CN104604070B - 直流电源装置以及直流电源装置的控制方法 - Google Patents

直流电源装置以及直流电源装置的控制方法 Download PDF

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Abstract

通过使重新启动时的脉冲控制信号的相位与停止时的脉冲控制信号的相同一致，抑制重新启动时的逆变器的各相的输出电压变动以及向负载的供给电压的变动。在将直流电力供给给等离子体发生装置时，当在等离子体发生装置中发生了电弧放电时，停止直流电力的供给来降低电极或基板的损伤，并且，在电弧放电消弧时，重新开始直流电力的供给。在直流输出的停止/重新开始中，在停止时保持流过斩波部的电流来作为循环电流，在重新启动逆变器部时，通过将该循环电流供给给负载，来降低直流输出重新开始时的向负载的直流电力的供给延迟。

Description

直流电源装置以及直流电源装置的控制方法
技术领域
本发明涉及一种直流电源装置，例如涉及在等离子体发生装置等负载中所使用的直流电源装置以及直流电源装置的控制方法。
背景技术
等离子体发生用装置所使用的直流电源装置希望在产生电弧时对过剩电流进行抑制，并高速地进行电弧的消弧。电压型的直流电源存在如下的问题，通过与输出连接的大的电容器产生电弧时，流过过剩的放电电流，或者为了对电弧发生时的输出电压降低进行补偿进一步增加输出由此电弧长时间化等向负载的影响增加。
将等离子体发生装置作为负载时，每次发生电弧时直流电源重复启动/停止动作。难以进行高速的启动/停止动作，因此导致不稳定的动作。对于这样的问题，提出了以下一种直流电源装置，在具备斩波电路、逆变器、电压变换电路的直流电源装置中，在停止时进行停止斩波器的主开关并且使逆变器进行动作来进行的停止操作、在使斩波器的主开关进行动作状态下使逆变器的所有晶体管接通的停止动作、停止斩波器的主开关并且使逆变器的所有晶体管接通的停止动作中的某一方，在启动时通过使逆变器进行动作使从斩波电路输出的直流电压脉冲的脉冲宽度逐渐扩大，由此来抑制向逆变器的大电流，启动时的动作稳定，使负载高速地启动/停止(专利文献1)。
此外，提出了一种溅射电源用电弧切断装置，在直流电源装置与负载之间设置强制性地使电弧能量旁通的短路开关电路，使该短路开关电路在每一定时间定期地进行动作来产生逆脉冲从而抑制电弧放电，并且在产生电弧放电时强制性地产生逆脉冲来降低电弧能量，在电弧放电消弧后，使等离子体状态恢复(非专利文献1)。
另一方面，在向负载供给高频电力的交流电源装置中，当在负载即等离子体发生装置中产生电弧放电时，除了电路切断或短路外，还会给电极或基板造成损伤。已知为了抑制这样的电弧放电的发生，在检测出电弧放电后，以预定时间限制或停止高频电力的供给，之后恢复高频电力。
当在检测出电弧放电后以预定时间停止高频电力的供给时，为了充分抑制电弧放电，超过需要地长时间停止高频电力的供给时，存在辉光放电难以维持的问题。
针对这样的问题，提出了一种等离子体发生装置用电源，其为了在电弧放电发生后迅速抑制电弧放电，在电弧放电消失后立即运转等离子体装置，在检测出电弧放电后供给脉冲状的高频，根据电弧放电的大小来控制脉冲状的高频的脉冲宽度(专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-6053号公报(段落[0002]～段落[0012])
专利文献2：日本特开平08-167500公报(段落[0003]～段落[0011])
非专利文献1：OriginTechnicalJournalNo.73(2010)1-7スパッタ電源用アーク遮断装置(パルス発生器)「GEXUS-P30」中村健一·三保谷博
发明内容
发明要解决的课题
在有关直流电源装置的现有技术内，具备逆变器的直流电源装置(专利文献1)在停止直流电源装置后重新启动逆变器时，通过在开始逆变器的控制后对斩波器的动作进行控制，使等离子体发生装置重新启动。
通常，对逆变器进行脉冲宽度控制时，生成脉冲信号，将该脉冲信号作为栅极信号输入给逆变器的各开关元件，对开关元件的接通/断开动作进行控制。
在逆变器的脉冲宽度控制中，在构成桥接电路的各桥臂中进行直流/交流变换，以使各开关元件的接通/断开动作的相位成为预定关系。在该脉冲宽度控制中，当各桥臂的开关元件的接通/断开动作的相位偏离了预定关系时，存在得到的各相的输出电压中产生变动，向负载供给的电压中产生变动的问题。
上述的直流电源装置在逆变器的重新启动中，将重新启动时的脉冲控制信号的相位设定成与停止时的脉冲控制信号的相位没有关系。因此，在重新启动时，有可能在各相的输出电压中产生变动，向负载供给的电压中产生变动。
此外，在将直流电源装置的直流输出停止后将其恢复时，由于因直流电源装置具备的电容量等产生的延迟时间，存在在从逆变器重新启动后直至向负载供给直流电力的期间产生延迟的问题。
本发明的目的是解决上述现有的问题点，在具备逆变器的直流电源装置中，在逆变器重新启动时，使重新启动时的脉冲控制信号的相位与停止时的脉冲控制信号的相位一致。
此外，通过使重新启动时的脉冲控制信号的相位与停止时的脉冲控制信号的相位一致，抑制重新启动时的逆变器的各相的输出电压变动，抑制向负载供给的电压的变动。
此外，目的在于降低直流电源装置的直流输出恢复时的向负载的直流电力的供给延迟。
解决课题的手段
本发明涉及在对等离子体发生装置等负载供给直流电力时，进行直流输出的停止/恢复的直流电源装置以及直流电源装置的控制方法。
在将等离子体发生装置作为负载供给直流电力时，当在负载即等离子体发生装置中发生了电弧放电时，通过停止从直流电源装置向等离子体发生装置的直流电力的供给，来降低电极或基板的损伤。并且，在电弧放电消弧时，恢复从直流电源装置向等离子体发生装置的直流电力的供给。
在本发明中，在直流电源装置的直流输出的停止/恢复中，在停止时将流过斩波部的电流保持为循环电流，在逆变器部重新启动时将保持的循环电流供给给负载，由此来降低直流电源装置的直流输出恢复时的向负载的直流电力的供给延迟。
此外，保持停止时的栅极信号的相位状态，在逆变器部重新启动时从保持的栅极信号的相位状态开始进行逆变器部的直交变换，由此抑制重新启动时的输出电压变动。
[直流电源装置]
本发明的直流电源装置具备：构成直流源的电源斩波部、通过多个开关元件的动作将电源斩波部的直流输出变换成多相交流电力的多相逆变器部、对多相逆变器部的输出进行交直变换，向负载供给直流的整流部、对电源斩波部以及多相逆变器部进行控制的控制部。
在通常的电力供给动作中，电源斩波部将直流电力的电压变换成预定电压来输出直流电流。多相逆变器部通过多个开关元件的动作对电流路径进行切换，由此将电源斩波部的直流输出变换成多相交流电力。整流部将通过多相逆变器部变换后的交流电力通过交直变换变换成直流电力，将变换后的直流电力供给给负载。
在将直流电力供给给负载的动作状态下，当在负载的等离子体发生装置中发生电弧放电时，负载电压下降，并且从电源侧向负载流过过剩电流。本发明的直流电源装置在发生该电弧放电时，停止从电源侧向负载的电力供给，之后，在电弧放电消弧后，恢复从电源侧向负载的电力供给。
除了通过负载电压等的电压检测来判定电弧放电有无消弧以外，还可以预先设定从发生电弧放电开始直至电弧放电消弧为止的时间，根据该设定时间的经过来判断为已消弧。
本发明的直流电源装置通过以下的(a)～(c)所示的各功能，在电力供给的停止时以及恢复时，使逆变器部重新启动时的脉冲控制信号的相位与停止时的脉冲控制信号的相位一致，通过对照脉冲控制信号的相位，抑制重新启动时的逆变器的各相的输出电压变动，抑制向负载供给的电压的变动。
此外，在直流电源装置的直流输出的停止/重新开始中，保持在停止时流过斩波部的电流来作为循环电流，在逆变器部重新启动时通过将该循环电流供给给负载，来降低直流电源装置的直流输出恢复时的向负载的直流电力的供给延迟。
(a)电源斩波部的停止功能以及逆变器的短路功能：
在停止从电源侧向负载的电力供给的时刻，停止电源斩波部的动作，并且在逆变器部的输入侧，通过将正端子侧和负端子侧短路，使从逆变器部向变压器侧的电流停止的功能。
(b)电源斩波部的循环电流的保持功能：
在从电源侧向负载的电力供给已停止时，保持在停止时流过电源斩波部的电感部的电流来作为循环电流，在电力供给恢复时，通过使循环电流流过逆变器部，使逆变器部迅速重新启动的功能。
(c)逆变器的栅极信号状态的保持功能：
在从电源侧向负载的电力供给已停止时，保持停止时的对逆变器部进行控制的栅极信号状态，在电力供给恢复时，从保持的栅极信号状态重新开始逆变器部的控制的功能。
通过(a)的电源斩波部的停止功能和逆变器部的短路功能，在电弧放电时停止向负载的电力供给，通过(b)的电源斩波部的循环电流的保持功能以及(c)的逆变器部的栅极信号状态的保持功能，使逆变器部迅速地重新启动。
本发明的直流电源装置在将电弧发生装置作为负载时，具备检测电弧发生装置的电弧状态的电弧检测部，控制部可以根据电弧检测部的检测信号来进行直流输出的停止/重新开始控制。控制部根据电弧的发生检测来进行停止控制，根据电弧的消失检测来进行重新启动控制。
电弧检测部检测负载的电压或直流电源装置的出力端的电压，将该检测电压与预先设定的第1阈值进行比较，当比第1阈值低时检测出电弧发生。
此外，在检测出电弧发生后，将检测电压与预先设定的第2阈值进行比较，当超过了第2阈值时判断为电弧放电消失。
[直流电源装置的控制方法]
本发明的直流电源装置的控制部具有在直流电源装置的直流输出停止时，已停止以及重新开始时进行以下的控制的功能。
(直流电源装置的直流输出的停止时)
电源装置的直流输出的停止时的控制将电源斩波部的主开关从接通状态切换成断开状态，停止构成多相逆变器部的桥接电路的栅极信号的生成，并且使桥接电路的正端子与负端子之间短路。
直流电源装置在正在向负载供给直流输出的状态下，电源斩波部将直流源的直流电力变换成预定电压来向多相逆变器部输入。多相逆变器部将直流电力变换成交流电力。整流部对多相逆变器部的输出进行交直变换，将直流电力供给给负载。
在直流电源装置的直流输出停止时，通过将电源斩波部的主开关从接通状态切换成断开状态，来停止来自直流源的电力供给。在该停止时，当使多相逆变器部的桥接电路的正端子与负端之间短路时，在电源斩波电路与多相逆变器部之间形成闭合电路。在闭合电路中，在停止时在电源斩波部的电感器中积蓄的能量以循环电流的形式流过。该循环电流在重新启动逆变器部来恢复直流输出时，在从直流源供给直流输出之前的时刻，流过从电源斩波部观察存在于负载侧的电路，进行从逆变器部向负载的迅速的电力供给。
(直流电源装置的直流输出已停止)
在直流电源装置的直流输出已停止的控制中，保持电源斩波部的主开关的断开状态和桥接电路的正端子与负端子之间的短路状态，并且将桥接电路的栅极信号状态保持为停止时的栅极信号状态。
在直流电源装置的直流输出已停止时，通过保持电源斩波部的主开关的断开状态，来保持来自直流源的电力供给的停止，通过保持桥接电路的正端子与负端子之间的短路状态，保持在电源斩波电路与多相逆变器部之间形成的闭合电路中流过的循环电流。此外，通过将桥接电路的栅极信号状态保持为停止时的栅极信号状态，在重新启动逆变器部使直流输出恢复的时刻，能够从停止时的相位状态继续保持桥接电路的脉冲控制信号的相位。
(直流电源装置的直流输出的恢复时)
在直流电源装置的直流输出的恢复时的控制中，将电源斩波部的主开关从断开状态切换成接通状态，从停止时的栅极信号状态重新开始桥接电路的栅极信号的生成，根据生成的栅极信号重新启动多相逆变器部。
在直流电源装置的直流输出恢复时，通过将电源斩波部的主开关从断开状态切换成接通状态，重新开始将直流源的直流电力向预定电压的变换，将变换后的直流电力输入给多相逆变器部。此时，通过重新生成的栅极信号进行接通/断开动作的控制，来重新启动多相逆变器部的桥接电路。此时，从停止时的栅极信号状态重新开始桥接电路的栅极信号的生成，由此可以从停止时的相位状态继续保持桥接电路的脉冲控制信号的相位。
(短路控制的方式)
控制部在直流电源装置的直流输出的停止时以及已停止时，对桥接电路的正端子与负端子之间进行短路控制。可通过2个方式进行该短路控制。
第1方式是对桥接电路的负端子的桥臂的开关元件输出使桥接电路的负端子的所有桥臂的所有开关元件为接通状态的脉冲控制信号来作为栅极信号。
在多相逆变器部的桥接电路的切换动作中，与正端子连接的多个桥臂中的某个桥臂成为接通状态。因此，当把使桥接电路的负端子的所有桥臂的所有开关元件为接通状态的脉冲控制信号作为栅极信号输出时，桥接电路的正端子与负端子之间短路。
第2方式是在桥接电路的正端子以及负端子的桥臂对中，对桥接电路的正端子的桥臂输出停止时的正端子的栅极信号状态的栅极信号，对与停止时为接通状态的桥接电路的正端子的桥臂的开关元件成对的负端子的桥臂的开关元件，输出使该负端子的桥臂的开关元件为接通状态的栅极信号。
由此，在与停止时相同的开关状态中，成为接通状态的正端子侧的桥臂的开关元件和在桥接电路中与该正端子侧的开关元件成对的负端子侧的开关元件都成为接通状态，桥接电路的正端子与负端子之间短路。
(重新开始时的控制的方式)
控制部可以通过2个方式进行直流电源装置的直流输出恢复时的桥接电路的开关元件的控制。
第1方式与短路控制的第1方式对应，停止使桥接电路的负端子的桥臂的所有开关元件为接通状态的栅极信号，从停止时的栅极信号状态重新开始各开关元件的栅极信号的生成，向桥接电路的正端子以及负端子的桥臂的开关元件输入栅极信号，来重新启动多相逆变器部。
第2方式与短路控制的第2方式对应，从停止时的栅极信号状态重新开始各开关元件的栅极信号的生成，向桥接电路的正端子以及负端子的桥臂的开关元件输入栅极信号，来重新启动多相逆变器部。
发明效果
如以上说明的那样，根据本发明在具备逆变器的直流电源装置中，在逆变器重新启动时，可以使重新启动时的脉冲控制信号的相位与停止时的脉冲控制信号的相位一致。
此外，根据本发明，通过使重新启动时的脉冲控制信号的相位与停止时的脉冲控制信号的相位一致，可以抑制重新启动时的逆变器的各相的输出电压变动，抑制向负载供给的电压的变动。
此外，可以降低直流电源装置的直流输出重新开始时的向负载的直流电力的供给延迟。
附图说明
图1是用于说明本发明的直流电源装置的结构例的图。
图2是用于说明本发明的开关控制部的一结构例的概要框图。
图3是用于说明本发明的直流电源装置的动作例的流程图。
图4是用于说明本发明的直流电源装置的动作例的时序图。
图5是用于说明本发明的直流电源装置的电弧放电发生时的电流的流动的图。
图6是用于说明本发明的直流电源装置的电弧放电消失时的电流的流动的图。
图7是用于说明本发明的直流电源装置的其他结构例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。在以下，关于本发明的直流电源装置以及控制方法，使用图1、图2对直流电源装置的结构例进行说明，使用图3～图6对直流电源装置的控制例进行说明。
[直流电源装置的结构例]
首先，使用图1、图2对本发明的直流电源装置的结构例进行说明。
图1所示的本发明的直流电源装置1具备：整流部10，其对交流电源2的交流电力进行整流；缓冲部20，其构成用于抑制过渡产生的高电压的保护电路；电源斩波部30，其将从整流部10输入的直流电力的电压变换成预定电压后输出直流电流；多相逆变器部40，其将电源斩波部30的直流输出变换成多相的交流输出；多相变压部50，其将多相逆变器部40的交流输出变换成预定电压；以及多相整流部60，其将多相变压部50的交流变换成直流。
在图1所示的结构例中，作为电源斩波部30示出了电源下降斩波电路的例子，但并不局限于电源下降斩波电路，还可以是电源升压斩波电路或电源升降斩波电路。
以下，作为电源斩波部对电源下降斩波电路的情况进行说明。电源斩波部30具备开关元件Q1、二极管D1以及直流电抗器LF1。开关元件Q1通过对由整流部10整流后的直流电压进行斩波控制来进行降压。直流电抗器LF1对进行了斩波控制的直流进行电流平滑。多相逆变器部40输入通过电源斩波部30进行了电流平滑的直流，通过对多相逆变器部40具备的桥接电路的开关元件进行控制来进行直交变换。
电源斩波部30也可以采用在输出端并联连接输出电容器CF1(未图示)的结构。通常，电源降压斩波器不具备输出电容器，但在本发明的电源斩波部30的电源降压斩波电路中，通过在输出端连接输出电容器CF1，来吸收在多相逆变器部40的开关元件之间进行换流动作时所产生的浪涌电压或与各开关元件串联连接的电感的能量，来保护开关元件。
另外，根据基于该输出电容器以及配线电感的时间常数，将输出电容器CF1的值设定成电流的延迟不会对逆变器动作的换流产生影响的程度。
多相逆变器部40具备将与相数对应的开关元件进行桥接来构成的多相逆变器电路。例如在为三相时，三相逆变器电路由6个开关元件构成。开关元件例如可以使用IGBT或MOSFET等半导体开关元件。多相逆变器电路的各开关元件根据开关控制部81的控制信号进行开关动作，将直流电力变换成交流电力后输出。
多相整流部60对多相逆变器部40的交流输出进行整流，将直流输出供给给负载。可以构造为当前已知的多相整流部在输出部具备直流滤波电路。通过该直流滤波电路，去除多相逆变器部的交流输出中包含的高频脉动成分。直流滤波电路可以通过在输出端并联连接的输出电容器CFO以及串联连接的输出电抗器LFO(未图示)来构成。
多相整流部60的直流输出经由配线90具备的配线电感L0而输出，并通过连接直流电源装置1与等离子体发生装置4之间的输出电缆3供给给等离子体发生装置4。
本发明的直流电源装置1作为去除高频脉动成分的结构，在多相整流部60中可以使用寄生阻抗来代替直流滤波电路。例如，作为电感成分可以使用多相整流部60与输出端子之间的配线90的电感L0，或连接在直流电源装置1与负载之间的输出电缆3所包含的电感或电容器，或在为等离子体负载时使用等离子体发生装置4的电极电容C0。上述的多相逆变器部的寄生阻抗以及输出电缆或电极电容的电容成分实际上构成直流滤波电路，降低多相逆变器部的交流输出中包含的高频脉动成分。
此外，直流电压的脉动成分具有当降低多相逆变器电路的驱动频率时增加的特性。因此，可以通过提高多相逆变器电路的驱动频率来降低输出电容器CFO以及输出电抗器LFO的必要性。此外，可以通过提高多相逆变器电路的驱动频率来抑制直流电源装置1在内部保有的能量。
并且，本发明的直流电源装置1具备：对电源斩波部30进行控制的控制部80以及对多相逆变器部40进行控制的开关控制部81。
控制部80是对电源斩波部30的开关元件Q1进行斩波控制的电路，检测开关元件Q1的输出电流即斩波电流以及直流电源装置1的输出电压，根据该斩波电流以及输出电压的检测值，进行控制以使电源斩波部30的输出成为预先设定的预定的电流值以及预定的电压值。
开关控制部81对与构成多相逆变器部40的桥接电路的各桥臂连接的开关元件的开关动作进行控制。多相逆变器部40通过开关元件的控制，将输入的直流直交变换成交流。
当多相逆变器部40例如为三相逆变器时，例如像图5、图6所示那样，通过具有6个桥臂的桥接电路构成。在各桥臂上分别设置开关元件QR、QS、QT、QX、QY、QZ这6个开关元件。将开关元件QR与开关元件QX串联连接，将开关元件QS与开关元件QY串联连接，将开关元件QT与开关元件QZ串联连接。
作为三相变压器51的R相成分，经由电感Lm1连接开关元件QR与开关元件QX的连接点R，作为三相变压器51的S相成分经由电感Lm2连接开关元件QS与开关元件QY的连接点S，作为三相变压器51的T相成分经由电感Lm3连接开关元件QT与开关元件QZ的连接点T。另外，在图5、图6中省略了电感Lm1、Lm2、Lm3。
作为电源逆变器的控制，已知在一定输入电流下改变输出电流的大小的PWM控制。在PWM控制中，通过对载波与调制波进行比较来对各相形成脉冲控制信号。当为三相逆变器时，各相的脉冲控制信号分别具有120°的导通期间，通过该脉冲控制信号对逆变器的各桥臂的开关元件的接通/断开进行控制，分别形成具有120°的位相差的R相、S相以及T相的电流。
从直流电源装置1的输出端或负载侧将反馈信号反馈给控制部80以及开关控制部81。例如，可以将反馈信号设成直流电源装置1的输出端的电压。
接着，使用图2对开关控制部81的一结构例进行说明。图2是用于说明开关控制部的一结构例的概要框图。
开关控制部81具备：脉冲控制信号生成电路81a，其生成对多相逆变器部的开关元件的接通/断开进行控制的脉冲控制信号；短路用接通信号生成电路81d，其生成使桥接电路的正端子与负端子之间短路的短路用接通信号；栅极信号生成电路81b，其根据由脉冲控制信号生成电路81a生成的脉冲控制信号和由短路用接通信号生成电路81d生成的短路用接通信号来生成栅极信号；以及栅极信号保持电路81c，其保持由栅极信号生成电路81b生成的栅极信号，并且输出该栅极信号。
栅极信号生成电路81b根据由脉冲控制信号生成电路81a生成的脉冲控制信号和由短路用接通信号生成电路81d生成的短路用接通信号来生成栅极信号。
栅极信号保持电路81c是保持并输出由栅极信号生成电路81b生成的栅极信号的电路，根据后述的电弧发生信号进行保持动作或解除保持动作的解除动作。通过保持动作来保持从栅极信号生成电路81b输入的栅极信号，输出保持状态的栅极信号。此外，在解除动作中解除保持动作，输出从栅极信号生成电路81b输入的栅极信号。
开关控制部81输入由电弧检测电路82检测出的电弧发生信号。电弧检测电路82例如根据负载或输出端的电压，来检测负载的电弧发生装置中的电弧放电的发生状态。
基于电弧检测电路82的电弧状态的检测，例如将负载的电压或直流电源装置的输出端的电压与预先决定的第1阈值进行比较，当检测电压低于第1阈值时，检测出发生了电弧放电。此外，在检测出电弧放电发生后，将检测出的电压与预先决定的第2阈值进行比较，当检测电压超过了第2阈值时，判断为电弧放电消失。
当电弧检测电路82检测出电弧放电发生时，暂时停止脉冲控制信号生成电路81a的各生成动作，并且保持其信号状态。
电弧检测电路82在检测出电弧放电发生后判定为电弧放电消失时，解除脉冲控制信号生成电路81a的保持状态，重新开始生成动作。脉冲控制信号生成电路81a根据电弧放电发生时的信号状态重新开始各信号的生成。
电弧检测电路82除了向所述的脉冲控制信号生成电路81a输入电弧发生信号外，还向栅极信号保持电路81c以及短路用接通信号生成电路81d输入电弧发生信号。
栅极信号保持电路81c接收电弧发生信号，当检测出电弧放电的发生时，保持该时刻的栅极信号，并且输出保持的时刻的栅极信号。栅极信号保持电路81c当根据检测出电弧放电发生后的电弧发生信号判断为电弧放电消失时，解除栅极信号的保持，输出由栅极信号生成电路81b生成的栅极信号。
此外，栅极信号保持电路81c可以对从检测出电弧放电发生开始的经过时间进行计时，当经过时间经过了预先设定的保持时间tarc时判断为电弧放电消失，解除栅极信号的保持，输出由栅极信号生成电路81b生成的栅极信号。保持时间tarc是用于保持使电弧放电发生紧前的直流电流作为循环电流Δi进行流动的电流状态的时间。该保持时间tarc可以任意地设定，例如，通过预先对控制对象的负载求出从电弧放电发生开始直至消失为止所需要的时间，对该时间相加根据变动幅度预测的裕度量等来决定保持时间tarc。
短路用接通信号生成电路81d在输入了电弧放电发生信号时，为了使多相逆变器部的正端子与负端子之间短路而生成短路用接通信号。短路用接通信号通过使设置在多相逆变器部的正端子侧的桥臂上的开关元件和设置在负端子侧的桥臂上的开关元件都为接通状态，使多相逆变器部的正端子与负端子之间短路。
可以将该短路用接通信号设成2个方式。
第1方式是对桥接电路的负端子的桥臂的开关元件，使桥接电路的负端子的所有桥臂的所有开关元件为接通状态，由此使多相逆变器部的正端子与负端子之间短路的方式。
在多相逆变器部的桥接电路的切换动作中，与正端子连接的多条桥臂中的某个桥臂成为接通状态。通过把使桥接电路的负端子的所有桥臂的所有开关元件为接通状态的脉冲控制信号作为栅极信号进行输出，使桥接电路的正端子与负端子之间短路。
第2短路用接通信号是使桥接电路的负端子的所有桥臂的所有开关元件为接通状态的脉冲控制信号。在栅极信号生成电路81b中，将由脉冲控制信号生成电路81a生成的通常的脉冲控制信号和短路用接通信号生成电路81d生成的短路用接通信号在或条件下进行相加来生成栅极信号。
第2方式是在桥接电路的正端子以及负端子的桥臂对中，对桥接电路的正端子的桥臂输出停止时的正端子的栅极信号状态的栅极信号，检测与停止时为接通状态的桥接电路的正端子的桥臂的开关元件成对的负端子的桥臂的开关元件，使该负端子的桥臂的开关元件为接通状态，从而使多相逆变器部的正端子与负端子之间短路的方式。
由此，在与停止时相同的开关状态中，成为接通状态的正端子侧的桥臂的开关元件和在桥接电路中与该正端子侧的开关元件成对的负端子侧的开关元件都成为接通状态，桥接电路的正端子与负端子之间短路。
第1短路用接通信号是使与桥接电路的接通状态的正端子侧的桥臂的开关元件成对的负端子侧的桥臂的开关元件为接通状态的脉冲控制信号。
在栅极信号生成电路81b中，将脉冲控制信号生成电路81a生成的通常的脉冲控制信号和短路用接通信号生成电路81d生成的短路用接通信号进行相加来生成栅极信号。
[直流电源装置的动作例]
接着，使用图3～图6对本发明的直流电源装置的动作例进行说明。图3是用于说明本发明的直流电源装置的动作例的流程图，图4是用于说明本发明的直流电源装置的动作例的时序图，图5是用于说明本发明的直流电源装置的电弧放电发生时的电流的流动的图，图6是用于说明本发明的直流电源装置的电弧放电消失时的电流的流动的图。
图3的流程图表示在直流电源装置进行通常动作的状态下，电弧放电发生时的动作例(S1～S7)以及电弧放电消失时的动作例(S8～S15)。
在向直流电源装置的负载供给直流电力的状态下，当在负载的电弧发生装置中发生了电弧放电时，负载的输入电压或直流电源装置的输出电压下降。
电弧检测部检测负载或直流电源装置的输出端的电压来对其进行监视，当电压下降时，检测出发生了电弧放电。可以通过比较预先决定的阈值与检测值来进行电弧放电发生的检测。另外，电弧放电的检测并不局限于电压的检测值与阈值的比较(S1)。
(电弧放电发生时的动作例)
当检测出电弧放电发生时，停止斩波电路的开关元件(S2)，通过短路用接通信号生成电路81d生成的短路用接通信号(S3)，使多相逆变器部的正端子与负端子之间短路(S4)。
通过S2的工序停止从直流电源向斩波电路的电力供给，然后停止从直流电源装置向负载的直流电力的供给，通过S3、S4的工序来在斩波电路与多相逆变器部的桥接电路之间形成闭合电路。流过斩波电路的电感的电流作为循环电流Δi在所形成的闭合电路中循环(S5)。
当重新开始了从直流电源装置向负载的直流电力的供给时，将循环电流Δi供给给多相逆变器部，加快多相逆变器部的直交变换的上升。
此外，在直流电源装置停止时，保持该停止时的多相逆变器部的栅极信号(S6)，中断栅极信号生成电路的栅极信号的生成(S7)。
在S6的保持栅极信号的工序以及S7的中断新的栅极信号的生成的工序中，可以保持直流电源装置停止时的多相逆变器部的直交变换的变换状态。
(电弧放电消失时的动作例)
在检测出电弧放电发生后检测出电弧放电消失时，或者在经过了假定电弧放电消失的时间时(S8)，将斩波电路的开关元件切换成接通状态(S9)，结束短路用接通信号的输出(S10)，由此停止多相逆变器部的正端子与负端子之间的短路(S11)。
通过S9的工序重新开始从直流电源向斩波电路的电力供给，通过S10、S11的工序将在斩波电路与多相逆变器部的桥接电路之间形成的闭合电路中流过的循环电流Δi供给给多相逆变器的桥接电路(S12)。
在通过S9的工序重新开始了斩波电路的导通时，通过斩波电路具有的电感或浮地电容，在从直流电源向多相逆变器部供给的直流电流中产生延迟。对此，通过多相逆变器部的正端子与负端子之间的短路停止，在斩波电路与多相逆变器部之间形成电流路径，由此在从直流电源供给直流电流之前将循环电流Δi供给给多相逆变器部，从而可以使多相逆变器部的重新启动提前。
此外，在恢复直流电源装置的直流输出时，结束栅极信号的保持(S13)，从保持的相位状态重新开始栅极信号的生成(S14)。
通过S13、S14的工序，可以从与直流电源装置已停止的时刻的相位状态相同的相位状态生成栅极信号。
直到直流电源装置的动作结束为止，重复S1～S14的工序(S15)。
图4的时序图是作为多相逆变器使用三相逆变器的例子，图4(a)表示直流电源装置的输出电压(V0)，图4(b)表示电弧检测部的电弧检测信号，图4(c)表示斩波电路的运转状态，图4(d)～(i)表示用于控制设置在三相逆变器的各桥臂上的开关元件的驱动的栅极信号，图4(j)表示使三相逆变器的正端子与负端子之间短路的短路用接通信号。
图4(d)、(f)、(h)表示用于驱动三相逆变器的正端子侧的桥臂的开关元件QR、QS、QT的栅极信号，图4(e)、(g)、(i)是用于驱动三相逆变器的负端子侧的桥臂的开关元件QX1、QY1、QZ1的栅极信号。此外，开关元件QR与开关元件QX1成对，开关元件QS与开关元件QY1成对，开关元件QT与开关元件QZ1成对。此外，栅极信号将图中的赋予了1～12的12个区间表示为1个周期。
在图4中，在12个区间中的区间“1”中的电弧放电发生的时刻，停止直流电源装置的直流电流的供给，在经过了可任意设定的保持时间tarc的时刻，判断电弧放电消失，重新启动逆变器部来重新开始直流电流的供给。
通过相位表示图4的横轴，因此通过“ω×tarc”的相位来表示保持时间tarc的区间(图4(a))。保持时间tarc是保持电弧放电发生时的状态的区间，相当于从电弧放电发生开始直至消失为止的区间，可任意地进行设定。
输出电压V0在发生了电弧放电时刻降低，在经过“ω×tarc”的相位判断为电弧放电消失的时刻恢复。电弧检测部对输出电压V0进行监视，在检测出输出电压V0下降的时刻开始电弧发生信号的输出，在检测出输出电压V0恢复的时刻或经过了保持时间tarc的时刻结束电弧发生信号的输出(图4(b))。
当斩波电路接收到电弧发生信号时，在构成1个周期的多个区间(在图4中为12个区间)内的一个区间，直到包括接收到电弧发生信号的时刻的一个区间的最后继续进行运转，将斩波输出即直流电流供给给三相逆变器部。在图示的例子中，在区间“1”的途中接收到电弧发生信号，因此在区间“1”的最后的时刻停止斩波电路的运转。
在通常运转中，栅极信号生成部对三相的各相，使信号宽度为2π/3，使信号间隔为4π/3，隔开2π/3的间隔输出栅极信号。例如，正端子侧的开关元件QR的栅极信号(图4(d))使1～4的区间为接通状态，使5～12的区间为断开状态。开关元件QS的栅极信号(图4(f))使5～8的区间为接通状态，使9～12的区间以及1～4的区间为断开状态。此外，开关元件QT的栅极信号(图4(h))使9～12的区间为接通状态，使1～8的区间为断开状态。
开关控制部当接收到电弧发生信号时，当在接收到电弧发生信号的时刻栅极信号处于输出状态时，保持输出状态维持栅极信号的输出。之后，当检测出电弧放电消失，或经过保持时间后电弧发生信号结束时，重新开始栅极信号的生成，从接收到电弧发生信号的时刻开始生成剩余区间的栅极信号。
因此，将电弧发生时刻前的区间宽度和电弧消失时刻后或经过保持时间后的区间宽度进行合并后的区间宽度成为栅极信号的2π/3量的区间宽度。
例如，在正端子侧的开关元件QR的栅极信号(图4(d))中，使从区间“1”的最初时刻开始直至发生了电弧放电的时刻为止的“ω×t1”量为接通状态，在继续电弧放电的“ω×tarc”区间的期间维持接通状态。并且，从电弧放电消失或经过了保持时间的时刻开始，以2π/3的信号宽度的剩余量即“2π/3－ω×t1”的量持续接通状态。由此，将电弧发生时刻前的区间宽度“ω×t1”和电弧消失时刻后或经过保持时间后的区间宽度“2π/3－ω×t1”合并，输出2π/3量的区间宽度的接通状态的栅极信号。
在发生电弧放电的时刻，关于栅极信号为断开状态也进行同样的动作控制。例如，在正端子侧的开关元件QS的栅极信号(图4(f))中，将区间9～12和区间“1”的过程中的直到发生了电弧放电的时刻的区间合并后的“π/3+ω×t1”的量设为断开状态，在继续电弧放电的“ω×tarc”区间的期间维持断开状态。并且，从电弧放电消失的时刻或经过了保持时间的时刻开始，以4π/3的信号宽度的剩余量即“2π/3－ω×t1”的量持续断开状态。由此，将电弧发生时刻前的区间宽度“2π/3+ωt1”和电弧消失时刻后或经过保持时间后的区间宽度“2π/3－ω×t1”合并，输出4π/3量的区间宽度的断开状态的栅极信号。
此外，在从发生电弧放电的时刻开始直至判断为电弧放电消失时刻的时刻为止的期间中可任意设定的保持时间tarc的期间，输出图4(j)的短路用接通信号。
图5表示电弧放电发生时的电路状态。在发生电弧放电时，通过电弧检测信号使斩波电路的开关元件Q1为断开状态，停止来自直流电源的电流供给，并且通过短路用接通信号使三相逆变器短路，在斩波电路与三相逆变器之间形成闭合电路，流过循环电流Δi。
图5(a)表示使三相逆变器的负端子侧的桥臂的所有开关元件QX、QY、QZ为接通状态，通过该开关元件和正端子侧的桥臂的开关元件QR、QS、QT内的成为接通状态的开关元件形成闭合电路的例子。在图5(a)中表示了正端子侧的桥臂的开关元件QR和负端子侧的桥臂的所有开关元件QX、QY、QZ成为接通状态，在由该开关元件QR、QX、QY、QZ、二极管D1以及LF1的电感形成的闭合电路中流过循环电流的例子。
此外，在图5(b)中表示了在三相逆变器的负端子侧的桥臂的开关元件QX、QY、QZ内，检测出与在正端子侧的桥臂的开关元件QR、QS、QT内成为接通状态的开关元件成对的开关元件使其为接通状态，由此形成闭合电路的例子。在图5(b)中表示了正端子侧的桥臂的开关元件QR和与该开关元件QR成对的负端子侧的桥臂开关元件QX成为接通状态，在由该开关元件QR、QX、二极管D1以及直流电抗器LF1形成的闭合电路中流过循环电流的例子。
图6表示电弧放电消失时的电路状态。在电弧放电消失时，通过电弧检测信号将斩波电路的开关元件Q1从断开状态切换成接通状态，重新开始来自直流电源的电流供给，并且停止短路用接通信号，由此来解除三相逆变器的短路状态。将在斩波电路与三相逆变器之间的闭合电路中流过的循环电流Δi供给给三相逆变器侧。接着循环电流Δi之后，通过开关元件Q1从直流电源向三相逆变器供给直流电流。
图6(a)表示循环电流Δi流过三相逆变器的状态。在三相逆变器的开关控制中，当在开关元件QR和开关元件QY接通状态下停止时，与停止时同样地，开关元件QR和开关元件QY从接通状态重新启动。通过三相逆变器重新启动，循环电流Δi经过开关元件QR、连接点R、三相变压器、连接点S以及开关元件QY的线路流过。
图6(b)表示循环电流Δi流过后，通过开关元件Q1从直流电源供给的电流流入三相逆变器的状态。来自直流电源的电流通过开关元件QR、连接点R、三相变压器、连接点S以及开关元件QY的线路流过。之后，三相逆变器与通常的动作同样地，通过栅极信号对开关元件进行导通控制来进行直交变换。
图7表示本发明的直流电源装置的其他结构例。所述的结构例是通过控制三相逆变器的开关元件的接通状态使三相逆变器短路的例子。与此相对，在图7所示的结构例中，代替三相逆变器的短路，在斩波电路与三相逆变器之间并联连接开关元件Q3。通过短路用接通信号使开关元件Q3为接通状态，使斩波电路的输出端之间短路，在斩波电路中形成的闭合电路内流过循环电流。
另外，上述实施方式以及变形例中的记述是本发明的电源逆变器装置以及电源逆变器装置的控制方法的一例，本发明并不局限于各实施方式，可以根据本发明的宗旨进行各种变形，这些包含在本发明的范围内。
产业上的利用可能性
可以将本发明的电源逆变器装置用作向等离子体发生装置供给电力的电力源。
符号说明
1直流电源装置
2交流电源
3输出电缆
4等离子体发生装置
10整流部
20缓冲部
30电源斩波部
40多相逆变器部
50多相变压部
51相变压器
60多相整流部
80控制部
81开关控制部
81a脉冲控制信号生成电路
81b栅极信号生成电路
81c栅极信号保持电路
81d短路用接通信号生成电路
82电弧检测电路
90配线
C0电极电容
CF1输出电容器
CFO输出电容器
D1二极管
L0配线电感
LF1直流电抗器
LFO输出电抗器
Lm1、Lm2、Lm3电感
LR电感
Pc电弧能量
Q1开关元件
Q3开关元件
QR、QS、QT开关元件
QX、QY、QZ开关元件
R连接点
S连接点
T连接点
tarc保持时间
V0输出电压
Δi循环电流

Claims (10)

1.一种直流电源装置，其具备：电源斩波部，其构成直流源；多相逆变器部，其通过多个开关元件的动作将所述电源斩波部的直流输出变换成多相交流电力；整流部，其对所述多相逆变器部的输出进行交直变换，将得到的直流供给给负载；以及控制部，其对所述电源斩波部以及所述多相逆变器部进行控制，
所述直流电源装置的特征在于，
在所述控制部进行直流输出的停止/恢复控制的控制功能中，
进行所述停止/恢复控制的控制功能具备以下各控制功能：
在直流电源装置的直流输出停止时，将所述电源斩波部的主开关从接通状态切换成断开状态，停止构成所述多相逆变器部的桥接电路的栅极信号的生成，并且使所述桥接电路的正端子与负端子之间短路的停止控制；
在直流电源装置的直流输出已停止时，保持所述电源斩波部的主开关的断开状态和所述桥接电路的正端子与负端子之间的短路状态，将所述桥接电路的栅极信号的相位状态保持为停止时的栅极信号的相位状态的停止保持控制；以及
在直流电源装置的直流输出恢复时，将所述电源斩波部的主开关从断开状态切换成接通状态，从所述停止时的栅极信号的相位状态重新开始所述桥接电路的栅极信号的生成，根据该栅极信号重新启动所述多相逆变器部的恢复控制。
2.根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于，
在使桥接电路的正端子与负端子之间短路的停止控制中，
所述控制部具有以下的控制功能：
停止基于脉冲宽度控制的脉冲控制信号的生成，
将停止时的脉冲控制信号和使所述桥接电路的负端子侧的所有开关元件为接通状态的脉冲控制信号这两个脉冲控制信号的或输出作为栅极信号进行输出。
3.根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于，
在使桥接电路的正端子与负端子之间短路的停止控制中，
所述控制部具有以下的控制功能：
在所述桥接电路的正端子侧以及负端子侧的桥臂对中，对桥接电路的正端子侧的桥臂输出停止时的正端子侧的栅极信号状态的栅极信号，
对于与停止时为接通状态的桥接电路的正端子侧的桥臂的开关元件成对的负端子侧的桥臂的开关元件，输出使该负端子侧的桥臂的开关元件为接通状态的脉冲控制信号来作为栅极信号。
4.根据权利要求2所述的直流电源装置，其特征在于，
所述控制部在所述恢复控制中，
停止使所述桥接电路的负端子的桥臂的所有开关元件为接通状态的脉冲控制信号，
从停止时的栅极信号状态重新开始各开关元件的栅极信号的生成，向桥接电路的正端子侧以及负端子侧的桥臂的开关元件输出栅极信号。
5.根据权利要求3所述的直流电源装置，其特征在于，
所述控制部在所述恢复控制中，
停止使所述桥接电路的形成对的正端子侧以及负端子侧的桥臂的开关元件为接通状态的脉冲控制信号，
从停止时的栅极信号状态重新开始各开关元件的栅极信号的生成，向桥接电路的正端子以及负端子的桥臂的开关元件输出栅极信号。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的直流电源装置，其特征在于，
具备电弧检测部，其将电弧发生装置作为负载，检测该电弧发生装置的电弧状态，
所述控制部在所述停止/恢复控制中，
根据所述电弧检测部的电弧的发生检测进行直流输出的停止控制，
根据所述电弧检测部的电弧的消失检测或能够任意设定的保持时间的经过，进行直流输出的恢复控制。
7.一种直流电源装置的控制方法，所述直流电源装置具备：电源斩波部，其构成直流源；多相逆变器部，其通过多个开关元件的动作将所述电源斩波部的直流输出变换成多相的交流电力；整流部，其对所述多相逆变器部的输出进行交直变换，将得到的直流供给给负载；以及控制部，其对所述电源斩波部以及所述多相逆变器部进行控制，
所述直流电源装置的控制方法的特征在于，
所述控制部在通过停止控制、停止保持控制以及恢复控制的各控制对直流输出的停止以及恢复进行控制的停止/恢复控制中，
所述停止控制在直流电源装置的直流输出停止时，将所述电源斩波部的主开关从接通状态切换成断开状态，使构成所述多相逆变器部的桥接电路的栅极信号的生成停止，并且使所述桥接电路的正端子与负端子之间短路，
所述停止保持控制在直流电源装置的直流输出已停止时，保持所述电源斩波部的主开关的断开状态和所述桥接电路的正端子与负端子之间的短路状态，并且将所述桥接电路的栅极信号的相位状态保持为停止时的栅极信号的相位状态，
所述恢复控制在直流电源装置的直流输出的恢复时，将所述电源斩波部的主开关从断开状态切换成接通状态，从所述停止时的栅极信号的相位状态重新开始所述桥接电路的栅极信号的生成，根据该栅极信号重新启动所述多相逆变器部。
8.根据权利要求7所述的直流电源装置的控制方法，其特征在于，
所述控制部，
根据所述负载的电压下降进行停止直流输出的停止控制，
根据所述负载的电压继续下降或能够任意设定的保持时间，进行保持直流输出的停止的停止保持控制，
根据所述负载的从电压下降开始的电压恢复或所述保持时间的经过，进行恢复直流输出的恢复控制。
9.根据权利要求7或8所述的直流电源装置的控制方法，其特征在于，
所述控制部对构成多相逆变器部的桥接电路进行控制，
所述停止控制在直流电源装置的直流输出停止时，
停止基于脉冲宽度控制的脉冲控制信号的生成，将停止时的脉冲控制信号和使所述桥接电路的负端子侧的所有开关元件为接通状态的脉冲控制信号这两个脉冲控制信号的或输出作为栅极信号进行输出，
所述停止保持控制在直流电源装置的直流输出已停止时，继续输出所述停止时的栅极信号，
所述恢复控制在直流电源装置的直流输出的恢复时，从所述停止时的脉冲控制信号的状态重新开始所述桥接电路的脉冲控制信号的生成，将该脉冲控制信号作为栅极信号输出。
10.根据权利要求7或8所述的直流电源装置的控制方法，其特征在于，
所述控制部对构成多相逆变器部的桥接电路进行控制，
所述停止控制在直流电源装置的直流输出停止时，
停止基于脉冲宽度控制的脉冲控制信号的生成，
在所述桥接电路的正端子侧以及负端子侧的桥臂对中，对桥接电路的正端子侧的桥臂输出停止时的正端子侧的脉冲控制信号来作为栅极信号，对桥接电路的负端子侧的桥臂输出使与停止时为接通状态的桥接电路的正端子侧的桥臂成对的负端子侧的桥臂的开关元件为接通状态的脉冲控制信号来作为栅极信号，
所述停止保持控制在直流电源装置的直流输出已停止时，继续输出所述停止时的栅极信号，
所述恢复控制在直流电源装置的直流输出恢复时，从所述停止时的脉冲控制信号的状态重新开始所述桥接电路的脉冲控制信号的生成，将该脉冲控制信号作为栅极信号进行输出。
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