる。
熱又は何らかの他の望ましい効果を生成するためにＲＦエネルギを材料に印加することは、家庭及び工業処理の両方で公知の技術である。
図１は、マイクロ波発生器を含む公知の家庭用マイクロ波オーブン１００の一般的な構成を示している。マイクロ波オーブン１００では、マグネトロン１１が変圧器Ｔ１を通じて電力供給され、変圧器Ｔ１の２次巻線１２１の第１の端部は、コンデンサＣ１を通じてマグネトロン１１のカソード１１１に接続され、変圧器Ｔ１の２次巻線１２１の第２の端部は、マグネトロン１１のアノード１１２に接続される。マグネトロンのアノード１１２は、通常は接地される。マグネトロン１１のカソードとアノードの間には、ダイオードＤ１が接続される。単相の主電圧が、スイッチＳ１を通じて変圧器Ｔ１の１次巻線１２３に印加される。図１の第１の電圧プロット１０１の時間Ｔ1と時間Ｔ2の間の単相主電源の正の半サイクルでは、コンデンサＣ１は、変圧器Ｔ１の２次巻線から出力される正の最大電圧に実質的に等しい＋Ｖｐｋまで充電される。図１の第１のプロット１０２の時間Ｔ0と時間Ｔ1の間及び時間Ｔ2と時間Ｔ3の間の単相主電源の負の半サイクルでは、Ｃ１上のコンデンサ電圧と最大値−Ｖｐｋを有する２次巻線からの負の電圧とが加算されて最大値−Ｖｋを有する可変電圧が生じ、それによって最大値Ｉｐｋ及び平均値Ｉｍｅａｎを有するプロット１０３に示すマグネトロン内への可変電流の流れが生じる。この可変電流は、刈り込まれた半正弦波であり、通常、約３の平均電流Ｉｍｅａｎに対するピーク電流Ｉｐｋの比を有する。
熱又は何らかの他の望ましい効果を生成するためにＲＦエネルギを材料に印加することは、家庭及び工業処理の両方で公知の技術である。
図１は、マイクロ波発生器を含む公知の家庭用マイクロ波オーブン１００の一般的な構成を示している。マイクロ波オーブン１００では、マグネトロン１１が変圧器Ｔ１を通じて電力供給され、変圧器Ｔ１の２次巻線１２１の第１の端部は、コンデンサＣ１を通じてマグネトロン１１のカソード１１１に接続され、変圧器Ｔ１の２次巻線１２１の第２の端部は、マグネトロン１１のアノード１１２に接続される。マグネトロンのアノード１１２は、通常は接地される。マグネトロン１１のカソードとアノードの間には、ダイオードＤ１が接続される。単相の主電圧が、スイッチＳ１を通じて変圧器Ｔ１の１次巻線１２３に印加される。図１の第１の電圧プロット１０１の時間Ｔ1と時間Ｔ2の間の単相主電源の正の半サイクルでは、コンデンサＣ１は、変圧器Ｔ１の２次巻線から出力される正の最大電圧に実質的に等しい＋Ｖｐｋまで充電される。図１の第１のプロット１０２の時間Ｔ0と時間Ｔ1の間及び時間Ｔ2と時間Ｔ3の間の単相主電源の負の半サイクルでは、Ｃ１上のコンデンサ電圧と最大値−Ｖｐｋを有する２次巻線からの負の電圧とが加算されて最大値−Ｖｋを有する可変電圧が生じ、それによって最大値Ｉｐｋ及び平均値Ｉｍｅａｎを有するプロット１０３に示すマグネトロン内への可変電流の流れが生じる。この可変電流は、刈り込まれた半正弦波であり、通常、約３の平均電流Ｉｍｅａｎに対するピーク電流Ｉｐｋの比を有する。
通常、変圧器Ｔ１は、電流成形機能及び主電圧変動に対するある程度の調節をもたらすために非線形漏れリアクタンスを組み込んでいる。また、図１に示しているように、マグネトロンの加熱器１１３に給電するために、通常、変圧器Ｔ１には第２の２次巻線１２２も設けられる。
通常、ＲＦ発生器の電力制御は、スイッチＳ１をそれに接続した制御システム１３を用いて閉じて一般的に数秒間にわたって通電し、その後、数秒間にわたって遮断する反復サイクルで達成される。
通常、ＲＦ発生器の電力制御は、スイッチＳ１をそれに接続した制御システム１３を用いて閉じて一般的に数秒間にわたって通電し、その後、数秒間にわたって遮断する反復サイクルで達成される。
この基本形態のシステムは公知であり、マグネトロンが３ｋＷのピーク値及び１ｋＷの平均値を有するＲＦ電力パルスを供給する１．５ｋＷまでの平均電気入力の中間電力では満足な挙動を示している。
非常に高い電力、例えば、５０ｋＷの平均電力では、１次電源として３相主電源を用いるのが通例である。そのような一般的な公知の高電力システムの例２００を図２に示す。３相主電源は、ブレーカ２０を通じて主電源変圧器２２に入力され、６パルス整流器２３に出力される。この構成は、低リップルの比較的滑らかな電圧を生成する。しかし、マグネトロン２１は、バイアスが印加されたダイオード型の負荷を有し、リップル電圧に起因する小さい電圧変化が、非常に大きい電流変化を生成する。マグネトロン２１内に定常電流を生成するために、６パルス整流器２３の第１の出力２３１とマグネトロン２１のカソードＫとの間でフィルタとして大きいチョーク２４が用いられる。
非常に高い電力、例えば、５０ｋＷの平均電力では、１次電源として３相主電源を用いるのが通例である。そのような一般的な公知の高電力システムの例２００を図２に示す。３相主電源は、ブレーカ２０を通じて主電源変圧器２２に入力され、６パルス整流器２３に出力される。この構成は、低リップルの比較的滑らかな電圧を生成する。しかし、マグネトロン２１は、バイアスが印加されたダイオード型の負荷を有し、リップル電圧に起因する小さい電圧変化が、非常に大きい電流変化を生成する。マグネトロン２１内に定常電流を生成するために、６パルス整流器２３の第１の出力２３１とマグネトロン２１のカソードＫとの間でフィルタとして大きいチョーク２４が用いられる。
マグネトロン２１の開始電圧は、そこに印加される磁界強度の関数である。磁界を変更することにより、マグネトロン作動電圧を上昇又は下降させることができ、従って、マグネトロンの電力要件をいかなる主電源制御機能もなしに変更することができる。磁界は、マグネトロン２１に磁界を印加するように配置されたソレノイド２８に供給される電流を変更するためのＳＣＲコントローラ２９のような制御可能な電源を用いて変更される。高電力マグネトロンでは、カソードＫの温度を最適化するために、マグネトロン２１の加熱器Ｈに印加される電圧を変更することも通例であり、この変更は、加熱器変圧器２６の１次巻線に対して作用する加熱器ＳＣＲコントローラ２７によって実施され、加熱器変圧器の２次巻線は、マグネトロン２１のカソードＫと加熱器Ｈの間に接続される。
上述の公知の標準システムの両方においていくつかの変形が可能である。例えば、単スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）の使用は、低電力及び高電力の両方の用途で公知である。
公知の構成における欠点は、万一そのようなＲＦ発生器が内部でスパークする場合に、スパークによってＲＦ発生器デバイス内へと通過する可能性があるエネルギ量が相当に大きく、管１１、２１に対する損傷の危険性が高いことである。いずれの回路も、ＲＦ発生器への電力の迅速な中断又は復帰には十分には適さない。これは、電力を中断する際の接触器Ｓ１、２０の低速応答、並びに整流処理に関連するフィルタ２４及び平滑化構成要素内の蓄積エネルギに起因する。
公知の構成における欠点は、万一そのようなＲＦ発生器が内部でスパークする場合に、スパークによってＲＦ発生器デバイス内へと通過する可能性があるエネルギ量が相当に大きく、管１１、２１に対する損傷の危険性が高いことである。いずれの回路も、ＲＦ発生器への電力の迅速な中断又は復帰には十分には適さない。これは、電力を中断する際の接触器Ｓ１、２０の低速応答、並びに整流処理に関連するフィルタ２４及び平滑化構成要素内の蓄積エネルギに起因する。
単スイッチモード電源は、フィルタ内の非常に少ない蓄積エネルギによってリップル低減を達成するが、このエネルギは、依然として有意である場合があり、システムを停止し、再始動するのに依然として数秒を要し、従って、ＲＦ発生器を用いる処理の望ましくない中断が生じる場合がある。
殆どのＲＦ発生器、特にマグネトロンは、電流及び電圧の狭い作動範囲にわたってのみ電気エネルギからＲＦ出力エネルギへの最適な変換を生み出す。従って、ＲＦ発生器をその最適な効率に維持するが、依然として広範囲の平均電力制御を得ることを可能にする電力制御法が望ましい。
殆どのＲＦ発生器、特にマグネトロンは、電流及び電圧の狭い作動範囲にわたってのみ電気エネルギからＲＦ出力エネルギへの最適な変換を生み出す。従って、ＲＦ発生器をその最適な効率に維持するが、依然として広範囲の平均電力制御を得ることを可能にする電力制御法が望ましい。
公益設備からの電力需要は、良好な品質のものであることが望ましい。最も望ましい力率は１である。これは、負荷引き出し電力が線形抵抗器の特性を有することを意味する。整流器、すなわち、広い意味でＡＣをＤＣに変換するあらゆるデバイスでは、主電源の高調波歪みは公知の副作用であり、かつより大きい割合の電力が電子デバイスによって消費され、それによって電源の高い高調波成分が生じるので、電力事業において次第に大きくなっている問題である。一例として、普通に用いられている６パルス３相整流器は、０．９５前後の力率を有するが、主電源において２５％前後の高調波歪みを発生させる。適正に設計されたＳＭＰＳは、０．９９という力率を有すると考えられ、主電源の付帯的な高調波歪みは、１％又は２％のみであると考えられる。従って、ＲＦ発生器のための電源には、非常に良好な力率（＞０．９８）、及び好ましくは４％よりも小さい非常に低い高調波歪みが要求される。図１に例示しているシステム１００は、かなり満足できる可能性があるが、改善することができるであろう。図２の高電力システム２００は、望むべき多くのことを残しており、多くの状況下で規制要件を満たさない。
図１のシステム１００は、エネルギパルスを供給するが、その作動方法の副生成物としてのみである。特定のピーク電力（Ｐピーク）を有するが平均電力（Ｐａｖｅ）のＲＦエネルギ入力を供給することができると考えられるシステムは、所定の処理に対して付加的な利益をもたらすことができる。
図１のシステム１００は、エネルギパルスを供給するが、その作動方法の副生成物としてのみである。特定のピーク電力（Ｐピーク）を有するが平均電力（Ｐａｖｅ）のＲＦエネルギ入力を供給することができると考えられるシステムは、所定の処理に対して付加的な利益をもたらすことができる。
本発明の目的は、従来技術における上述の欠点を少なくとも改善することである。
本発明により、ＲＦ発生器のための電源を提供し、電源は、第１スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）手段と、ＤＣバス手段によって第１のＳＭＰＳ手段に直列に接続した第２のＳＭＰＳ手段とを含み、コンデンサ手段が、第１のＳＭＰＳ手段の出力の間及び第２のＳＭＰＳ手段の入力の間に接続され、第２のＳＭＰＳ手段の出力が、昇圧変圧器手段の入力に接続され、昇圧変圧器手段の出力が、整流器手段の入力に接続され、整流器手段の出力は、ＲＦ発生器手段に接続可能であり、第１のＳＭＰＳの入力は、ＲＦ発生器に対する作動電圧及びピーク電流レベルを設定するように１次電力入力に接続可能であり、第２のＳＭＰＳは、昇圧変圧器手段に給電し、かつ可変デューティサイクル及び／又は可変周波数で作動してＲＦ発生器の平均電力制御をもたらすように構成される。
有利な態様においては、整流器手段の出力は、電源によって最小限のエネルギが蓄積され、それによって第２のＳＭＰＳを迅速に停止することができるようにフィルタリング手段又は平滑化手段を介在させずに、ＲＦ発生器手段に接続される。
好ましくは、第２のＳＭＰＳは、２マイクロ秒よりも早く停止することができる。
好ましくは、第２のＳＭＰＳは、２マイクロ秒よりも早く停止することができる。
便利な態様においては、電源は、ＲＦ発生器を通過する電流をモニタして第１及び第２のＳＭＰＳ手段を制御するように構成された制御手段を更に含む。
有利な態様においては、電源は、少なくとも０．９８という力率を有する。
有利な態様においては、電源は、４％よりも小さい１次電力入力の高調波歪みを生じるように構成される。
便利な態様においては、電源は、マグネトロンＲＦ発生器に給電するように構成され、かつマグネトロンの加熱器に電力供給するための加熱器給電手段を含み、制御手段は、加熱器給電手段を制御するように構成される。
有利な態様においては、電源は、少なくとも０．９８という力率を有する。
有利な態様においては、電源は、４％よりも小さい１次電力入力の高調波歪みを生じるように構成される。
便利な態様においては、電源は、マグネトロンＲＦ発生器に給電するように構成され、かつマグネトロンの加熱器に電力供給するための加熱器給電手段を含み、制御手段は、加熱器給電手段を制御するように構成される。
有利な態様においては、制御手段は、制御手段によるＲＦ発生器を通じる電力サージの検出時に第２のＳＭＰＳ手段を停止し、その後第２のＳＭＰＳ手段を始動するように構成される。
便利な態様においては、制御手段には、振幅制御手段及びデューティサイクル制御手段が設けられる。
便利な態様においては、電源は、ＲＦ発生器に磁界を印加するための磁界発生手段を更に含み、制御手段は、磁界発生手段を制御するように構成される。
便利な態様においては、制御手段には、振幅制御手段及びデューティサイクル制御手段が設けられる。
便利な態様においては、電源は、ＲＦ発生器に磁界を印加するための磁界発生手段を更に含み、制御手段は、磁界発生手段を制御するように構成される。
有利な態様においては、電源は、第１のＳＭＰＳへの１次電力入力を切り換えるための接触器手段を更に含み、接触器手段は、制御手段によって制御されるように構成される。
便利な態様においては、電源は、３相１次電力入力に向けて構成される。
有利な態様においては、電源は、１から１００の範囲にあるピーク対平均電力比で作動するように構成される。
ここで、本発明を一例として添付図面を参照して以下に説明する。
便利な態様においては、電源は、３相１次電力入力に向けて構成される。
有利な態様においては、電源は、１から１００の範囲にあるピーク対平均電力比で作動するように構成される。
ここで、本発明を一例として添付図面を参照して以下に説明する。
図では、同じ参照番号は、同じ部分を表している。
図３（ａ１）を参照すると、電力Ｐａｖｅが材料内に供給された場合に、材料の温度は、図３（ａ２）に示しているように、平衡に達するまで最初に立ち上がることになり、材料のピーク温度Ｔｍａｘは、定常状態Ｔｍｅａｎと同じになることになる。
電力が、図３（ｂ１）に示しているようにマグニチュードＰｐｋのパルスの形態で入力され、図１に例示したシステム１００におけるものと同様にデューティサイクルが高い場合には、ある程度の低い温度リップルが発生する可能性があるが、平衡に達した状態で、図３（ｂ２）に示しているように、最大温度Ｔｍａｘは、平均温度Ｔｍｅａｎと実質的に同じになることになる。
図３（ａ１）を参照すると、電力Ｐａｖｅが材料内に供給された場合に、材料の温度は、図３（ａ２）に示しているように、平衡に達するまで最初に立ち上がることになり、材料のピーク温度Ｔｍａｘは、定常状態Ｔｍｅａｎと同じになることになる。
電力が、図３（ｂ１）に示しているようにマグニチュードＰｐｋのパルスの形態で入力され、図１に例示したシステム１００におけるものと同様にデューティサイクルが高い場合には、ある程度の低い温度リップルが発生する可能性があるが、平衡に達した状態で、図３（ｂ２）に示しているように、最大温度Ｔｍａｘは、平均温度Ｔｍｅａｎと実質的に同じになることになる。
しかし、図３（ｃ１）を参照すると、ピーク電力Ｐｐｋが平均電力Ｐａｖｅよりも非常に大きく、例えば、図３（ｃ１）に示しているように１００倍大きくなるように、電源システムが非常に低いデューティサイクルを生じる場合には、材料内の温度は、電源デューティサイクルに続いて有意な熱サイクルを受ける可能性がある。この場合は、図３（ｃ２）に示しているように、最大温度Ｔｍａｘを平均温度Ｔｍｅａｎよりも非常に大きくすることができ、熱パルス中の急激な温度変化（ｄｔ）は、照射を受ける材料内に更に望ましい効果を適切に導入することができる。
いくつか状況において、高ピーク電力の低デューティサイクルパルスの形態での必要平均電力の送出は、有意な処理の恩典を有することができる。材料との電力結合の特定の特性を有するＲＦ電力を供給源として用いることにより、非常に有用な効果を発生させることができる。これらの効果は、以下のものを含むが、これらに限定されない。
・材料を弱め、切断及び擂り潰しのようなその後の処理を実施するのを非常に容易にする局所熱衝撃、
・化学反応の開始、及び
・材料の本体への損傷を引き起こすことなく細菌の破壊。
・材料を弱め、切断及び擂り潰しのようなその後の処理を実施するのを非常に容易にする局所熱衝撃、
・化学反応の開始、及び
・材料の本体への損傷を引き起こすことなく細菌の破壊。
図４ａを参照すると、本発明によるマグネトロン電源では、第１スイッチモード電源（ＳＭＰＳ１）４２は、接触器４１を通じて主１次電力と接触する。第１スイッチモード電源４２からのＤＣ出力は、第２のスイッチモード電源（ＳＭＰＳ２）４４に入力される。Ｃ１コンデンサ４３は、ＳＭＰＳ１（４２）のＤＣ出力とＳＭＰＳ２（４４）のＤＣ入力とにわたって接続される。
第２のスイッチモード電源（ＳＭＰＳ２）４４は、３つの出力Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３を有し、Ｔ１変圧器４５への出力を有するＤＣから３相ＡＣへの変換器として作動し、Ｔ１変圧器４５は、Ｔ１変圧器４５及びＢＲ１整流器４６による電圧変換が、最適な作動電流におけるマグネトロン４８の要求電圧に対応するようなＢＲ１整流器４６への出力を有する。ＳＭＰＳ１第１スイッチモード電源４２のＤＣ出力電圧は、主制御盤４１３によって制御され、マグネトロン４８においてこの要求電圧が与えられる。
第２のスイッチモード電源（ＳＭＰＳ２）４４は、３つの出力Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３を有し、Ｔ１変圧器４５への出力を有するＤＣから３相ＡＣへの変換器として作動し、Ｔ１変圧器４５は、Ｔ１変圧器４５及びＢＲ１整流器４６による電圧変換が、最適な作動電流におけるマグネトロン４８の要求電圧に対応するようなＢＲ１整流器４６への出力を有する。ＳＭＰＳ１第１スイッチモード電源４２のＤＣ出力電圧は、主制御盤４１３によって制御され、マグネトロン４８においてこの要求電圧が与えられる。
マグネトロン４８を通じる電流は、整流器４６の正の電圧出力とマグネトロン４８のアノードとの間のＲ１抵抗器４１０によってモニタされる。マグネトロン４８の作動電圧は、マグネトロン４８に印加される磁界を設定するソレノイド電源４１１によって制御されるソレノイド４９を通じる電流を設定することによって所定の値に設定することができる。通常の作動範囲にわたって、マグネトロン電圧は、ソレノイド電流と事実上正比例する。
主制御盤４１３は、制御線ｃ４を通じてＲ１抵抗器４１０からの信号入力を有し、ＳＭＰＳ１（４２）に対する制御信号を制御線ｃ１上に、ソレノイド電源４１１に対する制御信号を制御線ｃ５上に有する。全てのこれらの機能は、主制御盤４１３への入力を有する振幅制御モジュール４１２によって制御することができ、この制御は、要求マグネトロン電圧及び電流を単一の制御で設定し、それによってシステムに対してマグネトロンピーク電圧及び電流、及び従ってＲＦ電力ピーク値を設定することを可能にする。
ＳＭＰＳ２（４４）は、パルス幅変調技術によって平均マグネトロン電流を変更するのに用いることができる変圧器に適合する３相の公称矩形パルス駆動波形を生成するように設計される。発生する波形の種類を図５及び図６に示す。
図５は、図４ａの実施形態のＳＭＰＳ２（４４）のＰ１出力とＰ２出力の間の波形を示している。１００％のパルスでは、発生した波形５１は、半サイクル毎に各半サイクルにおいて６０°及び１２０°のところを中心とする正の半サイクルの時間Ｔ１及びＴ２におけるパルス５１１、５１２、及び負の半サイクルの時間Ｔ４及びＴ５におけるパルス５１３、５１４を生じる。図５には、それぞれ６６％及び３３％まで減少したデューティサイクルに関する波形５２及び５３も示している。非常に低いデューティサイクルを得るために、各半サイクルにおける１つのパルスＴ２及びＴ５を停止することができる。波形の周期長を増大することにより（Ｔ0からＴ0+1に）、デューティサイクルは、更に低下することになる。Ｔ１変圧器４５における飽和効果を回避するために、パルス幅は、最大デューティサイクルレベルと同じに留めなければならない。
図６は、図４ａの実施形態のＳＭＰＳ２（４４）の３つの３相出力Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３の組合せの間の基本的位相関係を示しており、３相出力を示している。
図５は、図４ａの実施形態のＳＭＰＳ２（４４）のＰ１出力とＰ２出力の間の波形を示している。１００％のパルスでは、発生した波形５１は、半サイクル毎に各半サイクルにおいて６０°及び１２０°のところを中心とする正の半サイクルの時間Ｔ１及びＴ２におけるパルス５１１、５１２、及び負の半サイクルの時間Ｔ４及びＴ５におけるパルス５１３、５１４を生じる。図５には、それぞれ６６％及び３３％まで減少したデューティサイクルに関する波形５２及び５３も示している。非常に低いデューティサイクルを得るために、各半サイクルにおける１つのパルスＴ２及びＴ５を停止することができる。波形の周期長を増大することにより（Ｔ0からＴ0+1に）、デューティサイクルは、更に低下することになる。Ｔ１変圧器４５における飽和効果を回避するために、パルス幅は、最大デューティサイクルレベルと同じに留めなければならない。
図６は、図４ａの実施形態のＳＭＰＳ２（４４）の３つの３相出力Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３の組合せの間の基本的位相関係を示しており、３相出力を示している。
再度図４ａを参照すると、アノード電流が、Ｒ１抵抗器４１０によってモニタされ、信号が、制御線ｃ４を通じて主制御盤４１３に入力され、出力信号が、制御線ｃ２を通じてＳＭＰＳ２（４４）に出力される。ＳＭＰＳ２のデューティサイクルを変更することにより、パルス負荷出力、及び従ってＳＭＰＳ２からの平均電力が変更される。デューティサイクル制御器４１４の主制御盤４１３への入力は、要求デューティサイクルを設定することを可能にする。マグネトロンは、少なくとも一部の他のマイクロ波電力発生器とは異なり、平均電力が増大すると共に加熱器電圧を低下させることを必要とする。主制御盤４１３は、マグネトロン４８の加熱器に電気結合された加熱器Ｔ２変圧器４７への出力を有する加熱器電源４１５を制御する制御信号を制御線ｃ３上に出力することによってこの機能も実施する。
Ｒ１抵抗器４１０によってモニタされる電流の鋭い増大として検出される負荷障害の際には、ＳＭＰＳ２（４４）の出力は、主制御盤４１３によって即座に停止されるように構成される。図７は、障害がＴfにおいて発生し、障害が発生するパルスが時間Ｔfに実線で示しているように即座に終了される上述の効果を示している。この処理は、１μｓｅｃから２μｓｅｃという短い期間内に行うことができる。パルスの迅速な終了、及びＢＲ１（４６）からの整流された出力に対していかなるフィルタリング構成要素も用いられないということにより、マグネトロン４８を通じて障害によって発射されるエネルギが非常に低く、マグネトロン内でいかなる損傷効果も発生しないことが保証される。通常作動の復元は、必要に応じて、次のパルスＴｒ1になるはずであったものに対して試みることができる。代替的に、デューティサイクル内の同じ位置で再始動するように小さい遅延Ｔｒ2を経過させることができ、及び／又はより低いピーク又は平均電力において再始動を試ることができる。デューティサイクル内の同じ位置で再始動することにより、位相関係が維持されて変圧器の飽和が回避されることが保証される。これらの選択肢の両方とも、いかなる既存の方法よりも迅速な電力回復を可能にする。これらの選択肢はまた、処理作動が大きく中断されないような障害復帰の最終処理へのリンクを可能にする。
好ましくは、Ｔ１変圧器４５は、整流器に給電を行う高周波変圧器に一般的な方式で設計される。芯及び銅損失の低い数値への通常の変圧器設計要件に加えて、低い漏れインダクタンスも望ましい特徴である。
高電力システムでは、ある一定の用途に対する典型的な値の組は、６５ｋＷから７０ｋＷのピークＲＦ出力に対して４Ａのピークでの２０ｋＶで作動するマグネトロンに対するＣ１電圧８００Ｖである。デューティサイクルは、３５ｋＷの平均出力電力に対して５０％である。ＳＭＰＳ１及びＳＭＰＳ２に対する作動周波数は、４、０００ｐｐｓである。
高電力システムでは、ある一定の用途に対する典型的な値の組は、６５ｋＷから７０ｋＷのピークＲＦ出力に対して４Ａのピークでの２０ｋＶで作動するマグネトロンに対するＣ１電圧８００Ｖである。デューティサイクルは、３５ｋＷの平均出力電力に対して５０％である。ＳＭＰＳ１及びＳＭＰＳ２に対する作動周波数は、４、０００ｐｐｓである。
図４ｂは、直列の２つのスイッチモード電源（ＳＭＰＳ１及びＳＭＰＳ２）を前と同様に備える本発明の低電力実施形態を示している。この実施形態は、ＳＭＰＳ１（４２）への単相主電源入力しか必要とせず、ＳＭＰＳ２（４４）は、単相矩形パルス波形を出力する。小さいマグネトロンは、多くの場合にマグネトロン４８に対して永久磁石を用い、その場合、Ｌ１ソレノイド４９及びそれに付随する電源４１１を必要としない。作動原理は、全ての他の点に関しては、図４ａに関して説明した高電力システムと同じである。
図４ｂの低電力実施形態のＳＭＰＳ２の端子Ｐａ〜Ｐｂから生じる波形は、図４ａの３相バージョンよりも遥かに単純であり、これを図８に示しており、同図には負荷障害下の挙動も示している。
低電力システムでは、ある一定の用途に対する典型的な値の組は、２００Ｗ前後のピークＲＦ出力に対して０．１５Ａのピークでの２ｋＶで作動するマグネトロンに対するＣ１電圧４００Ｖになる。デューティサイクルは、５０Ｗの平均出力電力に対して２５％になる。ＳＭＰＳ１における作動周波数は、好ましくは、１００、０００ｐｐｓであり、ＳＭＰＳ２では、好ましくは、５０、０００ｐｐｓである。
低電力システムでは、ある一定の用途に対する典型的な値の組は、２００Ｗ前後のピークＲＦ出力に対して０．１５Ａのピークでの２ｋＶで作動するマグネトロンに対するＣ１電圧４００Ｖになる。デューティサイクルは、５０Ｗの平均出力電力に対して２５％になる。ＳＭＰＳ１における作動周波数は、好ましくは、１００、０００ｐｐｓであり、ＳＭＰＳ２では、好ましくは、５０、０００ｐｐｓである。
すなわち、本出願は、特に、一般的に産業の環境でしか用いられることにはならない３相主電源を必要とする非常に高い電力の機器に関するものである。しかし、この技術の低電力における用途も解説した。ＲＦ発生器は、マグネトロン、又は３極管から４極管のような高電力真空管とすることができるが、これらのデバイスに限定されない。本発明は、いずれかの要求される程度のピーク対平均比（一般的に、５０：１よりも大きくない）を有するＲＦエネルギを生成するのにパルス変調技術を用いる。この構成の重要な特徴は、いかなる電圧破壊も非常に僅かな損傷しか引き起こさず、かつ処理が必要に応じて非常に迅速に回復することができるようなシステム内の非常に低い蓄積エネルギである。
その概念は、ＤＣバスによって直列に密接にリンクされた２つの個々のスイッチモード電源を用いることである。第１のＳＭＰＳは、１次電力入力に接続され、低い高調波成分で高い力率を維持し、同時にマグネトロン作動電圧及びピーク電流レベルを設定する。第２のＳＭＰＳは、昇圧変圧器に単相又は３相を給電し、平均電力制御を可能にする可変デューティサイクル及び／又は可変周波数で作動する。整流された出力は、フィルタリングなしに直接に負荷管（本詳細説明ではマグネトロンを考えている）に給電される。仮に管がアーク放電しても、第２のＳＭＰＳが非常に迅速に停止して、次のサイクルで再始動することができ、従って、処理の停止時間が最小にされる。２つのＳＭＰＳユニットが制御される方法、及びフィルタ又は平滑化構成要素を用いない整流の使用は新規である。
主電源公益設備に接続された最新の電子システムでは、問題は、様々なパラメータを最適化することである。負荷デバイスに対して様々な設定を有するべきである第２のＳＭＰＳブリッジでは、その入力を一定に保持することは、その出力性能を最適化するのに有利である。同様に、第１のＳＭＰＳを主電源電力の不均等性に対処するように最適化すること、及びその出力を一定に保つことも有利である。第１のＳＭＰＳの出力が、第２のＳＭＰＳへの入力として作用することにより、第１のＳＭＰＳと第２のＳＭＰＳの間の中間点は、ＳＭＰＳの各々に対する安定した基準及び作動点となる。ＳＭＰＳ１とＳＭＰＳ２の間の接続は、コンデンサを有し、これは、第２のＳＭＰＳに必要なパルスエネルギを給電し、かつ第１のＳＭＰＳ１に対する平滑化コンデンサとして作用する。この構成は、殆ど全ての国の電気公益設備の規則の下では主電源から電流パルスを取得することが禁止されているという事実を克服する。
４１ 接触器
４２ 第１のスイッチモード電源（ＳＭＰＳ１）
４４ 第２のスイッチモード電源（ＳＭＰＳ２）
４５ Ｔ１変圧器
４８ マグネトロン
４２ 第１のスイッチモード電源（ＳＭＰＳ１）
４４ 第２のスイッチモード電源（ＳＭＰＳ２）
４５ Ｔ１変圧器
４８ マグネトロン
Claims (13)
- ＲＦ発生器のための電源であって、
第１のスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）手段と、
ＤＣバス手段によって前記第１のＳＭＰＳ手段に直列に接続した第２のＳＭＰＳ手段と、
を含み、
コンデンサ手段が、前記第１のＳＭＰＳ手段の出力の間及び前記第２のＳＭＰＳ手段の入力の間に接続され、該第２のＳＭＰＳ手段の出力が、昇圧変圧器手段の入力に接続され、該昇圧変圧器手段の出力が、整流器手段の入力に接続され、該整流器手段の出力が、ＲＦ発生器手段に接続可能であり、
前記第１のＳＭＰＳ手段の入力が、１次電力を入力するように接続可能であり、前記第２のＳＭＰＳ手段は、前記昇圧変圧器手段に給電し、かつ可変デューティサイクル及び／又は可変周波数で作動して該ＲＦ発生器の平均電力制御をもたらすように構成され、
更に、前記電源が、前記ＲＦ発生器を通過する電流をモニタし、前記ＲＦ発生器手段に対するピーク電圧及び電流を制御するように前記第１のＳＭＰＳ手段を制御し、且つ平均ＲＦ発生器電流を制御するように前記第２のＳＭＰＳ手段を制御するよう構成された制御手段を更に備える、
ことを特徴とする電源。 - 前記整流器手段の出力が、電源によって最小限のエネルギしか蓄積されず、それによって前記第２のＳＭＰＳを迅速に停止することができるように、フィルタリング手段又は平滑化手段を介在させずに前記ＲＦ発生器手段に接続されることを特徴とする請求項１に記載の電源。
- 前記第２のＳＭＰＳは、２マイクロ秒よりも早く停止させることができることを特徴とする請求項２に記載の電源。
- 前記ＲＦ発生器を通過する電流をモニタし、かつ前記第１及び第２のＳＭＰＳ手段を制御するように構成された制御手段を更に含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電源。
- 少なくとも０．９８の力率を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電源。
- ４％よりも小さい前記１次電力入力の高調波歪みをもたらすように構成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電源。
- マグネトロンＲＦ発生器に給電するように構成され、かつ該マグネトロンの加熱器に電力供給するための加熱器給電手段を含み、
前記制御手段は、前記加熱器給電手段を制御するように構成される、
ことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の電源。 - 前記制御手段は、前記ＲＦ発生器を通じた電力サージの該制御手段による検出時に前記第２のＳＭＰＳ手段を停止し、その後に該第２のＳＭＰＳ手段を始動するように構成されることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の電源。
- 前記制御手段には、振幅制御手段及びデューティサイクル制御手段が備えられることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の電源。
- 前記ＲＦ発生器に磁界を印加するための磁界発生手段を更に含み、
前記制御手段は、前記磁界発生手段を制御するように構成される、
ことを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか１項に記載の電源。 - 前記１次電力入力を前記第１のＳＭＰＳに切り換えるための接触器手段を更に含み、
前記接触器手段は、前記制御手段によって制御されるように構成される、
ことを特徴とする請求項２から請求項９のいずれか１項に記載の電源。 - ３相１次電力入力に向けて構成されることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電源。
- １から１００の範囲のピーク対平均電力比で作動するように構成されることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の電源。
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