CN115136493A - 高频电源装置的控制方法以及高频电源装置 - Google Patents

Abstract

在频率范围内，将输出指令值抑制为不超过高频放大器所容许的输出指令的上限。本发明的高频电源装置的控制方法以及高频电源装置在可变频率的频率范围内进行频率控制，并且在可变频率的频率范围内，通过输出极限值来限制用于控制高频放大器的输出的输出指令值的上限，由此，防止由过剩指令引起的高频放大器的损伤。

Description

高频电源装置的控制方法以及高频电源装置

技术领域

本发明涉及向负载供给高频功率的高频电源装置的控制方法以及高频电源装置。

背景技术

为了从高频电源装置向负载高效地供给高频功率，已知有为了降低反射波功率而根据负载的阻抗变动来进行阻抗匹配(impedance matching)的技术。例如，在负载为等离子体负载的情况下，除了等离子体从未点火状态转变为点火状态的过程之外，由于腔室内的气体状态、压力状态等腔室环境的变化，负载的阻抗变动。当由于负载阻抗的变动而产生阻抗不匹配时，从负载返回到高频电源装置的反射波功率增加，有效地供给到负载的负载功率降低。另外，负载功率是从高频电源装置向负载供给的行波功率中减去从负载返回的反射波功率量而得到的功率，是对负载有效地供给的功率。

作为阻抗匹配技术，已知有如下技术：检测从负载侧返回至高频电源侧的反射波功率，并根据检测出的反射波功率增加从高频电源向负载侧供给的行波功率，由此补充由反射波功率导致的负载功率的降低。

在专利文献1中示出了基于频率控制的阻抗匹配。在通过对行波功率加上与反射波功率相当的功率来补充负荷功率的降低时，在反射波功率大的情况下，行波功率过剩，输出有可能过大。专利文献1公开了如下技术：为了降低过大输出，控制频率而使反射波降低后，以将相当于反射波功率的功率与行波功率相加的方式控制输出(专利文献1)。

在专利文献2中示出了在基于频率控制的阻抗匹配中限制可变频率的频率范围的技术，以在包含基准频率的预定的频率范围内反射系数绝对值成为最小的方式变更振荡频率。在变更振荡频率的情况下，即使在振荡频率的变化幅度窄的情况下，负载的阻抗也会大幅变动。若负载阻抗大幅变动，则施加于负载的电压降低，有时成为难以维持放电的状态。因此，在专利文献2中，限制频率控制的频率范围，抑制供给功率的降低(专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-197080号公报

专利文献2：日本特开2006-310245号公报(段落0073)

发明内容

发明所要解决的课题

如上所述，频率控制是使振荡频率变化的控制方式。在该控制方式中，为了抑制由振荡频率的变化引起的较大的阻抗变化，限制频率控制的可变频率的频率范围。

作为频率控制的课题，专利文献2列举了由负载阻抗的变动引起的供给功率的降低。在专利文献2中，通过限制可变频率的频率范围来抑制供给功率的降低。在该情况下，频率控制的可变频率被限定在频率范围内，频率范围外的频率成为频率控制的对象外。

因此，在阻抗的变动幅度变大的负载条件下，存在无法通过被限制的狭小的频率范围内的频率控制而充分地进行控制的课题，期望在更宽的频率范围内进行频率控制。

在频率控制中，为了补偿因高频放大器的输出特性的制约而导致的输出的降低，使高频电源装置所具备的高频放大器的输出上升。此时，在扩大了可变频率的频率范围的情况下，高频放大器的输出上升变得更大，因此有可能对作为高频滤波器等电路的构成要素的电容器、线圈施加的电压、施加电流上升而超过额定值。

该高频放大器的输出上升是由于高频放大器的开环特性相对于负载阻抗不平坦而产生的。根据负载，高频放大器相对于输出指令值，输出值的上升不足。频率控制要解决输出值的上升不足，使对高频放大器的指令值进一步上升。

图23是用于说明高频放大器的开环特性与输出控制的关系的图。另外，图23所示的开环特性概略地表示实际的特性。横轴表示频率，纵轴表示高频放大器的输出，实线表示高频放大器的开环特性，虚线表示平坦的开环特性，单点划线表示高频放大器的输出的上限值。

高频放大器具有依赖于频率的开环特性。因此，若使用预定了平坦的输出特性的输出指令值Pcommand1，则输出值Pout通过开环特性而成为比输出指令值Pcommand1小的值。因此，高频放大器为了使输出值Pout上升，通过输出控制生成比输出指令值Pcommand1大的输出指令值Pcommand2。此时，存在输出指令值Pcommand2超过高频放大器的输出的上限值Plimit的情况。

超过高频放大器的输出的上限值的输出指令值有可能损伤高频放大器、滤波器的电路元件。因此，为了保护电路的构成要素，要求使对高频放大器的输出指令值不超过上限。

本发明的目的在于，解决上述的问题点，在频率控制的可变频率的频率范围内，将所设定的负载功率(LOAD功率)或者行波功率(FWD功率)向负载供给，并且将输出指令值抑制为不超过高频放大器所允许的输出指令的上限。

用于解决课题的手段

本发明具备高频电源装置的控制方法以及高频电源装置的各方式，在可变频率的频率范围内进行频率控制，并且在可变频率的频率范围内，将控制高频放大器的输出的输出指令值的上限限制为输出极限值，由此防止因过剩的输出指令引起的高频放大器的损伤，降低反射波功率。

(高频电源装置的控制方法)

本发明的高频电源装置的控制方法，具备：

(1)输出控制，基于输出指令来控制高频放大器的输出；以及

(2)阻抗匹配控制，对通过直流-交流变换输出高频功率的高频放大器与负载之间的阻抗进行匹配，分别独立地进行输出控制和阻抗匹配控制。通过本发明的控制来供给功率(power)的负载对象例如有阻抗状态变动的等离子体负载。

阻抗匹配控制具备：

(A)频率控制，基于高频放大器的反馈信号使控制频率变动来进行阻抗匹配；以及

(B)频率极限值控制，决定用于规定所述频率控制的频率范围的频率极限值，

(C)频率控制在由频率极限值控制决定的频率极限值的频率范围内对高频放大器的频率进行控制。

阻抗匹配控制限制频率控制的可变频率的频率范围，通过限制频率范围，以不超过高频放大器所容许的输出指令的上限的方式抑制输出指令值。

输出控制还具备：(D)输出极限值控制，在频率范围内决定用于限制输出的输出极限值，

(E)通过将由输出极限值控制决定的输出极限值设为上限的输出指令值来控制高频放大器的输出。

(F)分别独立地进行输出控制与阻抗匹配控制。

在本发明的阻抗匹配控制中，在进行阻抗匹配的频率控制中，通过将输出指令值的上限通过由输出极限值控制所决定的输出极限值来抑制，从而将输出指令值抑制为不超过高频放大器所容许的输出指令的上限。

(高频电源装置)

本发明的高频电源装置是向负载供给高频功率的高频电源装置，高频电源装置具备：

高频放大器，其输出高频功率；

输出控制部，其对高频放大器的输出进行输出控制；以及

阻抗匹配的控制部，其对高频放大器的输出进行频率控制，来对与负载的阻抗进行匹配。

阻抗匹配控制部具备：

(a)频率控制部，其通过基于高频放大器的反馈信号的频率控制使控制频率变动来进行阻抗匹配；以及

(b)频率极限值控制部，其决定用于规定频率控制的频率范围的频率极限值，

频率控制部进行如下控制：

(c)在由频率极限值控制部决定的频率极限值的频率范围内对高频放大器的频率进行控制。

控制部在进行阻抗匹配的频率控制中，利用由输出极限值控制决定的输出极限值来抑制输出指令值的上限，从而将输出指令值抑制为不超过高频放大器所容许的输出指令的上限。

输出控制部还具备：

(d)输出极限值控制，其在频率范围内决定用于限制输出控制部的输出控制值的输出极限值，

(e)通过将由输出极限值控制决定的输出极限值设为上限的输出指令值来控制高频放大器的输出。

输出控制部和阻抗匹配控制部是(f)分别独立的控制。

(极限值控制：频率极限值控制以及输出极限值控制)

频率控制是以高频电源装置与负载的阻抗匹配状态为目标来变更控制频率的控制。在频率控制中，在将阻抗匹配时的频率设为基准频率时，控制频率从基准频率偏离的程度越大，输出指令值与输出反馈信号的差异越大，因此想要消除该差异而使输出指令值增大。

阻抗匹配的频率特性在可变频率的频率范围中，频率范围的频率端侧的输出极限值成为比频率中央侧的输出极限值低的值。本发明针对具有频率特性的阻抗匹配的频率控制应用极限控制，针对阻抗匹配的频率特性，具备阻抗匹配的频率控制中的频率极限值控制、以及输出控制中的输出极限值控制的极限值控制。

频率极限值控制是控制可变频率的频率范围的控制，输出极限值控制是以增大后的输出指令值不超过高频放大器的容许的方式进行抑制的控制，确定输出极限值，将该输出极限值作为上限来限制输出指令值。

在极限控制中，通过基于频率极限值控制的频率范围的限制、基于输出极限值控制的输出指令值的限制，限制针对在频率控制的过程中得到的控制频率的输出指令值，以输出指令值不超过由高频放大器容许的输出指令的上限的方式进行控制。

(频率极限值控制)

频率极限值控制在通过频率控制进行阻抗匹配的阻抗匹配控制中，针对进行控制的控制频率确定频率极限值，在由该频率极限值规定的频率范围内使控制频率可变。

(输出极限值控制)

输出极限值控制是在可变频率的频率范围内将输出指令值限制为输出极限值的控制，在输出指令值超过输出极限值的情况下，将输出指令值限制为输出极限值，以不将超过输出极限值的输出指令值输出到高频放大器的方式进行控制。

输出极限值具有频率特性，除了输出极限值在频率范围内为固定值的频率特性以外，也可以是输出极限值在频率范围内采用不同的值的频率特性。例如，设成在可变频率的频率范围内，将频率端侧的输出极限值设定为比频率中央侧的输出极限值低的值的频率特性。

输出极限值控制中，输出随着输出指令值的增大而上升，为了通过过剩的输出电压来防止高频放大器等电路元件的损伤，将输出指令值的上限限制为输出极限值，抑制输出指令值超过输出极限值而增大。输出指令值的频率特性依赖于负载的阻抗的频率特性。通常，输出指令值具有控制频率从基准频率偏离的程度越大则越大的特性，因此表示控制频率比基准频率高的频率的输出指令值的频率特性和控制频率比基准频率低的频率的输出指令值的频率特性大致对称的频率特性。

这样，在视为相对于基准频率高频侧和低频侧的输出指令值的频率特性同样具有对称性的情况下，输出极限值的频率特性能够相对于可变频率的频率范围内的基准频率将高频侧的频率特性和低频侧的频率特性对称地设定。

另外，在可变频率的频率范围内，存在控制频率比基准频率高的频率的输出指令值的频率特性和控制频率比基准频率低的频率的输出指令值的频率特性成为不同的频率特性的情况。例如，高频放大器的开环特性对输出极限值的频率特性有很大影响，存在控制频率相对于基准频率高频侧和低频侧的频率特性不同的情况。在这样的情况下，频率特性相对于基准频率非对称，因此能够将输出极限值的频率特性设定为相对于可变频率的频率范围内的基准频率非对称。

输出极限值能够根据高频电源装置的输出方式来设定多个种类，针对与频率控制所使用的多个反馈信号对应的输出指令来确定。

(反馈信号)

在频率控制和极限控制中，高频电源装置的反馈信号使用在高频电源装置的输出侧得到的高频放大器的信号。作为该反馈信号，有行波功率(FWD功率)、反射波功率(REF电压)、负载功率(LOAD功率)以及输出电压。另一方面，作为高频电源装置的输入侧的直流电源的信号，有直流电压、直流电流，另外，作为在高频电源装置的功率供给中产生的信号，有损失功率。负载功率能够通过从行波功率减去反射波功率而取得。

行波功率、反射波功率、负载功率以及输出电压的反馈信号根据负载阻抗的变动而变化，频率控制基于这些反馈信号来控制高频放大器的输出的频率。另外，直流电压、直流电流的反馈信号表示向高频放大器供给驱动功率的直流电源的输出状态，与负载阻抗的变动同样地影响向负载供给的供给功率的变动。

频率控制基于这些反馈信号控制高频放大器的输出的频率来进行阻抗匹配，对应于负载阻抗的变动、直流电源的输出状态的变动的影响，匹配高频电源装置与负载之间的阻抗，降低反射波功率。另外，输出控制与频率控制独立地进行，以使功率供给成为目标功率的方式进行控制。目标功率例如设为行波功率或负载功率，以高频电源装置的输出成为行波功率指令值或负载电压指令值的方式进行控制。

与行波功率、反射波功率以及输出电压的各反馈信号对应的输出极限值分别是行波功率极限值、反射波功率极限值以及输出电压极限值。另外，与直流电源的直流电压以及直流电流的各反馈信号对应的输出极限值分别是直流电压极限值、直流电流极限值。

与损失功率的反馈信号对应的损失功率极限值是与在从高频电源装置向负载的功率供给中产生的损失功率对应的输出极限值。在此，损失功率是在高频电源装置的功率供给中产生的损失量，相当于从供给功率减去有效功率而得到的功率，通过从高频电源装置供给的功率量减去行波功率和反射波功率来计算。

能够针对这些多个反馈信号中的至少一个来确定输出极限值，对于针对多个反馈信号的输出极限值，也可以通过任意的组合来确定。

发明效果

如以上说明的那样，根据本发明，在频率控制的可变频率的频率范围内，将所设定的负载功率(LOAD功率)或者行波功率(FWD功率)向负载供给，并且将输出指令值抑制为不超过高频放大器所允许的输出指令的上限。

附图说明

图1是用于说明本发明的高频电源装置的概要的图。

图2是用于说明输出电压上升时的从输出控制向频率控制转移的流程图。

图3是表示用于说明从输出电压上升时的输出控制向频率控制转移的功率变化状态的波形图。

图4是用于说明本发明的高频电源装置的概要结构的图。

图5是基于频率控制和频率极限值控制的阻抗匹配控制的流程图。

图6是频率控制的输出频率特性图。

图7是用于说明反射功率控制的S2的图。

图8是用于说明频率极限值控制的图。

图9是用于说明FWD极限值控制的动作状态的图。

图10是用于说明FWD极限值控制的动作状态的图。

图11是频率极限值控制、极限值控制的流程图。

图12是说明图10的流程图的工序的频率特性图。

图13是表示FWD极限值控制和REF极限控制的切换的图。

图14是用于说明负载功率(LOAD功率)的切换(P1→P2)的图。

图15是用于说明负载功率(LOAD功率)的切换(P1→P2)的功率变化图。

图16是用于说明负载功率(LOAD功率)的切换(P1→P2)的流程图。

图17是用于说明负载功率(LOAD功率)的切换(P2→P1)的图。

图18是用于说明与图17的开始频率不同的负载功率(LOAD功率)的切换(P2→P1)的图。

图19是用于说明本发明的高频电源装置的结构例的图。

图20是用于说明FWD极限值的频率特性的例子的图。

图21是用于说明FWD极限值的频率特性的例子的图。

图22是用于说明FWD极限值的频率特性的例子的图。

图23是用于说明高频放大器的开环特性与输出控制的关系的图。

具体实施方式

以下，使用图1～图5对本发明的高频电源装置及控制方法的概要进行说明，使用图6～图18对频率控制及极限控制(Limit control)进行说明，使用图19对高频电源装置的结构例进行说明，使用图20～22对行波功率极限值的频率特性的例子进行说明。另外，对于频率控制以及极限控制，以将输出指令作为负载功率指令(LOAD功率指令)的情况为例进行说明。

图1是高频电源装置的控制方法以及高频电源装置的概要图，图2、3是用于说明输出电压上升时的从输出控制向频率控制转移的流程图以及表示功率变化状态的波形图。

图4是用于说明本发明的高频电源装置的概要结构的图，图5是基于频率控制和频率极限值控制的阻抗匹配控制的流程图。

图6～图18中说明的频率控制以及极限控制是将负载功率指令作为输出指令的情况下的控制例，图6是频率控制的输出频率特性图，图7是用于说明反射功率控制的调整(tuning)的图，图8是用于说明频率极限值控制的图，图9、10是用于说明输出极限值控制(FWD极限值控制(行波功率极限控制值控制))的动作状态的图，图11、12是频率极限值控制、输出极限值控制的流程图以及频率特性图，图13是表示输出极限值控制(FWD极限值控制(行波功率极限控制值控制))和REF极限控制(反射波功率极限控制值控制)的切换的图。

图14～图18是用于说明负载功率指令(LOAD功率指令)的切换的图，图14、图15以及图16是说明将负载功率指令从P1切换至P2时的频率-功率特性的图、说明功率的时间变化的图以及用于说明切换的流程图。图17、18是说明将负载功率指令从P2切换至P1时的频率-功率特性的图。另外，是图17的开始频率和图18的开始频率不同的例子。图19是用于说明本发明的高频电源装置的结构例的图。图20是表示行波功率极限值的频率特性的一例，图21、图22是表示行波功率极限值的频率特性的另一例。

以下，使用图1对本发明的高频电源装置的控制方法以及高频电源装置的概要结构进行说明。

(概要结构、概要控制)

(输出控制以及阻抗匹配控制)

本发明的高频电源装置的控制分别个别地进行将高频电源装置的输出控制为设定输出的输出控制、对高频电源装置与负载之间的阻抗进行匹配的阻抗匹配控制。图1表示本发明的高频电源装置的控制的概要。

在图1中，输出控制将从高频电源装置向负载供给的功率按照指令值控制为预定功率。输出控制能够应用对从高频电源装置向负载发送的行波功率(FWD功率)进行控制的行波功率控制(FWD控制)、或者对向负载供给的负载功率(LOAD功率)进行控制的负载功率控制(LOAD控制)。此外，负载功率(LOAD功率)相应于从高频电源装置向负载发送的行波功率(FWD功率)减去从负载返回到高频电源装置的反射波功率(REF功率)而得的功率(LOAD功率＝FWD功率﹣REF功率)。以下，对作为输出控制的负载功率(LOAD功率)控制进行说明。负载功率(LOAD功率)控制将从行波功率的反馈值(FWD-FB)减去反射波的反馈值(REF-FB)后的负载功率朝向负载功率指令值(LOAD-CO)控制。

阻抗匹配控制是使高频电源装置与负载之间的阻抗匹配的控制。通过进行阻抗匹配，使从负载返回到高频电源装置的反射波功率(REF功率)降低，抑制从高频电源装置向负载供给的负载功率(LOAD功率)的降低。

阻抗匹配控制通过频率控制来控制高频放大器的动作频率，由此使阻抗匹配。在阻抗匹配控制中，通过频率极限值控制(FLV控制：Frequency Limit Value控制)决定频率控制进行的频率范围。频率极限值控制根据行波功率值(FWD功率值)求出频率极限值。频率极限值是规定频率控制的频率范围的上限频率和下限频率。频率控制以由通过频率极限值控制求出的频率极限值决定的频率范围的频率进行阻抗匹配。本发明的高频电源装置的控制方法随时求出由行波功率值(FWD功率值)决定的频率极限值，将基于所求出的频率极限值的频率范围反映到频率控制中。

另一方面，在输出控制中，为了将向负载的供给功率纳入容许功率内，进行输出极限控制值控制。输出极限控制值控制通过输出极限值将供给功率抑制在输出极限值内。输出控制能够应用基于行波功率指令的行波功率控制、或者基于负载功率指令的负载功率控制。

行波功率控制以行波功率反馈值(FWD-FB)成为行波功率指令值(FWD-CO)的方式控制驱动高频放大器的输出指令值。负载功率控制以从行波功率反馈值(FWD-FB)减去反射波功率反馈值(REF-FB)而得的负载功率(LOAD功率)成为负载功率指令值(LOAD-CO)的方式控制驱动高频放大器的输出指令值。

输出极限值控制通过将输出指令值的上限抑制为输出极限值而将供给功率抑制在输出极限值内。作为输出极限值，使用通过输出极限值控制求出的FWD极限值、或者LOAD极限值。

在输出控制中应用FWD控制的情况下，以通过FWD极限值控制求出的FWD极限值来抑制行波功率的上限。另外，在输出控制中应用LOAD控制的情况下，以通过LOAD极限值控制求出的LOAD极限值来抑制负载功率的上限。

在作为输出控制而进行行波功率控制的情况下，作为输出极限值而使用通过FWD极限值控制求出的FWD极限值。输出控制的FWD控制通过由FWD极限值控制求出的FWD极限值来抑制行波功率的上限。

另外，在作为输出控制而进行负载功率控制的情况下，作为输出极限值而使用通过LOAD极限值控制求出的LOAD极限值，除了将负载功率指令值抑制为LOAD极限值以下之外，并将对LOAD指令值加上反射波功率反馈(FER-FB)而得到的行波功率指令值抑制为FWD极限值以下。

通过该输出极限值控制，将输出指令值的上限抑制为输出极限值，从而将供给功率抑制在输出极限值内。

(从输出控制向频率控制的转移)

使用图2、3的流程图以及波形图，对高频电源装置的输出控制以及可变频率控制进行说明。图3表示功率波形的一例。

本发明通过输出控制向负载供给负载功率(LOAD功率)或者行波功率(FWD功率)，并且通过频率控制使反射波功率最小化。在输出控制中，由于在输出功率的上升时、负载状态的变化等中产生的阻抗不匹配，有时为了输出所设定的负载功率(LOAD功率)或者行波功率(FWD功率)而增大输出指令值。本发明设定对输出指令值进行限制的输出极限值，在通过输出控制使输出指令值增大而超过输出极限值的情况下，转移到输出极限控制，限制输出指令值的增大。

通过限制该输出指令值，负载功率(LOAD功率)或者行波功率(FWD功率)向负载的供给被限制，对负载的功率供给变得不充分，存在输出功率的上升变得困难的情况。为了避免这样的状态，在达到了输出极限控制的情况下，进行可变频率控制来摆脱输出极限状态，在摆脱了输出极限状态的输出非极限状态下，通过最小反射功率控制使反射波功率最小化，将设定功率供给至负载，进行稳定输出控制。在稳定输出控制中，由于负载变动等引起的阻抗不匹配输出指令值超过了输出极限值的情况下，再次转移到输出极限控制，分别进行阻抗匹配控制的频率控制和输出控制。此外，在此，通过可变频率控制来表示摆脱极限状态的频率控制，通过频率控制来表示阻抗匹配控制的频率控制。

图2的左侧所示的输出控制表示达到输出极限状态的状态。通过输出控制来控制设定输出(A1)，在输出达到设定输出之前(A2)成为输出极限状态的情况下(A3、A5)，通过可变频率控制进行从输出极限状态摆脱的控制。

图2的右侧所示的可变频率控制表示从输出极限状态摆脱的状态。

通过可变频率控制从输出极限状态摆脱，通过最小反射功率控制使反射波功率最小化后，在稳定输出控制中通过输出控制和阻抗匹配控制进行设定功率的供给控制。

作为输出极限状态，例如有反射波功率超过了极限值的反射波功率极限状态、或者损失功率超过了极限值的损失功率极限状态。在该输出极限状态下，变更进行控制频率的setpoint频率(B1)，进行使控制频率变化的可变频率控制。此外，setpoint频率是开始可变频率控制的任意设定的频率(B2)。通过可变频率控制，行波功率的反馈值(FWD-FB)降低(B3)，通过成为低于行波功率极限值(FWD-Limit)的状态，进行从输出极限状态的摆脱(B4)。在摆脱了输出极限状态的状态下，通过最小反射功率控制使反射波功率最小化，使向负载的功率供给增加(B5)。通过使反射波功率最小化，在向负载的功率供给达到了设定输出后(B6)，转移到稳定输出控制，通过输出控制和阻抗匹配控制进行设定功率的供给控制。

图3表示从输出控制(A)向可变频率控制(B)的转移状态。图3的(a)、(b)以及(c)分别示出了负载功率(LOAD功率)、行波功率的反馈值(FWD-FB)以及反射波功率的反馈值(REF-FB)的各变化，图3的(d)示出了频率控制的控制频率ω。另外，在图3的(a)中，单点划线表示负载功率指令值(LOAD-CO)，实线表示进行极限控制的情况下的负载功率反馈值(LOAD-FB)，虚线表示不进行极限控制的情况下的负载功率反馈值(LOAD-FB)。另外，在图3的(b)中，长虚线表示行波功率极限(FWD-Limit)，实线表示进行极限控制的情况下的行波功率的反馈值(FWD－FB)，短虚线表示不进行极限控制的情况下的输出值(行波功率值)。

t0至t1的区间表示输出控制(A)的状态。通过输出控制，行波功率反馈值(FWD-FB)增加，反射波功率反馈值(REF-FB)也增加。负载功率(LOAD功率)成为从行波功率反馈值(FWD-FB)减去反射波功率反馈值(REF-FB)而得的值。

在行波功率反馈值(FWD-FB)超过行波功率极限(FWD-Limit)，成为输出极限状态的时刻(t1)，从输出控制(A)转移到可变频率控制(B)，切换为setpoint频率(B1)，使控制频率可变(B2)。在可变频率控制(B)中，行波功率(FWD)受到行波功率极限(FWD-Limit)的限制，朝向行波功率极限(FWD-Limit)减少。在图3的(b)中，在不进行极限控制的情况下，输出值如短虚线所示那样超过行波功率极限(FWD-Limit)电压并增加，但在进行极限控制的情况下，输出值如实线所示那样朝向行波功率极限(FWD-Limit)减少。在该状态下，将超过行波功率极限(FWD-Limit)的行波功率(FWD)向负载输出，但输出功率上升的期间是高频放大器能够容许的程度的比较短的时间宽度，在达到了设定输出后(B6)切换为稳定输出控制并进行控制。行波功率(FWD)低于行波功率极限(FWD-Limit)，由此成为不需要输出极限控制的状态，因此摆脱极限状态(B4)。之后，通过最小反射功率控制使反射波功率最小化(B5)，使向负载供给的LOAD功率朝向作为设定输出的LOAD功率指令值增加(B6)。

根据本发明的高频电源装置的控制，单独地进行输出控制和阻抗匹配控制，并且在通过频率极限值控制求出的频率范围内进行阻抗匹配控制，输出控制利用通过输出极限值控制求出的输出极限值来抑制上限功率。

根据本发明的高频电源装置的控制，作为输出控制不进行使行波功率(FWD功率)或者负载功率(LOAD功率)下垂的下垂控制，因此能够不降低向负载供给的输出而进行输出控制以及阻抗匹配控制。

(概要结构)

使用图4对本发明的高频电源装置的概要结构进行说明。在图4中，高频电源装置1具备功率供给源、高频放大器3、高频传感器4、匹配器5以及控制器10，将高频输出向负载6输出。在图4中，作为控制器10进行的输出控制，示出了负载功率控制(LOAD控制)或者行波功率控制(FWD控制)的例子。

高频电源装置1的功率供给源在图4所示的结构例中表示直流电源2，但不限于直流电源，也可以采用使用交流电源的结构。

高频放大器3将直流电源2的直流功率变换为高频的交流功率而生成高频交流功率。在作为功率供给源而使用交流电源的结构中，将交流电源的交流信号频率变换为高频信号，生成高频交流功率。

高频传感器4检测从高频电源装置1向负载6输出的行波功率FWD以及从负载6返回到高频电源装置1的反射波功率REF，并将检测出的行波功率FWD的反馈值FWD-FB和反射波功率REF的反馈值REF-FB反馈给控制器10。例如，通过未图示的定向耦合器分开地检测行波功率FWD和反射波功率REF。

匹配器5是匹配高频电源装置1与负载6之间的阻抗的电路。匹配器5例如通过设定匹配器5的电路元件的值，使稳定动作时的高频电源装置1的阻抗与负载6的阻抗匹配，通过阻抗匹配，使供给最大功率时从负载6返回到高频电源装置1的反射波功率最小化，使从高频放大器3朝向负载6的行波功率最大化。通常，匹配器5由使用了固定线圈以及固定电容器的固定匹配电路构成。虽然匹配器能够由使用了可燃容量、可变线圈的可变匹配电路构成，但在构成可变匹配电路的情况下，除了匹配器自身之外，控制电路、电动机等驱动机构的成本也增加。

匹配器5进行稳定时的阻抗匹配，但在从稳定时的阻抗匹配状态由于负载变动等而成为阻抗不匹配状态的情况下，通过对高频放大器进行频率控制来消除阻抗不匹配。

控制器10对高频放大器3进行输出控制(FWD控制或者LOAD控制)以及阻抗匹配控制。

输出控制生成使输出达到目标值的输出指令值并控制高频放大器3。行波功率控制(FWD控制)的输出控制生成朝向行波功率目标值控制行波功率FWD的输出指令值。负载功率控制(LOAD控制)的输出控制以从行波功率反馈值减去反射波功率反馈而得到的负载功率成为设定功率的方式，生成对行波功率FWD进行控制的输出指令值。

阻抗匹配控制通过在阻抗匹配状态从稳定状态偏离时控制输出的频率来进行阻抗匹配。另外，稳定状态是高频功率源与负载之间的阻抗相匹配的状态，在由固定匹配电路构成的匹配器5中，通过决定固定线圈以及固定电容器的值来匹配阻抗。

控制器10在阻抗不匹配时通过频率控制来变更输出的控制频率ω来进行阻抗匹配来降低反射波功率，并且生成通过输出控制来控制高频放大器3输出的输出值的输出指令值。

控制器10基于由高频传感器4检测出的行波功率FWD以及反射波功率REF的各反馈值FWD-FB以及REF-FB、在高频电源装置1的输出端检测出的输出电压Vpp的反馈值Vpp-FB、从直流电源2向高频放大器3供给功率的直流电压Vdc以及直流电流Idc的反馈值Vdc-FB以及Idc-FB的各反馈值，通过频率控制部10Ba生成控制频率ω，通过输出控制部(FWD控制部或者LOAD控制部)生成输出指令值。

控制器10具备输出控制部10A、阻抗匹配控制部10B以及驱动控制部10C，分别独立地进行阻抗匹配控制的频率控制和输出控制。

(输出控制部10A)

输出控制部10A在通过行波功率控制(FWD控制)进行输出控制的情况下，作为输出控制部10Aa具备FWD控制部，作为输出极限值控制部10Ab具备FWD极限值控制部。在通过负载功率控制(LOAD控制)进行输出控制的情况下，作为输出控制部10Aa具备LOAD控制部，作为输出极限值控制部10Ab具备LOAD极限值控制部。

输出控制部10Aa基于由高频传感器4检测出的行波功率FWD的反馈值FWD-FB、反射波功率REF的反馈值REF-FB以及输出目标值来生成输出指令值。

输出控制部10Aa基于由输出极限值控制部10Ab生成的输出极限值来抑制输出指令值的上限。

输出极限值控制部10Ab在包含基准频率的可变频率的频率范围内，按每个频率具备决定输出指令值的上限值的输出极限值，在输出指令值超过输出极限值的情况下，将输出指令值置换为输出极限值来限制输出指令值的上限。当通过频率控制求出的控制频率在该频率范围内时，输出极限值被读出与此时的控制频率对应的值。

在通过行波功率控制(FWD控制)进行输出控制的情况下，输出极限值控制部10Ab在包含基准频率的可变频率的频率范围内，按每个频率具备决定行波功率指令值的上限值的行波功率极限值，在行波功率指令值超过行波功率极限值的情况下，将行波功率指令值置换为行波功率极限值，由此限制行波功率指令值的上限。

在通过负载功率控制(LOAD控制)进行输出控制的情况下，输出极限值控制部10Ab在包含基准频率的可变频率的频率范围内，按每个频率具备决定行波功率指令值的上限值的行波功率极限值，假定没有反射波功率的情况，将负载功率指令值作为行波功率指令值进行处理，在该负载功率指令值超过行波功率极限值的情况下，将负载功率指令值置换为行波功率极限值，由此限制负载功率指令值的上限。

(阻抗匹配控制部10B)

阻抗匹配控制部10B具备频率控制部10Ba以及频率极限值控制部10Bb。

频率控制部10Ba基于由高频传感器4检测出的行波功率FWD的反馈值FWD-FB、反射波功率REF的反馈值REF-FB等各反馈信号，求出高频放大器3的控制频率ω。以后，在反复进行频率控制时，将在上次的频率控制中得到的控制频率设为基准频率ωo，从该基准频率ωo变更频率来求出匹配阻抗的控制频率ω。

频率极限值控制部10Bb控制频率极限值，求出决定频率控制部10Ba进行阻抗匹配时的控制频率的频率范围的上限以及下限的频率极限值。频率极限值控制部10Bb将由输出极限值控制部10Ab生成的输出指令值的上限限制为输出极限值，控制对高频放大器3输出过大的输出指令值而产生的高频放大器3的电路要素的损伤。

(驱动控制部10C)

驱动控制部10C将由输出控制部10A的输出控制部10Aa求出的输出指令值、以及由阻抗匹配控制部10B的频率控制部10Ba求出的控制频率ω作为输出指令值，控制高频放大器3的放大。

此外，输出控制部10A、阻抗匹配控制部10B以及驱动控制部10C不一定限定于由各个电路构成的结构，也可以由DSP构成各控制部。并且，10A、10B和10C的各控制部表示作为用于说明输出控制(FWD控制、LOAD控制)、输出极限值控制、频率控制、频率极限值控制等各控制功能的构成要素，输出极限值控制以及频率极限值控制不一定限定于在输出控制部10A以及阻抗匹配控制部10B中进行的结构，例如，也可以是将输出极限值控制以及频率极限值控制与阻抗匹配控制部10B的频率控制一起进行的结构。

(频率控制和频率极限值控制)

使用图5的流程图以及图6～图10的各控制的频率特性来说明频率控制以及频率极限值控制。

在以下的流程图中，将行波功率FWD、反射波功率REF、输出电压Vpp的高频电源装置的输出涉及的反馈值、以及高频电源装置的电源输出涉及的电压、电流的各反馈值统称为输出值来进行说明。

在图5的流程图中，通过并行处理进行频率控制(S1、S2)和频率极限值控制(FLV(Frequency Limit Value)控制)(S11～S19)。

以下，依次对频率控制、频率极限值控制(FLV(Frequency Limit Value，频率极限值)控制)及输出极限值控制进行说明。另外，图6、图7是用于说明频率控制中的反射功率控制(S2)的图，图8是用于说明频率极限值控制(FLV(Frequency Limit Value，频率极限值)控制)的图，图9、10是用于说明输出极限值控制的图。

(频率控制)

频率控制是通过对高频电源装置的输出频率进行频率变更而对负载的阻抗变动进行阻抗匹配的阻抗匹配控制，降低从负载返回到高频电源装置的反射波功率，控制从高频电源装置向负载的功率供给。

为了在稳定状态下匹配负载之间的阻抗而设定设置于高频电源装置与负载之间的匹配器。另外，高频放大器通过使动作频率可变，来进行针对负载的阻抗变动的阻抗匹配。在将电源的输出阻抗设为Z_O、将包含负载的阻抗的匹配器的特性阻抗设为Z_L、将从高频电源装置观察时的负载侧的输入阻抗设为Z_in时，反射系数Γ由Γ＝(Z_L﹣Z_O)/(Z_L+Z_O)表示，各阻抗Z_L、Z_O、Z_in及Γ是频率ω的函数。高频电源装置针对负载的阻抗的变动，将输出的高频的频率ω设为可变，从而使各阻抗可变，将反射系数Γ频率控制为极小值。

频率控制在将输出的高频的频率ω设为可变的阻抗匹配中，通过控制开始时的相位控制工序(S1)和控制开始后的反射功率控制工序(S2)这2个控制工序，输出将反射波功率设为极小的频率的高频。通过频率控制得到维持的同时，将此时的反射系数Γ和/或反射量Wr存储为极小值。

并且，通过反复进行相位控制工序和反射功率控制工序这2个控制工序，将反射波功率维持为极小的状态。S1的相位控制工序和S2的反射功率控制工序分别进行以下的控制。

(相位控制工序S1)

相位控制工序中，在控制开始时，基于高频电源装置的相位状态，决定使频率变更的频率增加或减少的频率的扫描方向。

频率的扫描方向是在频率控制中使反射系数和/或反射量减少的频率的增减方向。在相位控制工序中，在控制开始时决定频率控制的扫描方向，从而能够缩短降低反射波功率的频率控制的处理时间。

相位控制工序中，根据反射系数Γ的相位φ是正相位还是负相位来决定频率的扫描方向。正相位相当于延迟负载，负相位相当于超前负载。

在相位控制工序中，根据高频电源装置的输出端的电压与电流的相位、或者高频电源装置的输出端的反射波的相位与行波的相位的相位差来检测相位状态(S1a)，判定检测出的相位状态是正相位还是负相位(S1b)。

在相位状态为正相位的情况下，判断为是延迟负载，进行使频率ω增加的频率扫描，相对于初始频率ω(0)使频率ω上升，决定频率ω(1)(S1c)。在相位状态为负相位的情况下，判断为超前负载，进行使频率ω减少的频率扫描，相对于初始频率ω(0)使频率ω下降，决定频率ω(1)(S1d)。

基于在相位控制工序中决定的频率的扫描方向，使频率增加或减少，进行反射功率控制(S2)。另外，在图5所示的反射功率控制工序中，示出了频率ω(k)的反射系数Γ(k)。

在相位控制S1中，根据负载的状况，存在上述的相位状态与频率的扫描方向的关系成为相反的关系的情况。在这样的情况下，在S1e～S1h的工序中使扫描方向反转。

在S1c的工序或S1d的工序中决定的扫描方向上使频率变化，检测反射系数Γ或反射量Wr(S1e)，判定反射系数Γ或反射量Wr的增减(S1f)。在反射系数Γ或反射量Wr增加的情况下，判定为扫描方向是相反方向，进行使频率ω的扫描方向反转的反向控制(S1g)。另一方面，在反射系数Γ或反射量Wr减少的情况下，判定为扫描方向是正确的方向，在维持频率ω的扫描方向的状态下进行控制(S1h)。

(反射功率控制工序S2)

频率控制的控制目标是将反射系数Γ的绝对值|Γ|设为极小，但反射系数Γ的绝对值|Γ|在相位φ为0°时未必极小。因此，在通过相位控制工序使反射系数Γ的相位φ朝向0°开始频率扫描之后，通过反射功率控制以使反射系数的绝对值|Γ|成为极小的方式对频率进行控制。

反射功率控制工序S2中，在相位控制工序S1中决定的扫描方向上开始频率变更后，将高频电源装置的反射系数值和/或反射量作为控制完成条件来控制频率变更的继续/停止。在此，作为控制完成条件，使用通过频率变更的控制使高频电源装置的反射系数值和/或反射量成为极小的情况，由此判定反射系数Γ/或反射量是否为极小。

在频率控制的开始点为正相位的情况下，通过相位控制工序使频率增加的频率控制向相位0°位移后，通过反射功率控制求出反射系数Γ或反射量成为极小的频率。另外，在频率控制的开始点为负相位的情况下，通过相位控制工序使频率减少的频率控制朝向相位0°之后，通过反射功率控制求出反射系数Γ或反射量成为极小的频率。

在接着相位控制工序(S1)进行的反射功率控制(S2)中，在定时(采样)k一边改变频率ω(k)一边进行频率扫描(S2a)，在各采样的定时k的频率ω(k)求出反射系数Γ(k)(S2b)。

比较在定时(k-1)得到的反射系数Γ(k-1)和在定时(k)得到的反射系数Γ(k)(S2c)。在之后的采样(k)中得到的Γ(k)比通过1个采样前的采样(k-1)得到的Γ(k-1)小的情况下(Γ(k-1)≥Γ(k))，判断为通过持续进行频率扫描而得到更小的反射系数Γ，反复进行S2a、S2b的工序。

另一方面，在之后的采样(k)中得到的Γ(k)超过了在1个采样前的采样(k-1)中得到的Γ(k-1)的情况下(Γ(k-1)＜Γ(k))，判断为如果继续进行频率扫描则反射系数Γ变大，在下一个采样(k+1)中设为Γ(k+1)＝Γ(k-1)完成控制(S2d)。

(再控制工序)

维持在相位控制工序和反射功率控制工序中求出的频率并将输出提供给负载。

之后，当负载侧等发生变动时，阻抗匹配会从适当的状态偏离。

在这样的情况下，通过再控制工序反复进行相位控制工序S1和反射功率控制工序S2，再次求出适当的频率ω，进行阻抗匹配。在再控制工序中，将在相位控制工序和反射功率控制工序中得到的频率的反射系数、反射量作为极小值进行存储，在以后得到的反射系数、反射量超过了阈值的情况下，进行再控制。

基于图6的频率特性变化的一例，对在反射功率控制工序S2中n的控制频率的迁移例进行说明。在此，以将输出指令值设为负载功率指令的情况为例进行说明。另外，图6所示的频率特性变化是示意性地表示的，并不表示实际的特性。

(a)控制频率ωo：

图6的(a)表示阻抗匹配的状态。在阻抗的匹配状态下，高频放大器在反射系数Γ较小的基准频率ωo输出高频波功率。由于阻抗匹配状态的反射系数Γ较小，因此反射波功率的反馈值REF-FB变小，行波功率指令值FWD-CO成为与负载功率指令值LOAD-CO大致同等的值，行波功率的反馈值FWD-BF成为接近负载功率指令值LOAD-CO(行波功率指令值FWD-CO)的值。以下，用FWD-BF表示行波功率和行波功率反馈值，用REF-BF表示反射波功率和反射波功率反馈值。从行波功率FWD-BF减去反射波功率REF-BF而得到的功率(FWD-BF﹣REF-BF)是负载功率，是对负载有效地供给的有效功率。

(b)控制频率ωo：

图6的(b)表示在将基准频率ωo设为控制频率的状态下阻抗从匹配状态迁移为不匹配状态的状态。由于负载变动等而从阻抗匹配状态偏离，若成为阻抗不匹配状态，则反射系数Γ的频率特性变化，反射系数Γ成为最小的频率从基准频率ωo偏离。在图6的(b)中，示出了反射系数Γ的特性曲线向低频侧迁移的状态。当由于反射系数Γ的迁移而基准频率ωo的反射系数Γ增加时，反射波功率REF-FB增加。随着反射波功率REF-FB的增加，行波功率反馈值FWD-FB增加。此时，行波功率反馈值FWD-FB超过行波功率阈值，反射波功率反馈值REF-FB超过反射波功率阈值。

(c)控制频率ω1：

通过频率控制，控制频率从基准频率ωo变化为控制频率ω1。图6的(c)表示控制频率ω1下的频率控制的状态。控制频率ω1的反射系数Γ比基准频率ωo的反射系数Γ小，反射波功率REF-FB减少。

随着反射波功率REF-FB的减少，行波功率反馈值FWD-FB也减少。

图6的(c)所示的状态依然是行波功率反馈值FWD-FB超过了行波功率阈值、反射波功率反馈值REF-FB超过了反射波功率阈值的状态。

(d)控制频率ω2:

通过频率控制，控制频率从基准频率ω1变化为控制频率ω2。图6的(d)表示控制频率ω2下的频率控制的状态。控制频率ω2的反射系数Γ比基准频率ω1的反射系数Γ更小，反射波功率反馈值REF-FB也减少。随着反射波功率反馈值REF-FB的减少，行波功率反馈值FWD-FB也进一步减少。在图6的(d)所示的状态下，反射波功率反馈值REF-FB成为最小的状态。

图7示意性地表示反射功率控制(S2)中的S2a～S2d的工序。

在S2c的工序中，比较使采样的定时不同而得到的反射系数Γ(k-1)与反射系数Γ(k)，在之后的采样(k)中得到的Γ(k)超过了在1个采样前的采样(k-1)中得到的Γ(k-1)的情况下(Γ(k-1)＜Γ(k))，判断为如果持续进行频率扫描则反射系数Γ变大，在S2d的工序中，在下一个采样(k+1)中作为Γ(k+1)＝Γ(k-1)完成控制。在图7中的调整频率附近，频率的返回位置表示该S2d的工序。

(频率极限值控制)

接着，对频率极限值控制(FLV控制；Frequency Limit Value控制)进行说明。以下，基于图5的流程图和图8的说明图进行说明。

在输出控制中，判定是否处于限制输出指令值的上限的输出极限状态。另外，输出极限状态的判定在以行波功率控制进行输出控制的情况下，基于行波功率反馈值(FWD-FB)与行波功率极限值(FWD-Limit)的比较，判定是否是行波功率极限状态(FWD极限状态)。另外，在通过负载功率控制进行输出控制的情况下，基于从行波功率反馈值(FWD-FB)减去反射波功率反馈值(REF-FB)而得到的负载功率反馈值(LOAD-FB)与负载功率极限值(LOAD-Limit)的比较，判定是否是负载功率极限状态(LOAD极限状态)(S11)。

在处于输出极限状态的情况下，为了更新并进行频率极限值控制，使控制频率ω朝向基准频率ωo位移(S12)，解除输出极限状态而设为复位状态，将此时的控制频率作为ωs进行存储(S13)。将控制频率±ωs设定为频率极限值±ωLimit(S14)。

另一方面，在不处于输出极限状态的情况下，根据输出状态设定频率极限值ωLimit(S15～S19)。在输出极限状态下，从高频电源装置取得输出值。作为输出值，能够使用从行波功率的反馈值FWD-FB、反射波功率的反馈值REF-FB、输出电压的反馈值Vpp-FB、直流电源的输出电压、输出电流的反馈值Vdc-FB、Idc-FB、负载功率反馈值(LOAD-FB)中选择的反馈值(S15)。

将取得的输出值与上次的频率极限值控制中取得的输出值进行比较，求出该差分的输出变化量Δ(S16)，并与预先决定的阈值进行比较。阈值是为了判定输出值有无变动而设定的值，能够基于在阻抗匹配的状态下预想的迟滞来决定(S17)。

在输出值的输出变化量Δ与阈值的比较工序中，在输出变化量Δ不超过阈值的情况下，不设定频率极限值而维持控制频率。另一方面，在输出变化量Δ为阈值以上的情况下，设定针对控制频率ω的频率极限值。通过使频率极限值ωLimit恢复到预先设定的默认值ωmax来进行频率极限值的设定(S18)，使用ωmax来设定频率极限值±ωLimit(S19)。此外，在S17的输出变化量Δ与阈值的比较工序中，在输出变化量Δ与阈值相等的情况下，可以设为有无频率极限值的设定中的任一个。

图8是用于说明频率极限值控制的图，图8的(a)表示在S11中处于行波功率极限状态的情况，图8的(b)表示在S11中不处于行波功率极限状态的情况。

处于行波功率极限状态时：

在图8的(a)中，标注斜线的频率范围表示处于行波功率极限状态的区域。在处于行波功率极限状态的情况下，输出频率ω向内侧位移(S12)，解除行波功率极限状态，将此时的频率ωs设为频率极限值ωLimit(S13、S14)。

不处于行波功率极限状态的情况下：

在图8的(b)中，标注斜线的频率范围表示不处于行波功率极限状态的区域。在不处于行波功率极限状态的情况下，将频率极限值ωLimit恢复到预先设定的最大频率的ωmax(S18)，将频率ωmax设为频率极限值ωLimit(S19)。

在频率控制中，进行反射功率控制的频率ω在由频率极限值设定的频率极限值±ωLimit的频率范围内进行。

另一方面，与频率控制不同地进行的输出控制(FWD控制、LOAD控制)在输出极限值控制(FWD极限值控制、LOAD极限值控制)(S20)中设定的输出极限值(FWD极限值、LOAD极限值)的限制内进行。

[频率极限值控制、输出极限值控制以及输出控制的动作例]

基于图9、图10的频率特性变化的一例，对频率极限值控制、输出极限值控制以及输出控制的动作例进行说明。在此，将输出指令值设为负载功率指令值，将行波功率值设为输出值来进行输出控制，并示出了此时的频率极限值控制以及输出极限值控制。另外，图9、10所示的频率特性变化是示意性地表示的，并不表示实际的频率特性变化。

图9的(A)、(B)表示在基准频率ωo阻抗处于匹配状态的情况，图10的(A)、(B)表示在基准频率ωo阻抗处于不匹配状态的情况。另外，在此，在图9、图10中，用标记“×”表示行波功率反馈值FWD-FB，用标记“○”表示反射波功率反馈值REF-FB，用标记“△”表示控制值，用虚线表示行波功率极限值FWD-Limit。

·阻抗匹配时：

在表示阻抗匹配状态的图9的(A)、(B)中，图9的(A)表示输出值比行波功率极限值大的情况，图9的(B)表示输出值小于行波功率极限值的情况。另外，图9的(A)、(B)所示的行波功率极限值的频率特性表示在由频率极限值决定的频率范围[ω-、ω+]内将行波功率极限值FWD-Limit设定为相等的值的例子，虚线所示的行波功率极限值FWD-Limit在频率范围[ω-、ω+]的整个范围内为相同的值。

(A)行波功率值>行波功率极限值：

(A1)表示作为输出值的行波功率值超过行波功率极限值的状态。在行波功率FWD-FB比行波功率极限值FWD-Limit大的情况下，输出(行波功率(FWD))极限值控制将行波功率极限值FWD-Limit的值作为控制值，对控制值施加限制。

(A2)表示将控制值限制为行波功率极限值FWD-Limit的状态。控制值在频率范围[ω-，ω+]的整个范围内被限制为虚线所示的行波功率极限值FWD-Limit。

(A3)表示基于被限制为行波功率极限值FWD-Limit的控制值进行的输出控制(行波功率控制)的状态。

基于通过行波功率(FWD)极限控制得到的控制值来进行输出控制，从而将反射波功率反馈值REF-FB抑制为反射波功率阈值以下。

图示的行波功率反馈值FWD-FB和反射波功率反馈值REF-FB示出了根据被限制为频率极限值控制的频率极限值以及行波功率极限值控制的行波功率极限值的控制值来进行输出控制的一例。

(B)行波功率≤行波功率极限值：

(B1)表示作为输出值的行波功率值为行波功率极限值以下的状态。此外，(B)与(A)同样地，虚线所示的行波功率极限值FWD-Limit值在由频率极限值决定的频率范围[ω-、ω+]的整个范围内设定为相同的值。

(B2)表示基于不施加行波功率极限值的限制的控制值的控制状态。在行波功率FWD-FB小于行波功率极限值FWD-Limit的情况下，输出(行波功率(FWD))极限值控制不需要对控制值施加限制。控制值基于负载功率指令值LOAD-CO来决定。

(B3)表示基于控制值进行的输出控制(行波功率控制)的状态。由于基于负载功率指令值LOAD-CO的控制值进行的控制值小于行波功率极限值FWD-Limit，所以输出控制基于控制值进行输出控制，从而将反射波功率反馈值REF-FB抑制为反射波功率阈值以下。

图示的行波功率反馈值FWD-FB和反射波功率反馈值REF-FB示出了基于控制值被输出控制的一例。另外，在上述的行波功率值与行波功率极限值的比较中，两者的值相等的情况下的选择可以通过(A)或(B)中的任一个来进行。

·阻抗不匹配时：

表示阻抗不匹配状态的图10的(A)、(B)均表示行波功率值比行波功率极限值大的情况。图10的(A)示出了在频率范围内将行波功率极限值设定为相同的值的平坦的频率特性例，图10的(B)的频率特性例是在比图10的(A)的频率范围宽的频率范围内具有将行波功率极限值设定为不同的值的倾斜特性的频率特性例。

另外，图10的行波功率以及反射波功率的频率特性示出了通过阻抗不匹配不将基准频率ωo成为最小而具有从高频朝向低频倾斜的频率特性的例子。

在阻抗不匹配状态下，反射系数Γ从阻抗匹配状态偏离，反射系数Γ的最小值从阻抗匹配时的基准频率ωo偏离。因此，反射波功率反馈值REF-FB成为超过反射波功率阈值的值。

(A)行波功率值>行波功率极限值：

虚线所示的行波功率极限值FWDlimit是在设定行波功率极限值的频率范围内[ω-、ω+]的整个范围内行波功率极限值FWDlimit为相同值的频率特性例。

(A1)表示作为输出值的行波功率值超过行波功率极限值的状态。在行波功率FWD-FB比行波功率极限值FWD-Limit大的情况下，输出(行波功率(FWD))极限值控制将行波功率极限值FWD-Limit的值作为控制值，对控制值施加限制。

(A2)表示将控制值限制为行波功率极限值FWD-Limit的状态。控制值在频率范围[ω-，ω+]的整个范围内被限制为虚线所示的行波功率极限值FWD-Limit。

(A3)表示基于被限制为行波功率极限值FWD-Limit的控制值进行的输出控制(行波功率控制)的状态。根据在行波功率(FWD)极限控制中得到的控制值来进行输出控制，从而反射波功率反馈值REF-FB朝向低于反射波功率阈值的方向降低，被抑制为反射波功率阈值以下。图示的行波功率反馈值FWD-FB和反射波功率反馈值REF-FB表示根据被限定为频率极限值控制的频率极限值以及行波功率极限值控制的行波功率极限值的控制值来进行输出控制的一例。

(B)具有非平坦的频率特性的行波功率极限值：

为了在较宽的频率范围内进行输出极限值控制，针对基准频率ωo附近的频率，将行波功率极限值设定为较大的值，针对从基准频率ωo的偏离较大的频率，将行波功率极限值设定为较小的值，将行波功率极限值设为非平坦的频率特性。(B)的非平坦的频率特性例是在比(A)的频率范围宽的频率范围内具有行波功率极限值以不同的值设定的倾斜特性的频率特性例，虚线所示的行波功率极限值是在行波功率极限值的频率范围[ω-、ω+]中，在基准频率ωo的附近为相同值，朝向其外侧的ω-、ω+减少的值。

(B1)表示作为输出值的行波功率值超过行波功率极限值的状态。在行波功率FWD-FB比行波功率极限值FWD-Limit大的情况下，输出(行波功率(FWD))极限值控制将行波功率极限值FWD-Limit的值作为控制值，对控制值施加限制。

在(B1)所示的频率特性中，由于频率范围较宽，因此有时反射波功率REF-FB超过反射波功率阈值(用点划线表示)，产生过剩的反射波功率。(B1)中，在高频带中，反射波功率REF-FB超过了反射波功率阈值。

(B2)表示将控制值限制为行波功率极限值FWD-Limit的状态。控制值在频率范围[ω-，ω+]的整个范围内被限制为虚线所示的行波功率极限值FWD-Limit。(B2)中，在频率范围[ω-，ω+]的整个范围内，控制值被限制为虚线所示的行波功率极限值FWD-Limit。在频率范围[ω-，ω+]内，频率端侧的行波功率极限值FWD-Limit被设定为比频率中央侧的基准频率ωo附近的行波功率极限值FWD-Limit低。在(B2)所示的例子中，行波功率极限值FWD-Limit的值在基准频率ωo的附近被设定为固定的值，设定为朝向频率端侧逐渐减少。

行波功率极限值FWD-Limit在频率范围的频率端侧被设定为较小的值，在频率范围的频率中央侧被设定为较大的值。在频率中央侧设定的行波功率极限值FWD-Limit能够应用以(A)所示的平坦的频率特性设定的行波功率极限值FWD-Limit。行波功率极限值FWD-Limit的最大值例如可以使用对高频电源装置的额定值加上预定的余量而得到的值。余量例如能够根据在短时间内承受过大的功率供给的允许值等高频电源装置的使用条件任意设定。

(B3)表示基于被限制为行波功率极限值FWD-Limit的控制值进行的输出控制(行波功率控制)的状态。

进行频率控制的控制值基于通过频率极限值控制以及行波功率极限值控制(FWD极限控制)而限制为行波功率极限值FWD-Limit的控制值进行。基于由频率极限值控制以及行波功率极限值控制(FWD极限控制)得到的控制值来进行频率控制，由此反射波功率反馈值REF-FB朝向低于反射波功率阈值的方向降低。

在频率控制中将行波功率极限值设为非平坦的频率特性，从而控制值在频率端侧被限制为比频率中央侧大。通过将频率端侧的行波功率极限值的限制量设定得较大，能够将从基准频率大幅偏离的控制频率下的控制值限制得较大而使控制值降低，由此抑制反射波功率反馈值REF-FB，并且扩大极限控制的频率范围。

在频率端侧将行波功率极限值控制的限制量设定得较大，将行波功率的控制量抑制得较低，从而即使在将(B)的频率范围设定得比(A)所示的频率范围宽的情况下，也能够将反射波功率反馈值REF-FB抑制为小于反射波功率阈值。

[频率极限值控制的例子]

接着，作为频率极限值控制，使用图11的流程图和图12的行波功率极限值控制的功率状态图来说明输出指令为负载功率指令的控制。在此，以基于负载功率指令值的行波功率控制的输出控制为例进行说明。图11流程图的S31～S39表示频率极限值控制，对应于图5所示的流程图的S11～S20的频率极限值控制。另外，图11的流程图的S41～S45表示FWD极限值控制，对应于图5所示的流程图的S20的频率极限值控制。

在将负载功率指令作为输出指令的情况下的输出极限值控制中，判定是否对控制值设定了行波功率极限值的FWD极限状态。另外，由于负载功率是从行波功率中减去反射波功率而得到的功率，因此在设定了行波功率指令值的情况下，能够得到基于从行波功率减去反射波功率而得到的负载功率指令值的指令值(S31)。

(FWD极限状态)

在处于设定了行波功率极限值的FWD极限状态的情况下，将处于FWD极限状态的频率向频率范围内的基准频率ωo位移，直到行波功率极限值的设定偏离为止(S32)，消除行波功率极限状态，存储动作中的频率ωs(S33)。(图12的(a)的S32、S33)。将存储的频率ωs设定为频率极限值ωLimit。由此，设定频率范围[-ωLimit，+ωLimit](S34，图12的(a)的S34)。之后，经过频率控制以及FWD极限值控制返回到FWD控制。

(FWD非极限状态)

在S31的工序中判定为不处于FWD极限动作状态的情况下，通过S35～S39的工序进行频率极限值ωLimit的设定。

取得频率控制的输出数据。在此，从由高频传感器检测出的行波功率的反馈值FWD-FB和反射波功率的反馈值REF-FB取得各监视值FWDmonitor(t1)和REFmonitor(t1)。另外，各监视值设为检测时的时刻(t1)的值(S35)。根据取得的行波功率监视值FWDmonitor(t1)与上次的检测时刻(t0)取得的行波功率监视值FWDmonitor(t0)的差分ΔFWD(＝FWDmonitor(t1)﹣FWDmonitor(t0))，求出行波功率的变化量(S36、图12的(d)的S36)。

判定在S36中求出的行波功率监视值FWDmonitor的变化量即差分ΔFWD的变动状态。变动状态的判定能够通过将差分ΔFWD与阈值ΔFWDset进行比较来进行。阈值ΔFWDset例如能够基于差分ΔFWD的迟滞量来决定(S37，图12的(d)的S37)。

在S37的判定中，在差分ΔFWD为阈值ΔFWDset以上的情况下，存在超过行波功率反馈值FWD-FB的迟滞量的变动，判定为阻抗的匹配状态存在变化，使频率极限值ωLimit返回到预先设定的默认值ωmax(S38)，基于ωmax设定频率极限值±ωLimit(S39)。之后，经过频率控制以及FWD极限值控制返回到FWD控制。

另一方面，在S37的判定中，在差分ΔFWD小于阈值ΔFWDset的情况下，即使在行波功率反馈值FWD-FB没有变动、或者行波功率反馈值FWD-FB有变动的情况下，也判定为其变动量是小于迟滞量的大小，接着对反射波功率REF进行同样的变动判定。

求出所取得的反射波功率监视值REFmonitor(t1)与先前的检测时刻(t0)取得的反射波功率监视值REFmonitor(t0)之间的变化量即差分ΔREF(＝REFmonitor(t1)﹣REFmonitor(t0))(S37a，图12的(d)中的S37)。

判定在S37a中求出的反射波功率监视值REFmonitor的时间变化的变化量即差分ΔREF的变动状态。判定可以通过将差ΔREF与阈值ΔREFset进行比较来进行。阈值ΔREFset例如能够基于差分ΔREF的迟滞量来决定(S37b、图12的(d)的S37)。

在S37b的判定中，在差分ΔREF为阈值ΔREFset以上的情况下，存在超过反射波功率REF-FB的迟滞量的变动，判定为阻抗的匹配状态存在变化，在S38以后的工序中设定频率极限值ωLimit。

在S37b的判定中，在差分ΔREF小于阈值ΔREFset的情况下，即使在反射波功率REF-FB没有变动或者反射波功率REF-FB有变动的情况下，也判定为该变动量是小于迟滞量的大小，判定为不需要行波功率极限值控制，之后，经过频率控制以及FWD极限值控制返回到FWD控制(S37c)。

(输出极限值控制(FWD极限值控制))

设定输出极限值控制(FWD极限值(行波功率极限值))的控制通过S41～S45来进行。控制频率从频率范围的频率端的频率±ωLimit位移。控制频率的位移能够选择从频率范围的高频端+ωLimit向低频侧的位移、或者从频率范围的低频端-ωLimit向高频侧的位移中的任一个(S41、图12的(b)、(e)的S41)。在控制频率的位移中，读出针对位移时的频率ωs设定的行波功率极限值FWD-limit(S42，图12的(b)的S42)。

输出指令值与在S42的工序中读出的行波功率极限值FWD-Limit进行比较(S43)。在S43的比较工序中，在输出指令值小于行波功率极限值FWD-Limit时，不需要基于行波功率极限值的限制，因此将输出指令值设为控制值(S44、图12的(b)的S44)。另一方面，在输出指令值为行波功率极限值FWD-limit以上时，为了进行基于行波功率极限值的限制，将行波功率极限值FWD-Limit作为控制值，限制输出指令值的上限(S45、图12的(b)、(e)的S45)。

(频率控制)

图12的(b)、(c)以及图12的(e)、(f)示出了在处于FWD极限状态的情况以及不处于FWD极限状态的情况下的频率控制以及极限控制。

另外，在处于FWD极限状态的情况下，图12的(b)表示输出值≥行波功率极限值FWD-Limit的情况，图12的(c)表示输出值＜行波功率极限值FWD-Limit的情况。另外，在不处于FWD极限状态的情况下，图12的(e)表示输出值≥行波功率极限值FWD-Limit的情况，图12的(f)表示输出值＜行波功率极限值FWD-Limit的情况。

·处于FWD极限状态的情况：

图12的(b)是FWD极限状态，表示输出值≥行波功率极限值FWD-Limit时的频率控制的一例。根据在S34中得到的频率极限值ωs进行频率控制。由于该频率ωs下的输出值是超过了行波功率限制值FWD-Limit的值(S43)，所以将行波功率限制值FWD-Limit作为限制值进行输出控制(S45)。

图12的(c)是FWD极限状态，表示输出值＜行波功率极限值FWD-Limit时的频率控制的一例。在处于FWD极限状态的情况下，根据在S34中得到的频率极限值ωs进行频率控制。由于该频率ωs下的输出值是不超过行波功率限制值FWD-Limit的值(S43)，所以不施加行波功率限制值FWD-Limit的限制地进行输出控制(S44)。

·在不处于FWD极限状态的情况：

图12的(e)是不处于FWD极限状态的情况，表示输出值≥行波功率极限值FWD-Limit的情况下的频率控制的一例。根据在S39中得到的频率极限值ωmax进行频率控制。由于通过该频率控制得到的输出值是超过了行波功率限制值FWD-Limit的值(S43)，所以将行波功率限制值FWD-Limit作为限制值进行输出控制(S45)。

图12的(f)是不处于FWD极限状态的情况，表示输出值＜行波功率极限值FWD-Limit的情况下的频率控制的一例。根据在S39中得到的频率极限值ωs进行频率控制。由于通过该频率控制得到的输出值是不超过行波功率限制值FWD-Limit的值(S43)，所以不施加基于行波功率限制值FWD-Limit的限制地进行输出控制(S44)。

[FWD极限值控制与REF极限值控制的切换]

接着，使用图13对FWD极限值控制和REF极限值控制的切换进行说明。

在输出值比行波功率极限值FWD-Limit大的情况下，通过FWD极限值控制将行波功率极限值FWD-Limit作为控制值进行输出控制。

即使在通过FWD极限值控制将行波功率极限值FWD-Limit设为控制值的情况下，在反射波功率比反射波功率极限值REF-Limit大的情况下，通过REF极限值控制，代替行波功率极限值FWD-Limit作为控制值使用反射波功率极限值REF-Limit来进行输出控制。通过从FWD极限值控制切换到REF极限值控制，能够通过过剩的反射波功率来抑制电路元件的损伤。

图13的(a)、(b)表示FWD极限值控制与REF极限值控制的切换状态的频率特性及流程图。

在图13的(a)中，在比单点划线所示的频率低的频率范围内，反射波功率REF-FB为不超过反射波功率极限值REF-Limit的值，因此使用限制为行波功率极限值的控制值来进行输出极限值控制。另一方面，在比单点划线所示的频率高的频率范围内，反射波功率REF-FB是超过反射波功率极限值REF-Limit的值，因此使用限制为反射波功率极限值的控制值来进行反射波极限值控制。

在S41的工序中，从±ωLimit使频率位移，在S42的工序中读出频率ωs的行波功率极限值之后，对负载功率指令值LOAD-CO和负载功率限制值LOAD-Limit进行比较(S51)。

在S51的工序中，在负载功率指令值LOAD-CO小于负载功率限制值LOAD-Limit的情况下，通过S43以后的工序来设定控制值。在S51的工序中，在负载功率指令值LOAD-CO比负载功率限制值LOAD-Limit大的情况下，对反射波功率反馈值REF-FB和反射波功率限制值REF-Limit进行比较(S52)。

在S52的工序中，在反射波功率反馈值REF-FB小于反射波功率限制值REF-Limit的情况下，通过S43以后的工序来设定控制值。在S52的工序中，在反射波功率反馈值REF-FB小于反射波功率限制值REF-Limit的情况下，将反射波功率限制值REF-Limit设定为控制值(S53)。

[负载功率指令值的切换]

接着，使用图14～图18对切换了负载功率指令值的情况下的控制例进行说明。以下，示出了3个切换例。切换例1是将负载功率从小功率切换为大功率的例子，切换例2、3是将负载功率从大功率切换为小功率的例子。切换例2、3表示开始控制的频率不同的例子。此外，这里，大功率和小功率的大小是用于比较功率的大小的表述，并不确定功率值的绝对值。在此，示出了将小功率设为200W、将大功率设为600W的例子。另外，在图14、17、18中，横轴所示的％Freq表示偏离基准频率的程度，将基准频率设为0％Freq，将从基准频率偏离的频率成分以相对于基准频率的％显示来表示。

在图14～图18中，用P1表示负载功率200W的输出特性，用P2表示负载功率600W的输出特性。在图中，FWD(P1)表示输出特性P1的行波功率特性，FWD(P2)表示输出特性P2的行波功率特性，REF(P1)表示输出特性P1的反射波功率特性，REF(P2)表示输出特性P2的反射波功率特性，FWDLimit表示行波功率极限值，REFLimit表示反射波功率极限值。

(切换例1)

图14至图16表示切换例1。在切换例1中，是从负载配方(Load recipe)P1切换为负载配方P2的例子，在图14中，负载配方P1按照圆圈字1至圆圈字3的顺序被控制，在圆圈字4中进行从负载配方P1向负载配方P2的切换，负载配方P2按照圆圈字5至圆圈字7的顺序被控制。

在图16的流程图中，按照负载功率200W的负载配方P1开始进行频率控制(S100)。通过频率控制，频率向反射波功率降低的方向变化(S101)。

判定反射波功率是否达到了最小(S102)。在反射波功率达到了最小的情况下，结束负载配方P1的频率控制(S104)。在反射波功率达到最小之前，在行波功率FWD达到了行波功率极限值FWD-Limit的情况下(S103)，也结束负载配方P1的频率控制(S104)。

在结束负载配方P1的频率控制之后，变更负载配方的情况下(S105)，将负载配方P1变更为负载配方P2(S106)。

在负载配方P2中，通过频率控制，频率向反射波功率降低的方向变化(S107)。

判定反射波功率是否达到了最小(S108)。在反射波功率达到了最小的情况下，结束负载配方P2的频率控制(S110)。在反射波功率达到最小之前，在行波功率FWD达到了行波功率极限值FWD-Limit的情况下(S109)，也结束负载配方P1的频率控制(S110)。

图15的(a)、(b)、(c)、(d)分别表示负载功率(LOAD功率)、行波功率反馈值(FWD-FB)、反射波功率反馈值(REF-FB)、以及频率ω的时间变化。图14和图15所示的圆圈字1～圆圈字7表示相同的输出状态。

基于负载配方P1的频率控制，行波功率反馈值FWD-FB变化至超过行波功率极限值FWD-Limit的频率而结束频率控制，进行向负载配方P2的切换。从负载配方P2的行波功率反馈值FWD-FB成为行波功率极限值FWD-Limit以下的频率开始进行向负载配方P2的切换。

(切换例2)

图17表示切换例2。在切换例2中，是从负载配方P2切换为负载配方P1的例子，负载配方P2按照圆圈字1至圆圈字2的顺序被控制，在圆圈字2至圆圈字3之间进行从负载配方P2向负载配方P1的切换，负载配方P1按照圆圈字3至圆圈字5的顺序被控制。此外，在切换例2中开始控制的频率表示与切换例1的开始频率相同的例子。

(切换例3)

图18表示切换例3。与切换例2同样地，切换例3是从负载配方P2切换为负载配方P1的例子，但开始控制的频率不同。在切换例2中，负载配方P2按照圆圈字1至圆圈字4的顺序被控制，在圆圈字4至圆圈字5之间，进行从负载配方P2向负载配方P1的切换，负载配方P1按照圆圈字5至圆圈字7的顺序被控制。

在切换例3中，由于圆圈字1的控制开始时的行波功率反馈值FWD-FB是超过了行波功率极限值FWD-Limit的值，所以从行波功率反馈值FWD-FB的特性和行波功率极限值FWD-Limit的特性交叉的圆圈字2开始进行频率控制。

[详细结构例]

基于图19说明本发明的高频电源装置的详细结构例。高频电源装置1具备直流电源2、高频放大器3、变压器7、高频滤波器8、高频传感器4、匹配器5以及控制器10，将输出提供给负载6。

直流电源2是向高频放大器3供给直流功率的功率供给源。高频放大器3将从直流电源2供给的直流功率转换为高频，并且基于控制器10的控制值进行放大控制，控制频率及输出。变压器7将高频放大器3的高频的电压值变压成与负载6对应的电压。高频滤波器8对变压器7输出的高频进行滤波处理，输出负载6所要求的频率成分。

高频传感器4检测从高频电源装置1朝向负载6的行波功率FWD以及由负载6反射而返回到高频电源装置1的反射波功率REF，并将检测出的行波功率的反馈值FWD-FB和反射波功率的反馈值REF-FB的各反馈值反馈给控制器10。在高频传感器4中，行波功率FWD与反射波功率REF的分离例如能够使用未图示的定向耦合器。

匹配器5对高频电源装置1与负载6之间的阻抗进行匹配。匹配器5的阻抗匹配使高频电源装置1的额定输出时的阻抗与负载6的稳定状态下的阻抗相匹配。高频电源装置1的输出电压Vpp由匹配器5的输出端的输出电压检测，将检测出的反馈值Vpp-FB反馈给控制器10。此外，输出电压Vpp是输出电压的正负的峰值间的峰值to峰值电压。

控制器10具备输出控制部10AA、极限控制部10AB以及驱动控制部10C。此外，输出控制部10AA是包含图4的结构图所示的输出控制部10Aa以及频率控制部10Ba的结构。另外，极限控制部10AB是包含图4的结构图所示的输出极限值控制部10Ab和频率极限值控制部10Bb的结构。驱动控制部10C从输出控制部10Aa接收与输出控制有关的控制值、以及与频率控制部10Ba的频率控制有关的控制值作为输出指令值，控制高频放大器3。控制器10分别进行输出控制(FWD控制)和频率控制。

在控制器10中，相当于频率控制部10Ba的控制部分基于输出指令值(行波功率指令值10a)以及各反馈信号(行波功率反馈值FWD-FB以及反射波功率反馈值REF-FB)进行频率控制，求出进行高频电源装置1与负载6之间的阻抗匹配的控制频率。相当于输出控制部10Aa的控制部分基于输出指令值(行波功率指令值10a)以及各反馈信号(行波功率反馈值FWD-FB以及反射波功率反馈值REF-FB)，进行FWD控制或者LOAD控制的输出控制。在该输出控制中，使用由阻抗匹配控制部10B得到的控制频率，并且使用在控制频率的频率范围内确定的输出极限值对输出进行向限制功率内的抑制。在以行波功率进行输出控制的情况下，使用在频率极限值控制中确定的频率范围内确定的FWD极限值来进行。

此外，在输出控制部10AA中，能够通过开关10Aa-2来切换进行基于行波功率指令值10a的行波功率控制和基于负载功率指令值(LOAD功率指令值)10b的负载功率控制。负载功率控制将通过运算部10Aa-1从行波功率反馈值FWD-FB减去反射波功率反馈值REF-FB而得到的值用作负载功率反馈值LOAD-FB。

极限控制部10AB通过频率极限值控制来限制控制频率的频率范围，通过行波功率极限值控制(FWD极限值控制)将控制频率下的输出指令值的上限限制为行波功率极限值(FWD极限值)。

极限控制部10AB具备限制行波功率指令值的行波功率极限值10d、限制反射波功率指令值的反射波功率极限值10e、限制输出电压Vpp的输出电压极限值10c、限制直流电源的电压的直流(DC)电压极限值10f、限制直流电源的电流的直流(DC)电流极限值10g、限制损失功率的损失(LOSS)功率极限值10h的各极限值。另外，输出控制部10AA具备相当于高频电源装置输出的行波功率的目标值的行波功率指令值10a、相当于负载功率的目标值的负载功率指令值(LOAD功率指令值)10b。

各极限值例如除了存储于极限控制部10AB所具备的存储器内以外，也可以预先储存于未图示的外部装置，并从该外部装置输入。

极限控制部10AB具备求出输出电压的反馈值Vpp-FB与输出电压极限值10c(Vpp-limit)的差分的运算部10Ab-c、求出行波功率的反馈值FWD-FB与行波功率极限值10d的差分的运算部10Ab-d、以及基于各输出的反馈值与各极限值的比较而输出输出指令值的运算部10Ab-e～10Ab-h。

运算部10Ab-c对输出电压的反馈值Vpp-FB和输出电压极限值10c(Vpp-limit)进行比较，在输出电压的反馈值Vpp-FB小于输出电压极限值10c(Vpp-limit)的情况下，直接输出输出电压指令值Vpp-CO，在输出电压的反馈值Vpp-FB超过了输出电压极限值10c(Vpp-limit)时，代替输出电压指令值Vpp-CO而将输出电压极限值10c(Vpp-limit)作为输出电压指令值Vpp-CO而输出。

运算部10Ab-d求出行波功率的反馈值FWD-FB与行波功率极限值10d的差分，频率控制部10Ba基于该差分进行频率控制。

运算部10Ab-e～10Ab-h在输出的反馈值小于各极限值的情况下，直接输出输出指令值，在输出的反馈值超过了各极限值时，代替输出指令值将极限值作为输出指令值而输出。

运算部10Ab-d对行波功率的反馈值FWD-FB和行波功率极限值10d(FWD-limit)进行比较，在行波功率的反馈值FWD-FB小于行波功率极限值10d(FWD-limit)的情况下，直接输出行波功率指令值FWD-CO，在行波功率的反馈值FWD-FB超过了行波功率极限值10d(FWD-limit)时，代替行波功率指令值FWD-CO而输出行波功率极限值10d(FWD-limit)。

运算部10Ab-e对反射波功率的反馈值REF-FB和反射波功率极限值10e(REF-limit)进行比较，在反射波功率的反馈值REF-FB小于反射波功率极限值10e(REF-limit)的情况下，直接输出反射波功率指令值REF-CO，在反射波功率的反馈值REF-FB超过了反射波功率极限值10e(REF-limit)时，代替反射波功率指令值REF-CO将反射波功率极限值10e(ERF-limit)作为反射波功率指令值REF-CO而输出。

运算部10Ab-f对直流电源电压的反馈值Vdc-FB和直流(DC)电压极限值10f(Vdc-limit)进行比较，在直流(DC)电压的反馈值Vdc-FB小于直流(DC)电压极限值10f(Vdc-limit)的情况下，直接输出直流(DC)电压指令值Vdc-CO，在直流(DC)电压的反馈值Vdc-FB超过了直流电压极限值10f(Vdc-limit)时，代替直流电压指令值Vdc-CO将直流电压极限值10f(Vdc-limit)作为直流电压指令值Vdc-CO而输出。

运算部10Ab-g对直流电源电流的反馈值Idc-FB和直流电流极限值10g(Idc-limit)进行比较，在直流电源电流的反馈值Idc-FB小于直流电流极限值10g(Idc-limit)的情况下，直接输出直流电流指令值Idc-CO，在直流电源电流的反馈值Idc-FB超过了直流电流极限值10g(Idc-limit)时，代替直流电流指令值Idc-CO将直流电流极限值10g(Idc-limit)作为直流电流指令值Idc-CO而输出。

运算部10Ab-h对损失功率的反馈值Loss-FB和损失功率极限值10h(Loss-limit)进行比较，在损失功率的反馈值Loss-FB小于损失功率极限值10h(Loss-limit)的情况下，直接输出损失功率指令值Loss-CO，在损失功率的反馈值Loss-FB超过了损失功率极限值10h(Loss-limit)时，代替损失功率指令值Loss-CO将损失功率极限值10h(Loss-limit)作为损失功率指令值Loss-CO而输出。

与损失功率的反馈信号Loss-FB对应的损失功率极限值Loss-limit是与在从高频电源装置向负载的功率供给中产生的损失功率对应的极限值。损失功率是在高频电源装置的功率供给中产生的损失量，相当于从供给功率减去有效功率而得到的功率，通过从高频电源装置供给的功率量减去行波功率和反射波功率来计算。运算部10Ab-2通过直流电源电压的反馈值Vdc-FB与直流电源电流的反馈值Idc-FB之积来运算直流电源功率的反馈值Pdc-FB。运算部10Ab-3通过从直流电源功率的反馈值Pdc-FB减去行波功率的反馈值FWD-FB，加上反射波功率的反馈值REF-FB的运算求出损失功率Loss。

控制器10通过使用由极限控制部10AB限制了上限的输出极限值，来良好地控制因对高频放大器3输出过大的输出指令值而产生的高频放大器3的电路要素的损伤。

驱动控制部10C具备：保持电路10Ca，其保持在前控制周期中求出的控制值；控制值误差放大电路10Cb，其求出保持电路10Ca所保持的前控制周期的控制值与当前控制周期的控制值的差分，并放大该误差量；以及驱动电路10Cc，其基于由控制值误差放大电路10Cb进行了信号放大后的信号，生成驱动高频放大器3的驱动信号。驱动控制部10C将由频率控制部10Ba(图4)求出的控制频率、以及由极限控制部10AB限制了上限的输出指令值作为控制值，控制高频放大器3的放大。

[行波功率极限例]

以下，使用图20～22对输出极限值的例子进行说明。输出极限值设定在包含基准频率的频率范围内，频率特性能够相对于频率范围内的基准频率对称或非对称地设定。

图20表示输出极限值的一例。在此，作为频率范围，设为[-20％～+20％]。输出极限值的频率特性取决于驻波比(VSWR)。反射系数为“0”相当于驻波比为“1”，此时的1个输出极限值的频率特性由图中的粗实线表示，在0％的频率下，以行波功率极限值FWD-Limit为顶点向频率范围的端部呈直线状地极限值降低。

图中的虚线以及单点划线所示的输出极限值的频率特性分别是驻波比(VSWR)为1.1、2、3、5、10的例子，驻波比(VSWR)越大则输出极限值为越小的值，由此降低反射波功率的影响。另外，横轴所示的％Freq与图13、16、17所示的相同，以％显示来表示偏离基准频率的程度。

(对称的频率特性的例子)

在将高频侧和低频侧的输出指令值的频率特性视为与基准频率相同的情况下，能够将频率特性设定为相对于频率范围内的基准频率对称。

图21是对称的频率特性的例子，任一例子均以基准频率ωo为中心并在高频侧和低频侧具有相等的频率宽度的频率范围，并且具有对称的频率特性。

在(a)的例子中，在频率范围内，在基准频率ωo的两侧具有固定值的输出极限值的范围，朝向频率端ω-和频率端ω+以固定的倾斜输出极限值减少。基准频率ωo附近的输出极限值能够基于额定输出来确定。例如，能够使用对高频电源装置的额定值加上预定的余量而得到的值。余量例如能够根据在短时间内承受过大的功率供给的允许值等高频电源装置的使用条件任意设定。

在(b)的例子中，以基准频率ωo为中心向频率端ω-和频率端ω+以固定的倾斜输出极限值减少。基准频率ωo的输出极限值能够基于额定输出来确定。例如，能够使用对高频电源装置的额定值加上预定的余量而得到的值。(b)的例子的余量能够设定为比(a)的例子的余量大。图19频率特性表示(a)、(b)的例子。

在(c)、(d)、(e)的例子中，在频率范围内，在基准频率ωo的两侧具有固定值的输出极限值的范围，朝向频率端ω-和频率端ω+以预定的曲线的值减少。

与(a)的例子同样地，基准频率ωo附近的输出极限值能够基于额定输出来确定。减少曲线例如可以是与高频放大器的开环特性对应的减少特性。(c)、(d)的例子是向频率端呈凹曲线状地减少，基准频率ωo侧的减少率较大、频率端ω-和频率端ω+侧的减少率较小的例子，(c)的例子表示减少特性缓慢的例子，(d)的例子表示减少特性陡峭的例子。

(e)的例子是朝向频率端呈凸曲线状地减少的例子。

(f)的例子中，以基准频率ωo为中心在高频侧和低频侧具有相等的频率宽度的频率范围，在该频率范围内具备固定的输出极限值。

(非对称的频率特性的例子)

存在控制频率比基准频率高的频率的输出指令值的频率特性和控制频率比基准频率低的频率的输出指令值的频率特性成为不同的频率特性的情况。在输出指令值的频率特性相对于基准频率非对称时，输出极限值的频率特性能够相对于频率范围内的基准频率非对称地设定。

例如，高频放大器的开环特性对频率特性产生较大影响，在控制频率相对于基准频率高频侧和低频侧的频率特性不同的情况下，将根据开环特性的频率特性相对于频率范围内的基准频率非对称地设定。

在图22中，以下的(a)～(d)表示高频放大器的开环特性和与该开环特性对应的输出极限值的例子。

图22的(a)的高频放大器的开环特性从截止(cutoff)频率朝向高频侧呈直线状地行波功率减少。(a)的输出极限值从基准频率ωo在低频侧成为固定值，从基准频率ωo在高频侧，朝向频率端ω+以固定的倾斜输出极限值减少。

图22的(b)、(c)的高频放大器的开环特性从截止频率朝向高频侧呈凹曲线状地行波功率减少。(b)、(c)的输出极限值从基准频率ωo在低频侧成为固定值，从基准频率ωo在高频侧，朝向频率端ω+呈凹曲线状地输出极限值减少。(b)的例子表示减少特性缓慢的例子，(c)的例子表示减少特性陡峭的例子。

图22的(d)的高频放大器的开环特性从截止频率朝向高频侧呈凸曲线状地行波功率减少。(d)的输出极限值从基准频率ωo在低频侧成为固定值，从基准频率ωo在高频侧，朝向频率端ω+呈凸曲线状地输出极限值减少。

此外，上述实施方式以及变形例中的记述是本发明的高频电源的一例，本发明并不限定于各实施方式，能够基于本发明的主旨进行各种变形，并不将它们从本发明的范围排除。

产业上的利用可能性

本发明的高频电源装置除了应用于向等离子体产生装置供给功率的电源以外，还能够用于脉冲激光激励、放电加工机等向负载供给脉冲输出的电源装置。

符号说明

1 高频电源装置

2 直流电源

3 高频放大器

4 高频传感器

5 匹配器

6 负载

7 变压器

8 高频滤波器

10 控制器

10A 输出控制部

10B 阻抗匹配控制部

10C 驱动控制部

10AA 输出控制部

10AB 极限控制部

10Aa 输出控制部

10Ab 输出极限值控制部

10Ba 频率控制部

10Bb 频率极限值控制部

10Ca 保持电路

10Cb 控制值误差放大电路

10Cc 驱动电路

10Ab-c～10Ab-h 运算部

10Ab-2～10Ab-3 运算部

10a 行波功率指令值

10b 负载功率指令值

10c 输出(Vpp)电压极限值

10d 行波功率极限值

10e 反射波功率极限值

10f 直流电压极限值

10g 直流电流极限值

10h 损失功率极限值

FWD 行波功率

FWD-CO 行波功率指令值

FWD-BF 行波功率反馈值

FWD-limit 行波功率极限值

FWDmonitor 行波功率监视值

Idc-CO 直流电流指令值

Idc-FB 直流电流反馈值

Loss-limit 损失功率极限值

Loss-CO 负载功率指令值

Loss 损失功率

Pcommand1 输出指令值

Pcommand2 输出指令值

Pdc-FB 直流电源功率的反馈值

Plimit 上限值

Pout 输出

REF 反射波功率

REF-CO 反射波功率指令值

REF-BF 反射波功率反馈值

REFmonitor 反射波功率监视值

Vdc-CO 直流电压指令值

Vdc-FB 直流电压反馈值

Vpp 输出电压

Vpp-CO 输出电压指令值

Vpp-FB 输出电压反馈值

Γ 反射系数

Δ差分

Δhigh 预定频率宽度量

Δlow 预定频率宽度量

ΔFWD 差分

ΔFWDset 阈值

ΔREF 差分

ΔREFset 阈值

ω 控制频率

ωo 基准频率。

Claims (10)

1.一种高频电源装置的控制方法，所述高频电源装置向负载供给高频功率，其特征在于，

所述控制方法具备：

输出控制，基于输出指令来控制高频放大器的输出，所述高频放大器通过直流-交流变换来输出高频功率；以及

阻抗匹配控制，将所述高频放大器与负载之间的阻抗进行匹配，

所述阻抗匹配控制具备：

(A)频率控制，基于所述高频放大器的反馈信号使控制频率变动来进行阻抗匹配；以及

(B)频率极限值控制，决定用于规定所述频率控制的频率范围的频率极限值，

(C)所述频率控制在由所述频率极限值控制决定的频率极限值的频率范围内对所述高频放大器的频率进行控制。

2.根据权利要求1所述的高频电源装置的控制方法，其特征在于，

所述输出控制具备：(D)输出极限值控制，在所述频率范围内决定用于限制输出的输出极限值，

(E)通过将由所述输出极限值控制决定的输出极限值设为上限的输出指令值来控制所述高频放大器的输出，

(F)所述输出控制与所述阻抗匹配控制是分别独立的控制。

3.根据权利要求1或2所述的高频电源装置的控制方法，其特征在于，

所述输出指令是向负载供给的有效的负载功率即LOAD功率或从高频电源装置向负载供给的行波功率。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的高频电源装置的控制方法，其特征在于，

在连续的控制过程中，所述输出控制在多个阶段自由切换所述输出指令的指令值。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的高频电源装置的控制方法，其特征在于，

在所述输出极限值控制中，在所述高频放大器的输出指令值超过了输出极限值时，将输出指令值置换为输出极限值来限制输出指令值。

6.根据权利要求2至5中的任一项所述的高频电源装置的控制方法，其特征在于，

所述反馈信号是所述高频放大器的行波功率、反射波功率、输出电压、直流电压、直流电流中的至少任意一个信号，

所述输出极限值是分别与各所述反馈信号对应地设定的行波功率极限值、反射波功率极限值、输出电压极限值、直流电压极限值、直流电流极限值和/或损失功率极限值，

在各控制频率中，在所述输出指令值超过输出指令极限值时，将所述输出指令值限制为该输出极限值，根据被限制的输出指令值来控制高频放大器的输出。

7.根据权利要求2至6中的任一项所述的高频电源装置的控制方法，其特征在于，

所述输出极限值的频率特性相对于所述频率范围内的基准频率对称。

8.根据权利要求2至6中的任一项所述的高频电源装置的控制方法，其特征在于，

所述输出极限值的频率特性相对于所述频率范围内的基准频率非对称，

所述非对称是与高频放大器的放大的频率特性以及负载阻抗的频率特性对应的频率特性。

9.一种高频电源装置，其向负载供给高频功率，其特征在于，所述高频电源装置具备：

高频放大器，其输出所述高频功率；

输出控制部，其对所述高频放大器的输出进行输出控制；以及

阻抗匹配控制部，其将所述高频放大器与负载的阻抗进行匹配，

所述阻抗匹配控制部具备：

(a)频率控制部，其通过基于所述高频放大器的反馈信号的频率控制使控制频率变动来进行阻抗匹配；以及

(b)频率极限值控制部，其决定用于规定所述频率控制的频率范围的频率极限值，

所述频率控制部进行如下控制：

(c)在由所述频率极限值控制部决定的频率极限值的频率范围内对所述高频放大器的频率进行控制。

10.根据权利要求9所述的高频电源装置，其特征在于，

所述输出控制部具备：

(d)输出极限值控制，其在所述频率范围内决定用于限制所述输出控制部的输出控制值的输出极限值，

(e)通过将由所述输出极限值控制决定的输出极限值设为上限的输出指令值来控制所述高频放大器的输出，

所述输出控制部和所述阻抗匹配控制部是(f)分别独立的控制。

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