CN104883129B - 高频振荡电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高频振荡电路。在用于ICP发光分析装置的等离子体生成用途等的大功率用的自激式高频振荡电路中，以低廉的成本来稳定地使自激振荡产生。在包括感应线圈(9)、电容器(36)等的LC共振电路(30)中，配置启动用变压器的次级绕组(38)，对与该绕组(38)磁耦合的初级绕组(5)连接由克拉普振荡电路等构成的启动部(6)。仅在启动时的一定期间内，使启动部(6)动作而通过初级绕组(5)、次级绕组(38)在LC共振电路(30)中感应出高频电流。由此，在与初级绕组(32、33、34、35)磁耦合的全桥驱动电路(10)中的各次级绕组(11、14、17、20)中流过电流，在MOSFET(13、16、19、22)的栅极‑源极之间产生电压，MOSFET(13、16、19、22)的导通/截止动作开始，自激振荡开始。

Description

高频振荡电路
技术领域
本发明涉及高频振荡电路，进一步详细来说，涉及大功率用的高频振荡电路的启动方法。本发明的高频振荡电路在电感耦合等离子体(ICP)发光分析装置、等离子体CVD装置等利用等离子体的分析装置、制造/加工处理装置中，适合作为用于生成并维持等离子体的高频电源。
背景技术
在电感耦合等离子体(ICP)发光分析装置中，通过对感应线圈供给高频电力而形成的电磁场，使诸如氩等的等离子体生成用气体电离而生成/维持等离子体，在该等离子体中导入样本原子。样本原子通过等离子体而被激发，在该激发了的原子回到低的能级时，发射原子特有的波长光。因此，通过对该光进行分光测定来进行样本的定性以及定量。
在ICP发光分析装置中，为了对等离子体供给高频电力，通过例如以27MHz的频率供给几百W～几千W的高频电力的高频电源来驱动由感应线圈与电容器形成的LC共振电路的结构被广泛利用。在这样的高频振荡电路中，为了产生效率高的振荡，优选的是，从高频电源一侧观察到的负载的阻抗恒定并且取得阻抗匹配。然而，当利用在感应线圈中流过高频电流来生成等离子体时，通过由于带电粒子移动而产生的感应电流的作用，感应线圈的阻抗发生变化。另外，根据等离子体生成用气体、作为分析对象的样本的状态、向等离子体供给的电力量等，等离子体的状态发生变化，伴随着该变化，感应线圈的阻抗发生变化。当感应线圈的阻抗这样变化时，从高频电源一侧观察到的负载阻抗发生变化，阻抗匹配从最佳的状态偏离。
因此，一般来说，利用了通过包括开关元件的半桥电路或者全桥电路等开关电路来驱动由感应线圈与电容器形成的LC共振电路，使LC共振电路的电流经由变压器等而正反馈到该开关元件的控制端子的自激方式的振荡电路(参照专利文献1～3)。在这样的自激振荡电路中，当根据等离子体的状态的变化而感应线圈的阻抗发生变化时，LC共振电路的共振频率自动地变化。因此，无需从外部进行任何特别的控制、指示，能够使得从开关电路一侧观察到的负载阻抗始终保持于最佳，并且高效率地持续振荡。
在一般的小功率用的自激振荡电路中，当通过接通电源来开始对高频LC振荡电路供给电力时，直流电源、共振电路中的微小噪声通过正反馈环路被放大，从而振荡持续开始。在上述等离子体生成用的自激方式的高频振荡电路中，持续振荡的原理也相同，但振荡启动时的情况不同。这是由于，在小功率用的自激振荡电路中，MOSFET等开关元件在较接近于线性区域的动作区域中被驱动，所以导通/截止动作容易开始，与此相对地，在输出几千W的大功率的自激振荡电路中，开关元件在接近于饱和区域的动作区域中被驱动，所以为了使导通/截止动作开始，需要大的电力。因此，在多数情况下，在仅仅接通电源的情况下，达不到振荡状态。即，为了启动振荡电路，需要一些方法。
对于这样的问题，在专利文献1～3所述的高频振荡电路中，采用如下方法，即，对开关元件的控制端子连接直流偏置电路，在接通主电源后，监控电源电流，使直流偏置电压缓慢地增加直到检测到振荡开始为止。然而，如果使直流偏置电压过大，则开关元件完全导通而流过大电流，有可能导致元件损坏。因此，期望根据开关元件的增益、输入阈值电压等特性进行控制，以使得直流偏置电压不怎么过大，但这样的特性的元件的各自的偏差大，所以，为了稳定地启动高频振荡电路，需要复杂的控制。
另外，在如专利文献2那样通过全桥电路来驱动LC共振电路的结构的情况下，对于4个开关元件来说，分别需要直流偏置电路。而且，其中的2个需要采用从接地电位提升了的直流偏置电路，所以还存在成本变得非常高的问题。
另一方面，作为其他的启动方法，还考虑与在稳态的振荡动作时进行动作的开关元件并联地连接启动专用的开关元件，通过仅在启动时的恒定时间内驱动该启动专用开关元件来强制性地开始振荡的方法。根据该启动方法，虽然不产生由于附加直流偏置电路所致的上述问题，但将启动专用开关元件与原来的开关元件并联地连接，其结果，开关元件的输出电容等价地变大。开关元件的频率特性在较大程度上依赖于其输出电容，所以当输出电容变大时，有可能导致频率特性的劣化，高频区域中的增益下降而难以确保足够的振荡振幅。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-214698号公报
专利文献2：日本特表2009-537829号公报
专利文献3：美国专利第7852471号说明书
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种无需设置对开关元件的控制端子施加直流偏置电压的直流偏置电路，并且也无需与开关元件并联地设置启动用的开关元件，就能够成本低廉且稳定地开始自激振荡的高频振荡电路。
解决技术问题的技术手段
为了解决上述问题而完成的本发明涉及一种自激方式的高频振荡电路，该高频振荡电路具备：直流电压源、包括线圈与电容器的LC共振电路、包括对从所述直流电压源供给的直流电力进行切换施加到所述LC共振电路的开关元件的开关电路、以及由在所述LC共振电路中包括的初级绕组与为了使所述开关元件导通/截止而连接到该开关元件的控制端子的次级绕组所构成的变压器，所述高频振荡电路的特征在于，具备：
a)启动用变压器，在所述LC共振电路中连接了次级绕组；以及
b)启动单元，为了使该高频振荡电路的自激振荡开始，在启动时的一定期间内，对所述启动用变压器的初级绕组供给接近于所述LC共振电路的共振频率的频率的高频电流。
在本发明的高频振荡电路用于ICP发光分析装置的等离子体生成的情况下，在上述LC共振电路中包括的线圈是等离子体生成用的感应线圈。
另外，在本发明的高频振荡电路中，开关电路是例如使用了多个的开关元件的半桥驱动电路或者全桥驱动电路。另外，开关元件通常是半导体开关元件，典型的是MOSFET。
另外，上述启动单元LC只要能够产生接近于共振电路的共振频率的频率的信号，则可以是任何结构，能够采用例如将启动用变压器的初级绕组装入到共振电路的克拉普振荡电路等。
即，在本发明的高频振荡电路中，例如与装入了等离子体生成用的感应线圈的主LC共振电路独立地，设置与该LC共振电路的一部分磁耦合的、换而言之电绝缘了的振荡电路，作为启动单元。然后，仅在启动时的一定期间内使该振荡电路动作，由此，对主LC共振电路供给高频电流，促进自激振荡。如果通过主LC共振电路以及开关电路而达到稳定的振荡状态，则使启动单元中的振荡停止而将该单元实质地分离即可。
此外，当通过启动单元所进行的启动动作而在该高频振荡电路中开始自激振荡时，由于通过该自激振荡而在主LC共振电路中流过的电流，相反地经由启动用变压器而在启动单元的振荡电路中感应出过大的电流，有可能导致该振荡电路中的元件损坏。因此，为了避免这种情况，将所述启动单元设成以所述启动用变压器的初级绕组作为共振电路的一部分的高频LC振荡电路，还包括将所述高频LC振荡电路内的共振电路的电阻值在自激振荡开始后切换成比之前更大的值的电阻值切换单元。
具体来说，该电阻值切换单元例如由在共振电路中插入了的PIN二极管、与对该二极管施加偏置电压的电压施加单元构成，在启动时，从电压施加单元对PIN二极管施加正向偏置电压，在自激振荡开始后切换成反向偏置电压即可。
发明效果
根据本发明的高频振荡电路，不需要将逐渐上升的直流偏置电压施加到开关元件的控制端子的直流偏置电路，所以没有直流偏置电压变得过大，开关元件完全导通而导致该元件损坏的担忧。由此，能够稳定地使振荡开始。另外，在本发明的高频振荡电路中，无论开关电路是半桥驱动电路、全桥驱动电路中的哪一个，由于仅准备一个启动单元即可，所以都能够抑制成本。
另外，根据本发明的高频振荡电路，也不需要为了进行启动而与开关元件并联地设置启动用开关元件，所以不增加开关元件的输出电容也不会导致频率特性的劣化。由此，即使在共振频率高的情况下，也能够得到足够大的振荡振幅。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的高频振荡电路的结构图。
图2是示出图1所示的高频振荡电路的等价电路的图。
图3是示出图1中的启动部的电路结构的一个例子的图。
图4是示出图1中的启动部的电路结构的其他例子的图。
【符号说明】
1…直流电源
2…旁路电容器
3、4、61、67、74…电感器
5…启动用变压器的初级绕组
6…启动部
7…控制部
9…等离子枪
10…全桥驱动电路
11、14、17、20…反馈用变压器的次级绕组
12、15、18、21、31、36、62、68、70、71…电容器
13、16、19、22、63…MOSFET
30…LC共振电路
32、33、34、35…反馈用变压器的初级绕组
37…感应线圈
38…启动用变压器的次级绕组
39…阻抗变换电路
64、66、73、75…电阻
72…PIN二极管
76…开关
具体实施方式
下面，作为本发明的一个实施例，一边参照附图，一边说明用于ICP发光分析装置的等离子体生成用途的高频振荡电路。
图1是本实施例的高频振荡电路的结构图，图2是示出本实施例的高频振荡电路的等价电路的图，图3是示出图1中的启动部的电路结构的一个例子的图。
为了在ICP发光分析装置的等离子枪9中生成等离子体而卷绕于该等离子枪9的感应线圈37是在该高频振荡电路中供给高频电流的对象。在该感应线圈37中，电容器36与4个反馈用变压器的初级绕组32、33、34、35串联连接。进一步地，与这些电路元件串联地连接有启动用变压器的次级绕组38，由此形成LC共振电路30。在该LC共振电路30中，除感应线圈37之外，还包括基于反馈用变压器的初级绕组32、33、34、35、启动用变压器的次级绕组38的电感，但与其他电感相比，感应线圈37的电感足够大，所以关于确定LC共振电路30的共振频率的电感，感应线圈37的电感起支配作用。
对直流电源1的输出端，经由被并联连接了的旁路电容器2而连接有全桥驱动电路10。全桥驱动电路10是并联地连接了2个MOSFET13、16的串联电路与2个MOSFET19、22的串联电路的结构。在4个MOSFET13、16、19、22的栅极端子与源极端子之间，分别连接有电容器12、15、18、21与反馈用变压器的次级绕组11、14、17、20。这些反馈用变压器的次级绕组11、14、17、20分别与LC共振电路30中包括的反馈用变压器的初级绕组32、33、34、35磁耦合。以作为全桥结构的4个MOSFET13、16、19、22中的对角的位置的2个MOSFET成为一对并且两对交替地导通/截止的方式，来确定反馈用变压器的初级绕组32、33、34、35与次级绕组11、14、17、20各自的极性。
全桥驱动电路10与LC共振电路30经由阻抗变换电路39的电感器3、4以及电容器31而连接，由此，将从全桥驱动电路10一侧观察到的负载阻抗设成最佳的状态。
对与LC共振电路30中包括的启动用变压器的次级绕组38磁耦合了的初级绕组5，连接启动部6，该启动部6与直流电源1通过控制部7来控制。此外，启动用变压器的次级绕组38实际上不是线圈状地卷绕了的构造，而仅仅是直线状的传送路径，初级绕组5能够采用在该传送路径的周围环状地卷绕了的构造。控制部7接受例如来自外部的启动指示，进行电源接通动作以使得能够从直流电源1的输出端供给电力，并且通过对启动部6供给驱动电力来使启动部6动作。
如图3所示，启动部6是将启动用变压器的初级绕组5装入到LC共振电路的克拉普振荡电路。详细说明的话，对初级绕组5串联连接有电容可变的电容器70、电容固定的2个电容器68、69，由此形成了LC共振电路的环路。此外，根据后述的理由，也可以与初级绕组5并联地连接其他电容器71。2个电容器68、69之间与MOSFET63的源极端子连接，该源极端子经由电阻66以及电感器67而接地。对MOSFET63的漏极端子，通过由电感器61与电容器62构成的滤波器而施加直流电压VDC，另外对MOSFET63的栅极端子施加通过2个电阻64、65来对直流电压VDC进行电阻分压而得到的电压。进一步地，该栅极端子连接于LC共振电路中的电容器70与电容器68之间。
该启动部6的电路结构是典型的克拉普振荡电路，其动作原理广为人知，所以省略详细的说明。通过将电容器70的电容确定为比作为分压器的电容器68、69的电容小而调整电容器70的电容，从而能够在确保稳定的振荡的同时调整共振电路的振荡频率。因此，以该振荡频率达到LC共振电路30的自激的振荡频率的附近的方式进行预先调整即可。
另外，在如在图3中用虚线示出的那样与初级绕组5并联地追加配置了电容器71的情况下，振荡频率依赖于电容器70的电容与电容器71的电容之和。因此，只要电容器70的电容与电容器71的电容之和相同，则振荡频率自身不变化，但与电容器70的电容相比，电容器71的电容越大，则共振电路的阻抗越大，动作模式成为电压模式。相反地，与电容器70的电容相比，电容器71的电容越小，则共振电路的阻抗越小，动作模式成为电流模式。例如，在MOSFET63的耐压较低的情况下，当使共振电路以电压模式来动作时，有可能对MOSFET63施加超过耐压的电压而引起损坏。因此，在根据所使用的MOSFET63的特性而特别想要使共振电路以电压模式来动作的情况下，配置电容器71，适当调整2个电容器70、71的电容即可。
在图1所示的电路结构中，如果假设与4个MOSFET13、16、19、22的输出电容CDS相比，旁路电容器2的电容足够大，则自激振荡开始前的图1的电路结构能够通过图2所示的等价电路来表示。一般来说，采用电容大的电容器作为旁路电容器2，所以上述假设是合理的。但是，在图2中，假设所有的MOSFET的输出电容相同。根据该等价电路可知，如果将启动部6的振荡频率设定成图2所示的右方的共振电路的共振频率附近，则能够由启动部6在该共振电路中感应出大的高频电流。
接下来，说明本实施例的高频振荡电路中的从启动到振荡停止的动作。当在ICP发光分析装置中为了进行分析而指示等离子体生成的开始时，接受到指示的控制部7开始从直流电源1向全桥驱动电路10的直流电力的供给。但是，在仅仅开始了向全桥驱动电路10的直流电力的供给的情况下，在MOSFET13、16、19、22的栅极-源极之间不产生电压，高频振荡电路的自激振荡不开始。因此，控制部7为了使启动部6动作，开始直流电压VDC的施加。通过直流电压VDC的施加，在MOSFET63的栅极-源极之间产生电压，MOSFET63被驱动。由此，包括初级绕组5、电容器70等的共振电路以所设定的频率开始振荡，在初级绕组5中流过高频电流。
由于在初级绕组5中流过的高频电流，在次级绕组38中感应出高频电流。启动部6的振荡电路的共振频率与LC共振电路30的共振频率大致一致，所以在几周期～10周期左右内，LC共振电路30的高频电流达到规定的值。在同一LC共振电路30中包括的初级绕组32、33、34、35中也流过高频电流，所以在与这些绕组磁耦合的次级绕组11、14、17、20中也感应出电流。其结果，在MOSFET13、16、19、22的栅极-源极之间产生足够的反馈电压，MOSFET13、16、19、22开始导通/截止动作。由此，从全桥驱动电路10对LC共振电路30供给高频电力，即使停止在启动部6中的振荡，LC共振电路30中的振荡也稳定地持续。因此，控制部7在从启动起经过了规定时间的时刻，停止向启动部6施加直流电压VDC，使启动部6的动作结束。通常，使启动部6动作的时间可以非常短，例如10μs左右就足够。
当如上所述地在高频振荡电路中产生振荡时，在感应线圈37中流过高频电流，在等离子枪9中形成高频电场。因此，通过未图示的点火器等来施加对被导入到等离子枪9中的等离子体生成气体的电离的触发。由此，在等离子枪9中，形成通过等离子体生成气体的稳定的电离而产生的等离子体。另一方面，为了停止等离子枪9中的等离子体，将从直流电源1输出到全桥驱动电路10的直流电压设成零，或者设成低到MOSFET13、16、19、22不被驱动的程度的电压即可。由此，在感应线圈37中流过的高频电流减少，在MOSFET13、16、19、22的栅极-源极之间不再产生将MOSFET13、16、19、22切换到导通状态所需的足够的反馈电压，高频振荡电路的振荡停止。
如上所述，在本实施例的高频振荡电路中，通过与包括感应线圈37的LC共振电路30中的次级绕组38磁耦合了的初级绕组5，在启动时由启动部6在LC共振电路30中感应出高频电流，促使高频振荡电路振荡。启动部6的结构简单且也不那么花费成本，也不损害高频振荡电路的频率特性。因此，能够成本低廉且稳定地启动高频振荡电路，并使自激振荡持续。
此外，当由于启动部6所进行的启动动作而高频振荡电路开始自激振荡时，有时受到在LC共振电路30中流过的电流的感应，在启动用变压器的初级绕组5中流过大的电流。当启动部6的共振电路中的电阻小时，被感应出的电流过大，有可能破坏MOSFET63等。实际上，当在等离子枪9中形成等离子体时，感应线圈37的阻抗发生变化，在LC共振电路30中流过的电流的频率发生变化，所以在启动用变压器的初级绕组5中感应出的电流没有变得那么大。因此，上述问题虽然实际上不易发生，但为了更可靠地避免这样的不良情况，也可以如图4所示地对启动部6的电路结构进行变形。在图4中，对与上述图3所示的结构相同的结构要素附加相同的附图标记。
即，在该变形例中，与启动用变压器的初级绕组5串联地配置PIN二极管72，进一步地，经由电阻73、75、电感器74、以及开关76而从正电源线VP以及负电源线VN对PIN二极管72施加偏置电压。如公知的那样，PIN二极管在正向偏置了的状态时，电阻低而能够通过高频电流，在被反向偏置了的状态时，电阻值变大。因此，可以在启动时接通开关76而施加正向偏置电压，使基于PIN二极管72的电阻值变小，在从启动起经过了规定时间时，通过断开开关76来施加反向偏置电压，使共振电路的电阻变大。由此，能够减小经过如上所述的启动用变压器的不希望的感应电流，保护启动部6的电路元件。
此外，上述实施例是本发明的一个例子，即使在本发明的主旨的范围内进行适当变形、修正、追加等，也包含于本申请权利要求书中，这理所当然。
例如，在上述实施例中，作为驱动LC共振电路的开关电路，采用全桥驱动电路，但也可以采用使用了半桥驱动电路的结构。另外，启动部6不限于克拉普振荡电路，虽然稳定度恶劣，但也可以采用科耳皮兹振荡电路等其他方式的振荡电路。

Claims (3)

1.一种自激方式的生成并维持等离子体的高频振荡电路，该高频振荡电路具备：直流电压源、包括线圈与电容器的LC共振电路、包括对从所述直流电压源供给的直流电力进行切换施加到所述LC共振电路的开关元件的开关电路、以及反馈用变压器，其由在所述LC共振电路中包括的所述反馈用变压器的初级绕组、与为了使所述开关元件导通/截止而连接到该开关元件的控制端子的所述反馈用变压器的次级绕组所构成，所述高频振荡电路的特征在于，具备：
a)启动用变压器，在所述LC共振电路中连接了所述启动用变压器的次级绕组；以及
b)启动单元，为了使该高频振荡电路的自激振荡开始，在启动时的一定期间内，对所述启动用变压器的初级绕组供给可以与所述LC共振电路实现共振的频率的高频电流。
2.根据权利要求1所述的生成并维持等离子体的高频振荡电路，其特征在于，
所述启动单元是将所述启动用变压器的初级绕组作为共振电路的一部分的高频LC振荡电路。
3.根据权利要求2所述的生成并维持等离子体的高频振荡电路，其特征在于，还包括：
电阻值切换单元，其将所述高频LC振荡电路内的共振电路的电阻值在自激振荡开始后切换成比之前更大的值。
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