JP2005318714A - 電力供給装置 - Google Patents
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Abstract
【構成】 直流電源と、負荷装置と並列に接続された短絡用半導体スイッチと、負荷装置の異常放電を検出する異常放電検出回路と、異常放電検出信号により短絡用半導体スイッチをオン、オフさせる駆動回路とを備え、異常放電の発生時に短絡用半導体スイッチをオンさせて、負荷装置を短絡する機能を有する電力供給装置において、短絡用半導体スイッチを流れる電流が、定格電流の10%以下に低下するときに、短絡用半導体スイッチをオフさせる。
【選択図】 図1
Description
また、電子ビーム蒸着装置では放電エネルギーによってフィラメントが断線する原因となる。
スパッタリング装置などの真空装置におけるこれらの異常放電対策としては、異常放電が発生するときに、真空装置を短絡して、直流電源内部のフィルタ用のコンデンサや、フィルタ用のインダクタなどが有するエネルギーを真空装置から側路し、処理中の液晶などの基板材料の損傷を防止するものがある(特許文献1参照)。
第3の発明は、前記第1の発明において、前記短絡用半導体スイッチを流れる電流を検出する電流検出器を備え、該電流検出器で検出された電流が定格電流の10%以下に低下するときに、前記短絡用半導体スイッチをオフさせることを特徴とする電力供給装置を提供するものである。
第4の発明は、前記第1の発明ないし前記第3の発明のいずれかにおいて、前記負荷装置の両端の負荷電圧が設定電圧を越えているときには、前記短絡用半導体スイッチをオンさせない電圧インターロック回路を備えることを特徴とする電力供給装置を提供するものである。
第6の発明は、前記第1の発明ないし前記第5の発明のいずれかにおいて、前記直流電源は、制御可能なインバータ回路と、該インバータ回路の交流出力を整流する整流器と、インダクタとコンデンサとの双方又はいずれか一方とを備えることを特徴とする電力供給装置を提供するものである。
第7の発明は、前記第6の発明において、前記直流電源は、出力電流を検出する電流検出器と、前記出力電流の過電流時に前記インバータ回路を停止させる過電流検出遮断回路とを有することを特徴とする電力供給装置を提供するものである。
第9の発明は、前記第1の発明ないし前記第8の発明のいずれかにおいて、前記異常放電検出回路は、前記負荷電圧の検出電圧が低下するときに異常放電の発生と判定するか、あるいは前記負荷装置を流れる負荷電流が設定値よりも増大する場合に異常放電の発生と判定するか、若しくは前記負荷電圧が設定値よりも低下するときに異常放電の発生と判定するか又はこれらを組み合わせて判定するか、又は前記負荷電流が急激に増大、前記負荷電圧が急激に減少することによって、それらの変化率(1回微分)が設定値よりも大きな場合には異常放電の発生と判定するか、更には、前記負荷電流を2回微分した値が設定値よりも大きな場合には、異常放電発生の直前の状態であることを検出して異常放電の発生を予知するかのいずれかであることを特徴とする電力供給装置を提供するものである。
第10の発明は、前記第9の発明において、前記異常放電検出回路は、前記直流電源から前記負荷装置に向かう電流が流れる1次巻線と該1次巻線に電磁的に結合された2次巻線とを有するインダクタと、該2次巻線の両端に発生する電圧と基準電圧とを比較して、該2次巻線に発生する電圧が前記基準電圧以上になるときに、異常放電の発生を示す信号を出力するコンパレータとを備えることを特徴とする電力供給装置を提供するものである。
第12の発明は、請求項11において、前記負荷逆バイアス用電源は、前記短絡用半導体スイッチと直列に接続されたコンデンサと、該コンデンサと並列で、前記短絡用半導体スイッチの導通方向と同じ向きに接続されたダイオードと、前記コンデンサを充電する充電用電源とからなる電力供給装置を提供するものである。
前記第2の発明によれば、短絡用半導体スイッチをオンさせておく所定時間Tをタイマー回路に予め設定しておくだけでよいので、回路の簡素化が図れ、経済的に優位になる。
前記第3の発明によれば、短絡用半導体スイッチを流れる電流が設定最小値よりも減少した時点で、短絡用半導体スイッチをオフさせているので、個々の回路のインピーダンスの差異など特性の違い、入力又は出力電圧の変動などがあっても十分に対応できる。
前記第5の発明によれば、短絡用半導体スイッチとして用いられるIGBT又はMOSFETが有するコレクタ又はドレインとゲート間の静電容量の放電をダイオードで防いでいるので、電力損失の低減が図れると共に、誤動作を防ぐこともできる。
前記第6の発明によれば、負荷装置がスパッタリング装置、エッチング装置又は電子ビーム蒸着装置のような真空装置であっても、安定に電力を供給できる。
前記第8の発明によれば、電流検出器を電流制限抵抗としても兼用させているので、別途、電流制限抵抗を接続することなく、直流電源内のエネルギーの消費を行うことができ、短絡用半導体スイッチのオフ時点を早めることができる。
前記第9の発明によれば、種々の異常放電発生の検出、又は予知のやり方を提供することができる。
前記第10の発明によれば、異常放電検出回路の簡素化を図ることができる。
前記第11の発明、第12の発明によれば、低電圧異常放電を消滅させるために短絡用半導体スイッチがオンするときに、負荷装置に逆バイアス電圧を与えて、負荷装置を流れる電流を速やかにゼロにすることができる。また、簡単な回路構成でこのことを実現することができる。
図1によって、本発明の第1の実施形態に係る電力供給装置100について説明する。図1において、商用電源のような交流電源1からの交流電力を所望の直流電力に変換するDC−DCコンバータなどからなる直流電源2の出力端子間には、前述したようなクローバスイッチとして働く短絡用半導体スイッチ3が接続される。この短絡用半導体スイッチ3はIGBT又はMOSFETなどからなり、従来のものと同様である。そして、直流電源1と前記真空装置のような負荷装置4との間には、異常放電検出回路5が接続されている。
なお、定格電流の10%以下であれば、短絡用半導体スイッチ3に簡単な小容量のスナバ回路を付加するだけで、前記インダクタンスによるサージ電圧を吸収することができる。
次に図2により第2の実施形態である電力供給装置200について説明する。図2において、図1で用いた記号と同一の記号は同じ名称の部材を示すものとする。
実施形態2では、短絡用半導体スイッチ3を流れる循環電流を検出する電流検出器9と、電流検出器9により検出される循環電流の電流値が定格電流の10%以下、好ましくは実質的にゼロ近傍まで低下したか否かを識別する判定回路10とを備えている。この電力供給装置200において、短絡用半導体スイッチ3のオン動作、その働きについては、実施形態1と同じであるので説明を省略する。
次に、図3により本発明の第3の実施形態に係るより具体的な構成の電力供給装置300について説明する。電力供給装置300を示す図3において、図1及び図2で用いた記号と同一の記号については同じ部材を示すものとする。
この第3の実施形態は、アーク放電のような異常放電の発生確率が低いことに着目し、最低限の電力損失とコストで最大の信頼性を得ることのできる電力供給装置を提供するものである。
直流電源2は、交流電源1からの交流電源を整流し、平滑する整流・平滑回路2A、直流電圧を高周波交流電圧に変換する一般的なインバータ回路2B、昇圧用トランス2C、整流回路2D、フィルタを構成するコンデンサ2Eとインダクタ2F、及びインバータ回路2Bを制御する制御回路2Gで構成されている。
この放電電流iは、抵抗器5Bを図示矢印方向に流れ、抵抗器5Bの両端の電圧の極性を反転する。抵抗器5Bには、接地からみて正極性の電圧が発生する。判別回路5Dは、検出電圧の極性が反転したことを検出すると、異常放電が発生したと判定し、異常放電検出信号を駆動回路6のタイマー部7に出力する。
しかし、その後直ぐに短絡用半導体スイッチ3がオンし、インバータ回路2Bがオフするので、直流電源1の内部コンデンサ2Eのエネルギー、インダクタ2Fのエネルギーの大部分は、短絡用半導体スイッチ3、直流電源1の整流回路2Dを通して循環し、それらの回路損失で消費される。
また、短絡用半導体スイッチ3の両端間に高電圧が発生しないので、すぐにアーク放電のような異常放電が再発することもない。したがって、この実施形態では、アーク放電のような異常放電の発生確率が低いことに着目し、最低限の電力損失、コストでもって、最大の信頼性を得ることのできる電力供給装置を実現できる。
信号絶縁回路8’Aを介してタイマー部7から前記所定時間Tの幅を有する正のパルス信号が印加されると、ハイサイドのNPNトランジスタ8’Bがオン、ローサイドのPNPトランジスタ8’Cはオフであり、駆動電源電圧の15VがIGBT3のゲート端子に印加され、IGBT3がオンする。
次に、前記所定時間Tの経過に伴ってパルス信号が無くなり、NPNトランジスタ8’Bがオフ、PNPトランジスタ8’Cがオンし、IGBT3のゲート端子の電圧は0Vとなって、IGBT3がオフする。
次に、図6によって本発明の第4の実施形態である電力供給装置400について説明する。図6において、図4で用いた記号と同一の記号は同じ部材を示すものとする。第4の実施形態は、異常放電検出回路5の有効な回路構成の一例を示すものである。
異常放電検出回路5は、直流電源2の出力端子に直列に接続され、直流電源2から負荷装置へ向かう電流が流れる1次巻線n1とこの1次巻線n1に電磁的に結合された2次巻線n2とを有するインダクタ5Gと、2次巻線n2に直列に接続されたダイオード5Hと、2次巻線n2の両端の電圧とほぼ等しい電圧がかかる抵抗5Iと、基準電圧を発生する基準電圧源5Jと、抵抗5Iの電圧と前記基準電圧とを比較して、抵抗5Iの電圧が前記基準電圧よりも高いときにHレベルの信号を出力するコンパレータ5Kとからなる。コンパレータ5KのHレベルの出力信号は、駆動回路6のタイマー部7に入力される。ここで、インダクタ5Gは第3の実施形態である電力供給装置300における直流電源2のインダクタ2Fに2次巻線を設けたものでも良いし、前記インダクタ2Fとは別途に設けたインダクタであって、負荷電流を安定させるインダクタンスを呈するものであってもよい。
次に、図7によって本発明の第5の実施形態である電力供給装置500について説明する。図7において、図4で用いた記号と同一の記号は同じ部材を示すものとする。この電力供給装置500は、タイマー部7と絶縁駆動信号発生部8’との間に、負荷電圧が定格電圧よりも高い所定の設定電圧値よりも高いときには短絡用半導体スイッチ3をオンさせない電圧インターロック回路12を備える。この電圧インターロック回路12は、例えば、タイマー部7と絶縁駆動信号発生部8’との間に直列接続されているFETのようなスイッチ素子(不図示)、又はタイマー部7と絶縁駆動信号発生部8’との接続点と接地との間に接続されているスイッチ素子(不図示)を備え、負荷電圧の検出電圧が設定電圧値以上のときには、前記スイッチ素子がオフ又はオンして、タイマー部7が出力する信号を遮断し、絶縁駆動信号発生部8’に伝達しない。
したがって、負荷電圧の検出電圧が設定値以上のときには、電圧インターロック回路12の働きによって、絶縁駆動信号発生部8’は駆動信号を発生しない。また、直流電源2は負荷電流を検出する電流検出器2Hを備えると共に、過電流発生時にはインバータ回路2Bを停止させるための過電流検出遮断回路2Iを制御回路2G内に備える。ここで、電流検出器2Hは電流制限を行う電流制限抵抗器を兼用してもよい。
電流検出器2Hが前述のように、電流制限抵抗器を兼ねるものである場合には、短絡用半導体スイッチ3がオンしたときに、フィルタ用のコンデンサ2E、インダクタ2Fのエネルギーを消費するので、短絡用半導体スイッチ3と直流電源2とを循環する電流の減衰が大きく、短時間で短絡用半導体スイッチ3をオフにすることができる。
次に、図8によって本発明の第6の実施形態である電力供給装置600について説明する。図8において、図7で用いた記号と同一の記号は同じ部材を示すものとする。以上の実施形態で説明したように、異常放電検出回路5によって異常放電が発生したことが検出されたとき、又は異常放電の発生が予知されたときには、駆動回路6が短絡用半導体スイッチ3をオンさせるが、一般的に短絡用半導体スイッチ3は数V以上の順方向ドロップを有するので、短絡用半導体スイッチ3がオンした状態でも、負荷装置4の両端の電圧は短絡用半導体スイッチ3の順方向ドロップとダイオード11の順方向ドロップとの和の電圧に等しい電圧値、例えば10V以下には低下しない。そして、短絡用半導体スイッチ3のオンによって通常の異常放電が消滅するとはいえ、その直後には異常放電によって生成されたイオンが残留しているので、負荷は未だ比較的低インピーダンス状態にあり、10V程度の電圧では低電圧異常放電を消滅できない可能性もある。実施形態6ではこの低電圧異常放電電圧を速やかに反転することを目的にしている。
2…直流電源
2A…整流・平滑回路
2B…インバータ回路
2C…トランス
2D…整流回路
2E…コンデンサ
2F…インダクタ
2G…インバータ回路2Bの制御回路
2H…電流検出器
2I…過電流検出遮断回路
3…短絡用半導体スイッチ
4…負荷装置
5…異常放電検出回路
5A、5B…負荷電圧検出用の抵抗器
5C…負荷電圧検出用のコンデンサ
5D…判別回路
5G…1次巻線n1と2次巻線n2とを有するインダクタ
5J…基準電圧源
5K…コンパレータ
6…短絡用半導体スイッチ3の駆動回路
7…タイマー部(回路)
8…駆動信号発生部
8′…絶縁駆動信号発生部(回路)
9…短絡用半導体スイッチ3の電流検出器
10…判定回路
11…ダイオード
12…電圧インターロック回路
21…コンデンサ
22…ダイオード
24…充電用電源
Claims (12)
- 負荷装置と、該負荷装置に給電を行う直流電源と、前記負荷装置と並列に接続された短絡用半導体スイッチと、前記負荷装置の異常放電を検出する異常放電検出回路と、該異常放電検出回路からの異常放電検出信号により前記短絡用半導体スイッチをオン、オフさせる駆動回路とを備え、前記異常放電の発生時、又は異常放電の発生を予知したときには前記短絡用半導体スイッチをオンさせて、前記負荷装置を短絡する機能を有する電力供給装置であって、
前記短絡用半導体スイッチがオン状態にあるとき、前記短絡用半導体スイッチを流れる電流が、定格電流の10%以下に低下するときに、前記駆動回路は前記短絡用半導体スイッチをオフさせることを特徴とする電力供給装置。 - 請求項1において、
前記短絡用半導体スイッチがオンしてから、前記短絡用半導体スイッチを流れる電流が、前記定格電流の10%以下に低下するまでの所定時間Tを予め求めてタイマー部に設定しておき、前記所定時間Tが経過するときに前記短絡用半導体スイッチをオフさせることを特徴とする電力供給装置。 - 請求項1において、
前記短絡用半導体スイッチを流れる電流を検出する電流検出器を備え、該電流検出器で検出された電流が定格電流の10%以下に低下するときに、前記短絡用半導体スイッチをオフさせることを特徴とする電力供給装置。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかにおいて、
前記負荷装置の両端の負荷電圧が設定電圧を越えているときには、前記短絡用半導体スイッチをオンさせない電圧インターロック回路を備えることを特徴とする電力供給装置。 - 請求項1ないし請求項4のいずれかにおいて、
前記短絡用半導体スイッチはIGBT又はFETであり、該IGBT又はFETのコレクタ又はドレインとゲートとの間の静電容量の放電を防止するダイオードを前記コレクタ又はドレインと直列に接続したことを特徴とする電力供給装置。 - 請求項1ないし請求項5のいずれかにおいて、
前記直流電源は、制御可能なインバータ回路と、該インバータ回路の交流出力を整流する整流器と、インダクタとコンデンサとの双方又はいずれか一方とを備えることを特徴とする電力供給装置。 - 請求項6において、
前記直流電源は、出力電流を検出する電流検出器と、前記出力電流の過電流時に前記インバータ回路を停止させる過電流検出遮断回路とを有することを特徴とする電力供給装置。 - 請求項7において、
前記電流検出器は、電流制限抵抗をも兼ねるものであり、前記短絡用半導体スイッチがオンするときに、前記インダクタとコンデンサとの双方又はいずれか一方のエネルギーを消費することを特徴とする電力供給装置。 - 請求項1ないし請求項8のいずれかにおいて、
前記異常放電検出回路は、前記負荷電圧の検出電圧が低下するときに異常放電の発生と判定するか、
あるいは前記負荷装置を流れる負荷電流が設定値よりも増大する場合に異常放電の発生と判定するか、
若しくは前記負荷電圧が設定値よりも低下するときに異常放電の発生と判定するか又はこれらを組み合わせて判定するか、
又は前記負荷電流が急激に増大、前記負荷電圧が急激に減少することによって、それらの変化率(1回微分)が設定値よりも大きな場合には異常放電の発生と判定するか、
更には、前記負荷電流を2回微分した値が設定値よりも大きな場合には、異常放電発生の直前の状態であることを検出して異常放電の発生を予知するかのいずれかであることを特徴とする電力供給装置。 - 請求項9において、
前記異常放電検出回路は、前記直流電源から前記負荷装置に向かう電流が流れる1次巻線と該1次巻線に電磁的に結合された2次巻線とを有するインダクタと、該2次巻線の両端に発生する電圧と基準電圧とを比較して、該2次巻線に発生する電圧が前記基準電圧以上になるときに、異常放電の発生を示す信号を出力するコンパレータとを備えることを特徴とする電力供給装置。 - 負荷装置と、該負荷装置に給電を行う直流電源と、前記負荷装置と並列に接続された短絡用半導体スイッチと、前記負荷装置の異常放電を検出する異常放電検出回路と、該異常放電検出回路からの異常放電検出信号により前記短絡用半導体スイッチをオン、オフさせる駆動回路とを備え、前記異常放電の発生時、又は異常放電の発生を予知したときには前記短絡用半導体スイッチをオンさせて、前記負荷装置を短絡する機能を有する電力供給装置であって、
前記短絡用半導体スイッチと直列に前記直流電源とは逆極性の負荷逆バイアス用電源を接続し、前記短絡用半導体スイッチがオンするときに前記負荷逆バイアス用電源の電圧を前記負荷装置に印加することによって、異常放電を速やかに終止させることを特徴とする電力供給装置。 - 請求項11において、
前記負荷逆バイアス用電源は、前記短絡用半導体スイッチと直列に接続されたコンデンサと、該コンデンサと並列で、前記短絡用半導体スイッチの導通方向と同じ向きに接続されたダイオードと、前記コンデンサを充電する充電用電源とからなることを特徴とする電力供給装置。
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