CN104901580A - 高频电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高频电源装置。在等离子体点亮开始时无需提高电源电压而使大电流在感应线圈中流过，从而提高点亮开始时的稳定性。在对直流电压进行切换的全桥驱动电路(13)、与包括等离子体生成用的感应线圈(21)的LC共振电路(19)之间，设置包括电感器(17)与电容器(18)的阻抗变换电路(16)。电容器(18)的电容能够切换成两个阶段，切换驱动部(23)负责该切换。在从等离子体熄灭了的状态起点亮时，使电容器(18)的电容相对变大，能够对LC共振电路(19)供给大电流。在等离子体点亮而成为稳定状态时，切换成使电容器(18)的电容相对小的状态，使阻抗匹配，以使得电力效率最大。

Description

高频电源装置
技术领域
本发明涉及一种高频电源装置，进一步详细来说，涉及一种用于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，为了生成并维持等离子体而对感应线圈供给高频电力的高频电源装置。
背景技术
在ICP发光分析装置中，由通过对感应线圈供给高频电力来形成了的电磁场，来使氩气等的等离子体生成用气体电离而生成并维持等离子体，在该等离子体中导入样本原子。样本原子由等离子体激发，在该被激发了的原子回到低的能级时，发射原子特有的波长光。通过对该发射光进行分光测定，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，采用例如能够以27[MHz]的频率供给几百W～几千W的高频电力的高频电源装置，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。在这样的结构中，为了使高频电源装置高效率地动作，优选的是，从高频电源装置侧观察到的负载的阻抗恒定，并且取得了阻抗匹配。
然而，当通过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来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、或者对等离子体供给的电能等，等离子体的状态发生变化，伴随着该变化，感应线圈的阻抗进一步变化。当感应线圈的阻抗这样变化了时，从高频电源装置侧观察到的负载阻抗发生变化，所以阻抗匹配于从最佳的状态偏离。
因此，为了应对这样的负载阻抗的变化，在以往的这种高频电源装置中，利用了如下的自激方式的振荡电路，该振荡电路通过包括MOSFET等半导体开关元件的半桥电路或者全桥电路等开关电路来驱动包括感应线圈的LC共振电路，使在该LC共振电路中的信号经由变压器等而正反馈到上述半导体开关元件的控制端子(在MOSFET的情况下是栅极端子)。
图5是专利文献1所记载的采用了自激振荡的高频电源装置的概略结构图。即，在该电路中，4个MOSFET141、142、143、144构成全桥电路，从该全桥电路经由负载耦合电感器301、302、303、304而对包括感应线圈32以及电容器33的LC共振电路31供给电力。由此，在LC共振电路31中流过的电流由变压器(电感耦合部)的初级绕组34检测出，通过未图示的反馈路径而分别反馈到各MOSFET141～144的栅极端子。在这样的自激振荡电路中，当伴随着等离子体状态的变化而感应线圈32的阻抗发生变化时，LC共振电路31的共振频率自动地变化。因此，具有这样的优点，即，无需从外部进行任何特别的控制、指示，就能够使得从全桥电路侧观察到的负载阻抗始终保持最佳的关系，并且高效率地持续振荡。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2009-537829号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
但是，在ICP发光分析装置中，为了在大气压气氛下生成等离子体，特别是在开始等离子体的点亮时，需要将比在稳态的点亮过程中更大的高频电流供给到感应线圈。等离子体的点亮特性即点亮的难或易受到等离子体生成用气体的流量、等离子体生成用气体的纯度、等离子枪形状、放置有等离子体置物台的气氛等的影响。因此，为了维持稳定且良好的等离子体点亮特性，预计了上述那样的各种原因的变动、偏差之后，需要对感应线圈供给足够充裕的高频电流。在图5所示的以往的电路中，为了使到感应线圈32的电流增加，需要使电源电压+Vcc增加。
但是，电源电压+Vcc由于受到在全桥电路中使用的半导体开关元件(在图5的例中是MOSFET141～144)的额定电压的制约，所以为了通过提高电源电压+Vcc来确保稳定的等离子体点亮特性，必须使用能够经受电源电压+Vcc的增加的、额定电压大的半导体开关元件。然而，额定电压大的半导体开关元件的导通电阻变大，所以有可能导致高频电源装置中的电力损失的增加。
本发明是鉴于这样的问题而提出的，其目的在于，提供一种能够抑制在全桥电路或者半桥电路等开关电路中使用的半导体开关元件的额定电压，即，使用导通电阻小的半导体开关元件，并且维持等离子体点亮特性的稳定性，特别是使等离子体点亮稳定地开始的高频电源装置。
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一种高频电源装置，具备：直流电压源、包括等离子体生成用的感应线圈与电容器的LC共振电路、以及包括对从所述直流电压源供给的直流电力进行切换而施加到所述LC共振电路的半导体开关元件的开关电路，通过对所述感应线圈接入高频电力来生成等离子体，所述高频电源装置的特征在于，具备：a)阻抗变换部，其介于所述开关电路与所述LC共振电路之间地，能够将阻抗变换率切换成多个阶段；以及b)控制部，其使所述阻抗变换部动作，以使得在等离子体点亮开始前、与在该点亮开始后的稳态点亮时，切换所述阻抗变换率。
在本发明的高频电源装置中，特别优选的是，采用用于在ICP发光分析装置中生成等离子体的高频电源装置。
在本发明的高频电源装置中，上述开关电路例如能够采用使用了多个的半导体开关元件的半桥电路或者全桥电路。另外，作为该半导体开关元件，作为典型，采用电力用的MOSFET即可。
在本发明的高频电源装置中，阻抗变换部采用例如包括相互极性不同的电抗元件的结构即可，作为典型，包括电感器与电容器，通过使该电容器的电容变化来切换阻抗变换率即可。
根据阻抗变换部中包括的电路元件的常数来确定的多个阶段的阻抗变换率之一被预先调整，以使得在使等离子体稳定地点亮时从开关电路供给的电力最高效率地导入到等离子体中，即，使得等离子体生成时的电力效率最大。通常，这是阻抗匹配的最佳状态。在本发明的高频电源装置中，控制部在等离子体点亮期间内，设定阻抗变换部的电路元件的常数，以得到这样的阻抗变换率。因此，在等离子体点亮过程中，能够抑制电力损失并高效地维持等离子体生成状态。
与此相对地，在从等离子体熄灭了的状态起开始点亮等离子体时，控制部设定阻抗变换部的电路元件的常数，以得到能够将更大的电流供给到LC共振电路那样的阻抗变换率。此时的阻抗变换率即电路常数也能够预先通过实验等来确定。即，在本发明的高频电源装置中，在等离子体点亮开始时，能够不增加开关电路等的电源电压，而在LC共振电路中包括的感应线圈中流过大的高频电流。由此，在例如ICP发光分析装置中，在等离子枪中产生大的交变磁场，由此在等离子体气体气氛中形成强的感应电场。其结果，容易引起等离子体气体的电离，能够稳定地开始等离子体点亮。
但是，如果在等离子体点亮之后突然切换阻抗变换部的阻抗变换率，具体来说，如果阶跃性地进行切换，则等离子体有可能熄灭。因此，在本发明的高频电源装置中，优选的是，所述阻抗变换部采用包括被并联连接了的电容器、将该电容器的一部分从该并联连接中分离的开关元件、以及使控制该开关元件的切换的信号的变化钝化的时间常数电路的结构即可。作为该时间常数电路，例如采用RC电路等低通滤波器即可。
根据该结构，当在等离子体点亮开始后切换阻抗变换部中的阻抗变换率时，电容器的电容不发生急剧变化，而是以某种程度缓慢变化。由此，对感应线圈供给的电流的变化也变得缓慢，能够防止由该变化所导致的等离子体的熄灭。
发明效果
根据本发明的高频电源装置，能够不增加对包括感应线圈的LC共振电路供给电力的开关电路的电源电压，而在等离子体点亮开始时在感应线圈中流过大的高频电流，稳定地生成等离子体。另外，在等离子体点亮过程中，能够使得电力的利用效率维持于最优或者接近于最优的状态。
附图说明
图1是作为本发明的一个实施例的高频电源装置的概略结构图。
图2是图1中的阻抗变换电路的详细电路结构图。
图3是示出阻抗变换电路中的电路常数与等离子体接入电力的关系的图。
图4是示出阻抗变换电路中的电路常数与等离子体生成时的电力效率的关系的图。
图5是采用了以往的自激振荡的高频电源装置的概略结构图。
【符号说明】
10…商用交流电源
11…直流电源
12、18a，18b、18c、20、233…电容器
13…全桥驱动电路
141～144、238…MOSFET
151～154…MOSFET驱动电路
16…阻抗变换电路
17…第1电抗元件(电感器)
17a…第1电感器
17b…第2电感器
18…第2电抗元件(电容器)
18d…PIN二极管
19…LC共振电路
21…感应线圈
22…初级绕组
23…切换驱动部
231、232…电感器
234、236…电阻
241…光耦合器
24…控制部
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电源装置。图1是本实施例的高频电源装置的概略结构图。
为了在ICP发光分析装置的等离子枪(未图示)中生成等离子体而卷绕于该等离子枪的感应线圈21是在该高频电源装置中供给高频电流的对象。对感应线圈21，串联连接有电容器20与反馈用变压器的初级绕组(实际上该初级绕组为4个，但在图1中省略而仅记载了1个)22，由此形成了LC共振电路19。此外，与基于反馈用变压器的初级绕组22的电感相比，感应线圈21的电感充分大，所以在LC共振电路19的确定共振频率的电感中，感应线圈21的电感起支配作用。
直流电源11包括例如二极管电桥电路等整流电路，根据从外部的商用交流电源10供给的交流电力来输出规定的直流电压。对该直流电源11的输出端，经由被并联连接了的电容器12而连接了全桥驱动电路13。全桥驱动电路13是2个MOSFET141、143的串联电路与相同的2个MOSFET142、144的串联电路并联地连接而得到的结构。在4个MOSFET141～144的栅极端子与源极端子之间，分别连接了包括与反馈用变压器的初级绕组22磁耦合的次级绕组(未图示)的MOSFET驱动电路151～154。
全桥驱动电路13与LC共振电路19经由包括极性相反的第1、第2电抗元件17、18的阻抗变换电路16而连接，由此，在全桥驱动电路13中，在MOSFET141与MOSFET144、或者MOSFET142与MOSFET143导通时，形成电流从全桥驱动电路13流到第1、第2电抗元件17、18的环路。
在本实施例的高频电源装置中，第1电抗元件17是电感器，第2电抗元件18是电容器，所以在下面的说明中，记为电感器17、电容器18。在从直流电源11对全桥驱动电路13施加的电压、即全桥驱动电路13的电源电压恒定的情况下，电感器17的电感L、电容器18的电容C与等离子体接入电力的关系如图3所示。
从直流电源11对全桥驱动电路13施加的电压的最佳值依赖于MOSFET141～144的额定特性，所以根据该额定特性来确定直流电源11的输出电压。然后，在该条件下，电感器17的电感L的值被设定为满足在使电容器18的电容C的值在规定范围内变化时的等离子体接入电力的最大值被要求的值(标称值)。通常，在适当的电源电压下等离子体接入电力过度地变大是不优选的，所以，在最佳的电源电压时，将电感确定为等离子体接入电力的最大值稍微超过标称值的程度即可。这样一来，在例如图3的例子中，电感L被确定为L2。
图4是示出在电感器17的电感L被确定为某个值(例如上述的L2)时的、电容器18的电容C与等离子体生成时的电力效率的关系的图。即，在电容器18的电容C为C1时，等离子体生成时的电力效率为最大。一般来说，这被推测为通过在阻抗变换电路16中的阻抗变换作用来取得了阻抗匹配的(最佳)状态。但是，在将电容器18的电容C设为C1的情况下，有可能无法确保在等离子体点亮开始时可靠地进行点亮所需的足够的感应线圈电流。另一方面，当将电容器8的电容C设为大于C1的C2时，虽然等离子体生成时的电力效率下降，但在等离子体点亮开始时对感应线圈21的供给电流增大，等离子体点亮开始时的点亮特性变得良好。
因此，在本实施例的高频电源装置中，采用阻抗变换电路16中的电容器18的电容C的值能够在C1与C2之间切换的结构，在控制等离子体的点亮的控制部24的指示之下，切换驱动部23切换阻抗变换电路16中的电容器18的电容C。电感器17的电感L不变，仅电容器18的电容C变化，所以这意味着阻抗变换电路16中的阻抗变换率发生变化。具体来说，控制部24进行如下控制。
即，在从等离子体熄灭了的状态开始点亮时，控制部24对切换驱动部23给出指示，以使得阻抗变换电路16中的电容器18的电容C变成C2。由此，阻抗变换电路16中的阻抗变换率在等离子体生成开始前，被设定成能够将更大的高频电流供给到LC共振电路19的状态。其结果，在等离子体点亮时，在感应线圈21中流过大的高频电流，在等离子枪中产生大的交变磁场，由此在等离子体气体气氛中形成强的感应电场。其结果，容易引起等离子体气体的电离，稳定地开始等离子体点亮。
当从等离子体点亮起例如经过规定时间时，控制部24对切换驱动部23给出指示，以使得阻抗变换电路16中的电容器18的电容C从C2切换到C1。由此，阻抗变换电路16中的阻抗变换率被设定成等离子体生成时的电力效率几乎最佳的状态。由此，能够高效率地将能量导入到等离子体，稳定地维持等离子体。
图2是图1中的阻抗变换电路16以及切换驱动部23的详细电路的一个例子。图1中的电感器17相当于图2中的第1电感器17a以及第2电感器17b，该图1中的电容器18相当于图2中的电容器18a、以及与它并联连接的两个电容器18b、18c、PIN二极管18d的串联连接电路。在这里，PIN二极管18d作为开关元件发挥功能，在PIN二极管18d实质上处于导通状态时，包括电容器18b、18c的串联连接电路与电容器18a并联连接，在PIN二极管18d实质上处于截止状态时，包括电容器18b、18c的串联连接电路不发挥功能，仅电容器18a作为电抗元件是有效的。
如公知的那样，PIN二极管在高频区域中由包括电阻的等价电路来表示，根据直流偏置而其等价电阻发生变化。在本实施例的高频电源装置中，利用这一点，通过切换PIN二极管18d的直流偏置，来实现如上所述的电容器18的电容C的切换。
具体说明的话，如图2所示，切换驱动部23包括：两个电感器231、232，一端分别连接到PIN二极管18d的阳极端子、阴极端子；电容器233，连接于该两个电感器231、232的另一端之间；电阻234，连接于电感器231的另一端与负的电源电压VDC2之间；MOSFET238，源极电位被浮置成COM电位；光耦合器241，接受从控制部(在图2中未示出)送出的控制信号并将信号(使MOSFET导通或者截止的信号)传递到MOSFET238；以及电阻236，连接于MOSFET238的源极端子与上述电感器231之间。
当从控制部将控制信号输入到光耦合器241，并从该光耦合器241的输出端输出规定的电压(相当于二进制逻辑的逻辑“1”的电压)时，MOSFET238导通，MOSFET238的源极端子与电阻236的连接点的电位大致为VDC1。因此，电感器231与电容器233的连接点P的电位为通过电阻236、234对正极性的VDC1与负极性的VDC2的电位差分压而得到的电位。如果使电阻236的电阻值比电阻234的电阻值充分小，则上述连接点P的电位为使PIN二极管18d正向偏置的电位，PIN二极管18d导通，电容器18b、18c的串联电路与电容器18a并联连接。由此，阻抗变换电路16中的电容器18的电容相对变大。这是在图4中电容器18的电容C为C2的状态。
当从控制部供给到光耦合器241的电流被遮断时，光耦合器241输出端的电压下降到相当于二进制逻辑的逻辑“0”的电压，MOSFET238截止。于是，电阻236被视为实质上不存在，电感器231与电容器233的连接点P经由电阻234而与负极性的VDC2连接。因此，该连接点P的电位变为负，PIN二极管18d被反向偏置而截止。其结果，电容器18b、18c的串联电路自身被视为不存在，阻抗变换电路16中的电容器18的电容相对变小。这是在图4中电容器18的电容C为C1的状态。
如上所述，切换驱动部23能够将阻抗变换电路16中的电容器18的电容C切换成两个阶段。通过这样的PIN二极管18d的导通/截止的切换，电容C被切换，此时，电阻234与电容器233作为基于低通滤波器的时间常数电路发挥功能。即，由于MOSFET238的导通/截止的切换而MOSFET238的源极端子的电位急剧变化，但电感器231与电容器233的连接点P的电位的变化根据时间常数电路的时间常数而变得缓慢。其结果，电容器18的电容C的变化也变得缓慢，能够避免由于阻抗变换电路16的阻抗变换率急剧变化(阶跃性地切换)所导致的等离子体的熄灭现象。
此外，上述实施例是本发明的一个例子，当然即使在本发明的主旨的范围内进行适当变形、修正、追加等，也被包含在本申请权利要求书中。
例如，图1、图2所示的电路结构是一个例子，能够执行如上所述的动作的电路不限于这些图所记载的例子，这对于本领域技术人员来说是常识。另外，在上述实施例中，作为驱动LC共振电路的开关电路而采用了全桥驱动电路，但也可以采用半桥驱动电路等其他结构的开关电路。

Claims (3)

1.一种高频电源装置，具备：直流电压源、包括等离子体生成用的感应线圈与电容器的LC共振电路、以及包括对从所述直流电压源供给的直流电力进行切换而施加到所述LC共振电路的半导体开关元件的开关电路，通过对所述感应线圈接入高频电力来生成等离子体，所述高频电源装置的特征在于，具备：
a)阻抗变换部，其介于所述开关电路与所述LC共振电路之间，能够将阻抗变换率切换成多个阶段；以及
b)控制部，其使所述阻抗变换部动作，以使得在等离子体点亮开始前、与在该点亮开始后的稳态点亮时，切换所述阻抗变换率。
2.根据权利要求1所述的高频电源装置，其特征在于，
所述阻抗变换部包括电感器与电容器，通过使该电容器的电容变化来切换阻抗变换率。
3.根据权利要求2所述的高频电源装置，其特征在于，
所述阻抗变换部包括被并联连接了的电容器、将该电容器的一部分从该并联连接中分离的开关元件、以及使控制该开关元件的切换的信号的变化钝化的时间常数电路。
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