JP5708988B2 - 高周波電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置等の負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置に関するものである。

高周波電源装置として、特許文献１に示されているように、商用交流電圧を直流電圧に変換する整流平滑回路と、この整流平滑回路から得られる直流電圧を一旦交流電圧に変換した後再度直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を高周波交流電力に変換するインバータ回路とを備えて、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御することにより、負荷に供給する高周波電力を設定値に近づける制御を行うようにしたものが知られている。

図７は、特許文献１に示された高周波電源装置ＰＳ′の構成を示したものである。同図において、１は商用電源から得られる交流電圧を整流して平滑する整流平滑回路、２は整流平滑回路から得られる直流電圧が入力されたＤＣ−ＤＣコンバータ、３はＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力を高周波交流電力に変換するインバータ回路である。

インバータ回路３は、図８に示すように、スイッチ素子Ｓ1ないしＳ4をＨブリッジ接続してなるスイッチ回路と，このスイッチ回路を構成するＨブリッジのスイッチ素子Ｓ1ないしＳ4にそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードＤ1ないしＤ4とを備えた周知の回路からなっている。インバータ回路３は、Ｈブリッジの一方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ1及びＳ4と、他方の対辺を構成する他の対のスイッチ素子Ｓ2及びＳ3とを交互にオン状態にすることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２から与えられる直流電圧Ｖdcを矩形波状の高周波交流電圧Ｖinvに変換する。

インバータ回路３から出力される矩形波状の高周波交流電圧は、正弦波形の高周波電圧及び電流に変換されて負荷７に供給される。図示の例では、インバータ回路の出力がトランス４の一次側に入力され、トランス４の出力が直列共振回路５とローパスフィルタ６とを通して負荷７に入力されている。インバータ回路３が出力する矩形波状の交流電圧及び電流は、直列共振回路５とローパスフィルタ６とにより正弦波形の高周波電圧及び電流に変換されて負荷７に供給される。

８はインバータ回路３の出力電圧を検出する電圧検出部、９はインバータ回路３とトランス４との間を流れる電流Ｉinvを検出する電流検出部、１０は負荷７に供給される高周波電力を検出する電力検出部である。

電圧検出部８の出力及び電流検出部９の出力は、インバータ回路３の出力電流の出力電圧に対する位相差を検出する位相差検出部１１に入力され、位相差検出部１１から得られる位相差の検出値が、インバータ回路３の出力周波数を決定する周波数指令を発生する周波数制御部１２′に与えられている。

１３は周波数制御部１２′から与えられる周波数指令により指令された周波数を有する正弦波形の高周波信号を発生する高周波信号発生部、１４は高周波信号発生部１３が出力する高周波信号を、インバータ回路３のスイッチ素子に与える制御信号Ｖ1及びＶ2に変換する信号変換部である。制御信号Ｖ1は、インバータ回路３を構成するＨブリッジの一方の対辺（対角位置にある辺）にあるスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4をオン状態にするために該対のスイッチ素子の制御端子に与える制御信号であり、制御信号Ｖ2は、インバータ回路３を構成するＨブリッジの他方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3をオン状態にするために該対のスイッチ素子の制御端子に与える制御信号である。高周波信号発生部１３は、ダイレクト・デジタル・シンセサイザー（ＤＤＳ）からなっていて、与えられた周波数指令により指令された通りの周波数を有する正弦波信号を発生する。

特許文献１に示された高周波電源装置では、負荷に与えられる高周波交流電流と高周波電圧との位相差を可能な限り小さくするように（好ましくは０とするように）、インバータ回路３の出力周波数を制御している。このように，インバータ回路の出力周波数を制御すると、インバータ回路３を構成するスイッチ素子で生じるスイッチング損失を少なくして、高周波電源装置の効率を高くすることができる。

プラズマ処理装置などの負荷に高周波電力を供給す高周波電源装置では、負荷に与える高周波電力を設定値に保つ必要がある。図７に示した高周波電源装置では、インバータ回路３からトランス４と直列共振回路５とローパスフィルタ６とを通して負荷に与えられる高周波電力を設定値に保つ制御を行う必要がある。そのため、従来のこの種の高周波電源装置では、特許文献１には特に示されていないが、インバータ回路３に入力する直流電力を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧を制御することにより、負荷７に供給される高周波電力を制御している。図７に示した例では、電力検出部１０の出力が、電力制御部１５に与えられている。電力制御部１５は、負荷７に与えられる高周波電力の検出値と設定値との偏差を演算して、演算した偏差を零に近づけるようにＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧の値を制御し、これにより、インバータ回路３の出力電圧及び出力電流を制御して、負荷７に与えられる高周波交流電力を設定値に保つ。

特開２００７−１８５０００号公報（図４）

図７に示された従来の高周波電源装置においては、負荷に供給する高周波電力を設定値に保つ制御を行うために、インバータ回路３の前段に直流出力電圧を制御することが可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２を設けて、電力検出部１０により検出される電力を設定値に保つように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧を制御していた。そのため、電源装置の構成が複雑になり、そのコストが高くなるという問題があった。

またＤＣ−ＤＣコンバータは内部に大容量の平滑用コンデンサを有していて、その出力電圧を低下させるのに時間がかかるため、制御の応答性が悪くなるのを避けられなかった。制御の応答性を高めるためには、ＤＣ−ＤＣコンバータの平滑用コンデンサを強制的に放電させる回路を設ける等の工夫をすることが必要になり、回路構成が複雑になるのを避けられなかった。

なお図７において、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を省略して、インバータ回路３のスイッチ素子をＰＷＭ制御することにより，負荷７に供給する電力を設定値に保つ制御を行うことも考えられる。しかしながら、インバータ回路３のスイッチ素子のＰＷＭ制御は、インバータ回路３の出力周波数よりも遙かに高い周波数でスイッチ素子をオンオフさせることにより行う必要があるため、インバータ回路３の出力周波数が高い場合(現状のスイッチ素子の性能では、例えば数１０乃至数１００ＭＨｚの場合)には採用することが困難である。

本発明の目的は、出力電圧を制御する機能を有しない簡単な構成の直流電源部の出力電圧を直接インバータ回路に入力する構成をとって構成の簡素化を図り、コストの低減を図ることを可能にした高周波電源装置を提供することにある。

本発明は、交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する直流電源部と、直流電源部が出力する直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路とを備えて、インバータ回路から負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置を対象とする。

本発明に係わる高周波電源装置は、インバータ回路の出力電流を検出する電流検出部と、インバータ回路の出力電圧又はインバータ回路の出力電圧に相当する電圧を検出する電圧検出部と、電流検出部により検出される電流の電圧検出部により検出された電圧に対する位相差を検出する位相差検出部と、負荷に供給される高周波電力を検出する電力検出部と、位相差検出部により検出された位相差及び電力検出部により検出された電力値を入力として、電流検出部により検出される電流の位相が電圧検出部により検出された位相に対して遅れ位相となる状態を維持しつつ、電力検出部により検出される電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つように、インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲内で制御する周波数制御部とを備えている。

インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスは、通常直列共振特性を有している。インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスが直列共振特性を有している場合、インバータ回路の出力周波数が直列共振周波数に等しいときにインバータ回路から負荷側を見たインピーダンスが最小になり、負荷に供給される電力が最大になる。インバータ回路の出力周波数が直列共振周波数よりも高い領域では、インバータ回路の負荷のインピーダンスが誘導性を示し、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも遅れる。またインバータ回路の出力周波数が直列共振周波数よりも低い領域では、インバータ回路の負荷のインピーダンスが容量性を示し、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも進む。

インバータ回路から直列共振特性を有する負荷に高周波電力を供給する電力供給システムにおいて、インバータ回路の出力周波数を負荷側回路のインピーダンスが容量性を示す領域に設定した場合には、インバータ回路による電流のスイッチング動作に伴って電流波形が大きく歪むが、負荷側回路のインピーダンスが誘導性を示す領域にインバータ回路の出力周波数を設定した場合には、電流の波形歪みが比較的少ないことが知られている。したがって、インバータ回路から直列共振特性を有する負荷に電力を供給する場合には、インバータ回路の出力周波数を、負荷のインピーダンスが誘導性を示す領域に設定するのが普通である。インバータ回路の出力周波数が、インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスを誘導性とする領域にある場合には、インバータ回路の出力周波数を上げることにより、負荷に供給される電力を減少させることができ、インバータ回路の出力周波数を下げることにより、負荷に供給される電力を増大させることができる。

従って、電流検出部により検出される電流の位相をインバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れ位相とする状態を維持することができるインバータ回路の出力周波数の範囲を予め周波数可変範囲として定めておいて、電力検出部により検出された電力値が設定値よりも大きいか小さいか又は許容設定範囲より大きいか小さいかに応じて、インバータ回路の出力周波数を、予め定めた周波数範囲で上昇させるか又は下降させる制御を行うことにより、負荷に供給される高周波電力を設定値に近づける制御又は設定された許容範囲に保つ制御を行わせることができる。

上記のように、本発明においては、電流検出部により検出される電流の位相がインバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れ位相となる状態を維持しつつ電力検出部により検出される電力値を設定値に近づけるように、インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲内で制御するので、インバータ回路に入力する直流電圧は制御する必要がない。従って、上記のように構成すると、直流電源部は、直流出力電圧を制御する機能を持つ必要がなく、交流電圧を整流・平滑して一定の直流電圧を出力するだけの簡単な整流平滑回路等により構成することができるため、高周波電源装置の構成の簡素化を図ってコストの低減を図ることができる。

また上記のように構成すると、平滑用コンデンサが制御の応答性を遅らせる要因にならないため、平滑用コンデンサを強制放電させる回路を設ける等の工夫が不要になり、回路構成が複雑になるのを防ぐことができる。

本発明の好ましい態様では、インバータ回路の出力端と負荷との間にトランスが設けられて、インバータ回路からトランスを通して負荷に高周波電力を供給するように構成される。

本発明の他の好ましい態様では、インバータ回路と負荷との間に直流阻止用コンデンサが挿入されて、インバータ回路から直流阻止用コンデンサを通して負荷に高周波電力を供給するように構成される。

本発明の好ましい態様では、周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部が設けられ、インバータ回路は、高周波信号により制御されて、直流電源部が出力する直流電圧を、上記高周波信号と周波数及び位相が等しい高周波交流電圧に変換する。

本発明の好ましい態様では、インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出部が設けられる。この場合、位相差検出部は、電流検出部により検出される電流の位相と、電圧検出部により検出される電圧の位相とから前記位相差を検出するように構成される。

高周波信号発生部が設けられている場合には、位相差検出部を、電流検出部により検出される電流の位相と、高周波信号の位相とから前記位相差を検出するように構成することができる。

高周波信号発生部が発生する高周波信号によりインバータ回路のスイッチ素子を制御して、直流電力を高周波電力に変換する場合、高周波信号の位相はインバータ回路の出力電圧の位相と等しいため、上記のように、電流検出部により検出される電流の位相と、高周波信号発生部が発生する高周波信号の位相とから前記位相差を検出するようにしても、電流検出部により検出される電流の、インバータ回路の出力電圧に対する位相差を検出することができる。

上記の各態様において、周波数制御部は、電力検出部により検出された電力値が設定値よりも小さいか又は許容範囲を下回っているときにインバータ回路の出力周波数を下げる制御を行ない、電力検出部により検出された電力値が設定値よりも大きいか又は許容範囲を上回っているときにインバータ回路の出力周波数を上げる制御を行なうように構成することができる。

上記の各態様において、周波数制御部は、インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲の下限値まで下げたにもかかわらず電力検出部により検出された電力値が設定値よりも小さいか又は許容範囲を下回っているとき、及びインバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲の上限値まで上げたにもかかわらず前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも大きいか又は許容範囲を上回っているときに異常信号を出力するように構成されていることが好ましい。

インバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲（出力電流を出力電圧に対して遅れ位相の状態に保つために必要な範囲）の下限値まで下げても負荷に供給する高周波電力が設定値以上にならないか又は許容範囲に収まらない状態及びインバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の上限値まで上げても負荷に供給される高周波電力が設定値以下にならないか又は許容範囲に収まらない状態は、負荷に供給される高周波電力が調整可能な範囲外にある状態であり、何らかの異常が生じている状態である。このような状態が生じたときには、電源装置の運転を停止する等の措置を講じる必要がある。上記のような異常信号出力手段を設けておけば、異常状態への対処を容易にすることができる。

上記周波数制御部はまた、負荷に供給される高周波電力を設定値に近づけるか又は許容範囲内に収めるためにインバータ回路の出力周波数を下げていく過程で、電流検出部により検出される電流の位相がインバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れ位相でなくなったときに異常信号を出力するように構成されていることが好ましい。

インバータ回路の出力周波数を変化させることにより負荷に供給される高周波電力を制御する際には、前述のように、インバータ回路の出力電流の出力電圧に対する位相を遅れ位相の範囲に維持することが必要である。インバータ回路の出力周波数を下げていく過程で電流検出部により検出された電流の位相がインバータの出力電圧の位相に対して遅れ位相でなくなる状態は、負荷の大きさが、当該負荷に供給する電力の値を設定値に保つ制御を行うことができる範囲から逸脱している状態である。このような状態が生じた場合も、高周波電源装置の運転を停止させる等の措置を講じる必要がある。上記のような異常信号出力手段を設けておけば、このような異常状態への対処を容易にすることができる。

上記直流電源部は、商用の交流電圧を変圧器により変圧して得た電圧を整流平滑して直流電圧を出力するように構成することができる。

本発明においては、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相に対して遅れ位相となる状態を維持しつつ、電力検出部により検出された電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つようにインバータ回路の出力周波数を制御するので、インバータ回路に入力する直流電圧を制御することなく、負荷に与える高周波電力を設定値に近づける制御又は設定された許容範囲に保つ制御を行わせることができる。従って本発明によれば、直流出力電圧を制御する機能を直流電源部に持たせる必要がなく、交流電圧を整流・平滑して一定の直流電圧を出力する整流平滑回路等により直流電源部を構成することができるため、高周波電源装置の構成を簡単にしてコストの低減を図ることができる。

また本発明によれば、平滑用コンデンサが制御の応答性を遅らせる要因になることがないため、平滑用コンデンサを強制放電させる回路を設ける等の工夫が不要になり、回路構成が複雑になるのを防ぐことができる。

本発明の実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示した回路図である。 本発明の他の実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示した回路図である。 本発明の実施形態において、インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスを示す等価回路図である。 （Ａ）ないし（Ｃ）は、インバータ回路から直列共振特性を有する負荷に高周波電力を供給するシステムにおいて、インバータ回路の出力周波数を変化させた際の高周波電力の電力値の変化を、インバータ回路から負荷側を見た回路のインダクタンスをパラメータとしてパラメータとして示したグラフである。 本発明の一実施形態で用いる周波数制御部が行う制御のアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。 本発明の他の実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示した回路図である。 従来の高周波電源装置の構成を示した回路図である。 インバータ回路の構成例を示した回路図である。

図１は、本発明に係わる高周波電源装置ＰＳの一実施形態を示したものである。同図において、２０は一定の直流電圧を発生する直流電源部、３は直流電源部２０の出力が入力されたインバータ回路、４はインバータ回路３の出力が入力されたトランスであり、インバータ回路３とトランス４とにより、直流電力を高周波電力に変換する電力変換部２１が構成されている。

本実施形態においては、直流電源部２０が、商用電源から得られる交流電圧を全波整流する整流器と、該整流器の出力端子間に接続された平滑用コンデンサとを備えた整流平滑回路からなっていて、商用電源の交流電圧により決まるほぼ一定の直流電圧Ｖdcを出力する。

インバータ回路３は、図８に示したものと同様に、スイッチ素子Ｓ1ないしＳ4をＨブリッジ接続してなるスイッチ回路と，Ｈブリッジを構成するスイッチ素子Ｓ1ないしＳ4にそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードＤ1ないしＤ4とからなっており、Ｈブリッジの対角位置にある一方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ1及びＳ4と、対角位置にある他方の対辺を構成する他の対のスイッチ素子Ｓ2及びＳ3とを交互にオン状態にすることにより、直流電源部２０から与えられる直流電圧Ｖdcを矩形波状の高周波交流電圧Ｖinvに変換する。インバータ回路３を構成するスイッチ素子Ｓ1ないしＳ4は、ＭＯＳＦＥＴ，バイポーラ型のパワートランジスタ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチ素子からなっている。

インバータ回路３は、直流入力端子３ａ，３ｂと、交流出力端子３ｃ、３ｄとを有していて、直流入力端子３ａ，３ｂが直流電源部２０の出力端子に接続され、交流出力端子３ｃ，３ｄがトランス４の１次コイル４ａの両端に接続されている。トランス４の２次コイル４ｂの一端は、コイル５ａとコンデンサ５ｂの直列回路からなる直列共振回路５を通してローパスフィルタからなるフィルタ部６の入力端子に接続され、フィルタ部６の出力端子は電力検出部１０を通して高周波電源装置ＰＳの一方の出力端子２２ａに接続されている。トランス４の２次コイル４ｂの他端は、高周波電源装置ＰＳの他方の出力端子２２ｂに接続され、高周波電源装置ＰＳの出力端子２２ａ，２２ｂが、例えば電力ケーブルを通して負荷７の入力端子に接続されている。なお図１に示した例では、高周波電源装置ＰＳの出力端子２２ａ，２２ｂが直接電力ケーブルを通して負荷に与えられているが、高周波電源装置ＰＳの出力端子２２ａ，２２ｂと負荷７との間にインピーダンス整合器が設けられる場合もある。

電力変換部２１には、インバータ回路３の出力端子３c，３d間の電圧を検出する電圧検出部８と、インバータ回路３とトランス４との間でインバータ回路の出力電流Ｉinvを検出する電流検出部９とが設けられ、トランス４の二次側の回路には、負荷７に与えられる高周波電力を検出する電力検出部１０が設けられている。電力検出部１０は、電力変換部２１で発生する高調波成分を取り除いた基本周波数における電力を検出することが望ましいため、本実施形態では、図示のように、電力検出部１０をフィルタ部６よりも負荷側に設けている。

電圧検出部８の出力及び電流検出部９の出力は、インバータ回路３の出力電流と出力電圧との位相差を検出する位相差検出部１１に入力され、位相差検出部１１から得られる位相差の検出値と、電力検出部１０から与えられる高周波電力の検出値とが、負荷７に与えられる高周波電力を設定値に近づけるようにインバータ回路３の出力周波数を制御する周波数制御部１２に入力されている。

２３及び２４はそれぞれ周波数制御部１２に対して設けられた第１のメモリ及び第２のメモリである。第１のメモリ２３は、負荷に与える高周波電力の周波数可変範囲の上限び下限をそれぞれ定める上限周波数及び下限周波数を記憶しており、第２のメモリ２４は、負荷に与える高周波電力の周波数の初期値を記憶している。

１３は周波数制御部１２から与えられる周波数指令により指令された周波数を有する正弦波形の高周波信号を発生する高周波信号発生部、１４は高周波信号発生部１３が出力する高周波信号を、インバータ回路３を構成するスイッチ素子に与える制御信号Ｖ1及びＶ2に変換する信号変換部である。高周波信号発生部１３は、与えられた周波数指令により指令された通りの周波数と、与えられた振幅指令により指令された振幅とを有する正弦波信号を発生するダイレクト・デジタル・シンセサイザー（ＤＤＳ）からなっている。

信号変換部１４は、高周波信号発生部１３が発生する正弦波形の高周波信号の一方の極性の半波の期間第１の制御信号Ｖ1を発生し、他方の半波の期間第２の制御信号Ｖ2を発生する。第１の制御信号Ｖ1は、インバータ回路３を構成するＨブリッジの対角位置にある一方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4をオン状態にするために該対のスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4の制御端子に与える制御信号であり、第２の制御信号Ｖ2は、インバータ回路３を構成するＨブリッジの対角位置にある他方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3をオン状態にするために該対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3の制御端子に与える制御信号である。

インバータ回路３は、対角位置にある対のスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4及び対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3を交互にオン状態にすることにより、直流電源部２０から与えられる直流電圧Ｖdcを、高周波信号発生部１３が発生する高周波信号と周波数（周波数制御部１２により指令された周波数）及び位相が等しい矩形波状の高周波交流電圧に変換する。この交流電圧は、トランス４を通して直列共振回路５に印加される。矩形波状の交流電圧が直列共振回路５に印加されることにより、基本波成分以外の高調波成分の殆どが除去されて、正弦波形に近い波形を有する高周波電圧が得られる。フィルタ部６は、直列共振回路５を通して得られる高周波電圧から基本波成分のみを抽出して正弦波形の高周波電力を負荷７に与える。

トランス４は、インバータ回路３から出力される単極性の矩形波状の高周波電圧を零レベルを基準にして正負の極性に変化する波形の高周波電圧に変換するとともに、出力端子２２ａ，２２ｂからインバータ回路３側を見たインピーダンスを、負荷側のインピーダンス（負荷７に給電するための線路のインピーダンス）に変換する。負荷７に給電するための線路は、一般的には特性インピーダンスが５０Ωのものが使用される。

上記のように、インバータ回路３から直列共振特性を有する回路に高周波電力を供給する場合、インバータ回路３から負荷側を見たインピーダンスは、図３に示すように、インダクタンスＬと、キャパシタンスＣと、抵抗Ｒとの直列回路により表すことができる。ここで、インダクタンスＬをＬ1，Ｌ2及びＬ3（Ｌ1＞Ｌ2＞Ｌ3）として、周波数ｆを変化させたとすると、負荷に供給される電力Ｐは、図４の（Ａ）ないし（Ｃ）のように変化する。これらの図においてｆoは直列共振周波数である。

図４から明らかなように、インバータ回路３から負荷７側を見た回路のインピーダンスが、直列共振特性を有するように構成されている場合、インバータ回路３の出力周波数が直列共振周波数ｆoに等しいときにインバータ回路３から負荷７側を見たインピーダンスが最小になり、負荷に供給される電力が最大になる。インバータ回路３の出力周波数が直列共振周波数よりも高い領域では、インバータ回路３から負荷７側を見たインピーダンスが誘導性を示し、インバータ回路３の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも遅れる。またインバータ回路３の出力周波数が直列共振周波数よりも低い領域では、インバータ回路３から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示し、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも進む。

インバータ回路３から直列共振特性を有する負荷に高周波電力を供給する電力供給システムにおいて、インバータ回路３の出力周波数を負荷側回路のインピーダンスが容量性を示す領域に設定した場合には、インバータ回路のスイッチ素子がオン状態になった瞬間に電流が流れるハードスイッチング（hard switching）が起り、異常電圧が発生して大きな損失をもたらす。したがって、インバータ回路から直列共振特性を有する負荷に電力を供給する場合には、特別な理由がない限り、インバータ回路の出力周波数を、負荷のインピーダンスが誘導性を示す領域に設定する。図４において、使用可能領域Ｂ1ないしＢ3はそれぞれインダクタンスＬがＬ1，Ｌ2及びＬ3であるときに、電流の電圧に対する位相が遅れ位相となる領域であり、インバータ回路を通して電力の制御を行う場合に、制御に使用することができる領域である。

図４から明らかなように、インバータ回路３の出力周波数が、負荷側の回路のインピーダンスを誘導性とする領域にある場合には、インバータ回路の出力周波数ｆを上げることにより、負荷に供給される高周波電力を減少させることができ、インバータ回路３の出力周波数ｆを下げることにより、負荷に供給される高周波電力を増大させることができる。

従来の高周波電源装置では、高周波電力の周波数を、負荷のインピーダンスに対して最適な周波数（通常は電力を最大にする周波数）に設定した状態で、インバータ回路に入力する直流電圧を変化させることにより、負荷に供給する電力を制御していた。例えば図７に示した従来例では、インバータ回路３から負荷７に供給する高周波電力の周波数を、負荷のインピーダンスに対して最適な周波数に設定した状態で、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を制御してインバータ回路３に入力する直流電圧を変化させることにより、負荷７に供給する電力を制御していた。このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を設けてその出力電圧を制御する構成をとると、電源装置の構成が複雑になり、コストが高くなるのを避けられない。またＤＣ−ＤＣコンバータ２は内部に大容量の平滑用コンデンサを有していて、その出力電圧を低下させるのに時間がかかるため、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御することにより負荷に与える電力を制御する構成をとると、制御の応答性が悪くなるのを避けられない。

これに対し、本実施形態においては、インバータ回路３に入力する直流電圧を一定とし、インバータ回路３の出力電流の位相を出力電圧の位相に対して遅れ位相とすることができる周波数範囲を周波数可変範囲として予め定めておいて、電力検出部１０により検出された電力値が設定値よりも大きいか小さいかに応じて、インバータ回路の出力周波数を予め定めた周波数可変範囲内で制御することにより、電流検出部９により検出される電流の位相が電圧検出部８により検出された位相に対して遅れ位相となる状態を維持しつつ、電力検出部により検出される電力値を設定値に近づけるように制御する。

具体的には、電力検出部１０により検出された電力値が設定値よりも大きいか小さいかに応じて、予め定めた周波数可変範囲で、インバータ回路３の出力周波数を上昇又は下降させることにより、負荷７に供給される高周波電力を設定値に近づける制御を行わせる。負荷７に供給する高周波電力を制御するに当っては、予想される負荷７のインピーダンスの変動範囲を考慮して、インバータ回路の出力電流の位相を出力電圧の位相に対して遅れ位相の状態に維持することができる周波数の可変範囲を周波数可変範囲として定めておき、この周波数可変範囲の上限値及び下限値を第１のメモリ２３に記憶させておく。制御に使用できる周波数可変範囲は、例えば中心周波数の前後１０％程度であり、中心周波数が１３．５６ＭＨｚである場合、１３．５６±１．４ＭＨｚ程度である。

図１に示された周波数制御部１２は、位相差検出部１１により検出された位相差（インバータ回路の出力電流の位相の出力電圧の位相に対する位相差）と、電力検出部１０により検出された電力値とを入力とし、電流検出部９により検出される電流の位相を電圧検出部８により検出される電圧の位相に対して遅れ位相とする状態を維持することができるインバータ回路３の出力周波数の範囲を周波数可変範囲として、電力検出部１０により検出される電力値が設定値よりも大きいか小さいか、又は設定された許容範囲よりも大きいか小さいかに応じて、インバータ回路３の出力周波数を上記周波数可変範囲内で変化させることにより、負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲内に保つ制御を行う。

更に詳述すると、図示の周波数制御部１２は、第２のメモリ２４に記憶されている周波数の初期値をインバータ回路３の出力周波数の初期値として、電力検出部１０により検出される電力値が設定値よりも小さいとき、又は設定された許容範囲を下回っているときに、インバータ回路３の出力周波数を下げる方向に変化させるように高周波信号発生部１３に与える周波数指令を変化させて、負荷７に供給される高周波電力の電力値を増大させ、電力検出部１０により検出される電力値が設定値よりも大きいとき、又は設定された許容範囲を上回っているときに、インバータ回路３の出力周波数を上げる方向に変化させるように高周波信号発生部１３に与える周波数指令を変化させて負荷に供給される高周波電力の電力値を減少させることにより、負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づける制御、又は設定された許容範囲内に保つ制御を行う。

上記のように周波数制御部１２を構成した場合、インバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の下限値まで下げても負荷に供給する高周波電力が設定値以上にならない状態や、インバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の上限値まで上げても負荷に供給される高周波電力が設定値以下にならない状態が生じるおそれがある。このような状態は、負荷に供給される高周波電力が調整可能な範囲外にある状態であり、負荷に何らかの異常が生じている状態である。このような状態が生じたときには、制御を中止すると共に、電源装置の運転を停止する等の措置を講じればよい。

上記のような異常状態に対処し得るようにするため、上記周波数制御部１２は、インバータ回路３の出力周波数を変化させる際に、高周波信号発生部１３に与えられる周波数指令から、インバータ回路の出力周波数が予め定めた周波数可変範囲の下限値よりも低いか否か、及びインバータ回路の出力周波数が予め定めた周波数可変範囲の上限値よりも高いか否かを見ることにより、インバータ回路３の出力周波数が設定された周波数可変範囲内に収まっているか否かを監視して、インバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の下限値まで下げても電力検出部により検出される電力値が設定値にならないか又は許容範囲に収まらないとき、及びインバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の上限値まで上げても電力検出部により検出される電力値が設定値にならないか又は許容範囲に収まらないときに、例えば、負荷に与える高周波電力の制御を中止して異常信号を出力する異常信号出力手段を備えている。

インバータ回路３の出力周波数を変化させることにより負荷に供給される高周波電力を的確に制御するためには、インバータ回路の出力電流の出力電圧に対する位相を遅れ位相の範囲（図４の使用可能領域Ｂ1ないしＢ3の範囲）に維持することが必要である。インバータ回路の出力周波数を下げていく過程で電流検出部により検出された電流の位相が電圧検出部により検出された電圧の位相に対して遅れ位相でなくなる状態は、負荷の大きさが、当該負荷に供給する電力の値を設定値に保つ制御を行うことができる範囲から逸脱している異常な状態であり、このような異常状態が生じた場合も、高周波電源装置の運転を停止させる等の措置を講じる必要がある。

このような異常状態に対処し得るようにするため、本実施形態の周波数制御部１２は、位相差検出部１１の出力からインバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相に対して遅れ位相の状態にあるか否かを監視して、負荷に供給される高周波電力を設定値に近づけるか又は許容範囲内に収めるために、インバータ回路３の出力周波数を下げていく過程で電流検出部により検出された電流の位相が電圧検出部により検出された電圧の位相に対して遅れ位相でなくなった時に異常信号を出力する異常信号出力手段を備えている。

上記の実施形態のように周波数制御部１２を構成して、インバータの出力周波数を変化させることにより、負荷に供給する高周波電力を設定値に近づける制御を行わせると、インバータ回路に入力する直流電圧を制御する必要がないため、直流電源部２０は、直流出力電圧を制御する機能を持たない簡単な構成とすることができ、交流電圧を整流・平滑して一定の直流電圧を出力するだけの簡単な整流平滑回路等により構成することができる。

また上記のように構成すると、平滑用コンデンサが制御の応答性を遅らせる要因になることがないため、平滑用コンデンサを強制放電させる回路を設ける等の工夫が不要になり、回路構成を簡単にすることができる。

また上記の実施形態のように、インバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の下限値まで下げても電力検出部により検出される電力値が前記設定値にならないか又は許容範囲に収まらないとき、及びインバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の上限値まで上げても電力検出部により検出される電力値が設定値にならないか又は許容範囲に収まらないときに異常信号を出力する異常信号出力手段を設けておくと、負荷で何らかの異常が生じて、負荷に供給される高周波電力が調整可能な範囲外にある状態になっていることを検出することができるため、異常事態への対処を的確に行わせることができる。

更に、上記実施形態のように、インバータ回路の出力周波数を下げていく過程で電流検出部により検出された電流の位相が電圧検出部により検出された電圧の位相に対して遅れ位相でなくなった時に異常信号を出力する異常信号出力手段異常信号出力手段を設けておくと、異常状態への対処を容易にすることができる。異常信号は、警報を発生させるために用いてもよく、負荷への高周波電力の供給を強制的に遮断するスイッチ手段を駆動する信号として用いてもよい。

図５を参照すると、コンピュータを用いて周波数制御部１２を構成する場合に、コンピュータに実行させるプログラムのアルゴリズムの一例を示すフローチャートが示されている。この例では、負荷に供給する高周波電力を設定された許容範囲内に保つように制御するものとする。図５に示したアルゴリズムによる場合には、先ずステップＳ１０１でインバータ回路の出力周波数の初期値を第２のメモリ２４から読み込んで周波数を初期値に設定する。次いでステップＳ１０２で始動指令があるか否かを判定し、始動指令がある場合にはステップＳ１０３に進んで、高周波信号発生部１３に周波数の初期値を与える周波数指令を供給してインバータ回路３を動作させ、負荷への電力の供給を開始する。

次いでステップＳ１０４で位相差検出部１１が検出している位相差及び電力検出部１０が検出している電力値を読み込み、ステップＳ１０５で電力の検出値が許容範囲の下限を与える許容下限値未満であるか否かを判定する。その結果、電力の検出値が許容下限値未満であると判定されたときには、ステップＳ１０６に進んでインバータの出力電流の位相が遅れ位相であるか否かを判定する。その結果、出力電流が遅れ位相であると判定されたときには、ステップＳ１０７に進んで、インバータ回路３の出力周波数をΔｆだけ下げるように、高周波信号発生部１３に与える周波数指令を変化させる。

次いでステップＳ１０８でインバータ回路の出力周波数(高周波信号発生部１３の出力周波数）が周波数可変範囲の下限値よりも低いか否かを判定する。その結果、出力周波数が下限値よりも低くないと判定された場合には、ステップＳ１０２に戻る。ステップＳ１０８で出力周波数が下限値よりも低いと判定されたときには、ステップＳ１０９で電力検出部１０が検出している電力の検出値を読み込み、ステップＳ１１０で電力の検出値が許容範囲の下限を与える許容下限値未満であるか否かを判定する。その結果、電力の検出値が許容範囲の下限を与える許容下限値未満ではない(許容下限値以上である）と判定されたときにはステップＳ１０２に戻る。ステップＳ１１０で電力の検出値が許容範囲の下限を与える許容下限値未満であると判定されたときには、ステップＳ１１１に進んで異常信号を発生させて電力の供給を停止する。

ステップＳ１０５で電力の検出値が許容下限値未満ではないと判定されたときには、ステップＳ１１２に進んで、電力の検出値が許容範囲の上限を与える許容上限値を超えているか否かを判定する。その結果、電力の検出値が許容上限値を超えていないと判定されたときにはステップＳ１０２に戻り、電力の検出値が許容上限値を超えていると判定されたときには、ステップＳ１１３に進んでインバータの出力周波数をΔｆだけ上げるように高周波信号発生部１３に与える周波数指令を変化させる。次いでステップＳ１１４で出力周波数が周波数可変範囲の上限値を超えているか否かを判定し、出力周波数が上限値でないときにはステップＳ１０２に戻る。ステップＳ１１４で出力周波数が周波数可変範囲の上限値を超えていると判定されたときには、ステップＳ１１５に進んで電力の検出値を読み込み、ステップＳ１１６で電力の検出値が許容上限値を超えているか否かを判定する。その結果電力の検出値が許容上限値を超えていないと判定されたときには、ステップＳ１０２に戻る。またステップＳ１１６で電力の検出値が許容上限値を超えていると判定されたときには、ステップＳ１１１に進んで、異常信号を発生させ、電力の供給を停止する。

ステップＳ１０６において、位相差検出部１１により検出されたインバータ回路の出力電流の出力電圧に対する位相が遅れ位相でないと判定されたときには、ステップＳ１１７に進んで異常信号を出力させると共に電力の供給を停止する。ステップＳ１０２で始動指令が発生していないと判定されたときにはステップＳ１１８に進んで電力の供給を停止させ、始動指令が与えられるのを待つ。

上記の実施形態では、電力変換部２１が一つだけ設けられていたが、電力変換部２１を一つだけ設けただけでは負荷に供給する電力が不足する場合には、図２に示すように、インバータ回路の出力電圧の位相が等しく、出力電流の位相が等しい複数(図示の例では４個）の電力変換部２１Ａないし２１Ｂを設けて、これらの電力変換部の出力を合成して直列共振回路５とフィルタ部６とを通して負荷に供給するようにしてもよい。図示の例では、電力変換部２１Ａないし２１Ｂのトランス４の二次コイルを並列に接続することにより、電力変換部２１Ａないし２１Ｂの出力を合成する合成回路３０を構成している。

図２に示したように構成する場合には、信号発生部１４が発生する制御信号Ｖ1及びＶ2を信号分配部１６により、電力変換部２１Ａないし２１Ｄのインバータ回路３に分配して、電力変換部２１Ａないし２１Ｄのインバータ回路３から同位相の高周波信号を発生させる。このように構成する場合、電力変換部２１Ａないし２１Ｄのインバータ回路３の出力電圧の位相及び出力電流の位相は等しいため、電圧検出部８及び電流検出部９はいずれか一つの電力変換部にのみ設ければよい。図２に示した例では、電力変換部２１Ｄに電圧検出部８と電流検出部８とを設けている。

図２に示した例では、電力変換部２１Ａないし２１Ｂのトランス４の二次コイルを並列に接続することにより、電力変換部２１Ａないし２１Ｂの出力を合成する合成回路３０を構成したが、合成回路３０の構成は図２に示した例に限定されるものではなく、他の周知の構成を有する合成回路を用いることもできる。

上記の例では、インバータ回路３とトランス４とにより電力変換部２１を構成するとしたが、直列共振回路５及びフィルタ部６をも電力変換部に含めて、その後段に合成回路を設けるように構成することもできる。

上記の各実施形態では、インバータ回路３とトランス４との間でインバータ回路の出力電流を検出する電流検出部９と、インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出部８を設けて、電流検出部９により検出される電流の位相と、電圧検出部８により検出される電圧の位相とから、インバータ回路の出力電流と出力電圧との位相差を検出するように、位相差検出部が構成されているが、本発明は、位相差検出部をこのように構成する場合に限定されない。上記の実施形態のように、周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部１３を設けて、この高周波信号発生部が発生する高周波信号によりインバータ回路を制御することによって、直流電源部が出力する直流電圧を、高周波信号と周波数及び位相が等しい高周波交流電圧に変換するように構成する場合には、インバータ回路の出力電圧が、高周波信号発生部１３が発生する高周波信号と同位相であるので、電流検出部９により検出される電流の位相と、高周波信号発生部１３が発生する高周波信号の位相とからインバータ回路の出力電流と出力電圧との位相差を検出するように構成することができる。このように構成すると、電圧検出部８を省略することができるため、装置の構成の簡素化を図ることができる。

上記の実施形態では、インバータ回路３の出力をトランス４を通して負荷に供給しているが、本発明が対象とする高周波電源装置は、交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する直流電源部２０と、直流電源部２０が出力する直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路３とを備えて、インバータ回路３から負荷７に高周波電力を供給するものであればよく、インバータ回路３と負荷７との間の回路の構成は、上記の実施形態で示した構成に限定されない。

例えば、トランスを用いずに、図６に示すように、インバータ３の交流出力端子３ｃと直列共振回路５との間、及び交流出力端子３ｄと高周波電源装置ＰＳの出力端子２２ｂとの間にそれぞれ直流阻止用コンデンサ４１及び４２を挿入して、インバータ回路３から直流阻止用コンデンサ４１及び４２を通して負荷７に高周波電力を供給するように構成してもよい。

また上記の各実施形態では、トランス４とフィルタ部６との間に直列共振回路５を挿入しているが、インバータ回路３から負荷７側を見た回路が直列共振特性を有する場合には、直列共振回路５を省略することができる。

本発明に係わる高周波電源装置は、プラズマ発生装置やレーザ発信装置などの高周波電力を供給することが必要な負荷の電源として広く用いることができる。本発明によれば、インバータ回路３に入力する直流電圧を一定とし、インバータ回路３の出力周波数を変化させることにより、負荷に供給する高周波電力を制御するので、直流電源部の構成を簡単にしてコストの低減を図ることができる。また大容量の平滑コンデンサの影響を受けることなく負荷に与える高周波電力を制御できるので、制御の応答性を良好にすることができる。このように、本発明は、高周波電源装置のコストの低減と性能の向上とに寄与するものであるので、産業上の利用可能性が大である。

３ インバータ回路
４ トランス
５ 直列共振回路
６ フィルタ部
７ 負荷
８ 電圧検出部
９ 電流検出部
１０ 電力検出部
１１ 位相差検出部
１２ 周波数制御部
１３ 高周波信号発生部
１４ 信号変換部
２０ 直流電源部
４１ 直流阻止用コンデンサ
４２ 直流阻止用コンデンサ

Claims (11)

1. 交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する直流電源部と、前記直流電源部が出力する直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路とを備えて、前記インバータ回路から負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置であって、
   前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部により検出される電流の前記インバータ回路の出力電圧に対する位相差を検出する位相差検出部と、
   前記負荷に供給される高周波電力を検出する電力検出部と、
   前記位相差検出部により検出された位相差及び前記電力検出部により検出された電力値を入力として、前記電流検出部により検出される電流の位相が前記インバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れ位相となる状態を維持しつつ、前記電力検出部により検出される電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つように、前記インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲内で制御する周波数制御部と、
   を具備したことを特徴とする高周波電源装置。
2. 前記インバータ回路から前記負荷側を見た回路が、直列共振特性を有するように構成されている請求項１に記載の高周波電源装置。
3. 前記インバータ回路の出力端と前記負荷との間にトランスが設けられて、前記インバータ回路から前記トランスを通して前記負荷に高周波電力を供給するように構成されている請求項１又は２に記載の高周波電源装置。
4. 前記インバータ回路と前記負荷との間に直流阻止用コンデンサが挿入されて、前記インバータ回路から直流阻止用コンデンサを通して前記負荷に高周波電力を供給するように構成されている請求項１又は２に記載の高周波電源装置。
5. 周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部が設けられ、
   前記インバータ回路は、前記高周波信号により制御されて、前記直流電源部が出力する直流電圧を、前記高周波信号と周波数及び位相が等しい高周波交流電圧に変換すること、
   を特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の高周波電源装置。
6. 前記インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出部が設けられ、
   前記位相差検出部は、前記電流検出部により検出される電流の位相と、前記電圧検出部により検出される電圧の位相とから前記位相差を検出するように構成されていること、
   を特徴とする請求項１，２，３，４又は５に記載の高周波電源装置。
7. 前記位相差検出部は、前記電流検出部により検出される電流の位相と、前記高周波信号発生部が発生する高周波信号の位相とから前記位相差を検出するように構成されていること、
   を特徴とする請求項５に記載の高周波電源装置。
8. 前記周波数制御部は、前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも小さいか又は前記許容範囲を下回っているときには前記インバータ回路の出力周波数を下げるように制御し、前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも大きいか又は前記許容範囲を上回っているときには前記インバータ回路の出力周波数を上げるように制御することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の高周波電源装置。
9. 前記周波数制御部は、前記インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲の下限値まで下げたにもかかわらず前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも小さいか又は前記許容範囲を下回っているとき及び前記インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲の上限値まで上げたにもかかわらず前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも大きいか又は前記許容範囲を上回っているときに異常信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の高周波電源装置。
10. 前記周波数制御部は、負荷に供給される高周波電力を設定値に近づけるか又は許容範囲内に収めるために前記インバータ回路の出力周波数を下げていく過程で、前記電流検出部により検出される電流の位相が前記インバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れ位相でなくなったときに異常信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の高周波電源装置。
11. 前記直流電源部は、商用の交流電圧を変圧器により変圧して得た電圧を整流平滑して直流電圧を出力するように構成されている請求項１ないし１０のいずれかに記載の高周波電源装置。

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