CN101529710A - 电源装置和使用该电源装置的微波产生装置 - Google Patents

电源装置和使用该电源装置的微波产生装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电源装置，其特征在于，包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时上述各开关元件产生导通、断开循环，根据所述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压；和控制部，进行移相型PWM控制，所述移相型PWM控制通过使上述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从上述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度，其中，上述控制部使得在上述开关元件的导通、断开循环中插入上述多个开关元件全部断开的定时。

Description

电源装置和使用该电源装置的微波产生装置
技术领域
本发明涉及包括通过移相型的PWM控制进行开关动作的开关电路的电源装置和使用该电源装置的微波产生装置。
背景技术
在半导体器件、液晶显示装置的制造工序中，在半导体晶片、玻璃基板等被处理基板上实施蚀刻处理、成膜处理等的等离子体处理。因此，使用等离子体蚀刻装置、等离子体CVD成膜装置等等离子体处理装置。
作为等离子体处理装置中的等离子体的产生方式，多使用以下方式：向配置有平行平板电极的腔室内供给处理气体，向平行平板电极供给规定的电力，通过平行平板间的电容耦合而产生等离子体。但是，近来，作为能够实现高等离子体密度和低电子温度的等离子体，利用了微波的方式不断受到注目。
作为利用微波的等离子体源，一般使用设置有磁控管的微波产生装置。磁控管在作为阴极(cathode)的金属线的周围以同轴状配置具有空腔谐振器的阳极(anode)而构成。在向这两个电极之间施加直流电场的状态下，加热阴极，释放出热电子。通过调整施加在两电极间的电场(电压)，流动的电流被控制。与此同时，通过在与该电场正交的方向施加的磁场，热电子进行旋转运动而振荡。作为其结果，产生微波。
在将磁控管用于微波振荡器的情况下，需要大容量的高电压电源。大容量的直流电源的开关电路通常由使用了4个晶体管的全桥电路构成。在此情况下，能够使施加在构成开关元件的晶体管(FET)上的电压降低，此外，能够根据变压器匝数自由地设定电压、电流。
使用了这种开关电路的电源的功率控制，一般通过PWM(PulseWidth Modulation：脉冲宽度调制)控制进行。历来，该控制通过调整晶体管的导通、断开(on、off)的时间(占空比：duty cycle)而进行。但是，当所有晶体管断开的时间较长时，负载的线的电位变得不稳定，开关损失增加。
作为避免这种缺点的技术，已知有令各晶体管的栅极信号的占空比一定并通过改变相位(phase)来控制各晶体管的ON时间的移相型的PWM控制(例如，晶体管技术2004年6月号228～235页(非专利文献1))。通过进行移相型的PWM控制，能够容易地形成谐振电路，因此能够进行高效率的开关动作。
发明内容
在进行使用以上那样的全桥电路的移相型的PWM控制的情况下，多使用开关效率高的MOS型晶体管。但是，当断开时间长时，即，当从该电路输出并施加在负载上的电压信号的占空比小时，在导通的晶体管的源极/漏极间的寄生电容部分不能充分地蓄积电荷。因此，在将其断开后，当令串联连接在该晶体管上的其它晶体管导通时，大的输入电流通过已断开的晶体管的电容部分并流入处于导通状态下的晶体管，于是，这些晶体管发热，产生大的损失。
另一方面，在施加在负载上的电压信号的占空比大的情况下，要求更大的功率。但是，通常的移相控制，还存在效率下降、不能充分获得功率的情况。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种电源装置和使用该电源装置的微波产生装置，该电源装置通过移相型的PWM控制使开关电路动作，并且，发热等损失的影响小、效率高。
此外，本发明的目的在于提供一种电源装置和使用该电源装置的微波产生装置，该电源装置通过移相型的PWM控制使开关电路动作，并且，兼具高效率和高功率。
进一步，本发明的目的在于提供用于控制这种电源装置的开关电路的计算机程序。
本发明为一种电源装置，其特征在于，包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时上述各开关元件产生导通、断开循环，根据上述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压；和控制部，进行移相型PWM控制，所述移相型PWM控制通过使上述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从上述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度，其中，上述控制部使得在上述开关元件的导通、断开循环中插入上述多个开关元件全部断开的定时。
根据本发明，在上述开关元件的导通、断开循环中插入多个开关元件全部断开的定时，由此，能够在动作中途充分地对例如开关晶体管的寄生电容进行充电。由此，例如在开关晶体管中，能够防止因充电电荷少而引起的冲击电流的产生。因此，能够抑制由冲击电流引起的损失和晶体管的发热等。
此外，本发明为一种电源装置，其特征在于，包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时上述各开关元件产生导通、断开循环，根据上述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压；和控制部，进行移相型PWM控制，所述移相型PWM控制通过使上述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从上述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度，其中，上述控制部使得在从上述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于规定值的情况下在上述开关元件的导通、断开循环中插入上述多个开关元件全部断开的定时，而在上述占空比在上述规定值以上的情况下不插入上述多个开关元件全部断开的定时。
根据本发明，在从开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于规定值的情况下在上述开关元件的导通、断开循环中插入多个开关元件全部断开的定时，由此，在能够动作中途充分地对例如开关晶体管的寄生电容进行充电。另一方面，在占空比在上述规定值以上的情况下不插入多个开关元件全部断开的定时。由此，能够降低高占空比区域中的开关损失，进行更高效率的控制。
此外，本发明为一种电源装置，其特征在于，包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时上述各开关元件产生导通、断开循环，根据上述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压；和控制部，进行移相型PWM控制，所述移相型PWM控制通过使上述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从上述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度，其中，上述控制部使得在从上述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于规定值的情况下使上述各开关元件的导通、断开循环的频率相对提高，而在上述占空比在上述规定值以上的情况下使上述导通、断开循环的频率相对降低。
根据本发明，在从开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于规定值的情况下使上述各开关元件的导通、断开循环的频率相对提高，在上述占空比在上述规定值以上的情况下使上述导通、断开循环的频率相对降低。由此，在低功率模式下能够实现良好的功率控制性能，并且，在高功率模式下能够得到高效率。
在此情况下，上述控制部也可以进行控制，使得在上述占空比在上述规定值以上的情况下上述占空比越大则上述导通、断开循环的频率越低。另外，上述控制部也可以进行控制，使得在上述占空比小于上述规定值的情况下上述占空比越大则上述导通、断开循环的频率越低。
此外，本发明为一种电源装置，其特征在于，包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时上述各开关元件产生导通、断开循环，根据上述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压；和控制部，进行移相型PWM控制，所述移相型PWM控制通过使上述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从上述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度，其中，上述控制部使得在从上述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于规定值的情况下在上述开关元件的导通、断开循环中插入上述多个开关元件全部断开的定时，另一方面，在上述占空比在上述规定值以上的情况下不插入上述多个开关元件全部断开的定时，并且，使上述导通、断开循环的频率低于上述占空比小于上述规定值的情况下的频率。
根据本发明，能够进行更细微的控制，能够同时实现高的效率和高的功率控制性。
在此情况下，上述控制部也可以进行控制，使得在上述占空比在上述规定值以上的情况下，上述占空比越大则上述导通、断开循环的频率越低。进一步，上述控制部也可以进行控制，使得在上述占空比小于上述规定值的情况下，上述占空比越大则上述导通、断开循环的频率越低。
此外，本发明为一种电源装置，其特征在于，包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时上述各开关元件产生导通、断开循环，根据上述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压；和控制部，进行移相型PWM控制，所述移相型PWM控制通过使上述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从上述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度，其中，上述控制部使得在从上述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于第一值的情况下在上述开关元件的导通、断开循环中插入上述多个开关元件全部断开的定时，而在上述占空比在上述第一值以上且比大于该第一值的第二值小的情况下不插入上述多个开关元件全部断开的定时，在上述占空比在上述第二值以上的情况下使上述导通、断开循环的频率低于上述占空比小于上述第二值的情况下的频率。
根据本发明，能够进行更细微的控制，能够同时实现高的效率和高的功率控制性。
在此情况下，上述控制部也可以进行控制，使得在上述占空比在上述第二值以上的情况下，上述占空比越大则上述导通、断开循环的频率越低。进一步，上述控制部也可以进行控制，使得在上述占空比在上述第一值以上且小于上述第二值的情况下，上述占空比越大则上述导通、断开循环的频率越低。另外，上述控制部也可以进行控制，使得在上述占空比小于上述第一值的情况下，上述占空比越大则上述导通、断开循环的频率越低。
在以上的各发明中，优选上述开关电路具有4个开关元件，它们构成全桥电路。而且，优选该4个开关元件的导通、断开循环的占空比相同。
此外，例如，上述开关元件是MOS FET或IGBT。此外，能够进一步设置使从上述开关电路输出的电压上升的升压变压器。
此外，本发明为一种微波产生装置，其特征在于，包括：具有上述任一特征的电源装置；和由上述电源装置供电而使微波振荡的微波振荡部。
优选上述微波振荡部包括磁控管，该磁控管包括：腔室，内部被保持为真空；金属线，被配置在上述腔室内，且作为释放出热电子的阴极发挥作用；阳极，在上述腔室内与上述金属线对置配置，且由上述电源装置供电而在与上述金属线之间形成电场；和磁场产生单元，在上述腔室的外侧形成与上述电场正交的磁场。
本发明为一种计算机程序，使计算机发挥作用以控制电源装置，该电源装置包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；和开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时上述各开关元件产生导通、断开循环，根据上述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压，该计算机程序的特征在于：该计算机程序使计算机实现以下功能：进行通过使上述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从上述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度的移相型PWM控制的功能；和在上述开关元件的导通、断开循环中插入上述多个开关元件全部断开的定时的功能。
本发明为一种计算机程序，使计算机发挥作用以控制电源装置，该电源装置包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；和开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时在上述各开关元件中产生导通、断开循环，根据上述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压，该计算机程序的特征在于：该计算机程序使计算机实现以下功能：进行通过使上述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从上述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度的移相型PWM控制的功能；和在从上述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于规定值的情况下，在上述开关元件的导通、断开循环中插入上述多个开关元件全部断开的定时，而在上述占空比在上述规定值以上的情况下，不插入上述多个开关元件全部断开的定时的功能。
本发明为一种计算机程序，使计算机发挥作用以控制电源装置的方式，该电源装置包括：将交流电压变换为直流电压的交流/直流变换部；和开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时上述各开关元件产生导通、断开循环，根据这上述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压，该计算机程序的特征在于：该计算机程序使计算机实现以下功能：进行通过使上述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从上述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度的移相型PWM控制的功能；和在从上述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于规定值的情况下，使上述各开关元件的导通、断开循环的频率相对提高，而在上述占空比在上述规定值以上的情况下，使上述导通、断开循环的频率相对降低的功能。
本发明为一种计算机程序，使计算机发挥作用以控制电源装置，该电源装置包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；和开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时上述各开关元件产生导通、断开循环，根据上述各开关元件各自的导通、断开的组合输出脉冲状电压，该计算机程序的特征在于：该计算机程序使计算机实现以下功能：进行通过使上述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从上述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度的移相型PWM控制的功能；和在从上述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于第一值的情况下，在上述开关元件的导通、断开循环中插入上述多个开关元件全部断开的定时，在上述占空比在第一值以上且比大于上述第一值的第二值小的情况下，不插入上述多个开关元件全部断开的定时，在上述占空比在上述第二值以上的情况下，使上述导通、断开循环的频率低于上述占空比小于上述第二值的情况下的频率。
附图说明
图1是表示包括搭载有本发明的一个实施方式的高电压电源的微波产生装置的微波等离子体处理装置的框图。
图2是用于说明图1的微波等离子体处理装置的内部结构的概略图。
图3A和图3B是详细表示本发明的一个实施方式的高电压电源的电路图。
图4是表示作为图1的微波等离子体处理装置中的微波振荡部的主要结构部的磁控管的剖视图。
图5是表示通常的移相型PWM控制中的各开关晶体管的栅极信号和变压器初级侧电压波形的关系的一个例子的图。
图6是示意地表示图5的情况下的1个循环的开关动作的图。
图7是表示在实际的移相型的PWM控制中，使变压器初级侧电压的占空比变化时的占空比为20％、50％、90％的实际波形的图。
图8是示意地表示本发明的一个实施方式的高电压电源的开关电路中的1个循环的开关动作的图。
图9是表示本发明的另一实施方式的开关电路的动作状态的示意图。
图10是表示在高的频率下，在栅极信号的占空比小的情况下且在晶体管断开时发生多次(高次)谐振时的栅极电压、变压器初级侧电流、变压器次级侧电流的波形的图。
图11是表示本发明的又一实施方式中的开关电路的动作状态的示例的示意图。
图12是表示本发明的又一实施方式中的开关电路的动作状态的另一示例的示意图。
图13是表示本发明的又一实施方式中的开关电路的动作状态的又一示例的示意图。
图14A和图14B是表示本发明的其它实施方式中的开关电路的动作状态的示意图。
图15是表示本发明的又一其它实施方式中的开关电路的动作状态的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的一个实施方式进行详细的说明。图1是表示包括搭载有本发明的一个实施方式的高电压电源(电源装置)的微波产生装置的微波等离子体处理装置的框图。图2是用于说明其内部结构的概略图。
如图1所示，微波等离子体处理装置100包括：微波产生装置1；微波传送部2；等离子体处理部3；和作为控制以上各部分的上级控制部的整体控制部4。
微波产生装置1包括高电压电源11和微波振荡部12。如图2所示，高电压电源11用于将3相200V的交流电压变换成直流电压，并使之升压，将规定的直流电压提供给微波振荡部12，该高电压电源11包括：安全电路13；AC/DC变换部14；开关电路15；高耐压升压变压器16；整流电路17；和主要控制开关电路15的高电压电源控制器18。AC/DC变换部14包括整流电路21和平滑电路22。而且，被AC/DC变换部14变换后的280V的直流电压根据来自高电压电源18的指令，通过开关电路15被开关(被接通、断开)。而且，该直流电压被高耐压升压变压器16升压至期望的电压，经整流电路17被提供给微波振荡部12。向微波振荡部12提供的高压直流的电压、电流被电压、电流监视器20监视，其信息被送至高电压电源控制器18。
如图2所示，微波振荡部12包括：使微波振荡的磁控管23；向磁控管23的金属线供给电压的金属线电源24；和微波振荡部控制器25。
磁控管23在被保持为真空的容器内具有作为阴极(cathode)的金属线26和阳极(anode)27。当电压被施加在金属线26上时，释放出热电子。通过从高电压电源11在两电极间施加规定的电压，流动的电流被控制。此外，通过在与此时产生的电场正交的方向上施加磁场，在热电子中产生旋转运动，进行振荡。结果，磁控管23发出例如2.45GHz的微波。
金属线电源24包括：对从200V的3相交流取出的200V的交流进行降压的高耐压降压变压器28；AC/DC变换电路29；和开关电路30。由高耐压降压变压器28和AC/DC变换电路29形成的7V的直流电压根据来自微波振荡部控制器25的指令由开关电路30控制，成为0～7V范围的规定电压并被施加在磁控管23的金属线26上。而且，向金属线26提供的直流的电压、电流被电压、电流监视器31监视，其信息被发送至微波振荡控制器25。
微波传送部2用于将在微波产生装置1中产生的微波传导至等离子体处理部3，该微波传送部2包括：用于传导在微波产生装置1中产生的微波(μ波)的波导管32；用于将反射微波分开的隔离器33；检测微波的功率的功率传感器34；进行阻抗调整的调谐器35；用于将所传送的微波向等离子体处理部3发射的天线36；和控制微波传送部2的各结构部的传送部控制器37。在天线36上形成有用于发射微波的缝隙。由功率传感器34检测的微波的功率由功率监视器38监视，其信号被发送至高电压电源控制器18。
等离子体处理部3包括：被气密构成的腔室39；在腔室39内载置被实施等离子体处理的被处理基板S的载置台40；用于使从天线36发射的微波透过至腔室39内的由电介质材料构成的顶板41；向腔室39内供给处理气体的气体供给部42；将来自气体供给部42的气体导入腔室39内的气体导入部件43；设置在腔室39的底部上的排气口44；经由排气口44对腔室39内进行排气的排气部45；和控制等离子体处理部3的各结构部的处理部控制器46。通过向腔室39的被处理基板S的上方空间发射微波，在该空间内形成处理气体的等离子体。利用该等离子体，对被处理基板S实施氧化处理、蚀刻等规定的等离子体处理。
整体控制部4包括：对高电压电源控制器18、微波振荡部控制器25、传送部控制器37、处理部控制器46进行控制的由微处理器(计算机)构成的上级控制器47；存储有在控制中所需的各种程序、处理条件这些所谓的处理方案等的存储部48；和包括进行高电压电源的功率等的各种设定的设定部、显示状态和警报等的显示部等的外部界面49。上述处理方案例如能够存储在CD-ROM、硬盘、软盘、非易失性存储器等能够读出的存储介质中。由整体控制部4、高电压电源控制器18、微波振荡部控制器25、传送部控制器37、处理部控制器46构成控制部。
接着，对高电压电源11进行详细的说明。
图3A和图3B是详细地表示高电压电源11的电路图。如图3A所示，200V的3相交流首先经安全电路13到达AC/DC变换部14。安全电路13包括：电流断路器50；噪声滤波器51；和磁接触器52。经过安全电路13的电流通过整流电路21被变换成直流，其直流电流通过包括电容器22a的平滑电路22被平滑化，形成280V的直流。
如图3B所示，在开关电路15中，4个开关晶体管Q1、Q2、Q3、Q4构成全桥电路(也称为H桥)，通过高电压电源控制器18进行移相型的PWM控制。从高电压电源控制器18向开关晶体管Q1、Q2、Q3、Q4输入各自的相位(phase)已被控制的占空比为50％的栅极驱动信号Vg1、Vg2、Vg3、Vg4。这些栅极驱动信号被合成，从开关电路15输出脉冲状电压。该脉冲状电压作为变压器初级侧电压被取出。
在开关晶体管Q1～Q4中，晶体管Q1、Q4是正输出，晶体管Q2、Q3是负输出。作为开关晶体管，从效率的观点出发，能够使用场效应型晶体管，优选使用MOS型的场效应晶体管，优选功率MOSFET。此外，还能够使用与MOSFET相比为高耐压且适用于高功率的IGBT(绝缘栅型双极晶体管)。
此外，作为开关电路15的负载的升压变压器16与从串联连接的晶体管Q1和Q2之间以及晶体管Q3和Q4之间分别延伸出来的布线连接。此外，谐振电容器Cr/2以与各开关晶体管Q1～Q4并联的方式被插入，在从晶体管Q1和Q2之间至升压变压器16的布线上插入有谐振电感器Lr。此处，谐振电容器Cr/2是晶体管的寄生电容和与晶体管并列连接的追加电容器的合成电容，谐振电感器Lr是变压器16的漏电感和与变压器串联连接的追加电感的合成电感。在升压变压器16中，280V被升压至-8000V。即，0～-8000V之间的电压的直流电流被整流电路17整流后提供给磁控管23。
接着，参照图4，对作为微波振荡部12的主结构部的磁控管23进行说明。
在该磁控管23中，在保持为真空的例如金属制的壳体61内，配置有作为阴极的金属线26；和与该金属线26对置配置的阳极27。实际上，金属线26被成形为圆筒状，阳极27以围绕其周围的方式成形为同轴圆筒状，但是，在图4中，磁控管23的结构仅被示意地记载。在阳极27的与金属线26对置的面上，设置有多个空腔谐振器62。
壳体61的侧面(图中的上下面)66由非磁性材料形成，在其外侧配置有永久磁铁67。由此，在作为阴极的金属线26与阳极27之间的空间，能够以与这两个电极的对置方向正交的方式形成强磁场。此外，从金属线电源24对金属线26施加电压，由此，热电子被释放出。此外，在作为阴极发挥作用的金属线26与阳极27之间，从高电压电源11施加规定的电压，由此，电流被控制。对于此时生成的电场，因为上述磁场在与该电场正交的方向上作用，所以通过该正交电磁场，从金属线26释放出的热电子产生旋转运动，热电子在通过空腔谐振器62时发生谐振，结果，产生2.45GHz的微波。
在阳极27上连接隔着绝缘材料63贯通壳体61的天线引线64。在该天线引线64的前端部连接有天线65，产生的微波从该天线65被传播到波导管32内。
接着，对以上述方式构成的微波等离子体处理装置中的处理动作进行说明。
首先，在外部界面49的设定部进行高电压电源的功率等的各种设定。然后，从未图示的搬入搬出口将被处理基板S搬入等离子体处理部3的腔室39内。然后，从气体供给部42经气体导入部件43将规定的处理气体导入腔室39内，通过微波产生装置1产生微波，微波经微波传送部2被发射至腔室39内。由此，处理气体在腔室39内被等离子体化，通过该微波等离子体进行规定的等离子体处理。
这时，利用微波产生装置1的高电压电源11的开关电路15，通过高电压电源控制器18对产生的微波进行控制。具体而言，高电压电源控制器18根据来自外部界面49的设定信号，控制开关电路15的各开关晶体管的开关频率和相位(phase)等，如上所述，根据移相型的PWM控制进行开关动作。这时，来自电流电压监视器20的电流和电压的信号、以及通过功率监视器38被监视并通过微波传送部2的功率传感器34被检测出的功率的信号被反馈，开关电路15的各开关晶体管被控制，使得所设定的功率被供给。
在通常的基于移相型的PWM控制的开关动作中，开关晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极信号被固定为例如占空比为50％，它们的相位(phase)被改变。而且，通过插入适当的死区时间，升压变压器16初级侧的电压波形被控制为所期望的那样。即，如果施加在变压器16的初级侧的电压波形中的占空比小，则输出变小，如果该占空比大则输出变大。图5示意地表示各开关晶体管的栅极信号和变压器初级侧电压波形的例子。此外，图6示意地表示图5的情况下的1个循环的开关动作。(在图6中，为了简单，开关晶体管Q1～Q4仅被记载为开闭开关，变压器以箱表示。)图5的(1)～(8)的部分与图6的(1)～(8)的状态分别对应。此处，所谓死区时间，是图5中的(2)(4)(6)(8)的状态。在移相型的PWM控制中，也能够省略它们。但是，在省略它们的情况下，例如晶体管从图6的(1)切换为(3)。在此情况下，晶体管断开时所需的时间多于导通时所需的时间。因此，存在短路电流瞬间流过Q3和Q4的可能性。因此，优选设置死区时间。
此外，图7表示实际上使各开关晶体管Q1～Q4移相，使变压器初级侧电压的占空比变化的情况下的实际波形。在图7中，表示占空比为20％、50％、90％的实际波形。在图7中，以斜线部表示Q1和Q4均导通的时间以及Q2和Q3均导通的时间。
在这样的移相型的PWM控制中，如果使用MOS型晶体管作为开关晶体管，则当断开时间长时，即，当从该电路输出并被施加在变压器16上的电压(输出电压)的占空比小时，在已导通的晶体管的源极/漏极间的寄生电容部分不能充分地蓄积电荷。例如，在图6的情况下，在状态(1)～(3)下开关晶体管Q2为导通状态，但是当占空比小时，在Q2的寄生电容中几乎不蓄积电荷。在将其断开后，当使与该开关晶体管Q2串联连接的开关晶体管Q1导通时(状态(5))，大的冲击电流通过已断开的晶体管Q2的电容部分流入晶体管Q1，该晶体管发热而产生大的损失。同样的情况在状态(1)时也发生。在此情况下，大的冲击电流通过已断开的晶体管Q1的电容部分流入晶体管Q2，产生大的损失。即，在来自开关电路15的输出电压的占空比小的情况下，在开关晶体管Q1和Q2中流动大的电流，引起发热而产生大的损失。
因此，在本实施方式中，如图8所示，在状态(4)和(8)下，设置有所有的开关晶体管断开的全部断开时间。通过高电压电源控制器18控制开关电路，使得能够设置这样的状态。即，在状态(4)下，使开关晶体管Q2、Q4临时断开，使所有的开关晶体管断开，由此，电荷蓄积在开关晶体管Q2的寄生电容中。因此，在状态(5)下，没有流向晶体管Q1的冲击电流。此外，在状态(8)下，使开关晶体管Q1、Q3临时断开，使所有的开关晶体管断开，由此，电荷蓄积在开关晶体管Q1的寄生电容中。因此，在状态(1)下，没有流向晶体管Q2的冲击电流。通过以上的方式，能够消除因开关晶体管Q1、Q2中的冲击电流引起的损失。而且，在图8中，省略与图6的(4)、(8)相当的期间，减少了晶体管的开关的次数。因为如果晶体管进行开关则必然在晶体管、开关电路中产生损失，所以优选尽量减少1个循环(相当于图8的(1)～(8))中的开关次数。从这个观点出发，优选将所有晶体管被断开的期间设置在电流流入负载的期间(1)、(5)之前。
此处，针对没有全部断开时间的图6的情况和设置有全部断开时间的图8的情况，使晶体管实际地动作，进行了比较实验。在实验中，来自开关电路15的输出电压的占空比被改变。测定安装在散热器上的晶体管的金属壳的温度，因为当温度超过100℃时晶体管发生故障，所以在该温度附近结束了实验。以下的表1表示结果。
(表1)
 占空比   10％   20％   30％   40％
 图6的情况   60℃   100℃   ×   ×
 图8的情况   25℃   25℃   25℃   70℃
如表1所示，能够确认，通过设置全部断开时间，能够抑制伴随开关的晶体管的发热。
接着，对另一实施方式进行说明。
在上述的实施方式中，设置了将所有的开关晶体管断开的全部断开时间。在此情况下，在每个循环中增加2次开关动作。因此，在增大输出电压的占空比而供给大电力的情况下，由于开关损失，反而存在整个损失变大的可能性。
因此，在本实施方式中，预先对开关晶体管Q1、Q2的开关动作的效率特性进行调查。然后，根据负载的状况等，如图9所示，通过高电压电源控制器18切换2个模式的移相型控制。即，在输出电压的占空比小的区域，如上所述，进行形成断开所有的开关晶体管的定时的模式的移相型PWM控制，当达到规定的占空比时，进行通常的移相型PWM控制(图6)。通过这样的切换控制，能够进行损失更少的电源控制。
接着，对又一实施方式进行说明。
在上述开关电路15中，为了尽量维持高的效率，如上所述，插入谐振电容器Cr/2和谐振电感器Lr而构成谐振电路。然后，为了降低变压器的铜损从而减少整体的损失，各开关晶体管的开关频率(栅极信号的频率)被设定为例如10～500kHz。但是，在这样高的频率下，当来自开关电路15的输出电压的占空比小时，在晶体管断开时，存在发生多次(高次)谐振的情况。图10表示此时的情况。在图10所示的情况下，即使栅极电压正常，也在晶体管的断开时在变压器初级侧流动谐振电流。因此，在变压器次级侧也输出电压，不能进行正常的移相型PWM控制。为了防止这种功率控制性的恶化，需要较低地设定谐振频率。因为谐振频率fr为fr＝1/(2π(LrCr)1/2)，所以需要较大地设定Lr、Cr。但是，当令Cr较大时，如上所述，在其未被充电时大的冲击电流流入与其串联连接的晶体管，引起发热，从而不令人满意。另一方面，当增大Lr时，在来自开关电路15的输出电压的占空比大的大电力模式(高功率模式)下，由于与变压器16串联连接的谐振电感器的影响，存在不能得到足够的功率的可能性。
在这样的大电力模式的情况下，通过使开关频率降低，能够使获得的功率上升。即，由于阻抗根据频率变化，因此如果使频率降低则变得不易受到谐振电感器的影响，能够得到更大的功率。
因此，在本实施方式中，进行控制，使得在需要重视效率的低占空比、例如不足50％的低功率模式的情况下，提高频率，例如为50～100kHz左右；而在需要重视功率的高占空比、例如50％以上的高功率模式的情况下，降低频率，例如为1～50kHz左右。由此，即使在功率控制性成为问题的低功率模式下，也能够不引起谐振地进行动作，在重视功率的高功率模式下，能够通过使谐振电感器的感应系数小而获得高效率。在此情况下，如图11所示，在某个占空比以上、例如50％以上使频率下降至一定值，或如图12所示，在功率小的低占空比下固定于高频率，在某个占空比以上、例如50％以上的高功率模式下随着占空比上升使频率下降，或如图13所示，即使在小于规定的占空比的区域，也随着占空比变大而使频率下降。通过这种方式，不尽量降低效率就能够得到大的功率。
接着，对其它实施方式进行说明。
本实施方式是组合之前的实施方式而成的，例如，如图14A和图14B所示，在占空比小于规定值的低占空比下，进行如上所述设定令所有的开关晶体管断开的定时的控制，在规定的占空比以上的情况下，切换至通常的移相型控制，并使频率下降。具体而言，可以如图14A所示，在占空比为规定值以上的情况下，使频率下降至一定值，也可以如图14B所示，在占空比为规定值以上的情况下，根据占空比使频率变化。此外，也可以在占空比小于规定值时，根据占空比使频率变化。
接着，对又一其它实施方式进行说明。
在本实施方式中，如图15所示，在低于第一占空比A的低占空比下，进行设置令开关晶体管断开的定时的控制；在第一占空比A以上且小于第二占空比B的中占空比下，进行通常的移相型控制；在第二占空比B以上的高占空比下，进行令频率小于中占空比时的频率的控制。由此，能够进行更精细的控制。关于本实施方式中的第二占空比以上的区域中的频率的变化，在图15的情况下虽然按照占空比使频率变化，但是也可以使频率下降至一定值。此外，在第一占空比以上且小于第二占空比的区域中，也可以控制为比小于第一占空比的区域中的频率小的频率。此外，在第一占空比以上且小于第二占空比的区域中，也可以随着占空比变大而使频率下降。在此情况下，在小于第一占空比的区域中，也可以随着占空比变大而使频率下降。
而且，本发明不限于上述各实施方式，能够进行各种变形。例如，在上述各实施方式中，将本发明应用于微波产生装置，但不限于此，也可以应用于需要高电压的其它用途的电源中。此外，在上述各实施方式中，作为开关电路，使用搭载有4个开关晶体管的全桥电路，但不限于此，例如也可以使用半桥电路。
本发明适用于在微波等离子体处理装置中使用的微波产生装置等需要大电力的电源。

Claims (20)

1.一种电源装置，其特征在于，包括：
交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；
开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时所述各开关元件产生导通、断开循环，根据所述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压；和
控制部，进行移相型PWM控制，所述移相型PWM控制通过使所述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从所述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度，其中，
所述控制部使得在所述开关元件的导通、断开循环中插入所述多个开关元件全部断开的定时。
2.一种电源装置，其特征在于，包括：
交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；
开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时所述各开关元件产生导通、断开循环，根据所述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压；和
控制部，进行移相型PWM控制，所述移相型PWM控制通过使所述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从所述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度，其中，
所述控制部使得在从所述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于规定值的情况下在所述开关元件的导通、断开循环中插入所述多个开关元件全部断开的定时，而在所述占空比在所述规定值以上的情况下不插入所述多个开关元件全部断开的定时。
3.一种电源装置，其特征在于，包括：
交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；
开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时所述各开关元件产生导通、断开循环，根据所述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压；和
控制部，进行移相型PWM控制，所述移相型PWM控制通过使所述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从所述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度，其中，
所述控制部使得在从所述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于规定值的情况下使所述各开关元件的导通、断开循环的频率相对提高，而在所述占空比在所述规定值以上的情况下使所述导通、断开循环的频率相对降低。
4.一种电源装置，其特征在于，包括：
交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；
开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时所述各开关元件产生导通、断开循环，根据所述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压；和
控制部，进行移相型PWM控制，所述移相型PWM控制通过使所述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从所述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度，其中，
所述控制部使得在从所述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于规定值的情况下在所述开关元件的导通、断开循环中插入所述多个开关元件全部断开的定时，而在所述占空比在所述规定值以上的情况下不插入所述多个开关元件全部断开的定时，并且，使所述导通、断开循环的频率低于所述占空比小于所述规定值的情况下的频率。
5.如权利要求3或4所述的电源装置，其特征在于：
所述控制部进行控制，使得在所述占空比在所述规定值以上的情况下，所述占空比越大则所述导通、断开循环的频率越低。
6.如权利要求5所述的电源装置，其特征在于：
所述控制部进行控制，使得在所述占空比小于规定值的情况下，所述占空比越大则所述导通、断开循环的频率越低。
7.一种电源装置，其特征在于，包括：
交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；
开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时所述各开关元件产生导通、断开循环，根据所述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压；和
控制部，进行移相型PWM控制，所述移相型PWM控制通过使所述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从所述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度，其中，
所述控制部使得在从所述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于第一值的情况下在所述开关元件的导通、断开循环中插入所述多个开关元件全部断开的定时，而在所述占空比在所述第一值以上且比大于该第一值的第二值小的情况下不插入所述多个开关元件全部断开的定时，在所述占空比在所述第二值以上的情况下使所述导通、断开循环的频率低于所述占空比小于所述第二值的情况下的频率。
8.如权利要求7所述的电源装置，其特征在于：
所述控制部进行控制，使得在所述占空比在所述第二值以上的情况下，所述占空比越大则所述导通、断开循环的频率越低。
9.如权利要求8所述的电源装置，其特征在于：
所述控制部进行控制，使得在所述占空比在所述第一值以上且小于所述第二值的情况下，所述占空比越大则所述导通、断开循环的频率越低。
10.如权利要求9所述的电源装置，其特征在于：
所述控制部进行控制，使得在所述占空小于所述第一值的情况下，所述占空比越大则所述导通、断开循环的频率越低。
11.如权利要求1～10中任一项所述的电源装置，其特征在于：
所述开关电路具有4个开关元件，它们构成全桥电路。
12.如权利要求11所述的电源装置，其特征在于：
所述4个开关元件的导通、断开循环的占空比相同。
13.如权利要求1～12中任一项所述的电源装置，其特征在于：
所述开关元件是MOS FET或IGBT。
14.如权利要求1～13中任一项所述的电源装置，其特征在于：
还包括使从所述开关电路输出的电压上升的升压变压器。
15.一种微波产生装置，其特征在于，包括：
权利要求1～14中任一项所述的电源装置；和
由所述电源装置供电而使得产生微波振荡的微波振荡部。
16.如权利要求15所述的微波产生装置，其特征在于：
所述微波振荡部包括磁控管，该磁控管包括：
腔室，内部被保持为真空；
金属线，被配置在所述腔室内，且作为释放出热电子的阴极发挥作用；
阳极，在所述腔室内与所述金属线对置配置，且由所述电源装置供电而在与所述金属线之间形成电场；和
磁场产生单元，在所述腔室的外侧形成与所述电场正交的磁场。
17.一种计算机程序，使计算机发挥作用以控制电源装置，该电源装置包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；和开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时所述各开关元件产生导通、断开循环，根据所述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压，该计算机程序的特征在于：
该计算机程序使计算机实现以下功能：
进行通过使所述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从所述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度的移相型PWM控制的功能；和
在所述开关元件的导通、断开循环中插入所述多个开关元件全部断开的定时的功能。
18.一种计算机程序，使计算机发挥作用以控制电源装置，该电源装置包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；和开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时所述各开关元件产生导通、断开循环，根据所述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压，该计算机程序的特征在于：
该计算机程序使计算机实现以下功能：
进行通过使所述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从所述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度的移相型PWM控制的功能；和
在从所述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于规定值的情况下，在所述开关元件的导通、断开循环中插入所述多个开关元件全部断开的定时，而在所述占空比在所述规定值以上的情况下，不插入所述多个开关元件全部断开的定时的功能。
19.一种计算机程序，使计算机发挥作用以控制电源装置，该电源装置包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；和开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时所述各开关元件产生导通、断开循环，根据所述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压，该计算机程序的特征在于：
该计算机程序使计算机实现以下功能：
进行通过使所述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从所述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度的移相型PWM控制的功能；和
在从所述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于规定值的情况下，使所述各开关元件的导通、断开循环的频率相对提高，而在所述占空比在所述规定值以上的情况下，使所述导通、断开循环的频率相对降低的功能。
20.一种计算机程序，使计算机发挥作用以控制电源装置，该电源装置包括：交流/直流变换部，将交流电压变换为直流电压；和开关电路，具有多个开关元件，在直流电压被输入时所述各开关元件产生导通、断开循环，根据所述各开关元件的导通、断开的组合输出脉冲状电压，该计算机程序的特征在于：
该计算机程序使计算机实现以下功能：
进行通过使所述各开关元件的导通、断开循环的相位变化来控制从所述开关电路输出的脉冲状电压的脉冲宽度的移相型PWM控制的功能；和
在从所述开关电路输出的脉冲状电压的占空比小于第一值的情况下，在所述开关元件的导通、断开循环中插入所述多个开关元件全部断开的定时，在所述占空比在第一值以上且比大于所述第一值的第二值小的情况下，不插入所述多个开关元件全部断开的定时，在所述占空比在所述第二值以上的情况下，使所述导通、断开循环的频率低于所述占空比小于所述第二值的情况下的频率。
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